Какие параметры измеряет модуль газоанализа

Газоанализаторы. Технические характеристики

Средства измерений состава и свойств веществ, находящихся в газообразном, жидком, твердом, порошкообразном состоянии, в виде плазмы, аэрозоля относятся к подкомплексам: фотометрических средств, кондуктометрических, потенциометрических, диэлькометрических, магнитных, термомагнитных СИ.

К фотометрическим СИ относятся оптические анализаторы, работающие в инфракрасной (ИК), видимой и ультрафиолетовой (УФ) областях спектра. Используются явления поглощения, отражения и рассеяния излучения анализируемым веществом. Позволяют определять концентрацию самых разных веществ, в том числе органических веществ и воды (ИК влагомеры). Например, ИК – влагомер ММ 55 предназначен для непрерывного контроля некоторых качественных показателей в ходе технологических процессов. Измерения проводятся в инфракрасном диапазоне излучения. В зависимости от установленной длины волны ИК-диапазона, способен измерять: влажность, содержание жиров, протеина, никотина, сахаров в порошкообразных, гранулированных и смолистых материалах; толщины пластиковой и ламинированной пленки; вес покрытий и масляной пленки в технологическом потоке в пищевой, химической, табачной, бумажной промышленностях. Представляет собой измерительный преобразователь – излучатель, устанавливаемый в потоке и цифровой прибор, устанавливаемый на щите.

Диапазон измерения влажности, %……………………………………………0-100

(от диапазона измерений)

Дистанционность измерения………………………………………………..до 100 м

Изготовитель……………………………………..…Enfrared Engincering (Канада)

Кондуктометрические СИ относятся к электрохимическим СИ, основаны на измерении электрической проводимости электролитов, по величине которой определяется концентрация растворенных веществ. Например, анализатор жидкости кондуктометрический АЖК-3103 предназначен для автоматического непрерывного измерения удельной проводимости и концентрации растворов кислот, щелочей, солей и т.д. в химической и пищевой промышленности. Представляет собой первичный измерительный преобразователь (поточный или погружной) и измерительный прибор с цифровой светодиодной индикацией.

Выходной аналоговый сигнал, мА……………………………………0…5; 4…20

Сигнализация заданного уровня………………………………… «сухой» контакт

Диапазон измерения (в зависимости от модификации)

мкСм/см……………………..0 – 2; 0 – 100; 0 — 1000

м 2 /л NaCl………………………….0 – 5; 0 – 50; 0 — 500

Габариты цифрового прибора ……….…………………………48´ 96 ´160

Изготовитель…..……….…………………………НПП Автоматика г. Владимир

Концентратомер – сигнализатор кондуктометрический АЖК – 3120.

Предназначен для автоматического измерения концентрации и сигнализации раздела фаз: вода — молоко; вода – моющий раствор в молочной, пивоваренный и др. промышленностей. Представляет собой проточный первичный преобразователь и цифровой прибор, имеющий сигнализацию о выходе измеряемого параметра за заданные значения (нижний и верхний уровень). Применяется для измерения концентрации молока, кальцинированной и каустической соды, растворов щелочи и кислот.

Температура среды, 0 С…………..…………………………….+5…+ 95

Сигнализация заданного уровня….……………………… «сухой» контакт

Габариты цифрового прибора …………………………………48´ 96 ´160

Изготовитель…..……….…………………………НПП Автоматика г. Владимир

Потенциометрические СИ предназначены для измерения концентрации различных ионов в растворах (ионометрия, в том числе рН-метрия) и для контроля окислительно-восстановительного потенциала (оксредметрия). Потенциометрические СИ относятся к электрохимическим СИ, принцип действия которых основан на определении потенциала измерительной ячейки, размещенной в электролите. Например, рН – милливольтметр pH-011предназначен для автоматического непрерывного и лабораторного измерения активности ионов водорода (рН) и окислительно-восстановительного потенциала в воде или водных растворов в установках водоподготовки и технологическом оборудовании электростанций и других производств, в том числе для глубоко обессоленных вод. Представляет собой гидравлический блок электродов с системой подготовки пробы и измерительный блок для щитового монтажа.

· цифровая индикация и дистанционная передача результатов измерения с возможностью выбора коэффициента преобразования в широких пределах

· автоматическая температурная компенсация.

Параметры анализируемой воды: — температура, 0 С………………….от +5 до +50

Диапазоны измерения, рН……………………………………………. от 0 до 14

Основная погрешность электронного блока, рН………………………..± 0,02

гидравлического блока (блока электродов)…………………………280´440´105

измерительного блока (щитовое крепление)………………………154´205´240

Диэлькометрические средства измерений предназначены для определения свойств, состава и структуры веществ по диэлькометрическим (по диэлькометрической проницаемости) параметрам.

Газоанализаторы – это средства измерений, предназначенные для получения измерительной информации о количестве вещества или его концентрации. Обычно газоанализаторы состоят из первичного измерительного преобразователя (датчика) и измерительного прибора.

