Контрольно-измерительные приборы для анализа газов: виды и применение

Контрольно-измерительные приборы (КИП) - это устройства, предназначенные для получения информации об изменениях параметров среды, таких как вода, воздух и другие. Полученные данные используются операторами или автоматизированными системами управления для оценки состояния и динамики изменений характеристик объекта, параметры которого измеряются.

Также производятся контрольно-измерительные приборы для замеров степени влажности, плотности и состава различных газообразных веществ.

Одной из важнейших характеристик любых контрольно-измерительных приборов является их чувствительность. Приборы с высокой степенью чувствительности могут отобразить самые незначительные колебания измеряемых параметров.

Несмотря на различия сфер применения, характерные особенности и ценовой диапазон, все контрольно-измерительные приборы имеют общие конструктивные части:

• Первичный преобразователь (ПП): преобразует входной сигнал.
• Чувствительный элемент (ЧЭ): регистрирует колебания измеряемых параметров среды и передает данные на ПП.
• Датчик: это первичный преобразователь, фиксирующий изменения чувствительного элемента и передает информацию в форме электрического сигнала.
• Вторичный преобразователь (ВП): принимает сигнал от первичного преобразователя и выдает его оператору в заданном им виде.

При подборе КИП нужно четко знать, какие задачи и в каких условиях он будет выполнять.

Сейчас выпускается огромное количество разновидностей подобных приборов для работы в самых разных сферах и условиях. Они отличаются по назначению, исполнению и характеристикам, и классифицируются по ряду параметров.

По типу отображения информации КИП делятся на:

• Показывающие: отображают значение измеряемого параметра только в момент измерения.
• Самопишущие: записывают измеряемые значения на бумажный, дисковый или ленточный носитель для сохранения и последующего анализа.
• Сигнализирующие: отображают сигнал при отклонении измеряемого параметра от заданных величин.
• Регулирующие: автоматически поддерживают заданный уровень измеряемого параметра.
• Комбинированные: одномоментно отображают и записывают значение измеряемого параметра и содержат дополнительные компоненты для регулировки, сигнализации, передачи показаний на расстояние.
• Интегрирующие: измеряют суммарное значение какой-либо физической величины, например, расход.

По сфере применения:

• Бытовые устройства: применяются в домашних целях и в быту.
• Общепромышленные: применяются в различных отраслях производства и ЖКХ.
• Интерфейсные: обеспечивают взаимодействие между компонентами системы автоматизации или между системой автоматизации и оператором.

По типу подключения:

• Двухпроводная схема.
• Трехпроводная схема.
• Четырехпроводная схема.

Примерами КИП с наружным монтажом являются термометры, манометры, расходомеры, уровнемеры, датчики давления и другие устройства. Они используются для сбора данных о параметрах процесса, таких как измерение температуры воды в системе отопления или контроль давления в трубопроводе.

Системы автоматизации сейчас применяются практически во всех сферах производства, быта и услуг.

Все КИП должны подвергаться государственной или ведомственной периодической поверке и быть в постоянной готовности к выполнению измерений. Готовность обеспечивается метрологическим надзором. Метрологический надзор заключается в осуществлении постоянного наблюдения за состоянием, условиями работы и правильностью показаний приборов, осуществлении их периодической проверки, изъятии из эксплуатации пришедших в негодность и не прошедших проверки приборов.

КИП должны устанавливаться непосредственно у места замера или на специальном приборном щитке. КИП присоединяют к газопроводам стальными трубами. Импульсные трубки соединяют сваркой или резьбовыми муфтами.

Газоанализаторы: виды и принципы работы

Контроль состава воздуха в различных условиях - от промышленных объектов до жилых помещений - представляет собой важную задачу, напрямую связанную с безопасностью, здоровьем и эффективностью работы оборудования. Они позволяют оперативно обнаруживать опасные или вредные примеси, оценивать состав технологических выбросов, а также следить за качеством воздуха в замкнутых пространствах.

