그림 1: FID를 이용한 가스 분석기의 구조 및 작동 원리.
샘플 가스 중의 탄화수소(HC)를 수소 화염에 흘려보내면 탄화수소가 산화되어 이온화 반응이 일어납니다. (방정식 1) 생성된 이온은 탄소 수에 비례하므로, 이들 이온을 정전기적으로 수집하여 전류로 검출함으로써 탄화수소의 가스 농도를 측정합니다.
\[CH \xrightarrow[(O)]{\text{Oxidation}} CHO^+ + e^-\]
방정식 1: 수소 불꽃에 의한 탄화수소의 이온화 반응
FID를 사용하는 가스 분석기는 연료 가스(수소(H2) 또는 수소와 헬륨의 혼합 가스(He) 또는 수소와 질소의 혼합 가스(N2)와 보조 가스(정제 공기)를 연속적으로 공급하여 수소 불꽃을 생성합니다. 샘플 가스는 연료 가스와 혼합되어 제트 노즐 끝에서 고온의 수소 불꽃(>1500K)으로 유입되고 샘플 가스 내의 탄화수소 분자는 산화되어 이온화됩니다. (수식 1) 이러한 이온은 콜렉터 전극에 의해 수집되고 탄화수소의 가스 농도를 측정하기 위해 전류로 감지됩니다. (그림 1)
그림 1: FID를 이용한 가스 분석기의 구조 및 작동 원리.
FID를 사용하는 가스 분석기는 메탄(CH4), 비메탄 탄화수소(NMHC) *1 및 총 탄화수소(THC) *2의 농도를 지속적으로 측정하는 데 사용됩니다. 샘플 가스.
*1: NMHC: 비메탄 탄화수소(Non-Methane Hydrocarbons)의 약자로, 메탄을 제외한 탄화수소를 총칭
*2: THC: 총 탄화수소의 약자
가스 농도 단위의 ppmC는 일반적으로 FID 가스 분석기에서 사용됩니다. ppmC(탄소 당량 농도)는 탄소당 환산된 가스 농도이고, ppmC는 탄소 수에 ppm을 곱한 것입니다.
예를 들어, 샘플 가스가 탄화수소로 프로판(C3H8) 100ppm만 포함하는 경우 프로판(C3H8)이탄소 3개(C).
HORIBA는 FID를 사용하는 가스 분석기를 사용하여 메탄(CH4), 비메탄 탄화수소(NMHC) 및 총 탄화수소(THC)는 주변 공기 및 배기 가스의 오염 물질입니다. 여기에서는 주변 공기에서 이러한 탄화수소 성분을 지속적으로 측정하는 분석기의 예를 들어 분석기의 구조와 작동 원리를 설명합니다.
분석기의 전체 구조의 예는 그림 2에 나와 있습니다. FID의 수소 화염은 샘플 가스의 대부분 유형의 탄화수소를 이온화합니다. 샘플 가스의 가스, 메탄, 비메탄 탄화수소 및 총 탄화수소를 측정하기 위해 HORIBA의 FID 분석기는 선택적 연소 방법(NMHC 커터)을 사용하는 비메탄 제거 장치와 제로 가스 정제기를 통합합니다.
회선 전환 순서는 A, C, B, C 이런 식입니다.
그림 2: 총 탄화수소(THC) 가스 분석기의 구조 및 작동 원리
탄화수소는 분자 내 탄소 수에 따라 연소 온도가 다릅니다. 예를 들어, 프로판의 연소 온도는 메탄보다 낮습니다. 이 특성에 따라 연소 온도를 제어하면 샘플 가스의 모든 비메탄 탄화수소가 연소되어 탄화수소에 대한 메탄만 포함된 샘플 가스가 생성됩니다. 이 방법을 선택적 연소 방법이라고 합니다. 이 과정에서 샘플 가스의 메탄 연소 손실을 제어하는 것이 중요합니다.
분석기의 비메탄 제거 장치(NMHC 커터)가 이 방법을 활용합니다.