В пищевой промышленности газоанализаторы применяются для анализа топочных газов при сжигании различных видов топлива, для контроля состава газовых сред в сушильных камерах, концентрации сернистого, углекислого и других газов, подаваемых в ходе технологических процессов, для контроля концентрации предельных значений в помещениях, где возможно скопление газов, вредных для здоровья.

В современных газоанализаторах используются самые разнообразные методы анализа в области оптики, электроники, ультразвука, ядерного магнитного резонанса и др.

По функциональному значению автоматические и полуавтоматические газоанализаторы подразделяются на лабораторные и промышленные, по режиму работы на непрерывные и циклические. В зависимости от принципа действия выделяют газоанализаторы механические, тепловые, магнитные, электрохимические, оптические и др.

Шкалы газоанализаторы градуируются в процентах концентрации анализируемого компонента в газовой смеси, в объемных или массовых долях определяемого компонента. Классы точности приборов от 1 до 10. Приборы, предназначенные для анализа микроконцентраций, могут выпускаться с пределами приведенной относительной погрешности до 15 и 20 %.

Механические газоанализаторы

Механические газоанализаторы основаны на измерении молекулярно-механических параметров анализируемой газовой смеси. Например, может фиксироваться изменение объема или давления пробы газовой смеси в результате химического взаимодействия на определенный компонент и т.п.

Тепловые газоанализаторы

Широко распространены в пищевой промышленности в качестве автоматических приборов. Различают термокондуктометрические и термохимические газоанализаторы.

Термокондуктометрические газоанализаторы. Принцип действия основан на различии теплопроводности некоторых газовых компонентов. В газоанализаторах этого типа измеряется различие теплопроводности анализируемого газа и эталонного газа с известной теплопроводностью. Измерительный преобразователь выполнен по мостовой схеме. Измерительный мост образован двумя одинаковыми чувствительными элементами (резисторами) R_а и R_э, которые выполняют роль и термопреобразователей сопротивления и нагревателей. И двумя одинаковыми постоянными резисторами R₁и R₂. Один резистор R_а помещен в «рабочую» камеру, через которую непрерывно протекает анализируемая газовая смесь, а второй R_э – в закрытую камеру, заполненную эталонным газом известного состава. Температура нагрева чувствительных элементов R_а , R_э обычно составляет 100-120°С.

Метод теплопроводности используется для анализа газовых смесей на наличие водорода, гелия, хлора, диоксида углерода, сернистого газа, хлористого водорода.

Термохимические газоанализаторы. Предназначены для анализа газовых смесей на содержание в них метана, эфира, водорода, паров спирта, бензина и других горючих или взрывоопасных компонентов.

Принципиальная электрическая схема первичных преобразователей аналогична схеме газоанализаторов по теплопроводности, но измеряется тепловой эффект реакции каталитического окисления компонента смеси. Каталитически активная платиновая нить, нагреваемая до температуры 400-500°С , включается в схему измерительного моста.

Для повышения точности измерений измерительный блок тепловых газоанализаторов термостатируется.

Какие параметры измеряет модуль газоанализа

Полезное

При выборе того или иного газоанализатора можно опираться на различные критерии, но критически важно подобрать подходящий для поставленной задачи принцип измерения, руководствуясь типом измеряемого газа, средой, в которой выполняются измерения, и целью.

На сегодняшний день самыми востребованными типами датчиков являются:

• термокаталитический
• термокондуктивный
• полупроводниковый
• электрохимический
• гальванический
• инфракрасный (оптический)
• интерферометрический
• фотоионизационный (ФИД)
• пиролитический
• фотометрический

Термокаталитический

Самый распространенный и универсальный тип датчика, принцип работы которого основан на вычислении количества тепла, выделяемого при сгорании горючего газа или паров в катализаторе. Керамический принцип является разновидностью термокаталитического, однако в отличие от последнего использует другой тип катализатора – мелкодисперсный (керамический). Архитектурно датчик состоит из двух чувствительных элементов – рабочего и компенсирующего. Рабочий элемент представляет собой спираль из драгоценного металла (как правило, платины) и катализатора, чувствительного к горючим газам. Воздушная смесь, содержащая горючий газ, вступает в реакцию с катализатором, увеличивая температуру элемента, и, как следствие, приводит к изменению электрического сопротивления спирали в почти линейной зависимости от концентрации газа. Компенсирующий элемент состоит из платиновой спирали и стекла, которое не обладает чувствительностью к горючим газам, и предназначен для компенсации окружающих условий.

Полупроводниковый
В данном типе датчиков используется полупроводник с металлоксидным напылением, сопротивление которого меняется при контакте с газом. Датчик состоит из нагревательной спирали и проводника, нанесенного на трубку из глинозёма, а по краям трубки находятся контакты из драгоценного металла, предназначенные для измерения сопротивления. При попадании газа на поверхность датчика он окисляется, что приводит к уменьшению электрического сопротивления, которое преобразуется в концентрацию.

