Krótkie teoretyczne wprowadzenie do technik pomiarowych stosowanych w dostarczanych przez nas urządzeniach:

W zależności od potrzeb lub wymogów norm i regulacji stosujemy różne techniki pomiarowe.
Dla określenia stężeń O2 stosujemy następujące techniki:
a) elektrochemiczną
b) cyrkonową.

Dla pozostałych wielkości mierzonych stosujemy poniższe techniki:
a) elektrochemiczną
b) podczerwień (NDIR, FTIR)
c) chemiluminescencję
d) detekcję płomieniowo–jonizacyjną
e) detekcję fotojonizacyjną
f) detekcję termokonduktometryczną
g) DOAS (różnicowa optyczna spektroskopia absorpcyjna)
h) OPSIS IR
i) TDL (przestrajana dioda laserowa).

Technika elektrochemiczna (na podstawie pomiaru O2):

Próbka spalin zawierająca tlen jest mierzona za pomocą dwuelektrodowego sensora
Elektrochemicznego. Sensor ten posiada własne zasilanie, limitowaną dyfuzję, metalowo-powietrzną baterię zawierającą w sobie anodę, elektrolit, i powietrzną katodę jak pokazano poniżej.
Przy katodzie tlen jest zredukowany do jonów wodorotlenowych zgodnie z rownaniem:

O2 + 2H2O + 4e- → 4OH

Jony wodorotlenowe zawracają w stronę metalowej anody:
2Pb + 4OH- → 2PbO + 2H2O + 4e-

Ogólnie reakcja sensora może zostać przedstawiona jako:

2Pb + O2 → 2PbO

Sensor O2 jest generatorem prądowym, zaś prąd jest proporcjonalny do ilości tlenu, który
został zredukowany w sensorze (prawo Faraday’a).
Prąd może zostać zmierzony na rezystorze podłączonym do zacisków wyjściowych (jako sygnał napięciowy).

Technika cyrkonowa (pomiar O2)

Tlenek cyrkonu (ZrO2) jest używany jako elektrolit stały. Ten element ceramiczny jest dobrym przewodnikiem tlenu przy temperaturach w okolicach 850°C, wygenerowanych przez element grzejny. Siła elektromotoryczna, która jest wytwarzana na elektrolicie stałym poprzez przejście jonów tlenu, może być zmierzona jako napięcie czujnika.
o2000clear

Pomiar w podczerwieni (NDIR/FTIR)

NDIR działa w oparciu o prawo absorpcji światła przez gazy. Absorpcja zachodzi dla szczególnych długości fali, wynikających z molekularnej struktury gazu. Absorpcja jest wprost proporcjonalna do ilości gazu obecnego w próbce. Wiele czynników wpływa na absorpcję: zmiany temperatury, ciśnienia atmosferycznego, obecności innych gazów, czystości ścieżki optycznej i odchyleń detektora. Kluczem do wiarygodności pomiaru jest SNR (stosunek sygnału do zakłóceń).

Istnieją różne wersje sensorów IR:
a) Single Beam NDIR
b) Dual Beam, Single Path
c) Microflow NDIR
d) Dual Beam, Dual Path NDIR.

Schemat sensora IR

 

 

Chemiluminescencja – pomiar NO/NO2/NOx

Do pomiaru tlenków azotu wykorzystywana jest metoda chemiluminescencji tlenku azotu w obecności cząsteczek ozonu. Zjawisko chemiluminescencji zachodzi przy utlenianiu molekuły tlenku azotu przez cząsteczkę ozonu. Powrotowi wzbudzonej molekuły dwutlenku azotu towarzyszy promieniowanie luminescencyjne. Sygnał elektryczny przetwarzany jest na postać cyfrową i obrabiany przez mikroprocesor.

 

4000_vm

 

 

 

 

Analizator NOx firmy Signal.

 

 

 

Detekcja płomieniowo-jonizacyjna FID. Stosowana w pomiarze lotnych związków organicznych TVOC (Total Volatile of organic carbon).

Po spaleniu związków organicznych w płomieniu wodorowym generowane są jony, których stężenie jest wyznaczane przez pomiar napięcia (potencjału) po drugiej stronie dyszy palnika i elektrody. Zmierzone napięcie jest proporcjonalne do zawartości węgla organicznego w próbie/płomieniu. Płomień uzyskiwany jest przez spalanie czystego wodoru z czystym powietrzem w komorze o kontrolowanej temperaturze. Do komory spalania dozowana jest próba gazowa. Warunki przepływu i ciśnienia podczas spalania są ‘stałe’ i zapewniają wysoką stabilność i niski dryft.

FID

 

 

Detekcja fotojonizacyjna PID

to zamiennik detektora płomieniowo-jonizacyjnego. Źródłem energii potrzebnej do rozpadu analizowanych składników na jony jest lampa ultrafioletowa. Jest stosowany w chromatografach rzadziej niż FID (często używany w innych analizatorach gazów).