Газоанализаторы предназначены для количественного и качественного определения содержания различных газов в воздухе или технологических средах. Они помогают выявлять утечки токсичных, взрывоопасных или инертных газов, а также контролировать уровень кислорода и углекислого газа.

Пример газоанализатора

Сфера использования газоанализаторов широка и охватывает как промышленный, так и бытовой сегмент. В промышленных условиях приборы необходимы для обеспечения безопасности и контроля технологических процессов на предприятиях химической, нефтегазовой, металлургической, энергетической и пищевой промышленности. В коммунальном хозяйстве газоанализаторы используются для контроля состояния вентиляции, выявления утечек бытового газа и оценки состояния воздуха в подвальных и технических помещениях. В медицине приборы находят применение в системах анестезии и вентиляции легких, а также в лабораторной диагностике.

Современные газоанализаторы классифицируются по различным признакам: назначению, функциональным возможностям, конструктивному исполнению и другим. Одна из ключевых характеристик - принцип работы сенсора, на котором основано определение конкретного газа в измеряемой среде.

Основные типы сенсоров, используемых в газоанализаторах:

• Электрохимические амперометрические сенсоры: В электрохимическом амперометрическом сенсоре определяемый газ окисляется или восстанавливается непосредственно на поверхности чувствительного электрода или в объеме слоя раствора около него. Проходящий ток через электрохимическую цепь в результате протекания электрохимической реакции, пропорционален объемной доли определяемого газа. Важно отметить, что рабочие характеристики электрохимического сенсора сохраняются долго при работе в достаточно влажной газовой среде.
• Каталитические сенсоры: Газоанализаторы с каталитическими сенсорами часто применяются для обнаружения горючих газов, таких как метан, пропан и водород, а также паров органических соединений. Принцип работы основан на окислении газа на катализаторе, в результате чего повышается температура каталитического элемента и изменяется его электрическое сопротивление пропорционально концентрации горючего газа. Это изменение фиксируется электрической схемой и преобразуется в выходной сигнал.
• Оптические сенсоры: В зависимости от типа оптических сенсоров их действие основано на принципах поглощения излучения, отражения падающего светового потока, люминесценции. В таких измерениях используются зависимости оптических свойств анализируемых газовых сред от концентраций определяемых газов. В ИК-сенсорах концентрацию газа определяют по степени поглощения инфракрасного излучения на определенной длине волны. Это один из основных методов определения углекислого газа в газовых средах.
• Полупроводниковые оксидные сенсоры: При сорбции определяемого газа, который каталитически взаимодействует с хемосорбированным кислородом, проводимость приповерхностной области полупроводникового оксида металла значительно изменяется. Основной вклад в проводимость полупроводниковых оксидных сенсоров вносит баланс по кислороду, что ограничивает их избирательность. Скорость этих процессов и их обратимость зависят от температуры, которая должна быть порядка нескольких сотен градусов.

Все методы, применяемые в газовом анализе, имеют свои преимущества и ограничения, поэтому выбор газоанализатора зависит от поставленных задач, включая:

• Тип контролируемого газа.
• Условия эксплуатации.
• Требования к точности и чувствительности.
• Формат прибора.

Как выбрать газоанализатор для дома и промышленности

Газоанализаторы играют ключевую роль в обеспечении безопасности и контроля качества воздуха во многих сферах деятельности.

Дополнительные типы контрольно-измерительных приборов

Жидкостные манометры используют для замера избыточных давлений в пределах до 0,1 МПа. Для давлений до 10 МПа манометры заполняют водой или керосином (при отрицательных температурах), а при измерении более высоких давлений - ртутью. К жидкостным манометрам относятся и дифференциальные манометры (дифманометры).

Дифференциальный манометр ДТ-50, Толстостенные стеклянные трубки прочно закрепляют в верхней и нижней стальных колодках. Вверху трубки присоединяют к камерам-ловушкам, предохраняющим трубки от выброса ртути в случае повышения максимального давления. Там же расположены игольчатые вентили, с помощью которых можно отключать стеклянные трубки от измеряемой среды, продувать соединительные линии, а также выключать и включать дифманометр.