Принципиальная схема датчика гальванического типа повторяет простой аккумулятор: датчик состоит из катода, изготовленного из драгоценного металла, анода (проволоки), которые помещены в электролит, а также разделительной мембраны, прикрепленной к внешней стороне катода. Кислород, проходя через разделительную мембрану, на катоде восстанавливается, а на аноде — окисляется. Возникающий электрический ток конвертируется в напряжение и в таком виде подается на выход, при этом напряжение пропорционально концентрации кислорода.

Интерферометрический
Принцип интерферометрии основан на измерении коэффициента рефракции газа. Архитектурно интерферометрический сенсор состоит из источника света и оптической системы из зеркал, линз, призмы и светочувствительного датчика. Свет от источника разделяется плоскопараллельным зеркалом на два луча (А и В) и отражается призмой. Луч А движется по круговому маршруту через камеру D, наполненную измеряемым газом, а луч В – через камеру E с референсным газом. После этого лучи А и В встречаются в точке С зеркала и, проходя через систему зеркал и линз, формируют на светочувствительном датчике картину интерференции. Данная картина сдвигается в пропорции к разнице в коэффициенте рефракции между измеряемым и референсным газами. Датчик измеряет сдвиг, чтобы измерить коэффициент рефракции, и преобразует его в концентрацию газа или количество тепла.

Пиролитический
В основе этого принципа лежит процесс пиролиза измеряемого газа с образованием оксида, частицы которого измеряются датчиком. Пиролитический сенсор состоит из нагревателя, в центре которого находится кварцевая трубка с нагревательным элементом, и датчика частиц, содержащего две камеры – рабочую и компенсационную. Измеряемый газ (например, TEOS или NF3) под воздействием температуры окисляется и попадает в рабочую камеру датчика частиц с источником α-частиц, который используется для ионизации воздуха и возбуждения электрического тока. Как только частицы газа попадают в камеру, они начинают поглощать ионы, приводя к снижению тока ионизации. Это снижение выходного сигнала пропорционально концентрации измеряемого газа. Компенсационная камера позволяет компенсировать флуктуации температуры, влажности и давления окружающей среды.

Читайте также

При выборе того или иного газоанализатора можно опираться на различные критерии, но критически важно подобрать подходящий для поставленной задачи принцип измерения, руководствуясь типом измеряемого газа, средой, в которой выполняются измерения, и целью.

В последние годы на металлургических предприятиях особое внимание уделяется вопросу безопасности. Это связано с участившимися случаями отправления угарным газом, нехватки кислорода, а также опасностью взрыва из-за утечек метана и водорода. Предлагаем вашему вниманию презентацию решений RIKEN для металлургического производства, призванных свести к минимуму риски взрыва и отравления.

В медицинских учреждениях широкое применение нашли технические и медицинские газы, например, жидкий азот (N2), который используется в трансплантации, криотерапии и криобиологии. Низкая температура (-196°C), при которой азот находится в жидком состоянии, обеспечивает длительное хранение донорской крови, плазмы, стволовых клеток, а также органов.

Газоанализаторы: что это такое, для чего и где используется

Есть технологические процессы, которые приводят к загрязнению воздуха в местах нахождения людей. Токсичные, горючие и взрывоопасные вещества могут выбрасываться в результате аварийных ситуаций. Деятельность некоторых предприятий и организаций связана с изучением состава газовых сред. В этих и прочих случаях эксплуатация газоанализаторов – возможность сделать необходимый анализ.

Газоанализатор – это специальное устройство, с помощью которого определяют количественный (какие газы присутствуют) и качественный (сколько каждого газа) состав газовой смеси

У ООО «НПП Спектраналит» можно приобрести газоанализаторы разных типов

Устройство, принцип работы и сферы применения газовых анализаторов

На сайте нашей компании вы можете выбрать газоанализаторы, но, прежде, чем сделать это, нужно ознакомиться с их устройством и назначением.

Есть ощутимо отличающиеся по конструкции промышленные газоанализаторы, руководство по эксплуатации каждого из них представляет схему данного устройства. Правда, есть и набор базовых компонентов, который у любой модели этих агрегатов представлен:

• Корпусом. Он надежно защищает все рабочие элементы.
• Аккумулятором. У каждого прибора должен быть источник питания энергией.
• Устройством пробоподготовки (пробоотборный насос). Оно выполняет отбор пробы газовой смеси, которую нужно проанализировать, ее очистку, приведение ее температуры, давления и прочих параметров к требуемым нормам.
• Приемником. Он формирует выходные унифицированные сигналы, соответствующие содержанию определяемого вещества в газовой смеси.
• Измерительным прибором. Это может быть один из стандартных приборов.

Схема аналитического блока оптического газоанализатора

Современные газовые анализаторы конструктивно могут представлять собой два устройства: измерительный блок и ПК. Модель ОАС-3750-3 относится к такому оборудованию.

