Газоанализаторы. Хроматографические газоанализаторы

Хроматографические газоанализаторы предназначены для анализа многокомпонентных газовых смесей, состава жидкостей и твердых тел. Хроматографы являются приборами периодического действия, более сложными по устройству, чем рассмотренные газоанализаторы.

Процесс измерения в этих приборах распадается на две стадии: хроматографическое разделение газовой смеси на отдельные компоненты и идентификация (детектирование) компонентов, включающая качественный и количественный их анализ. Хроматографическое разделение смеси на отдельные компоненты, открытое в 1903 г. М.С. Цветом, осуществляется за счет различной скорости движения газов вдоль слоя сорбента, обусловленной характером внешних и внутренних межмолекулярных взаимодействий.

Принципиальные схемы хроматографа и разделения смеси газов в колонке представлены на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема газового хроматографа :

1 — баллон; 2 — регулятор; 3 — дозатор; 4 — разделительная колонка; 5 — терморегулятор; 6 — детектор; 7 — регистрирующий прибор; 8,9 — микропроцессорное и цифропечатающее устройств

Из баллона 1 газ-носитель поступает в хроматограф. Для поддержания в процессе работы постоянной скорости газа-носителя используется регулятор 2, содержащий редуктор, манометр и измеритель расхода газа.

В газ-носитель дозатором 5 периодически вводится проба анализируемого газа. В разделительной колонке 4, заполненной твердым или жидким сорбентом, анализируемая смесь разделяется на компоненты. Вдоль слоя сорбента с большей скоростью движутся наименее сорбируемые газы. Поэтому в пробе смеси газов (рис. 1, б), содержащей три компонента А, В и С, первым выносится наименее сорбируемый газ А, а последним — хорошо сорбируемый С

После разделения каждый компонент с газом-носителем образует бинарную смесь, анализ которой может быть произведен различными методами, в том числе рассмотренными выше и реализуемыми в детекторе 6. Поскольку в процессе измерения свойства газа-носителя могут меняться, при пропускании последнего через детектор фиксируются изменения его свойств, вызванные присутствием компонента анализируемой смеси.

Для улучшения разделения компонентов температурный режим колонки может меняться с помощью терморегулятора 5 с программным управлением. Выходной сигнал детектора 6 подается на регистрирующий прибор 7, микропроцессорное 8 и цифропечатающее 9 устройства. На диаграмме самопишущего прибора 7 выход каждого из компонентов сопровождается пиком, площадь которого зависит от концентрации этого газа. График, фиксирующий выход компонентов, называют хроматограммой. Использование микропроцессорного измерительного устройства с соответствующим интерфейсом обеспечивает автоматический анализ хроматографического разделения и позволяет ввести информацию о составе газов в АСУ ТП.

Хроматаграмма (рис. 2) является носителем как качественной информации о виде компонентов смеси, так и количественной — об их концентрации.

Рис. 2. Хроматограмма разделения смеси трех компонентов

N = 5,545 (t R /τ 0,5 ) 2 = 5,545(l/μ 0,5 ) 2

Эффективность разделения двух компонентов газовой смеси определяет такой показатель, как степень разделения

Порог чувствительности хроматографа рассчитывается по формуле Δ = 2acVu/(QS), где цифра 2а — удвоенная амплитуда высокочастотных колебаний нулевой линии хроматографа; с — концентрация определяемого компонента; V— объем дозы; и — скорость движения диаграммной ленты; Q — расход газа через детектор; S — площадь пика хроматограммы. Порог чувствительности может быть рассчитан и по другому определяющему параметру-высоте пика.

Хроматографическое разделение сложный процесс, составляющими которого являются сорбция, десорбция, диффузия. Последняя, сопровождая процесс разделения, вызывает размытие пиков и ухудшает качество разделения.

Особенность хроматографического метода анализа — влияние на результаты измерения большого числа взаимосвязанных параметров:

1) характеризующих работу разделительной колонки (длина, диаметр, форма), материал колонки, природа сорбента, его пористость, зернение, характер набивки, толщина жидкой пленки, температурный режим колонки;

2) связанных с газом носителем: природа и наличие примесей, скорость и давление;

Источник

Газоанализаторы — что это такое и зачем они нужны

Газоанализаторы, основанные на физико-химическом и физическом методах.

В зависимости от физики использованного процесса, приборы 2-ой группы подразделяются на:

Хроматографические газоанализаторы

Данный тип приборов предназначен для измерения состава смеси газов, твердых тел или жидкости. Принцип действия хроматографического анализатора заключается в индикации качественного и количественного состава разделенной газовой смеси.

