Сравнение средств измерений загрязняющих веществ в атмосферном воздухе для автоматизированной системы измерительного комплекса

Введение

Как государственным природоохранным организациям, так и промышленным предприятиям необходимо производить анализы воздуха жилой зоны, замеры на границе санитарно-защитных зон и подфакельные наблюдения. При этом, из-за большого количества точек анализа, требуемого графика выполнения и обширного перечня измеряемых компонентов, отбор воздуха в тедларовые пакеты и на пробоотборники с последующими лабораторными исследованиями становятся слишком трудозатратными.
В таких случаях экономически целесообразно использование передвижных экологических лабораторий контроля атмосферного воздуха; при этом средством контроля являются автоматические газоанализаторы.
Автоматические станции контроля оснащаются:
• Пылемерами;
• Автоматическими газовыми хроматографами;
• Автоматическими и автоматизированными аспираторами для отбора проб воздуха для анализа особых загрязнителей;
• Оборудованием для отбора и хранения проб природной и сточной воды, почвы;
• Тест-наборами для проведения экспресс-анализов воды и почвы на месте, а также другим аналитическим оборудованием;
• Системами калибровки газоанализаторов;
• Бытовыми системами, облегчающими жизнь экипажу лаборатории.
Технологические газоанализаторы используются для непрерывного определения концентраций одного и более газов в газовой смеси. Определение концентрации газов в процессе используется для управления и контроля за технологическими потоками, и поэтому имеет решающее значение для автоматизации и оптимизации процессов и обеспечения качества продукции. Кроме этого, технологические газоанализаторы используются для контроля выбросов, делая таким образом существенный вклад в защиту окружающей среды, а также для обеспечения соответствия законодательных предписаний. Аналитические процедуры in-situ характеризуются выполнением физических измерений в потоке технологического газа, обычно также непосредственно в действующей технологической газовой линии. В отличии от экстрактивных газоанализаторов, проба не отбирается и не проводится в анализатор через линию пробы и пробоподготовку. Только в исключительных случаях условия процесса делают необходимым подготовку потока газа-пробы в байпасе в части температуры процесса, давления и/или оптической длины пути. Прочая подготовка газа процесса, например, осушение или осаждение пыли, обычно отсутствует.
Актуальность данной работы обусловлена постоянным ростом популярности и востребованности автоматизированных систем контроля качества атмосферного воздуха в различных отраслях промышленности, а также санитарно-экологического надзора.
Цель работы – провести сравнительную характеристику измерительных средств, используемых в автоматических системах контроля.
Задачи работы:
 рассмотреть общие вопросы, касающиеся систем автоматизированного контроля;
 изучить применяемые в таких системах типы детекторов;
 привести сравнительную характеристику существующих типов детекторов по веществам.
 1. Автоматизированная система контроля качества атмосферного воздуха
Автоматизированная система контроля качества атмосферного воздуха предназначена для непрерывного автоматического измерения массовых (или объемных) концентраций загрязняющих веществ, расхода, температуры и влажности газовоздушных смесей, отводимых через стационарные организованные источники выбросов, общего контроля состояния атмосферного воздуха в зоне жилой застройки, либо промышленных зон. Функционал автоматизированной системы обеспечивает создание первичной базы данных, статистическую обработку и визуализацию информации, расчет мощности выброса (г/с).
Основные принципы построения системы (рисунок 1)
1. Открытость архитектуры системы, позволяющая осуществлять ее поэтапное наращивание и модернизацию.
2. Работа системы в режиме реального времени.
3. Централизованный сбор информации от территориально распределенных объектов системы контроля выбросов.
4. Единство информационной технологии всех составных частей системы.
Рисунок 1. Пример построения автоматизированной системы контроля качества атмосферного воздуха
1.1. Система отбора, транспортировки и подготовки пробы
Газоотборный зонд
Отбор проб газа может осуществляться не только в точке пробоотбора, но и из горизонтальных или вертикальных труб (дымоходов).
Используемые газоотборные зонды обеспечивают возможность [6]:
1. Многоступенчатой фильтрации проб газа от взвешенных частиц (пыли), а также обратной продувки фильтров с применением сжатого воздуха.
2. Переключения отбираемых потоков на забор атмосферного воздуха с целью автоматической защиты газоаналитического оборудования от аварийных/залповых выбросов.
