Автоматическое определение фтористого водорода в газовых средах



Разработан высокоэффективный полупроводниковый газоанализатор для мониторинга фтористого водорода. Разработанный газоанализатор ГА-HF вполне пригоден для непрерывного автоматического контроля содержания фтористого водорода в газовых средах.

Для обеспечения безопасности работ во многих объектах, в частности, в производстве алюминия, минеральных удобрений, фтора и фторидов металлов, требуется постоянный контроль за содержанием фтористого водорода в воздухе. К таким предприятиям можно отнести также теплоэнергетику, металлургию и др. Поэтому необходимо создать соответствующие условия для контроля за содержанием фтористого водорода, обеспечивающего жизнедеятельность всего живого флоры и фауны и безопасность техники при ее эксплуатации. Решение перечисленных задач возможно при создании надежных сенсоров и газоанализаторов, отвечающих всем необходимым метрологическим характеристикам. Полупроводниковые сенсоры и анализаторы относятся к наиболее перспективным приборам и установкам для контроля компонентов смеси газов, в частности фтористого водорода [1–3].

С учетом актуальности поднятой проблемы был изготовлен селективный полупроводниковой сенсор фтористого водорода (ППС-НF), включающий в себя два чувствительных элементов (измерительный и компенсационный), работающих при разных температурах и два резистора, подключенные в мостовую схему. В ходе эксперимента подобраны оптимальные условия питания сенсора, изучены динамические, градуировочные характеристики, сеективность и стабильность работы сенсора.

Зависимость величины сигнала от питания изучали в диапазоне 1,0–3,0В. Эксперименты проводились при нормальных условиях на примере газовоздушной смеси с концентрацией фтористого водорода 0,072 %об. Полученные результаты по подбору оптимального питания представлены на рис.1.

Рис. 1. Зависимость аналитического сигнала (мВ) ППС — НF от напряжения питания(В)

Как следует из приведенных данных, оптимальные значения питания сенсора равны: 1,7 и 2,5 В, соответственно.

Таким образом, сенсор с LaF₃ при напряжении питания первого и второго чувствительных элементов 1,7 и 2,5 В, соответственно, обеспечивает селективность определения паров бензина в присутствии водорода и оксида углерода. При этом, на первом чувствительном элементе сенсора сорбируются все компоненты газовой смеси а на втором — все компоненты кроме фтористого водорода, Следовательно, разница сигналов первого и второго элементов соответствует концентрации фтористого водорода в смеси.

Таким образом, в результате проведенных экспериментов разработан способ обеспечения селективности определения отдельных компонентов смеси газов, что позволяет автоматически компенсировать отдельные компоненты смеси с низким порогом сорбции и прокалибровать сенсор только по компоненту, обладающему высоким порогом адсорбции.

Динамические характеристики ППС-НF проверялись при скачкообразном изменении концентрации фтористого водорода на входе сенсора. В опытах использовались ГС с концентрацией НF от 12,5–300мг/м³.

Проверка динамических характеристик сенсора сопровождалась непрерывной записью переходного процесса диаграммной ленты самопишущего прибора, скорость движения которой была выбрана такой, при которой график переходного процесса был адекватным ГОСТу133220–81 «Газоанализаторы промышленные автоматические». Общие технические параметры сенсора укладывались на отрезке диаграммной ленты, длиной 15 см.

Изменение концентрации на входе ППС-НF отмечалось на диаграммной ленте и было взято за началом отсчета времени. Результаты определения динамических характеристик ППС-НF показывают, что у разработанных сенсоров время начала реагирования (t_0,1)-1–2 с, постоянное время (t_0,63) не более 3 с, а время установления показаний (t_0,9)-достигает до 4 с, и полное время измерения (t_п) 5–6 с. Приведенные данные показывают возможность экспрессного определения фтористого водорода разработанными сенсорами.

Градуировочная характеристика ППС-НF определялась при температуре 20⁰С, давлении 760мм.рт.cт. и относительной влажности воздуха 60 %. Эксперименты проводились в интервале концентраций фтористого водорода в смеси от 2,0–300мг/м³. Парогазовые смеси фтористого водорода в воздухе готовили с помощью динамического дозатора. Газоносителем служил воздух, предварительно очищенный от горючих компонентов с помощью генератора чистого воздуха пропусканием через слой сорбента и специального слоя катализатора. Каждая точка проверки характеризовалась шестью значениями: три при прямом и три при обратном циклах изменения концентрации. Сигнал сенсора фиксировался цифровым вольтметром после установления постоянного значения (не менее 3 мин. после подачи ПГС). Некоторые результаты определения градуировочной характеристики сенсора фтористого водорода представлены на рис. 1.

