1.2 Методы обнаружения и измерения концентрации оксида углерод
http://masters.donntu.ru/2003/kita/vovna/diss/1_2.htm

     По принципу физико-химического состава преобразования информации о концентрации ингредиента в электрический сигнал методы автоматического газового анализа можно разделить на механические, магнитные, тепловые, электрические, оптические, масс-спектрометрические, абсорбционные, газовую хроматографию.

     Механические методы. Объемно-манометрические газоанализаторы, несмотря на универсальность, избирательность и простоту эксплуатации, неприемлемы из-за низкой чувствительности (0,1мг/л), невысокой точности, большой длительности анализа, невозможности эксплуатации в условиях тряски и вибрации.

     Магнитные методы. Область применения этих методов ограничена анализом газов, обладающих парамагнитными свойствами(О₂, NO, NO₂), они отличаются невысокой точностью, малой чувствительностью (0,1мг/л) и для контроля не пригодны.

     Тепловые методы. Термокондуктометрический метод характерен непрерывностью анализа, пригодностью для телеизмерений, неограниченностью диапазона измерений, возможностью анализа химически инертных компонентов, наибольшей предпочтительностью для измерения таких агрессивных газов, как SO₂, Cl₂, HCl, H₂S и др. Наряду с этим метод обладает и существенными недостатками, затрудняющими применение в автоматических системах контроля: высокий порог чувствительности (10^-1-10^-2мг/л) при анализе малых концентраций, как правило, превышающий санитарные нормы; большая инерционность; нелинейность градуировочной характеристики; электрическая зависимость коэффициента теплопроводности от окружающих условий (колебания атмосферного давления, скорости газообмена, температуры газовой среды, тока источника питания, вибрации и др.). Принцип теплопроводности не обеспечивает также необходимой избирательности и может быть использован лишь при резком отличии теплопроводности определяемого компонента от теплопроводности остальных составляющих смеси. Достоинства термокаталического метода- непрерывность работы, возможность автокомпенсации внешних возмущений в однокамерном термокаталическом датчике, отсутствие сложных вспомогательных устройств предварительной подготовки анализируемой среды (по температуре, влажности, давлению, запыленности и др.). Недостаток метода - недостаточная чувствительность для анализа ПДК большинства горючих газов, малая избирательность, большая инерционность, ограниченный диапазон измерения.

     Электрические методы. Высокая чувствительность (1мг/м³ и лучше) и стабильность - весьма важные достоинства электрических методов. Большинство ионизационных методов являются недостаточно специфичными, требуют предварительного хроматографического разделения пробы.

     В промышленной санитарии наиболее успешно используются кондуктометрический и кулонометрический методы. Достоинства кондуктометрического метода - высокая чувствительность (0,05мг/м³ и лучше), простота и надежность в работе инструментальных средств (при относительно больших габаритах), универсальность, возможность анализа. Недостатки кондуктометрического метода: низкая избирательность, в связи с чем метод применим в основном для анализа бинарных или псевдобинарных смесей либо общей загрязненности воздуха; большая зависимость показаний от окружающей температуры; наобходимость применения измерительных схем переменного тока повышенной (1000 Гц) частоты из-за возникновения погрешностей от поляризационных явлений при использовании постоянного тока. Кулонометрическое титрование характеризуется высокой точностью, независимостью от температуры окружающей среды, влажности, давления и других возмущений, позволяет использовать широкий набор электрогенерируемых титрантов и определять большое число компонентов, используя одну базовую конструкцию. Кулонометрия при контролируемом потенциале отличается высокой чувствительностью, точностью, отсутствием необходимости в термостатировании, компактностью конструкции, хорошей избирательностью, малой (по сравнению с методами электрокондуктометрии и фотоколориметрии) инерционностью, простотой аппаратурного оформления, эксплуатационной надежностью и минимальными затратами труда и времени на обслуживание.

     Оптические методы. Из абсорбционных методов УФ-метод имеет сравнительно меньшее распространение в связи с ограниченной избирательностью. Более наилучший с точки зрения избирательности ИК-метод. Избирательность, высокая чувствительность (10^-4 об.% СО, СО₂, СН₄, С₂Н₂, Н₃ и др.), быстродействие, пригодность для непрерывных измерений, большой выходной эффект при малых приростах концентрации анализируемого газа обуславливают перспективность его, несмотря на сложность инструментальных средств.