Принцип работы газоанализатора основан на поглощении веществ, составляющих смесь, специальными реагентами. Но у каждой разновидности этого оборудования свои рабочие особенности. Например, принцип действия может основываться на зависимости теплопроводности анализируемого газа от концентрации в нем СО₂. А в основу функционирования магнитных устройств положено физическое свойство – парамагнетизм.

На всевозможных производствах и предприятиях используют газоанализаторы, установка или периодическое применение такого оборудования необходимо, если они:

• Пожаро-, взрыво- и химически опасны.
• Требуют аттестации как вредные.
• Оснащены любыми типами топливосжигающих и газотурбинных установок.

С помощью этих агрегатов:

• Выполняют экологический контроль концентрации загрязняющих веществ.
• Испытывают топочно-горелочные и газоочистные устройства.
• Определяют безопасность работ с огнем в подвалах и колодцах и т.д.

Какими могут быть газоанализаторы

Каждому, кто собрался купить газоанализатор, инструкция по его эксплуатации расскажет о его назначении, принципе работы и функциональности. Но, чтобы быть уверенным, что приобретаемое устройство подойдет, следует знать, какими они могут быть.

Классифицируют это оборудование по разным признакам. Его различают по:

• Конструктивному исполнению. Существуют стационарные, переносные (для работы на разных участках производства) и портативные (первичное средство защиты).

Стационарный (слева) и переносной анализаторы

• Способу действия. Производят ручные и автоматические анализаторы.

Ручные газовые анализаторы

• Количеству измеряемых компонентов (примесей). Можно найти однокомпонентные и многокомпонентные устройства. Полар – многокомпонентный.
• Количеству каналов измерения (точек отбора пробы). Есть агрегаты одноканальные и многоканальные. СИГМА-1М – многоканальный.

Есть разные типы газоанализаторов в зависимости от принципа их работы. В этом случае оборудование разделяют на:

• Оптическое. Чаще всего используется при возможной утечке взрывоопасного или горючего газа.
• Электрохимическое. Применяют для выявления токсичных газов.
• Сенсорное. Созданное на основе полупроводниковых сенсоров, оно может быть течеискателем и горючих, и токсичных газов.

Некоторые особенности эксплуатации газового анализатора

Нельзя точно выполнять измерения газоанализатором одного типа, если диапазон концентрации веществ достаточно широк. Контроль разных газов осуществляется разными методами. И, как следствие, нет универсального устройства, с помощью которого осуществлялся бы любой газовый анализ. Именно поэтому производители выпускают разные модели. А менеджеры нашей компании, выясняя целевое назначение агрегата, помогают подобрать каждому клиенту оптимально подходящее оборудование.

Среди требований к газоанализаторам – обязательная периодическая их поверка или калибровка. Поверка выполняется ежегодно, а определение периодичности калибровки – «парафия» владельца агрегата.

Поверка – определение пригодности прибора к использованию. Калибровка – сравнение результатов измерительного оборудования с результатами эталона

Газоанализ и диагностика

К сожалению, в сознании многих специалистов автосервиса газоанализатор по-прежнему ассоциируется с регулировкой карбюратора. Это не так.

Конечно, контроль токсичности отработанных газов (ОГ) – важная функция автомобильного газоанализатора, но, тем не менее, далеко не единственная.

Прибор способен решать широкий круг задач по исследованию состояния двигателя и его систем, являясь богатейшим источником диагностической информации. Можно с уверенностью утверждать, что газоанализатор — один из основных инструментов диагноста.

Как врачу для постановки диагноза необходимы анализы пациента, так и диагносту нужны данные «анализа», чтобы выявить «болезни» двигателя, ведь состав ОГ напрямую зависит от его состояния.

Эволюция газоанализатора

Первые образцы газоанализаторов, применявшиеся для регулировки двигателя, из всей совокупности компонентов ОГ измеряли только концентрацию оксида углерода СО. Приборы были однокомпонентными.

Анализ концентрации СО позволял сделать вывод о качественном соотношении топливно-воздушной смеси и применялся в основном при регулировке карбюраторов. Такие газоанализаторы имели стрелочное отображение результатов анализа и работали на принципе измерения электрической проводимости платиновой спирали в среде оксида углерода.

К 70-м годам прошлого века остро встал вопрос необходимости контроля автомобильных токсичных выбросов. Уровень развития техники тех лет позволил создать двухкомпонентные автомобильные газоанализаторы, способные измерить концентрацию еще одного вредного компонента – несгоревшего топлива, обозначаемого СН. Эти приборы работали на принципе спектрометрирования исследуемых газов в инфракрасном диапазоне, который используется по настоящее время.

