Приборы для измерения концентрации токсичных веществ в отработавших газах

Аппаратура для измерения концентрации токсичных веществ в отработавших газах

 

Для проверки концентрации токсичности веществ в отработавших газах применяют многокомпонентные газоанализаторы, а для проверки дымности – дымомеры.  Вот о том, какие используются приборы для измерения концентрации токсичных веществ в отработавших газах, мы и поговорим в этой статье.

 

 

Для автомобилей с бензиновыми двигате­лями, количество газообразных токсичных веществ в пробах вычисляется исходя из кон­центрации токсичных веществ в пробах отра­ботавших газов и воздуха разбавления. Методики испытанийСтан­дартная процедура для этой цели (см. табл. «Методики испытаний» ) определена нормами контроля токсичности отработавших газов.

В основном, для измерения концентраций газообразных токсичных веществ в отрабо­тавших газах автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателями используется одни и те же измерительные приборы. Однако в отношении измерения концентрации углеводо­родов (НС) имеют место некоторые различия. Анализу подвергается не содержимое мешков для сбора проб, а часть непрерывного потока разбавленных отработавших газов. Затем к по­лученному значению прибавляется концентра­ция, измеренная в ходе дорожных испытаний. Причина такого подхода заключается в том, что углеводороды (имеющие высокую темпера­туру кипения) конденсируются в (не нагретом) мешке для сбора проб отработавших газов.

В исследовательских целях на многих ис­пытательных стендах установлены системы непрерывного измерения концентраций токсичных веществ в системе выпуска от­работавших газов автомобиля или в системе разбавления отработавших газов. Это необ­ходимо для получения данных о тех или иных подлежащих контролю компонентах, а также компонентах, на которые требования норм не распространяются. Для этого требуется ис­пользовать методы испытаний, не указанные в табл. «Методики испытаний» , например:

  • Парамагнитный метод (для измерения кон­центрации O2);
  • Детектор Cutter FID: комбинация пламенно­ионизационного детектора и поглотителя неметановых углеводородов (для измере­ния концентрации СН4);
  • Массовая спектроскопия (многокомпо­нентный анализатор);
  • FTIR-спектроскопия (инфракрасная спек­троскопия с преобразованием Фурье, многокомпонентный анализатор);
  • Инфракрасная лазерная спектроскопия (многокомпонентный анализатор).

 

Ниже приведены описания некоторых изме­рительных приборов.

 

 

NDIR-анализатор

 

NDIR-анализатор (недисперсионный инфра­красный анализатор) использует свойство некоторых газов поглощать инфракрасное из­лучение в узком диапазоне длин волн. Погло­щенное излучение преобразуется в энергию колебаний или вращения молекул поглощаю­щего вещества. Измерительная камера анализатор NDIRВ свою очередь эту энергию можно измерить, как тепловую энергию. Вы­шеописанное явление относится к веществам, молекулы которого состоят из атомов как ми­нимум двух различных элементов, например, СО, СO2, С6Н14 или SO2.

Существует несколько вариантов NDIR- анализаторов; основными компонентами яв­ляются источник инфракрасного излучения (рис. «Измерительная камера анализатор NDIR» ), поглощающая ячейка (кювета), че­рез которую проходит газ, эталонная ячейка, обычно расположенная параллельно по­глощающей ячейке (заполненная инертным газом, например, N2), вращающийся преры­ватель и детектор. Детектор состоит из двух камер, соединенных мембраной и содержа­щих образцы анализируемых газов. Излуче­ние из эталонной ячейки поглощается в одной камере детектора, а из кюветы — в другой.

Интенсивность излучения из кюветы может быть снижена за счет поглощения испытуе­мым газом. Разность энергий излучения вы­зывает возникновение потока, который может быть измерен датчиком потока или датчиком давления. Вращающийся прерыватель преры­вает инфракрасное излучение, что вызывает изменение направления потока и, следова­тельно, модуляцию сигнала датчика.

NDIR-анализаторы очень чувствительны к присутствию в анализируемом газе влаги, по­скольку молекулы Н2O поглощают инфракрас­ное излучение в широком диапазоне длин волн. По этой причине NDIR-анализаторы располага­ются после системы обработки газа (например, газоохладителя), служащей для осушения от­работавших газов, если выполняются измере­ния неразбавленных отработавших газов.

 

 

Хемилюминесцентный детектор (CLD)

 

В реакционной камере испытуемый газ смеши­вается с озоном, производимым из кислорода посредством электрического разряда Конструкция хемилюминесцентного детектора (CLD)(рис. «Конструкция хемилюминесцентного детектора (CLD)» ). В этой среде оксид азота, содержащийся в ис­пытуемом газе, окисляется до диоксида азота. Некоторые из вновь образовавшихся молекул находятся в возбужденном состоянии. Когда эти молекулы возвращаются в исходное со­стояние, происходит высвобождение энергии в виде света (хемилюминесценция). Величина излученной световой энергии измеряется де­тектором (например, фотоумножителем). При определенных условиях величина этой энергии пропорциональна концентрации оксида азота (NO) в испытуемом газе.

Поскольку стандарт устанавливает общее предельное содержание оксидов азота в отрабо­тавших газах, требуется определять количество молекул NO и NO2. Однако, т.к. принцип действия хемилюминесцентного детектора ограничивает область его применения измерением только концентрации NO, испытуемый газ пропускается через преобразователь, в котором диоксид азота восстанавливается до оксида азота.

