CC BY
38
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
ГАЗОАНАЛИЗАТОР (ТПГ-СН4) ДЛЯ МОНИТОРИНГА МЕТАНА НА ОСНОВЕ ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКИХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СЕНСОРОВ
Эшкобилова Мавжуда Эргашбаевна
соискатель кафедры аналитической химии Самаркандского госуниверситета,
Узбекистан, г.Самарканд E-mail:ergash50@yandex.ru
Насимов Абдулло Мурадович
д-р техн. наук, профессор кафедры неорганической химии Самаркандского госуниверситета,
Узбекистан, г. Самарканд E-mail:ergash50@yandex.ru
GAS ANALYZER (TKG-CH4) FOR METHANE MONITORING ON THE BASIS OF THERMO-CATALYTIC AND SEMICONDUCTOR SENSORS
Mavjuda Eshkobilova
applicant for the Department of Analytical Chemistry of the Samarkand State University,
Uzbekistan, Samarkand
Abdullo Nasimov
Doctor of Technical Sciences, Professor of the of Inorganic Chemistry, Samarkand State University,
Uzbekistan, Samarkand
АННОТАЦИЯ
Разработан селективный и чувствительный 2х-канальный газоанализатор для контроля количества метана в атмосферном воздухе и технологических газах. Исследована концентрационная зависимость аналитического сигнала в широком диапазоне концентраций метана и установлен ее линейный характер. Установленные значения абсолютной и относительной погрешностей и вариации аналитического сигнала не превышают допустимые пределы исследованных параметров.
ABSTRACT
As a result of the research, a selective and sensitive 2-channel gas analyzer has been developed for monitoring the amount of methane in atmospheric air and process gases. The dependence of the signal of the device on the concentration of methane in a wide range of its concentration was investigated. It is established that in the studied interval the dependence of the signal on the concentration is straightforward. The found values of the absolute and relative errors and variations of the analytical signal do not exceed the permissible limits of the parameters studied.
Ключевые слова: метан, термокаталитический и полупроводниковые сенсоры, газоанализатор природного газа, определение метана.
Keywords: Methane, catalytic bead and semiconductor sensors, gas detector natural gas definition of methane.
Метан является одним из самых опасных компонентов воздуха бытовых и производственных помещений. Он создает с воздухом взрывоопасную смесь [ 1]. Нижним концентрационным пределом взрывчатости метана обычно принято считать 5%, а верхним пределом взрывчатости - 16% [2]. Одним из наиболее
опасных видов аварий на бытовых и промышленных объектах являются взрывы метана [3]. Поэтому контроль концентрации метана в воздухе необходим. Данное обстоятельство обусловливает актуальность проведения исследований, направленных на разработку методики и анализатора, обеспечивающих
Библиографическое описание: Эшкобилова М.Э., Насимов А.М. Газоанализатор (ТПГ-СН4) для мони-торинга метана на основе термока-талитических и полупроводниковых сенсоров // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. 2019. № 6(60). URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/7384
надежный контроль концентрации метана. В определение метана наиболее широко применяется метод газовой хроматографии [4].
Промышленностью выпускаются датчики и приборы для контроля концентрации метана в атмосферном воздухе [5, 6]. Существенным недостатком этих приборов являются большие габариты, недостаточная точность измерений и отсутствие селективности. В связи с этим, задача разработки сенсоров для контроля взрывоопасной концентрации метана (природного газа) в атмосфере бытовых, жилых и производственных помещений является актуальной.
Анализ развития газовых сенсоров в промыш-ленно развитых странах показали, что для предотвращения взрывоопасности наиболее перспективными являются использование термокаталитических и полупроводниковых сенсоров [7, 8]. Данное обстоятельство обусловливает актуальность проведения исследований, направленных на разработку экспрессных, чувствительных и селективных сенсоров, обеспечивающих надежный контроль взрывоопасности газовых смесей замкнутых экологических систем.
Целью работы является разработка газоанализатора метана на основе селективных термокаталитических и полупроводниковых сенсоров для контроля содержания метана в широком интервале его концентрации в воздухе.
В настоящей работе с использованием селективных термо-каталитических (ТКС) ТКС [9] и полупроводниковых (III 1С) [10] сенсоров изготовлен двух канальный автоматический газоанализатор метана
«ТПГ-СН4» с диапазоном измерений: 1-канал (III 1С) 0-1000 мг/м3; 2-канал (ТКС) 0-4,0 % об.