Существует 3 метода хроматографического измерения:

Термохимические газоанализаторы

Термохимические анализаторы газа – это устройства, определяющие энергию выделяемого тепла при прохождении химической реакции в смеси газов.

Принцип работы

Основной принцип работы – процесс окисления компонентов газа с применением дополнительных катализаторов (марганцево-медный катализатор, мелкодисперсная платина).

Измерение возникающей температуры осуществляется с помощью терморезистора, который в зависимости от температуры, меняет свое сопротивление, тем самым изменяя проходящий ток.

Фотоколориметрические газоанализаторы

Фотоколориметрический анализатор газа – это прибор, использующий оптическую систему (излучатель-приемник), который при помощи уровня поглощенного светового потока веществом определяет его.

Существует 2 разновидности фотоколориметрических газоанализаторов:

Электрохимические газоанализаторы

Данный тип приборов предназначен для определения токсических газов в помещениях или на рабочих зонах. Отличительной чертой данного устройства, является возможность применять его во взрывоопасных зонах. Он компактный, энергосберегающий и практически нечувствителен к механическим воздействиям.

Они способны определять следующие вещества:

По принципу действия они подразделяются на:

В основе работы электрохимических анализаторов газа лежит явление электрохимической компенсации, которое заключается в выделении специального реагента, который реагирует с определенным компонентом смеси.

Физические газоанализаторы

Данные устройства работают благодаря физическим процессам и подразделяются на следующие виды:

Магнитные газоанализаторы

Предназначены для определения процента О2 в смеси газов.

Магнитные анализаторы газа подразделяются на 2 группы:

Данные устройства измеряют силу, которая возникает в неоднородном магнитном поле и воздействует на ротор устройства, и позволяет измерять концентрации в диапазоне 10-2.

Термокондуктометрические газоанализаторы

Данные устройства позволяют определить состав газовой смеси при помощи такой физической величины, как теплопроводность. Принцип действия: при изменении качественного и количественного состава газовой смеси, изменяется теплопроводность и соответственно сопротивления в терморезисторах, в результате чего полученные данные анализируются, и по шаблону определяется состав определенных компонентов газа.

Оптические газоанализаторы

Устройства данной конструкции работают по принципу изменения оптических свойств газовой смеси (оптическая плотность, спектральное излечение, показатель преломления и т.д.).

Данные газоанализаторы могут определять как органические (метан СН4, ацетилен С2Н2, этан С2Н6, и т.д.) так и неорганические (хлор, аммиак, сероводород и т.д.) вещества.

Оптические газоанализаторы подразделяются на:

Принцип действия: определенный газ поглощает инфракрасное излучение с определенной длинной волны, в зависимости от которой устройство ведет расчет.

Виды газоанализаторов

Разновидность газоанализаторов по физическим признакам работы. На сегодняшний день, существует более 10 разновидностей газоанализаторов, которые делятся по физическим признакам осуществления анализа газовой среды.

Но, так таковой, универсальной конструкции не существует, по которой осуществляется замер состава примесей. Для одних подходит определенный физический принцип, а для других он будет неприемлем.

Кстати, прочтите эту статью тоже: Стадии появления нефти на земле

Термокондуктометрический

Может реагировать на теплопроводность смесей. Он производит анализ, на сколько эффективно передаётся температура в газовой среде. Этот прибор подойдёт лишь в том случае, если теплопроводность у примесей и газов значительно отличается между собой.

Пневматический

Предназначен для определения вязкости смеси, которая присуще данному помещению. Они используются тоже на взрывоопасных объектах, так как не имеют электрического компонента. Нет искры, следовательно, не будет газ воспламеняться.

Магнитный

Он подходит для анализа кислорода. Эти приборы используются в тех механизмах, где газовая смесь подлежит сжиганию. Пример индикатора: лямбдазонт. Он находится в выхлопной системе автомобилей, который сейчас актуальны на современном авторынке. Предназначен для определения концентрации кислорода в соотношении выхода выхлопных газов. Служит также для определения на сколько хорошо прогрелось автомобильное топливо. Инфракрасный

Нужны для того чтобы облучать инфракрасными лучами газовую среду. У них есть встроенный взрывозащищенный корпус, так как используется там, где есть взрывоопасные вещества. Его используют для лабораторий и промышленности.

Ионизационный

Проверяет на наличие электропроводимости. Если есть в составе примеси, то электропроводимость отличается. Это фиксируется и отражается в процентах на табло. Он предназначен для газов, которые не воспламеняются.