Дальнейшее развитие автомобильных газоанализаторов привело к появлению трех-, четырех- и даже пятикомпонентных приборов, позволяющих измерить концентрацию не только названных выше оксида углерода СО и углеводородов СН, но и диоксида углерода СО₂, кислорода О₂ и оксидов азота NО_x, а также рассчитать соотношение воздух-топливо в исходной топливно-воздушной смеси.

Спектрометрический блок газоанализатора: принцип действия

Принцип действия спектрометрического блока газоанализатора основан на эффекте частичного поглощения энергии светового потока, проходящего через газ.

Молекулы каждого газа представляют собой колебательную систему, способную поглощать инфракрасное излучение в строго определенном диапазоне волн. Если через колбу с газом пропустить стабильный инфракрасный поток, то часть его будет газом поглощена. Более того, будет поглощена в основном только некоторая часть спектра потока, называемая абсорбционным максимумом данного газа. Чем выше концентрация газа в колбе, тем большее будет наблюдаться поглощение.

Тот факт, что разные газы обладают разными абсорбционными максимумами, позволяет измерить концентрацию газов в смеси, измеряя поглощение соответствующей длины волны. Иначе говоря, определить концентрацию каждого из газов в ОГ можно, анализируя снижение интенсивности светового потока в части спектра, соответствующей абсорбционному максимуму данного газа.

Спектрометрический блок прибора устроен следующим образом

Через измерительную кювету, представляющую собой трубку с закрытыми оптическим стеклом концами, прокачиваются предварительно отфильтрованные отработанные газы. С одной стороны трубки расположен излучатель. Он представляет собой нагреваемую электрическим током спираль, температура которой строго стабилизируется. Излучатель генерирует стабильный поток инфракрасного излучения.

С противоположной стороны трубки устанавливаются светофильтры, которые из всего потока выделяют необходимые длины волн, соответствующие абсорбционным максимумам исследуемых газов.

После прохождения светофильтров поток попадает в приемник инфракрасного излучения. Приемник измеряет интенсивность потока и вырабатывает информацию о концентрации газов в смеси.

Таким способом определяется концентрация СО, СН и СО₂. В дальнейшем смесь газов из измерительной кюветы поступает последовательно в датчики электрохимического типа, вырабатывающие электрический сигнал, напряжение которого пропорционально концентрации кислорода О₂ и оксидов азота NО_x.

В современном приборе замер концентрации СО, СН и СО₂ выполняется описанным спектрометрическим методом, а концентрации кислорода O₂ и оксидов азота NO_x — электрохимическими датчиками.

Обработка сигналов датчиков и спектрометрического блока в современном газоанализаторе выполняется электронной схемой, построенной на базе микропроцессора.

На дисплей прибора информация о содержании СО, CO₂ и O₂ выводится в процентах, а СН и NO_x — в так называемых ppm (parts per million), «частей на миллион». Такое обозначение связано с крайне низкой концентрацией названных компонентов в ОГ и неудобством использования процентов для обозначения их количества. Соотношение между процентами и ppm выглядит следующим образом:

10 000 ppm = 1%

Поэтому количество, например, СН в ОГ типичного двигателя составляло бы около 0.001%-0.01%. Оперировать в работе такими цифрами сложно, в результате принято использовать именно ppm.

Газоанализатор – прибор сложный, и его качество определяется точностью и надежностью компонентов, в первую очередь спектрометрического блока.

Конструктивно и технологически спектрометрический блок настолько сложен и специфичен, что его производство на должном с точки зрения качества уровне освоено лишь несколькими фирмами во всем мире.

Производители непосредственно газоанализаторов используют уже готовые спектрометрические блоки, встраивая их в свои приборы. Такой подход себя оправдывает, и в приборе, произведенном в России, Италии или Корее можно обнаружить спектрометрический блок, сделанный в Японии или Америке.

Спектрометрический блок – дорогое устройство, составляющее заметную часть в стоимости прибора.

При эксплуатации очень важно обеспечить его долговечность. Механические частицы, сажа и влага, оседая на стенках блока, приводят к значительному дрейфу его показаний и даже к его полной неработоспособности.

Поэтому, прежде чем попасть в измерительный блок, отработанные газы проходят подготовку, которая производится, как правило, в несколько этапов:

• грубая очистка отработанных газов. Выполняется фильтром, установленным на входе в прибор либо в ручке зонда забора пробы. Отфильтровываются крупные механические частицы и сажа.
• отделитель влаги. Он может быть самых разнообразных конструкций. Назначение – отделить от потока газов капли влаги, конденсирующиеся на внутренних поверхностях зонда и соединительного шланга и удалить их. Удаление производится автоматически либо вручную оператором путем периодического слива конденсата из накопителя.
• фильтр тонкой очистки. С его помощью производится окончательная фильтрация от мельчайших механических частиц. Фильтров может быть установлено несколько, последовательно друг за другом.

Что нужно знать при эксплуатации газоанализаторов

Особенность конструкции прибора накладывает отпечаток на его эксплуатацию и рекомендации по уходу за ним. Как правило, эксплуатация автомобильного газоанализатора не представляет большой сложности и выполняется одним оператором.