Рис. 2. Градировочные характеристики полупроводниковых сенсоров HF

Некоторые результаты определения градуировочной характеристики сенсора фтористого водорода представлены на рис.2., из которых следует, что в изученном интервале зависимость аналитического сигнала сенсора от концентрации фтористого водорода в ГС имеет прямолинейный характер.

С применением селективного полупроводникового сенсора был разработан автоматический анализатор (ГА-НF) для измерения концентрации фтористого водорода в газовой пробе. Газоанализатор предназначен для экспериментальной проверки в определенном климате и имеет исполнение УХЛ 4.2. по ГОСТу 15150–69. По зашишенности к механическим воздействиям газоанализатор имеет обыкновенное исполнение. Автоматический газоанализатор ГА-НF выполнен в виде переносного прибора. Электропитание газоанализатора осуществляется от сети переменного тока напряжением 220В или от встроенного блока питания с напряжением 12В.

ГА-НF состоит из двух блоков, размещенных внутри корпуса: I-верхний блок, II-нижний блок. В верхнем блоке смонтированы: цифровой преобразователь, стабилизатор напряжения, усилитель сигнала от первичного преобразователя. В нижнем блоке находятся: компрессор для автоматического отбора газовой пробы, фильтры для очистки газа от механических примесей и сенсор.

Установлены диапазоны определяемых концентраций газов, найдены основные погрешности, области вариации выходного сигнала и проверены дополнительные погрешности при изменении температуры, давления и влажности газовой среды. Газоанализаторы подвергались испытаниям в диапазонах концентрации фтористого водорода 0–500 мг/м³ в лабораторных условиях и эксплуатационных режимах работ. Лабораторные условия работы: температура испытуемой газовой среды 205⁰С; давление испытуемой газовой среды 76030 мм рт.ст; относительная влажность испытуемой газовой среды 40–60 %; температура анализируемой газовой смеси 205⁰С; напряжение питания прибора-переменный ток 22010В. Режимы эксплуатационных условий работы: температура газовой смеси +5 — +50⁰С; давление газовой среды 600–800 мм рт.cт.; oтносительная влажность газовой среды 25–95 %; угол наклона датчика — до 30 %.

Проверку диапазона измерений и основной погрешности газоанализатора ГА- НF при концентрации 0–500 мг/м³ проводили подачей на вход газоанализатора поверочных смесей в последовательности: 1–3-5–3-1–5, где номер ГС соответствует содержанию измеряемого компонента и диапазону измерений (%): № 1=105; № 3= 505; № 3 = 955.

Основная абсолютная погрешность газоанализатора в точках проверки определялась по формуле:

= A_{i —} A₀. (1)

где A_i-концентрация измеряемого компонента в проверяемой точке измерений, индуцируемая на индикаторе; A₀- истинная концентрация измеряемого компонента в проверяемой точке измерения, указанная в паспорте к ГС. Основная погрешность определялась разностью между показаниями газоанализатора и истинными значениями концентрации, отнесенные к диапазону измерения:

=А_{1 —} A₀/ C_{k —} C_н (2)

где С_k-С_н начальный и конечный пределы измерения концентрации определяемых компонентов газовых сред, мг/м³ (%).

Как следует из приведенных данных, в изученных интервалах зависимость аналитического сигнала газоанализатора от концентрации водорода имеет прямопропорциональный характер. Основная приведенная погрешность газоанализаторов с диапазонами 0–500мг/м³ рассчитанная на основании данных, составила не более 2,1 соответственно.

Таким образом в результаты проведенных экспериментов разработан высокоэффективный сенсор и селективный анализатор для непрерывного автоматического мониторинга фтористого водорода в газовой среде.

Литература:

1. Эннан А. А., Арабаджи В. Н., Щгержко Е. К. Автоматический переносной гаэоаналиватор фтористого водорода //Тез,докл. 2-Всес,конф.по анализу неорг.газов. Ленинград, 1990. С.23.
2. Сагателян О. А. Музыковский В. А., Дудкин Н. И. Газоанализатор фтористого водорода / Тез. докл. 2. Всесоюэ. конф. по эяектрохими. методам анал.. ч. 1. — Томск, 1985. — с. 229–230.
3. Абдурахманов Э, Муминова Н. И., Нормурадов З., Геворгян А. М. Селективный полупроводниковой сенсор фтористого водорода// Журнал химическая промышленность. Т.87, № 7, 2010. с. 369–371.