Ультрафиолетовые

У них такой же принцип, как и у инфракрасных. Но есть отличие в том, что облучают ультрафиолетовыми лучами. Эти приборы могут анализировать интенсивность поглощение среды, с помощью лучей, которые на них направлены.

Люминесцентный

Необходим для того, чтобы определить какие у газов есть люминесцирующие свойства. Они зависят от концентрации этих примесей. Это редкий вид устройств, потому что это наиболее сложный вид. В практике, как правило, используют более простые технологии. Есть и другое оборудование, которые обладает другими физическими принципами. Оно наиболее затратное и требует сложное обслуживание. Оборудование, основанное на химических принципах заправляют определенными химическими реагентами. Они применяются, если есть наличие специфических газов, для которых другие способы не подходят.

Кстати, прочтите эту статью тоже: Твердые горючие ископаемые

Таблица основных преимуществ и недостатков некоторых газоанализаторов

На сегодняшний день наибольшего распространения получили:

Классификация по форм-фактору:

По форм-фактору, устройства можно разделить на на:

Газоанализаторы – это незаменимые устройства, которые используются как на производстве, так и в быту и позволяют определять качественный и количественный состав загрязняющих веществ в рабочей зоне или любом другом помещении, где есть опасные факторы утечки вредных веществ и газов.

Термокондуктометрические датчики

Работа термокондуктометрических газоанализаторов основана на зависимости теплопроводности газовой смеси от наличия различных компонентов, входящих в ее состав.

Измерительная ячейка датчика представляет обычно цилиндрический канал, заполняемый анализируемым газом и выполненный из материала хорошо проводящего тепло. Внутри канала располагается нагревательный элемент, запитанный от источника напряжения.

При заполнении ячейки воздухом и при стабильном значении тока, температура нагревательного элемента будет иметь определенную температуру, при которой количество тепла, полученное элементом, будет равно количеству тепла, отдаваемого им материалу канала вследствие теплопроводности воздуха.

Если вместо воздуха канал будет заполнен газом со значительно отличающейся теплопроводностью, то температура нагревательного элемента измениться, причем, если теплопроводность газа будет больше теплопроводности воздуха, то температура элемента снизится, а если меньше – повысится. Следовательно, измеряя темепературу нагревательного элемента с помощью датчиков температуры, можно судить о процентном содержании в смеси компонентов с определенной теплопроводностью.

Конструктивно чувствительный датчик газоанализатора (рис.3) представляет мостовую схему. Во все четыре плеча моста включены равные по величине платиновые резисторы

Рис.3 Измерительная ячейка термокондуктометрического газоанализатора.

R1 — R4. Резисторы R1и R3 являются рабочими и размещены в каналах, через которые транспортируется анализируемая смесь, а резисторы R2 и R4 – сравнительные и расположены в закрытых каналах, заполненных воздухом.

При протекании через рабочие камеры анализируемой смеси мост разбалансируется, причем величина разбаланса пропорциональна теплопроводности анализируемого компонента и, следовательно, его концентрации, которая фиксируется вторичным прибором 2.

Принцип работы газоанализаторов, использующих термохимические датчики концентрации, основан на измерении повышения температуры нагретой платиновой нити, на поверхности которой происходит каталитическое сгорание горючих компонентов газовой смеси.

Основой измерительной схемы датчика (рис.4) является мост Уитстона, но только в отличие от классической схемы в два плеча встроены терморезисторы R2 и R3: рабочий терморезистор R3 размещен в камере, через которую продувается анализируемая смесь, второй терморезистор R2 является сравнительным и установлен в герметичной камере, заполненной воздухом. В остальные два плеча встроены резисторы R1 и R4 из манганиновой проволоки.

Читать далее: Галогенные лампы для автомобиля увеличенной яркости (Н1, Н4, Н7, Н11): какие лучше, как выбрать и установить

Терморезисторы нагреваются током источника стабилизированного напряжения 1 до температуры, при которой на ее поверхности происходит каталитическое сгорание анализируемого компонента. В результате реакции горения температура терморезистора R3 резко повышается и, как следствие, увеличивается его сопротивление, что нарушает равновесное состояние моста.

Обычно датчики этого типа используются в качестве сигнализаторов при анализе горючих газов на производстве.