Использованные нами в работе газо-воздушные смеси были приготовлены манометрическими методом согласно стандарта СЭВ 4981-86 (группа В 19). Он заключается в постепенной дозировке в баллон отдельных компонентов горючего газа, содержание которых в газовой смеси прямо пропорционально отношению изменения давления после дозировки соответствующего компонента к общему давлению смеси. Разбавление газовоздушных смесей осуществляли с применением генератора газовых смесей марки 823 ГР-03, изготовленного в ВНИИ АП КНПО "Аналитприбор" и генератора чистого воздуха марки 926 ГЧ-02 тог же производителя. Генератор типа ГР-03 предназначен для приготовления газовых смесей с заданной погрешностью методом динамического разбавления аттестованных газовых смесей аттестованным газом разбавителем.
В ходе экспериментов установлены диапазоны определяемых концентраций газов, найдены основные погрешности, области вариации выходного сигнала и проверены дополнительные погрешности при изменении температуры, давления и влажности газовой среды. Газоанализаторы подвергались испытаниям в диапазонах концентрации метана (Ссн4) 01000 мг/м3 и 0-5,0 % об. Зависимость сигнала ТПГ-СН4 от концентрации метана представлена в таблице 1.
Таблица 1.
Зависимость сигнала ТПГ-СН4 с ППС и ТКС от концентрации метана в диапазоне Ссн4 0-1000 мг/м3
и 0-5,00% об (п=5, Р=0,95)
Содержание СН4 в смеси, мг/м3 Найдено метан, мг/м3. Содержание СН4 в смеси, %об. Найдено СН4, % об.
х±Дх 8 8г*102 х±Дх 8 8г*102
ППС диапазон измерения 0-1000 мг/м3 ТКС диапазон измерения 0-5,0 % об.
10 11±0,3 0,24 2,2 0,10 0,97±0,02 0,02 1,7
50 48±0,9 0,72 1,5 0,50 0,45±0,06 0,05 1,1
500 510±2,0 1,61 0,3 2,50 2,56±0,16 0,13 2,5
980 973±4,8 3,86 0,4 4,90 4,95±0,21 0,17 2,4
Как следует из приведенных данных, в изученных интервалах зависимость аналитического сигнала газоанализатора от концентрации метана имеет прямо пропорциональный характер. Основная абсолютная погрешность газоанализаторов с диапазонами 0-1000 мг/м3 и 0-5,0 % об., рассчитанная на основании данных, представленных в таблице 1, составила 10 мг/м3 и 0,06 % соответственно.
Вариации показаний ТПГ-СН4 газоанализатор определялись в смесях с содержанием метана 0,55; 2,45 и 4,86 % об. Из таблицы 2 следует, что значение вариации газоанализатора не превышает 0,5 долей абсолютного значения предела допускаемой основной погрешности на каждом из диапазонов измерения.
Таблица 2.
Результаты определения вариации сигнала газоанализатора (п=5, Г=0,95)
Содерж. метана в смеси, % об. Найдено метана% об. Основ. абс. погреш-сть, Вариация,%
Атах Атт
0,55 0,46±0,02 0,45±0,02 0,05 0,01
2,45 2,51±0,03 2,49±0,04 0,06 0,02
4,86 4,91±0,04 4,89±0,03 0,05 0,02
Проверку дополнительной погрешности ТПГ-СН4, обусловленную изменением температуры окружающей среды, проводили в диапазоне 10-50 0С. Результаты определения дополнительной погрешности
газоанализатора, обусловленной изменением температуры окружающей среды, представлены в таблице 3, из которых следует, что она не более 0,02 % и во всех случаях намного меньше, чем основная погрешность самого прибора.
Таблица 3.
Результаты термокаталитического определения метана при различной температуре с газоанализатором
ТПГ-СН4 (Ссн4=2,85 % об., п=5, ?=0,95)
Температура, 0С Найдено СШ (x±Ax), % об. Sr*102 Погрешность при температуре опыта, Yt Доп. погрешность, (Гдоп)
20 2,83±0,06 1,6 0,02 -
10 2,81±0,07 2,1 0,04 0,02
35 2,82±0,01 0,5 0,03 0,01
50 2,88±0,01 0,5 0,03 0,01
Некоторые результаты испытаний газоанализатора ТПГ-СН4 на влагоустойчивость представлены в таблице 4.