샘플 가스는 라인 A를 통해 FID가 내장된 탄화수소 검출기로 직접 흐르고 총 탄화수소가 측정됩니다. 그런 다음 솔레노이드 밸브가 라인 C로 전환되고 탄화수소가 없는 가스가 탄화수소 검출기(FID)로 흐르면서 제로점 드리프트(*)를 줄이기 위한 제로점 비교 가스가 됩니다. 제로점 비교 가스는 제로가스 정제기를 사용하여 주변 공기에서 수분, 탄화수소 등을 제거하여 생성됩니다.
그런 다음 솔레노이드 밸브는 라인 B로 전환되고, NMHC 커터에 의해 샘플링 가스에서 메탄 전용 가스가 생성되어 탄화수소 검출기(FID)로 흐르고 메탄이 측정됩니다. 메탄 측정 후 라인 C로 전환하여 탄화수소 검출기(FID)로 제로 포인트 비교 가스를 흐르게 하여 제로 포인트 드리프트(*)를 줄입니다.
이와 같이 선택된 가스는 라인 A, C, B, C의 순서로 탄화수소 검출기(FID)로 흘러들어갑니다.
비메탄 탄화수소는 총 탄화수소와 메탄의 농도 차이로부터 계산됩니다. (라인 A, B)
또한 이러한 가스는 동일한 반응 셀로 유입되고 솔레노이드 밸브 스위칭 기능에 의해 동일한 감지기에 의해 감지됩니다. 이는 시간 경과에 따른 반응 세포와 검출기의 민감도 변화 등을 의미합니다. 이러한 가스의 검출에 동일하게 반영되어 최종적으로 THC 및 CH4감도의 차이를 최소화합니다.
(*)제로 포인트 드리프트는 온도, 노화 또는 기타 요인으로 인해 분석기의 제로 포인트가 한 방향으로 점진적으로 이동하는 것입니다. 제로 포인트 편차에 비교 가스를 사용하면 제로 포인트 드리프트의 영향을 줄일 수 있습니다.
FID 가스 분석기는 수소 화염에 의한 이온화된 알려진 농도의 프로판 또는 메탄에 대한 측정을 기반으로 메탄, 총 탄화수소 및 비메탄 탄화수소를 측정합니다. 예를 들어, 프로판의 이온화 속도가 다른 탄화수소에 대해 동일하다면 FID는 샘플 가스의 모든 탄화수소를 정확하게 측정할 수 있지만 탄화수소 간에 이온화 속도가 다르면 측정에 영향을 미칩니다. 이온화 속도는 탄화수소의 구조(예: 이중 또는 삼중 결합), 산소의 존재 또는 부재 및 기타 요인에 따라 다릅니다.
따라서 FID 분석기의 측정은 샘플 가스에 포함된 탄화수소의 종류와 농도에 영향을 받습니다. FID 분석기는 탄화수소의 이온화 속도가 가능한 한 동일하도록 보장하는 메커니즘이 필요합니다.
산소 농도에 따라 탄화수소 측정이 영향을 받습니다. 이를 산소 간섭이라고 합니다.
예를 들어, 샘플 가스의 산소는 탄화수소가 이온화되기 전에 일부 탄화수소를 연소하게 하며, 이로 인해 이온화 양이 바뀌고 측정에 영향을 미칩니다.
HORIBA 탄화수소 이온화율 차이와 산소 간섭의 영향을 줄이기 위해 다음 항목을 최적화합니다.
FID 분석기는 주로 대기 중의 탄화수소를 측정하는 데 사용됩니다. FID 및 NDIR 분석기는 국가 및 산업 환경 규정에 따라 배기 가스의 탄화수소를 측정합니다. NDIR은 연료 가스와 같은 유틸리티 가스가 필요하지 않으며 FID는 여러 가스 구성 요소(THC, NMHC,CH4))를 동시에 측정할 수 있습니다.
수소 화염 이온화 감지(FID) 분석기는 모빌리티 및 공장의 탄화수소 배출량을 지속적으로 측정하고 모니터링하는 데 활발합니다. 광화학 스모그의 주성분인 오존(O3)과 유해한 미립자 물질의 형성. 또한 모빌리티의 연료 효율 및 엔진 연소 효율 개발에 사용됩니다.
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