Rysunek 1: Struktura i zasada działania analizatora gazu wykorzystującego FID.
Spis treści
Gdy węglowodory (HC) zawarte w gazie próbki są wprowadzane do płomienia wodorowego, ulegają utlenieniu i zachodzi reakcja jonizacji. (Równanie 1) Ponieważ ilość wytworzonych jonów jest proporcjonalna do liczby atomów węgla, stężenie węglowodorów w gazie mierzy się poprzez elektrostatyczne zbieranie tych jonów i wykrywanie ich w postaci prądu elektrycznego.
\[CH \xrightarrow[(O)]{\text{Oxidation}} CHO^+ + e^-\]
Równanie 1: Reakcja jonizacji węglowodorów płomieniem wodorowym
Analizator gazu wykorzystujący FID, w sposób ciągły dostarcza gaz paliwowy (wodór (H2) lub mieszankę wodoru i helu (He) lub mieszankę wodoru i azotu (N2) oraz gaz utleniający (oczyszczone powietrze) w celu wytworzenia płomienia wodorowego. Próbka gazu jest mieszana z gazem paliwowym i wprowadzana do płomienia wodorowego o wysokiej temperaturze (>1500 K). Na końcu dyszy strumieniowej cząsteczki węglowodorów w próbce gazu są utleniane i jonizowane (Równanie 1), a jony te są zbierane przez elektrodę zbiorczą i wykrywane jako prąd elektryczny w celu oznaczenia stężenia węglowodorów w gazie. (Rysunek 1)
Rysunek 1: Struktura i zasada działania analizatora gazu wykorzystującego FID.
Analizator gazów wykorzystujący FID służy do ciągłego pomiaru stężenia metanu (CH4), węglowodorów niemetanowych (NMHC) *1 i sumy węglowodorów (THC) *2 w próbce gazu.
*1: NMHC: Skrót oznaczający węglowodory niemetanowe i ogólne określenie węglowodorów innych niż metan.
*2: THC: Skrót oznaczający całkowitą ilość węglowodorów
Jednostka ppmC stężenia gazu jest zazwyczaj używana w analizatorze gazu FID; ppmC (równoważnik stężenia węgla) to stężenie gazu przeliczone na ilość cząsteczek węgla.
Na przykład, jeśli próbka gazu zawiera tylko propan (C3H8) 100 ppm w postaci węglowodorów, analizator FID mierzy 100 x 3 = 300 ppmC, ponieważ propan (C3H8) ma trzy atomy węgla (C).
HORIBA wykorzystuje analizator gazów oparty o detektor FID do jednoczesnego i ciągłego pomiaru stężeń metanu (CH4), węglowodorów niemetanowych (NMHC) i sumy węglowodorów (THC), które są zanieczyszczeniami w otaczającym powietrzu i spalinach. Budowa i zasada działania analizatora są wyjaśnione tutaj, na przykładzie analizatora do pomiaru węglowodorów w powietrzu atmosferycznym.
Przykład ogólnej struktury analizatora pokazano na rysunku 2. Płomień wodorowy FID jonizuje większość węglowodorów w gazie próbki. Aby zmierzyć metan, węglowodory niemetanowe i całkowitą zawartość węglowodorów w gazie próbki, analizator FID firmy HORIBA zawiera mechanizm usuwania węglowodorów niemetanowych przy użyciu selektywnego spalania (separator NMHC) i oczyszczacza gazu zerowego.
Kolejność przełączania linii jest następująca: A, C, B, C itd.
Rysunek 2: Struktura i zasada działania analizatora całkowitego stężenia węglowodorów (THC) w gazie
Węglowodory mają różne temperatury spalania w zależności od liczby atomów węgla w ich cząsteczkach. Na przykład temperatura spalania propanu jest niższa niż metanu. Kontrolując temperaturę spalania zgodnie z tą cechą, wszystkie węglowodory niemetanowe w gazie próbki są spalane, aby wytworzyć gaz próbki zawierający jedynie metan spośród węglowodorów. Ta metoda nazywana jest metodą spalania selektywnego. W tym procesie ważne jest kontrolowanie utraty metanu w gazie próbki podczas spalania.
Metodę tę wykorzystuje urządzenie do usuwania metanu (separator NMHC) w analizatorze.