Перед выполнением измерений необходимо произвести коррекцию нуля прибора, для чего нажать на лицевой панели соответствующую кнопку. Часть газоанализаторов выполняют коррекцию нуля автоматически через заданный промежуток времени, в этом случае вмешательство оператора не требуется.

Для снятия показаний нужно установить зонд в выхлопную трубу автомобиля на глубину не менее 300 мм и зафиксировать его зажимом. Столь значительная глубина требуется для того, чтобы исключить подсос в зонд атмосферного воздуха и получение недостоверных показаний.

Далее необходимо запустить измерение и дождаться установившихся показаний на табло прибора. Длительность процесса установки показаний обычно составляет от 15 до 45 секунд и зависит от длины шланга и конструкции пневматического тракта, которая может значительно различаться у приборов разных производителей.

Основываясь на многолетней практике эксплуатации газоанализаторов, можно дать следующую рекомендацию.

После каждого замера следует отключить шланг с зондом от прибора и продуть его в обратную сторону сжатым воздухом с целью удаления конденсата. Чаще всего при этом наблюдается весьма значительное выделение влаги. Конечно, встроенный отделитель влаги свою функцию выполняет, но, тем не менее, следование данной рекомендации представляется как мера, повышающая вероятность безотказной работы прибора.

Обслуживание газоанализатора сводится в основном к периодической замене фильтров тонкой и грубой очистки. Рекомендации по их замене приводятся в руководстве по эксплуатации конкретного прибора.

Очень важно обратить внимание на следующий момент: фильтры тонкой очистки, применяемые в газоанализаторах, отличаются от бензиновых фильтров и использование последних в газоанализаторах недопустимо.

Также важно следить за тем, чтобы фильтры были сухими. Намокшие фильтры необходимо либо просушить подачей воздуха в направлении против нанесенной на корпус стрелки, либо заменить.

Анализ состава отработанных газов

Самый главный тезис, который необходимо озвучить перед изложением методики анализа состава отработанных газов, заключается в следующем.

Для грамотного и правильного анализа требуется абсолютное понимание того, откуда в составе ОГ появляется тот или иной компонент.

Нужно четко представлять течение процессов в цилиндрах и выпускном тракте двигателя, происходящие при этом химические превращения и базироваться на этом понимании.

При таком подходе диагност начинает думать и грамотно анализировать состав ОГ, видя причинно-следственные связи. Подход типа «если состав ОГ такой-то – то имеет место дефект такой-то» не представляется конструктивным и рассматриваться не будет.

Прежде всего, вспомним из школьного курса химии состав атмосферного воздуха. Это потребуется для правильного понимания происходящих в цилиндрах и в выпускном тракте двигателя процессов.

Углекислый газ (СО₂)

Остальные газы, в основном инертные, присутствуют в малых количествах и в нашем случае большой роли не играют, как, впрочем, и аргон. Цифры, очень близкие к приведенным, можно увидеть на табло газоанализатора, если запустить измерение «на свежем воздухе».

Итак, в цилиндрах двигателя сгорает рабочая смесь.Реакция окисления углеводородов топлива происходит по следующей схеме:

Напомним, что состав смеси принято оценивать коэффициентом избытка воздуха λ. Он представляет собой отношение реального количества воздуха, поступившего в цилиндры, к теоретическому количеству, необходимому для полного сгорания топлива. Смеси, в которых количество воздуха совпадает с теоретически необходимым, называются стехиометрическими. В этом случае λ=1. Если количество воздуха больше необходимого, то смесь принято называть бедной, и коэффициент находится в диапазоне λ=1.0. 1.3. Более бедная смесь перестает воспламеняться. Если же воздуха меньше необходимого, то смесь называют богатой. Такая смесь характеризуется значением λ=0.8. 1.0.

Казалось бы, при сгорании стехиометрической смеси отработанные газы должны состоять из углекислого газа СО₂, водяного пара Н₂О и азота N₂. Но на практике все происходит иначе. Под действием высокой температуры в цилиндре двигателя азот и кислород вступают в реакцию, в результате которой образуются оксиды азота. Совокупность этих оксидов обозначается NO_x и отображается пятикомпонентными газоанализаторами. Образование NO_x сильно увеличивается с ростом температуры газов и концентрации кислорода. Основным компонентом в смеси оксидов азота является монооксид NO. Покинув цилиндры двигателя, он окисляется в атмосфере до диоксида NО₂, который гораздо более токсичен и, соединяясь в атмосфере с водяным паром, образует кислотные дожди.

Кроме того, в ОГ всегда содержатся углеводороды СН. Они представляют собой исходные или распавшиеся молекулы топлива, которые не принимали участия в сгорании, а также продукты распада моторного масла. Углеводороды появляются в ОГ вследствие гашения пламени вблизи относительно холодных стенок камеры сгорания, в защемленных объемах вроде пространства между поршнем и цилиндром над верхним компрессионным кольцом.