3. Ввода поверочной газовой смеси для калибровки всего измерительного комплекса вместе с системой транспортировки проб и пробоподготовки.
4. Измерения температуры и подогрева зонда.
Газоотборные зонды изготаливаются из различных материалов в зависимости от состава газа и требований к термостойкости, коррозионной стойкости.
Магистраль транспортировки проб
Магистраль транспортировки (рисунок 2) проб включает в себя подогреваемую трубку транспортировки газа, а также побудитель расхода газа - насос. Трубки могут изготавливаться из различных материалов: нержавеющей стали, ПТФЭ, ПФА. Для исключения возможности конденсатообразования стенки трубки обогреваются по всей ее длине (температура транспортируемого газа должна быть выше точки росы на 15 °С).
Рисунок 2. Магистраль транспортировки проб
Подбор внутреннего диаметра трубки (от 3 до 8 мм) осуществляется с учетом потребностей газоанализаторов и нагнетательных характеристик насоса. Для выравнивания давления перед газоаналитическим оборудованием предусматривается линия сброса избыточного давления [7].
Блок пробоподготовки
Для исключения влияния влажности на результаты измерения проба газа осушается с использованием устройств пробоподготовки конденсационного/холодильного либо мембранного типа.
Рисунок 3. Блок пробоподготовки
В зависимости от состава и температуры газа могут быть использованы устройства пробоподготовки с функциями автоматически заданного разбавления.
1.2. Газоаналитический комплекс с системой калибровки
В газоаналитический комплекс монтируются газоанализаторы, в которых используются следующие методы обработки пробы:
 хемилюминесценция;
 флуоресценция;
 газовая хроматография;
 спектрально-оптические (фотометрические, ИК, УФ-спектрометрические, в том числе лазерные);
 оптико-акустические;
 с использованием полупроводниковых сенсоров;
 электрохимии;
 парамагнитные и другие методы, а также их комбинации.
Выбор марок и моделей измерительного оборудования зависит от конкретных технических задач. Подбор оборудования в автоматических станциях осуществляется в консервативном режиме: устанавливаются только апробированные и зарекомендовавшие себя газоаналитические комплексы, имеющие отзывы предприятий, эксплуатирующих соответствующие измерительные средства. В противном случае выход из строя оборудования, либо его неправильная работа приведет к снижению качества мониторинга, что в дальнейшем может привести даже к человеческим жертвам.
Система калибровки газоаналитического комплекса предназначена для проведения плановых и внеплановых работ по проверке чувствительности газоанализаторов или калибровке. Калибровка газоанализаторов может производиться как в ручном, так и в автоматическом режимах, для чего может быть предусмотрена комплектация с баллонами поверочных газовых смесей или поставка генератора газовых смесей с источниками микропотока.
Блок-бокс с системой жизнеобеспечения
Блок-бокс обеспечивает размещение газоанализаторов, устройств подготовки и подачи пробы, а также программно-технических и вспомогательных средств. В зависимости от места установки и условий размещения блок-бокс может быть выполнен как на базе всепогодного контейнера, так и на базе компактного приборного шкафа.
Система жизнеобеспечения включает в свой состав оборудование для поддержания климатических условий внутри блок-бокса, охранно-пожарную систему, оборудование бесперебойного и стабилизированного электропитания, а также блок управления работой оборудования.
При размещении оборудования с газоанализаторами во взрывоопасной зоне блок-бокс исполняется с необходимым классом взрывозащиты, в том числе посредством организации продувки оболочки (блок-бокса) под избыточным давлением (ГОСТ 22782.4-78) [11].

1.3. Средства измерений расхода, пыли и влажности

Для инструментального непрерывного измерения скорости потока и объемного расхода влажных и агрессивных дымовых газов используются ультразвуковые или термоанемометрические расходомеры.
Измерение запыленности газов может осуществляться различными устройствами с использованием:
 трибоэлектрических датчиков (зондов);
 оптических (в том числе лазерных) технологий.
Измерение влажности осуществляется с целью пересчета объема выбросов на сухой газ в соответствии с Методическим пособием по аналитическому контролю выбросов загрязняющих веществ в атмосферу СПБ, НИИ Атмосфера, 2012 г.

1.4. Комплекс сбора и обработки данных

Комплекс сбора и обработки данных реализуется на базе промышленного компьютера, размещаемого в стойке с газоаналитическим комплексом. КСОД обеспечивает:
Опрос измерительного оборудования и ведение первичной базы данных.