     Интерферометрический метод применим лишь для бинарных смесей. Он получил распространение для лабораторных аналитических установок высокой точности, главным образом для переносных ручных газоанализаторов СО₂ и СН₄. Попытки обнаружения интерферометром примесей с близкими спектрами с помощью логических схем и параллельных активных фильтров приводят к неоправданно сложным конструктивным решениям.

     Люминесцентный анализ - один из самых высокочувствительных и быстрых физико-химических методов обнаружения и идентификации органических и неорганических веществ. Сохраняя избирательность фотоколориметрии, флуоресцентный метод позволяет значительно повысить чувствительность. Однако люминесцентный анализ, как правило, осуществляется с помощью лабораторных приборов и применяется для автоматического контроля. Разновидность люминесцентного метода - хемилюминесцентный - не обладает избирательностью.

     Масс-спектрометрические методы. Общим достоинством этих методов является прецизионность, избирательность и высокая чувствительность анализа не только газов, но и твердых и жидких аэрозолей, способных переходить в газообразное состояние при давлении 30-40 мм рт.ст., что в определенной мере обуславливает универсальность методов. Несмотря на то что применение масс-спектрометрии для непрерывного контроля в промышленных условиях пока ограничивается технической сложностью и громоздкостью приборов, требованием высококвалифицированного обслуживания, бесспорные преимущества метода, полная автоматизация измерительного процесса наряду с упрощением аппаратуры при настройке на определенную гамму ингредиентов могут обусловить его эффективность для контроля.

     Абсорбционные методы. Недостатком всех разновидностей этих методов, кроме теплодинамического, является периодичность анализа.

     Для определения окиси углерода в атмосферном воздухе наиболее часто используются оптико-акустические газоанализаторы, действие которых основано на измерении с помощью селективного лучеприемника поглощения (адсорбции) инфракрасной радиации анализируемого газа. Характеристики инфракрасной адсорбции нескольких газов и паров дают возможность их обнаружения и анализа в непрерывном анализаторе. Недисперсионные инфракрасные анализаторы - наиболее часто используемые автоматизированные приборы для определения СО в атмосферном воздухе.

     Оптико-акустический (ОА) метод. Этот метод основывается на оптико-акустическом эффекте, заключающемся в возникновении акустических колебаний в образце при облучении его модулированным на звуковой частоте или импульсным излучением (УФ, видимым, ИК). Этот эффект возникает за счет преобразования части поглощенной энергии в тепловую, что приводит к появлению в образце акустических колебаний, которые регистрируются микрофоном.

     Исследуемый образец помещают в акустическую ячейку, представляющую собой герметичную полость, заполненную воздухом и и соединенную с конденсаторным микрофоном. При облучении образец периодически с частотой модуляции излучения нагревается. За счет теплопередачи часть энергии передается через поверхность образца соприкасающемуся с ним газу. В замкнутом объеме периодический нагрев газа приводит к периодическому изменению его давления, регистрируемого микрофоном. Такой метод регистрации акустических колебаний является косвенным. К его достоинствам следует отнести: отсутствие ограничений на форму и структуру образцов; возможность анализа сильно поглощающих образцов с коэффициентом поглощения до 106 см^-1.

     В основе метода лежит линейная зависимость оптико-акустического сигнала от концентрации, что относится и к оптически непрозрачным образцам. Чувствительность метода зависит от интенсивности источника излучения, типа газа, геометрических размеров и материала ячейки, технических характеристик систем усиления и детектирования. ОА-методы отличаются достаточно высокой воспроизводимостью. По селективности ОА-метод не уступает методам абсорбционной спектрометрии. ОА-методом можно анализировать образцы в широком температурном интервале от 5 до 1050 К, что открывает возможности повышения чувствительности анализа газовых проб путем их предварительного сжижения. Преимуществом оптико-акустических газоанализаторов является малая инерционность и небольшие эксплуатационные расходы, однако чувствительность существующих газоанализаторов пока недостаточна для анализа СО в пределах ПДК.

     Применение лазеров дало новый мощный толчок к развитию ОА-метода. Одной из наиболее важных областей применения ОА-метода лазерной спектроскопии является анализ следовых количеств атомов и молекул. Наиболее эффективным этот метод оказывается при детектировании примесей в газовых средах, в том числе в воздухе. Разработаны промышленные опытные образцы лазерных оптико-акустических спектрометров и газоанализаторов, которые успешно используют для контроля загрязнений воздуха, технологических процессов. Это наиболее рациональный путь создания газоанализаторов, работающих в ИК области спектра. В методе сочетаются высокая селективность, малый объем газовой кюветы и очень высокая чувствительность.