Zalety względem detektora FID:
– eliminacja potencjalnie niebezpiecznego wodoru,
– możliwa detekcja formaldehydu,
– poprzez zastosowanie odpowiednich lamp o różnej energii wzbudzania detektor ten można wykorzystać zarówno jako detektor uniwersalny (lampa o wysokiej energii wzbudzania pozwala na wykrycie większości związków organicznych – podobnie jak klasyczny FID), jak i specyficzny (lampa o odpowiednio dobranej energii pozwala na wykrycie ograniczonej liczby związków).

Wady:
– trwałość lampy (konieczna okresowa wymiana)
– niższa czułość.

Detekcja konduktometryczna

Detektor termokonduktometryczny (TCD) – w którym pomiar stężenia zasadza się na zmianach przewodnictwa elektrycznego wynikającego ze zmian przewodnictwa cieplnego atmosfery wokół termoelementu (chłodzenie rozgrzanego termoelementu) ze zmianą stężenia „obcego związku” chemicznego w gazie nośnym. Jego czułość zależy od stosowanego gazu nośnego, a dokładnie od różnicy przewodnictwa cieplnego gazu nośnego i składników próbki. Pozwala na detekcję zarówno związków organicznych, jak i nieorganicznych (np. woda, gazy takie jak tlen, azot, argon itp).

DOAS

Różnicowa Optyczna Spektroskopia Absorpcyjna (DOAS) oparta jest na prawie absorpcji Lamberta – Beera. Określa ono zależność pomiędzy ilością promieniowania absorbowanego na trasie wiązki
światła, a liczba molekuł znajdujących się wzdłuż toru pomiarowego.
Ponieważ każdy związek chemiczny, a wiec każdy gaz posiada charakterystyczne spektrum absorpcji, możliwe jest prowadzenie przy pomocy pojedynczej wiązki światła pomiaru stężenia kilku różnych gazów jednocześnie.

DOAS

 

DOAS_complete

 

 

OPSIS IR

Zasada techniki Opsis IR oparta jest na tej samej metodzie identyfikacji i obliczania stężenia różnych związków, co szeroko pojmowana, opisana wyżej technika DOAS.
Technika Opsis IR wykorzystuje prawo absorpcji Lamberta – Beera, opartego na relacji pomiędzy ilością
promieniowania absorbowanego, a liczbą cząsteczek danego związku na trasie przejścia wiązki świetlnej. Wiązka światła wysyłana przez nadajnik dociera do odbiornika i dalej za pośrednictwem światłowodu przesyłana jest do analizatora.
Analizator zawiera wbudowany interferometr, komputer oraz obwód kontrolny. W skład interferometru wchodzi zwierciadło rozszczepiające wiązkę, które rozdziela światło pomiędzy dwa ruchome lustra, następnie formowany jest obraz interferencyjny.
Dzięki zastosowaniu zaawansowanych obliczeń obraz interferencyjny transformowany jest na widmo określonej długości fali odpowiadające widmu które mierzone jest w spektrometrze Opsis.
Filtr widma pasmowego ogranicza zakres spektrum, co ułatwia jego ocenę.
Interferometr pracujący w zakresie podczerwieni daje wyższą rozdzielczość, niż spektrometr.
Wyniki otrzymywane są na podobnej zasadzie jak przy wykorzystaniu spektrometru, dla jednego zakresu fal w tym samym czasie, przez porównanie zarejestrowanego widma do krzywych absorpcji (referencyjnych) zawartych w pamięci komputera.
Komputer kontynuuje obliczenia przez różnicowanie wielkości mnożnika dla każdego widma referencyjnego aż do osiągnięcia wyniku najbardziej odpowiadającego wzorcowi.

OPSIS_IR

 

Technika OPSIS TDL (przestrajana dioda laserowa)

LD500 emituje światło laserowe bliskie sekcji IR spektrum falowego. Pomiar jest realizowany przez szybkie skanowanie laserowe powyżej linii absorbcji w spektrum absorbcyjnym gazu.
Laser pracuje w trybie ciągłym i jest przestrajalny, co pozwala na lekką zmianę długości fali lasera. Uzyskuje się to poprzez zastosowanie napięcia elektrycznego do diod półprzewodnikowych. Napięcie przyłożone jest precyzyjnie kontrolowane i zmienia się w zależności od funkcji rampy podczas skanowania.
Podczas pomiaru, LD500 uśrednia dużą ilość skanów. Przedział pomiaru jest rzędu 1-20 sekund, a szybkość skanowania w zakresie kiloherców. Pod koniec okresu pomiaru, uśrednione widmo przechodzi procedurę oceny. Wynik jest porównywany za pomocą procedury dopasowywania metodą najmniejszych kwadratów ze znanym przekrojem poprzecznym absorpcji gazu. Przekrój odnosi się do siły wchłaniania w gazie, na określonej długości fali. Znając długość drogi pomiarowej można następnie określić i ocenić stężenie gazu.

Laser_diode LD500