Próbka gazu przepływa bezpośrednio przez linię A do detektora węglowodorów z wbudowanym FID, a całkowita zawartość węglowodorów jest mierzona. Następnie zawory elektromagnetyczne przełączają się na linię C, a gaz wolny od węglowodorów przepływa do detektora FID jako gaz odniesienia punktu zerowego w celu zmniejszenia dryfu punktu zerowego (*). Gaz porównawczy punktu zerowego jest wytwarzany przez usuwanie wilgoci, węglowodorów itp. z powietrza otoczenia za pomocą oczyszczacza gazu zerowego.
W kolejnym kroku zawory elektromagnetyczne przełączają się na linię B i próbka zawierająca wyłącznie metan, gdzie pozostałe węglowodory zostały usunięte przez separator NMHC, przepływa do detektora FID. Oznaczane jest stężenie metanu. Po pomiarze metanu analizator przełącza się na linię C, a gaz wolny od węglowodorów przepływa do detektora FID jako gaz odniesienia punktu zerowego w celu zmniejszenia dryfu punktu zerowego (*).
W związku z tym wybrane gazy są wprowadzane do detektora węglowodorów (FID) w kolejności zgodnej z linią A, C, B i C.
Węglowodory niemetanowe oblicza się na podstawie różnicy stężeń między całkowitą zawartością węglowodorów a metanem. (Linie A, B)
Wszystkie ścieżki gazowe są doprowadzane do tej samej komory reakcyjnej i wykrywane przez ten sam detektor. Oznacza to, że zmiany czułości komory reakcyjnej i detektora, w czasie w równym stopniu wpływają na każdą z linii gazów, ostatecznie minimalizując różnicę w czułości THC i CH4.
*) Dryft punktu zerowego to przesunięcie punktu zerowego analizatora stopniowo w jednym kierunku z powodu temperatury, starzenia lub innych czynników. Użycie gazu porównawczego do odchylenia punktu zerowego może zmniejszyć wpływ dryftu punktu zerowego.
Analizator gazu z detektorem FID mierzy metan, całkowite węglowodory i węglowodory niemetanowe na podstawie pomiaru odpowiedzi jonowej odniesionej do reakcji detektora dla propanu lub metanu w płomieniu wodorowym. Na przykład, jeśli stopień jonizacji propanu jest taki sam dla innych węglowodorów, FID może dokładnie zmierzyć dowolny węglowodór w gazie próbki, ale jeśli stopień jonizacji różni się między węglowodorami, pomiar będzie zakłócony. Stopień jonizacji zmienia się w zależności od struktury węglowodoru (np. wiązania podwójne lub potrójne), obecności lub braku tlenu i innych czynników.
Co za tym idzie, pomiar analizatorem FID jest zależny od rodzaju i stężenia węglowodorów zawartych w gazie próbki. Analizator FID wymaga mechanizmów zapewniających by współczynniki jonizacji węglowodorów były w miarę możliwości takie same.
W zależności od stężenia tlenu, pomiar węglowodorów ulega zmianie. Nazywa się to interferencją tlenową.
Tlen w gazie próbki powoduje spalanie niektórych węglowodorów przed ich jonizacją, co zmienia stopień ich jonizacji i wpływa na pomiar.
HORIBA optymalizuje następujące elementy w celu zmniejszenia wpływu różnic w stopnia jonizacji węglowodorów i zakłóceń tlenowych.
Analizator FID służy głównie do pomiaru węglowodorów w otaczającym powietrzu. Analizatory FID i NDIR mierzą węglowodory w spalinach zgodnie z krajowymi i przemysłowymi przepisami ochrony środowiska. NDIR nie wymaga gazów użytkowych, takich jak gaz paliwowy, ale FID może mierzyć wiele składników gazu (THC, NMHC, CH4) jednocześnie.
Analizator FID jest aktywny w ciągłym pomiarze i monitorowaniu emisji węglowodorów z zakładów produkcyjnych i fabryk, które prowadzą do powstawania ozonu (O3), głównego składnika smogu fotochemicznego, oraz powstawania szkodliwych cząstek stałych. Znajduje również zastosowanie w rozwoju efektywności paliwowej obszarów mobilności i sprawności spalania silników.
Spis treści
Masz pytania lub prośby? Skorzystaj z tego formularza, aby skontaktować się z naszymi specjalistami.