Часть СН выбрасывается в результате того, что на тактах впуска и сжатия горючей смеси пары топлива поглощаются масляной пленкой на стенках цилиндров. На такте рабочего хода и выпуска происходит их выделение из пленки. Аналогичный эффект поглощения паров топлива наблюдается и на нагаре, покрывающем стенки камеры сгорания.

Далее, в ОГ обязательно присутствует продукт неполного сгорания топлива — оксид углерода СО (угарный газ). Он образуется в основном во время реакции сгорания при недостатке кислорода, поэтому основное влияние на образование СО в бензиновых двигателях оказывает состав смеси: чем она богаче, тем выше концентрация СО.

Следует отметить, что данный компонент является, пожалуй, самым опасным с точки зрения воздействия на человеческий организм. Угарный газ не имеет цвета и запаха, но при вдыхании соединяется с гемоглобином крови и при высокой концентрации может вызвать смертельный исход.

Конечно же, в составе ОГ неизбежно окажется и не вступивший в реакцию кислород. Следует отметить, что кислород может оказаться в составе ОГ не из цилиндров двигателя, а из атмосферного воздуха, поступающего через места нарушения герметичности выпускного тракта.

Каталитический нейтрализатор

Многочисленные исследования показали, что улучшение процесса сгорания, оптимизация управления составом смеси и углом опережения зажигания не позволяют снизить токсичность ОГ хотя бы до уровня, обеспечивающего выполнение норм Евро II, не говоря о более высоких требованиях.

Для решения проблемы было предложено использование дополнительной обработки ОГ в выпускном тракте двигателя. Устройства, выполняющие такую обработку, называются каталитическими нейтрализаторами.

Основными частями каталитического нейтрализатора являются:

• корпус из жаропрочной нержавеющей стали
• блок-носитель, представляющий собой сотовую структуру из керамики или гофрированной фольги толщиной 0.1..0.5 мм
• прослойка с пористой структурой из оксида алюминия
• активный каталитический слой

Блок-носитель состоит из нескольких тысяч тонких каналов, сквозь которые протекают отработанные газы. Каналы керамического или металлического блока-носителя покрыты очень пористой прослойкой. Благодаря этому полезная площадь поверхности каталитического нейтрализатора увеличивается приблизительно в 7 000 раз, что обеспечивает необходимый массоперенос между ОГ и активным катализатором. На прослойку наносится каталитически активный слой.

Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор имеет каталитически активный слой из платины (Pt), родия (Rd) и палладия (Pd). Название «трехкомпонентный каталитический нейтрализатор» говорит о том, что в одном корпусе одновременно и параллельно протекают три химические реакции превращения.

Для нормального течения этих реакций в нейтрализаторе необходимо поддерживать высокую температуру в пределах 400…800°С. При более низких температурах эффективность нейтрализатора невелика, а при температуре свыше 1000°С наступает термическое разрушение активного слоя и даже спекание сот блока-носителя.

Не вдаваясь в подробности протекающих на поверхности активного слоя химических реакций, можно привести лишь упрощенные окончательные их результаты:

• NO_x восстанавливаются до чистого азота N₂ с выделением при этом свободного кислорода O₂
• СО окисляется до СO₂, при этом расходуется кислород O₂
• углеводороды СН окисляются до СO₂ и Н₂О, при этом тоже расходуется кислород O₂

Отличительной особенностью трехкомпонентного каталитического нейтрализатора является то, что для его полноценной работы необходима работа двигателя на стехиометрической топливно-воздушной смеси. Объясняется это следующим. Только при λ = 1 получается состав ОГ, в котором свободного кислорода, выделившегося при восстановлении оксидов азота, достаточно для полного окисления СО и СН до СO₂ и Н₂О.

Этот факт настолько важен, что его следует повторить: полноценное функционирование каталитического нейтрализатора возможно только в том случае, если двигатель работает на стехиометрической смеси.

В литературе даже используется термин «окно катализации», под которым подразумевается диапазон значений λ, при которых нейтрализатор способен выполнять свою функцию. Строго говоря, этот диапазон смещен от стехиометрии в сторону богатой смеси, и находится примерно в пределах λ = 0.98..0.99. Поддержание состава смеси в заданном диапазоне возложено на систему управления двигателем, для чего в ее состав введен датчик концентрации кислорода в ОГ.

Также необходимо упомянуть о двигателях с непосредственным впрыском топлива. Такие двигатели в некоторых режимах могут работать на сверхбедных смесях, что ведет к значительному повышению доли оксидов азота NO_x. Поэтому для нейтрализации NO_x в выпускной тракт устанавливается еще один катализатор, так называемого накопительного типа.

Для более полного понимания работы каталитического нейтрализатора был проведен следующий эксперимент.

Был взят автомобиль ВАЗ 2112, оснащенный ЭБУ VS5.1 с прошивкой V5D07X09, поддерживающей регулировку подачи топлива с диагностического оборудования.