Пламенно-ионизационный детектор (FID)

 

Конструкция пламенно-ионизационного детектора (FID)Испытуемый газ сжигается в пламени водо­рода (см. рис. «Конструкция пламенно-ионизационного детектора (FID)» ), в результате чего образуются углеродные радикалы, некоторые из которых временно ионизируются. Ионизированные радикалы разряжаются на электроде коллек­тора. Величина возникающего при этом элек­трического тока пропорциональна количеству атомов углерода в испытуемом газе.

Детекторы GC FID и Cutter FID

 

Существуют два основных метода измерения концентрации метана в испытуемом газе Оба метода включают использование комби­нации сепаратора метана (СН4) и пламене-­ионизационного детектора. Для сепарирова­ния метана используется хроматографическая колонка (GC FID), или нагреваемый каталитиче­ский нейтрализатор, окисляющий отличные от метана углеводороды.

В отличие от детектора cutter FID, детектор GC FID может определять концентрацию СН4 только в прерывистом режиме (типичные ин­тервалы между измерениями составляют от 30 до 45 секунд).

 

 

Парамагнитный детектор (PMD)

 

Существуют различные конструкции пара­магнитных детекторов (в зависимости от из­готовителя). Принцип действия этих детекто­ров заключается в том, что в неоднородных магнитных полях вещества с парамагнитными свойствами (такого как кислород) воздей­ствуют на молекулы. Возникающие при этом силы вызывают движение молекул. Это дви­жение регистрируется специальным детекто­ром и его интенсивность пропорциональна концентрации молекул в испытуемом газе.

Измерение содержания твердых частиц

 

Кроме измерения концентрации газообразных токсичных веществ, измеряется содержание в отработавших газах твердых частиц, поскольку они также являются загрязняющими агентами, содержание которых ограничивается нормами. В настоящее время законодательство предпи­сывает использование для измерения содержа­ния твердых частиц гравиметрического метода.

Гравиметрический метод (с использованием фильтра твердых частиц)

 

Часть разбавленных отработавших газов от­бирается из канала разбавления во время дорожных испытаний и пропускается через фильтры твердых частиц. Количество твер­дых частиц в отработавших газах (нагрузка фильтров) вычисляется, как разность весов фильтров твердых частиц до испытания и по­сле него. Затем содержание твердых частиц, произведенных во время испытания, вычис­ляется, исходя из нагрузки фильтров, общего объема разбавленных отработавших газов и частичного объема отработавших газов, про­шедших через фильтры твердых частиц.

Гравиметрический метод имеет следую­щие недостатки:

  • Относительно высокий предел детектиро­вания, который можно только в ограничен­ной степени снизить, при помощи сложных измерительных приборов, а также путем оптимизации геометрии канала;
  • Невозможность непрерывного измерения содержания твердых частиц;
  • Необходимость в сложном кондициониро­вании фильтров твердых частиц с целью сведения к минимуму влияния окружаю­щей среды;
  • Невозможность определения химического состава и размеров твердых частиц.

 

Подсчет количества твердых частиц

 

В связи с вышеуказанными недостатками гравиметрического метода и с целью сниже­ния предельных значений, некоторые законо­датели в будущем также ограничат не только массу, но и количество твердых частиц.

В качестве устройства для подсчета ко­личества твердых частиц в соответствии со стандартом был заявлен «Конденсационный счетчик твердых частиц» (СРС). В этом счет­чике небольшая часть потока разбавленных отработавших газов (аэрозоль) смешивается с насыщенными парами бутанола. Конден­сация паров бутанола на твердых частицах вызывает значительное увеличение размера частиц, что дает возможность подсчитать их количество в рассеянном свете.

Количество твердых частиц в разбавлен­ных отработавших газах определяется непре­рывно. Интегрирование измеренных значе­ний позволяет получить количество твердых частиц, произведенных во время испытаний.

 

 

Определение распределения твердых частиц по размеру

 

В настоящее время возрастает интерес к рас­пределению твердых частиц, содержащихся в отработавших газах по размеру. Примерами устройств, позволяющих получать такие дан­ные, являются:

  • Сканирующий мобильный определитель размеров частиц (SMPS);
  • Электрический импактор низкого давле­ния (ELPI);
  • Дифференциальный мобильный спектро­метр (DMS).

 

Испытания грузовых автомобилей

 

Измерения количества выбросов дизельных двигателей большегрузных грузовых авто­мобилей массой свыше 8500 фунтов, тре­буемые в США, начиная с 1986 модельного года, и в Европе, с вступлением силу норм Евро-4 для автомобилей массой свыше 3,5 т производится на динамических испытатель­ных стендах с использованием метода CVS (отбор проб при постоянном объеме). Од­нако, в связи с большими размерами дви­гателей, для обеспечения такой же степени разбавления отработавших газов, как для легковых и малотоннажных грузовых автомо­билей, требуется значительно более высокая производительность вентиляторов. Двойное разбавление (через вторичный канал), одо­бренное законодателем, помогает в некото­рой степени решить эту проблему.

Требуемый объемный расход разбав­ленных отработавших газов в критических условиях может быть обеспечен при помощи воздуходувки Рутса или трубки Вентури. Дру­гой возможностью является определение содержания твердых частиц в частичном по­токе разбавленных отработавших газов (при условии измерения концентраций остальных токсичных веществ в необработанных отра­ботавших газах).

Также ожидается, что с введением следую­щих, более строгих норм (например, Евро-6), для большегрузных грузовых автомобилей будут также установлены предельно допу­стимые значения количества твердых частиц.

В следующей статье я расскажу как определяется дымность выхлопа дизельных двигателей.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *