В чем разница между оптическим и термокаталитическим датчиком?

Полезное

В чем разница между оптическим и термокаталитическим датчиком?
18.04.2016
В чем разница между оптическим и термокаталитическим датчиком? К наиболее распространенным типам датчиков для измерения горючих газов в нефтегазовой и нефтехимической отраслях относятся термокаталитический и оптический. Оба имеют ряд достоинств и недостатков. И часто от грамотного выбора типа датчика зависят безопасность, надежность и экономическая состоятельность проекта.

Компания RIKEN, являясь одним из мировых лидеров в технологиях газового анализа, предлагает оба решения и предоставляет пользователям возможность выбора наиболее подходящего варианта для конкретной ситуации. На сегодняшний день большинство углеводородов, сопутствующих технологическим процессам в различных отраслях промышленности, обнаруживаются с помощью термокаталитического датчика, многие из них - с помощью оптического. Важно понимать, что существует ряд соединений, которые сложно обнаружить с помощью оптического датчика. К таким веществам относятся водород, ацетилен и такие ароматические соединения, как бензол и толуол. В данной статье мы рассмотрим самые распространенные соединения и обсудим базовые принципы работы двух технологий, уделив внимание их достоинствам и недостаткам.

К наиболее распространенным измеряемым насыщенным углеводородам относятся:
метан (CH4)
этан (C2H6)
пропан (C3H8)
бутан (C4H10)
• пентан (C5H12)
• гексан (C6H14

Помимо перечисленных, современные газоанализаторы могут измерять следующие ненасыщенные углеводороды, спирты и амины:
• бутадиен (C4H6)
• изопропиламин (C3H9N)
• пропилен (C3H6)
• этиленоксид (C2H4O)
• пропиленоксид (C3H6O)
• этанол (C2H5OH)
• метанол (CH3OH)

Термокаталитический датчик
Работа термокаталитического датчика основана на следующем принципе: при окислении газа высвобождается тепловая энергия и датчик с помощью моста Уитстона преобразует изменение температуры в сигнал, который прямопропорционален концентрации газа. Конструктивно датчик состоит из пары нагревательных элементов - референсного и активного, который встроен в катализатор. Экзотермическая реакция происходит на поверхности катализатора: углеводороды вступают в реакцию с кислородом в воздухе и повышают ее температуру, изменяя сопротивление. Референсный элемент при этом остается инертным по отношению к углеводородом и обеспечивает компенсацию изменений в окружающей среде, которые в ином случае могли бы повлиять на температуру датчика.
 
Схема термокаталитического датчика

Преимущества:
Надежность
• Простота работы
Простота установки, калибровки и эксплуатации
• Большой срок службы, низкая стоимость
• Проверенная технология с надежными и предсказуемыми результатами
• Можно калибровать на различные газы, например, на водород, который невозможно обнаружить оптическим датчиком
• Высокая надежность в запыленной атмосфере
• Высокая надежность в условиях повышенных температур
• Малочувствителен к изменениям влажности и температуры
• Малочувствителен к изменениям в давлении
• Обнаруживает большинство углеводородов

Недостатки:

• Катализаторы могут отравляться и приходить в негодность из-за механического загрязнения (производные хлора и кремния, длительное воздействие H2S и других сернистых/коррозийных соединений)
• Единственным способом обнаружить потерю чувствительности датчика являются рутинные проверки с помощью калибровочных смесей с последующей калибровкой (при необходимости)
Для работы требуют постоянного наличия кислорода
• Длительное воздействие высоких концентраций углеводородов может привести к снижению чувствительности датчика
• В случае воздействия сверхвысоких концентраций углеводородов датчик может выйти из строя


Оптический датчик
Оптический (инфракрасный) принцип измерения основан на поглощении инфракрасного излучения определенной длины волны при прохождении через него газа. Обычно два ИК-источника и один ИК-детектор измеряют интенсивность двух волн: одной на длине поглощения, второй - за ее пределами. Если в момент измерения газ попадает в луч между источником и детектором, уровень излучения, достигающий источника, падает. Концентрация газа вычисляется путем сравнения относительных значений между двумя волнами. Так работает двухлучевой оптический датчик.

Оптический метод основан на способности некоторых газов поглощать инфракрасное излучение. Многие углеводороды поглощают ИК-излучение с длиной волны 3.4 мкм. Однако, как было отмечено выше, некоторые углеводороды и другие горючие газы не могут быть обнаружены обычным оптическим датчиком. В частности, в дополнение к ароматическим углеводородам и ацетилену оптический датчик с типичной длиной волны в 3.4 мкм не может детектировать водород, аммиак и оксид углерода.

Преимущества:
• Устойчивость к отравлению и загрязнению
• Срок службы датчика больше, чем у термокаталитического
• Частота калибровки ниже, чем у термокаталитического датчика
• Возможность работы в отсутствии кислорода или при повышенной концентрации кислорода
• Возможность работы в постоянном присутствии газа
• Надежные результаты измерения при меняющемся расходе
• Прибор сохраняет работоспособность при высоких концентрациях газа, при этом датчик не будет поврежден
• Возможность измерения концентраций, превышающих 100%LEL

Недостатки:
• Более высокая стоимость газоанализатора
• Более высокая стоимость сменных датчиков
• Невозможно детектировать газы, которые не поглощают ИК-излучение (например, водород)
• Высокая влажность, запыленность и/или агрессивная среды могут увеличить стоимость обслуживания газоанализатора
• Температурный режим газоанализатора более узкий по сравнению с термокаталитическим датчиком
• Ненадежные результаты измерений в присутствии нескольких газов.

Очевидно, что в отрасли существует потребность в обоих типах датчиков. При выборе газоанализатора следует принимать во внимание окружающие условия и преимущества/недостатки того или иного типа датчика. Также следует учесть общую стоимость владения (TOC) и время, затрачиваемое на обслуживание газоанализатора.

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.