Дифференциальный манометр ДТ-50

Манометр с одновитковой трубчатой пружиной: Изогнутая пустотелая трубка, закреплена нижним неподвижным концом к штуцеру, с помощью которого манометр присоединяют к газопроводу. Второй конец трубки запаян и шарнирно связан с тягой. Давление газа через штуцер передается на трубку, свободный конец которой через тягу вызывает перемещение сектора, зубчатого колеса и оси. Пружинный волосок обеспечивает сцепление зубчатого колеса и сектора и плавность хода стрелки. Перед манометром устанавливают отключающий кран, позволяющий при необходимости снять манометр и заменить его.

Манометр с одновитковой трубчатой пружиной

Манометры в процессе эксплуатации должны проходить государственную поверку один раз в год.

Самопишущий манометр с многовитковой пружиной: Пружина выполнена в виде сплюснутой окружности диаметром 30 мм с шестью витками. Вследствие большой длины пружины ее свободный конец может перемещаться на 15 мм (у одновитковых манометров - только на 5-7 мм), угол раскручивания пружины достигает 50-60°. Такое конструктивное исполнение позволяет применять простейшие рычажные передаточные механизмы и осуществлять автоматическую запись показаний с дистанционной передачей. При подключении манометра к измеряемой среде свободный конец пружины рычага будет поворачивать ось, при этом перемещение рычагов и тяги будет передаваться оси. На оси закреплен мостик, который соединен со стрелкой. Изменение давления и перемещение пружины через рычажный механизм передаются стрелке, на конце которой установлено перо для записи измеряемой величины давления.

Самопишущий манометр с многовитковой пружиной

Поплавковые дифференциальные манометры. Широкое распространение в газовом хозяйстве нашли поплавковые дифманометры и сужающие устройства. Сужающие устройства (диафрагмы) служат для создания перепада давления. Они работают в комплекте с дифманометрами, измеряющими создаваемый перепад давления. За счет разности давлений Δp = pст1 - pст2 ртуть, находящаяся в дифманометре, перемещается из поплавковой камеры в стакан. Вследствие этого расположенный в поплавковой камере поплавок опускается и перемещает ось, с которой связаны стрелки прибора, показывающего расход газа. При установке в газопроводе центр отверстия диафрагмы должен совпадать с центром газопровода. Отверстие диафрагмы со стороны входа газа выполняют цилиндрической формы с коническим расширением к выходу потока. Диаметр входного отверстия диска определяют расчетным путем. Нормальные диафрагмы могут применяться для газопроводов с диаметром от 50 до 1200 мм при условии 0,05 < m < 0,7. Нормальные диафрагмы могут быть двух видов: камерные и дисковые. При наличии расхода газа и перепада давления часть ртути из камеры выжимается в стакан. Это вызывает перемещение поплавка и соответственно стрелки, указывающей расход газа, и пера, отмечающего на диаграмме величину перепада давления. Диаграмма приводится в движение от часового механизма и делает один оборот в сутки. Шкала диаграммы, разделенная на 24 части, позволяет определить расход газа за 1 ч.

Поплавковые дифференциальные манометры

Силъфонные дифманометры предназначены для непрерывного измерения расхода газа. Действие прибора основано на принципе уравновешивания перепада давления силами упругих деформаций двух сильфонов, торсионной трубки и винтовых цилиндрических пружин. Пружины - сменные, их устанавливают в зависимости от измеряемого перепада давлений. Сильфонный блок состоит из сообщающихся между собой сильфонов, внутренние полости которых заполнены жидкостью. Жидкость состоит из 67% воды и 33% глицерина. Сильфоны связаны между собой штоком 8. Под действием более высокого давления левый сильфон сжимается, вследствие чего жидкость, находящаяся в нем, через дроссель перетекает в правый сильфон.