Таблица 4.
Результаты по установлению зависимости сигнала анализатора ТПГ-СН от изменения влагосодержания анализируемой газовой смеси (содержания метана в смеси 2,45 % об., п=5, Р=0,95)
Найдено метан, % об.
№ газоанализатора Сухая газовая смесь Увлажнен. газовая Измен. выходного
смесь сигнала
1 2,47 2,48 0,01
2 2,45 2,47 0,02
3 2,48 2,47 0,01
Из данных приведенных в таблице видно, что дополнительная погрешность анализатора в исследованном интервале влажности равна 0,8 %.
Испытания устойчивости сигнала анализатора на воздействие давления проводились в интервале 600900 мм.рт.ст. В опытах использовали стандартную смесь метана с содержанием определяемого компонента 500 мг/м3. Результаты проведенных экспериментов показали, что дополнительная погрешность в диапазоне изменения давления 600 - 900 мм рт.ст. не превышает 1 %.
Согласно ГОСТу 13320-81 предельно допустимое значение суммарной дополнительной погрешности не должно превышать удвоенное значение предела допустимой основной погрешности. Суммарная дополнительная погрешность газоанализатора ТПГ-СН4 за счет изменения температуры, влажности и давления газовой среды во всех случаях не превышала +1,5%.
Таким образом, проведенные исследования показали, что разработанный нами автоматический газоанализатор типа ТПГ-СН4 по метрологическим характеристикам вполне удовлетворяет требованиям ГОСТа, для данного класса приборов.
Выводы
В результате проведенных исследований разработан селективный и чувствительный двухканаль-ный газоанализатор для контроля количества метана в атмосферном воздухе и технологических газах.
Исследованы зависимости сигнала прибора от концентрации метана в интервале его концентрации: 0-1000 мг/м3 и 0-5,0 % об., и установлено, что в изученном интервале зависимость сигнала от концентрации имеет прямо линейный характер.
Найденные значения абсолютной и относительной погрешностей газоанализатора с диапазонами 01000 мг/м3 и 0-5,0 % об. составляет 10 мг/м3 и 0,06 %, соответственно. Вариации аналитического сигнала прибора не превышают 0,5 долей абсолютного значения предела допускаемой основной погрешности на каждом из диапазонов измерения. Суммарная дополнительная погрешность газоанализатора за счет изменения температуры, влажности и давления газовой среды во всех случаях не превышала +1,5%.
Список литературы:
1. Справочник химика / Редкол.: Никольский Б. П. и др.-3-е изд., испр.-Л.: Химия, 1971.Т. 2. - 1168 с.
2. Котляров А.К. Особенности формирования взрывоопасной среды в горных выработках шахт. НГУ. - 2007. -№28. - С. 91-99.
3. Взрывобезопасность рудничного электрооборудования /[под ред. А.А. Каймакова. - М.: Недра, 1994. - 207 с.
4. Газохроматографическое измерение массовых концентраций углеводородов: метана, этана, этилена, пропана, пропилена, н-бутана, альфа-бутилена, изопентана в воздухе рабочей зоны. Методические указания. МУК 4.1.1306-03 (Утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 30.03.2003).
5. Газоанализатор-Википедия.[Электрон.документ]. http://ru.wikipedia.org/wiki. Дата обращения: 10.05.2019.
6. Брюханов А.М., Мнухин А.Г., Колосюк В.П. и др. Расследование и предотвращение аварий на угольных шахтах. - Донецк: Норд-пресс, 2004. - Ч. I - 548 с.
7. Голинько В.И., Котляров А.К., Белоножко В.В. Контроль взрывоопасности горных выработок шахт. - Донецк: Наука и образование, 2004. - 207 с.
8. Карпов Е.Ф., Биренберг И.Э., Басовский Б.И. Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы. - М.: Недра, 1984. - 285 с.
9. Эшкобилов Ш.А., Эшкобилова М.Э., Абдурахманов Э. Определение природного газа в атмосферном воздухе и технологических газах // Экологические системы и приборы. - 2015.- № 9. - С. 11-15.
10. Эшкобилов Ш.А., Эшкобилова М.Э., Абдурахманов Э. Разработка катализатора для чувствительного сенсора природного газа //Международный научный журнал «Символ науки». - 2015. - № 3. - С.7-11.