Источник

Газоаналитическая аппаратура для станций ГТИ

Газоаналитическая аппаратура (геохимический модуль) станций ГТИ является основной составной частью любой системы геолого-технологических и геолого-геохимических исследований, от технических характеристик которой во многом зависит уровень решения геологических и технологических задач.
Высокая информативность геохимического модуля может быть обеспечена при
— высокой чувствительности хроматографа и суммарного газоанализатора;
— широком спектре измерения углеводородных газов (УВГ);
— необходимом динамическом диапазоне измерения УВГ;
— высокой экспрессности проведения анализов;
— измерении суммарного содержания углеводородных газов непрерывно в функции времени;
— регистрации величины концентраций УВГ с учетом калибровочных коэффициентов и коэффициента дегазации желобного дегазатора;
— возможности регистрации значений УВГ в функции времени и масштабе действующих и исправленных глубин;
— исключении пропуска маломощных нефтегазонасыщенных пластов и пропластков при неблагоприятных геолого-технических условиях;
— высокой степени автоматизации процесса измерения;
— высокой надежности эксплуатации в полевых условиях и простоте в обслуживании.
Учитывая изложенные требования к газоаналитической аппаратуре и разнообразие встречающихся геолого-технических условий проводки скважин различного назначения, в НПФ «Геофизика» разработан и изготовлен целый ряд геохимических модулей:
— хроматографический комплекс ХГ-1ГМ;
— газоаналитический комплекс «АСТРА»;
— газоаналитический комплекс «АСТРА-1»;
— газоаналитический комплекс «АСТРА-2».
Хроматографический комплекс ХГ-1ГМ разработан на базе широко известного хроматографа ХГ-1Г. Необходимость разработки такого комплекса обусловлена тем, что в эксплуатации находятся десятки хроматографов ХГ-1Г, которые, обладая целым рядом преимуществ, имеют и существенные недостатки: низкую автоматизацию процесса управления работой хроматографа, сложность и трудоемкость обработки получаемых данных, устаревшую элементную базу, отсутствие выхода на ПК и т.д.
При разработке комплекса ХГ-1ГМ были поставлены следующие задачи:
— полное управление работой хроматографа персональным компьютером;
— возможность совместной работы с программой регистрации технологических параметров;
— автоматизация процессов анализа УВГ и обработки результатов;
— минимальное изменение в конструкции ХГ-1Г в процессе модернизации;
— возможность дублирования информации на аналоговом регистраторе (аварийный вариант в случае выхода из строя персонального компьютера);
o высокая надежность и простота в эксплуатации.
Структурная схема хроматографического комплекса ХГ-1ГМ показана на рис. 1.