1. Нейтрализатор присутствует. Были зафиксированы показания СО, CO₂, O₂, СН и λ при изменении регулировочного коэффициента в диапазоне от −0.250 до +0.250.
2. Вместо нейтрализатора установлена труба-вставка, и измерения проведены повторно.

Результаты отображены на графиках. Сплошная линия соответствует замеру с нейтрализатором, прерывистая — без него.

Графики строились вручную, с небольшой интерполяцией. Следует отметить один нюанс — по какой-то причине прибор показал неверное значения CO₂ при измерении с нейтрализатором. Вероятно, это произошло из-за длительной работы двигателя при низкой частоте вращения и, соответственно, снижения температуры нейтрализатора. С этой оговоркой можно обратить внимание на полученные результаты и проанализировать их:

Первое, что бросается в глаза, — значение λ в обоих случаях практически совпало.

В диапазоне богатых смесей точки вообще образовали одну линию, в диапазоне бедных смесей наблюдается расхождение на уровне погрешности измерения. И лишь на самых бедных смесях разница заметна, но, вероятно, в том диапазоне просто невозможно корректное вычисление λ.

Вывод: независимо от наличия или отсутствия нейтрализатора рассчитанное значение λ остается одним и тем же. Собственно, по-другому и не могло быть, ведь значение λ характеризует только работу двигателя, неважно, с нейтрализатором или без него.

Очень любопытно ведет себя значение СН. Без нейтрализатора наблюдается классическая зависимость. С нейтрализатором картина интереснее. Он сильно влияет в диапазоне бедной смеси. Около стехиометрии наблюдается характерная впадина, соответствующая окну катализации. Причем при небольшом обогащении смеси относительно стехиометрии происходит очень резкий скачок значения СН, и далее оно почти сравнивается со значением, полученным без нейтрализатора.

Графики содержания кислорода очень похожи. Естественно, при работе нейтрализатора кислород расходуется, и это заметно при их сравнении.

То же самое можно сказать и о графиках СО. Совершенно четко прослеживается диапазон в районе стехиометрии, где эффективность работы нейтрализатора максимальна, и графики соответственно максимально разнятся.

Графики CO₂ тоже имеют академический вид. Количество CO₂ в составе ОГ в случае с нейтрализатором больше. Объясняется это тем, что последний превращает в CO₂ содержащиеся в ОГ углеводороды и угарный газ. При отклонении от стехиометрии как в сторону обеднения, так и в сторону обогащения смеси, количество CO₂ уменьшается.

Это очень важный момент: максимальное количество CO₂ в составе ОГ приблизительно соответствует стехиометрической смеси.

Расчетный коэффициент λ

Отдельного разговора заслуживает коэффициент избытка воздуха λ. Следует четко понимать, что значение λ, отображаемое на дисплее прибора, представляет собой не реальный, а расчетный коэффициент. Он вычисляется процессором газоанализатора исходя из количества различных компонентов в составе ОГ. Вычисление производится по так называемой формуле Бертшнайдера:

Формула приведена в качестве справочного материала и подробно разбираться нами не будет.

Расчетное значение λ будет соответствовать реальному значению только в случае, если выпускной тракт двигателя полностью герметичен, а измерительные элементы газоанализатора откалиброваны. В том случае, если выпускной тракт негерметичен (имеются подсосы атмосферного воздуха), то расчетное значение λ может оказаться не только неверным, но и превышающем все разумные пределы. Объясняется это тем, что в формуле Бертшнайдера используется содержание кислорода в ОГ, и любое появление лишнего кислорода приводит к значительной погрешности вычисления этого коэффициента.

Состав ОГ исправного двигателя

Учитывая все вышесказанное, необходимо озвучить состав отработанных газов исправного двигателя. Следует заранее оговориться, что в дальнейшем речь пойдет о работе с четырехкомпонентным прибором, так как пятикомпонентные, отображающие помимо прочего количество NO_x, на участках диагностики практически не применяются из-за высокой цены. Цифры, которые будут приведены ниже, получены из многолетнего опыта применения газоанализаторов.

Прежде чем назвать их, заострим внимание на следующем моменте.

Подавляющее большинство современных бензиновых двигателей оснащено каталитическим нейтрализатором отработанных газов. Поэтому составы ОГ такого двигателя и двигателя, не оснащенного нейтрализатором, будут значительно отличаться. Исходя из этого соображения, представляется наиболее правильным рассматривать состав ОГ в выпускном тракте до нейтрализатора и после него. Эти цифры – эталон, от которого делаются все последующие выводы, можно сказать, это основа газоанализа. Их нужно запомнить и постоянно держать в голове. Итак,

— состав ОГ исправного, прогретого до рабочей температуры, работающего на стехиометрической смеси двигателя в выпускном тракте до каталитического нейтрализатора выглядит следующим образом: (табл.1)