Рис. 1. Хроматографический комплекс ХГ-1ГМ. Структурная схема
Хроматографический комплекс ХГ-1ГМ может измерять до десяти углеводородных компонент (СН4 – С6Н14) с изосоединениями. Время цикла анализа при измерении шести УВГ – не более 100 с. Порог чувствительности по пропану – 110-6 %. Верхний предел измерения концентрации УВГ – 100 %.
Взаимодействие компьютера с хроматографом осуществляется посредством микропроцессорного модуля управления.
Модуль управления соединяется с компьютером через COM-порт и выполняет следующие функции:
— существляет прием управляющих блоков команд с компьютера;
— управляет работой хроматографа по временным циклограммам, содержащимся в принятых командных блоках;
— выполняет преобразование аналогового сигнала, поступающего с детектора хроматографа в цифровой сигнал;
— анализирует величину сигнала, поступающего с детектора, и в зависимости от этого управляет переключением диапазонов масштабируемого усилителя;
— выдает информационные блоки, содержащие данные детектора, временного режима хроматографа, служебные, в порт компьютера;
— индицирует состояние, в котором находится: «ГОТОВ», «РАБОТА»;
— гальванически развязывает силовые каскады;
— независимо от программы «Chrom» выдает на самописец аналоговый сигнал, величина которого выбирается вручную галетным переключателем масштаба.
Хроматографический комплекс ХГ-1ГМ сконструирован таким образом, что после первоначальной установки необходимых значений газовых потоков, режимов нагрева колонок дальнейшая его работа происходит под управлением программы «Chrom» с персонального компьютера.
Программа обладает простым, интуитивно понятным интерфейсом и выполняет:
— калибровку;
— настройку режимов работы;
— настройку параметров цикла анализа;
— расчет концентраций УВ-компонент и суммарной концентрации;
— регистрацию, визуализацию и вывод на печать данных хроматографического анализа газа;
— настройку интерфейса пользователя.
Программа «Chrom» работает под операционными системами Windows 95, Windows 98, Windows NT4, Windows 2000, Windows ХР. Для работы программы рекомендуется 64 Мб памяти и более, процессор Pentium 166 и выше.
Комплекс ХГ-1ГМ может работать в нескольких режимах.
Ручной режим. В этом случае запуск цикла работы хроматографа осуществляется вручную при помощи нажатия кнопки ПУСК на экране монитора.
Непрерывный режим. В этом режиме циклы работы хроматографа следуют друг за другом без остановки и без пропусков. Это самый предпочтительный режим, т.к. отсутствие пропусков между циклами значительно уменьшает вероятность пропусков кратковременных газопроявлений при вскрытии пластов малой мощности.
Временной режим. Для этого режима программно задаётся промежуток времени, через который будет происходить запуск хроматографа.
Режим по метке глубины. В данном режиме хроматограф запускается каждый раз после проходки определённого интервала. После запуска проводятся несколько циклов подряд и сохраняются результаты последнего анализа. Это сделано для того, чтобы хроматограф вошёл в режим (прогрелся) после простоя. Количество разгонок для входа в режим задаётся программно. Интервал по глубине задаётся в программе регистрации технологических параметров бурения скважин. Данные газового анализа автоматически передаются в программу регистрации, которая привязывает их к глубине. Программа регистрации может находиться на том же компьютере, что и программа для хроматографа. Предусмотрен также вариант работы программ на разных компьютерах, в этом случае компьютеры связывают при помощи сетевых карт и сетевого шнура.
Модернизация существующего парка хроматографов ХГ-1Г позволяет без использования значительных финансовых средств перевести газокаротажные исследования на качественно новый уровень.
Применение хроматографического комплекса ХГ-1ГМ в Башкирии и Татарии показало его высокую эффективность, особенно при выявлении в тонкослоистых разрезах маломощных пластов.
Газоаналитический комплекс «АСТРА» разработан для геолого-геохимических станций «Геогаз-1», поставленных в Республику Беларусь, и представляет газокаротажную станцию нового поколения с расширенными функциональными возможностями.
Структурная схема газоаналитического комплекса «АСТРА» показана на рис. 2.

Рис. 2. Газоаналитический комплекс «АСТРА». Структурная схема
Комплекс обеспечивает непрерывный контроль, сбор и регистрацию геохимической и технологической информации, первичную обработку и экспресс-интерпретацию получаемой информации, раннюю диагностику и предупреждение аварийных ситуаций, формирование базы данных, формирование, заполнение и представление заказчику ежесуточных сводок и рапортов.
Комплекс представляет собой аппаратно-программную систему и функционально включает:
• хроматограф;
• суммарный газоанализатор;
• узел контроля технологических параметров бурения.
Хроматограф может работать в следующих режимах:
— автономно, в режиме реального времени (эпизодически и непрерывно);
— с привязкой по глубине (с помощью интегрированного узла технологических параметров);
— с привязкой по времени;
— по команде интегрированного суммарного газоанализатора, при достижении определенного уровня газосодержания, задаваемого программно.

Хроматограф обеспечивает циклическое измерение предельных углеводородных газов: метана, этана, пропана, бутана, пентана, гексана, изосоединений и др. при автоматическом отборе и анализе проходящей газовоздушной смеси. Время выхода пиков и цикла анализа устанавливаются программно. Имеет независимый выход на аналоговый регистратор с возможностью ручной регулировки диапазонов.
Суммарный газоанализатор предназначен для непрерывного измерения суммарной концентрации газов в газовоздушной смеси, извлекаемой из бурового раствора. Газоанализатор оборудован аварийной сигнализацией, которая срабатывает при превышении концентрации в промывочной жидкости на выходе из скважины выше установленного предела, задаваемого программно.

Узел контроля технологических параметров бурения предназначен для сбора информации с технологических датчиков, в т. ч. датчика глубины, датчика давления и др.

Рис. 3. Хроматограмма, получаемая комплексами ХГ-1ГМ, «АСТРА»
Пример выделения нефтенасыщенного пласта в карбонатном разрезе с помощью газоаналитического комплекса «АСТРА» при геолого-технологических исследованиях разведочной скважины Тюменякской площади (Башкирия) показан на рис. 4. Вскрытие пласта в интервале 1440 – 1446 м сопровождалось увеличением суммарного содержания УВГ с 0,0002 до 0,0015 %, изменением относительного содержания метана в ГВС с 10 – 15 до 30 – 40 %, увеличением интенсивности люминесценции шлама и керна, изменением цвета люминесценции.

Источник