Vysoká škola chemicko technologická v Praze Ústav fyziky a měřicí techniky Detekce hořlavých a toxických plynů OLDHAM MX32 Návod k laboratorní práci Bc. Jan Vlček, Doc. Ing. Karel Kadlec CSc. Praha září 2008 0
Teoretická část: Detekce hořlavých a toxických plynů OLDHAM MX32 V současné době je nutné v mnohých průmyslových provozech monitorovat koncentraci nebezpečných plynů, které by mohly způsobit ekologickou havárii, ohrozit životy lidí nebo způsobit výbuch. Pro aplikace do těchto situací existuje mnoho typů měřicích systémů vybavených detektory, které pracují na různých principech. V případě hořlavých plynů je nejčastější použití detektorů pracujících na principu katalytického spalování (pelistory), v případě toxických plynů se jedná většinou o princip elektrochemického plynového senzoru. Elektrochemické se vyznačují nízkými pořizovacími i provozními náklady, vysokou citlivostí a selektivitou. Jejich odezva je ovšem časově nestálá, což zapříčiňuje omezenou životnost. Senzor bývá tvořen minimálně dvěma elektrodami spojenými prostředím s iontovou vodivostí, z nichž jedna je indikační a druhá referenční. Elektrochemický senzor tvoří kompaktní elektrochemický převodník, který bývá základem přenosných i stacionárních dozimetrů i analyzátorů. Elektrochemické převodníky jsou dostupné pro velké množství plynů (Cl 2, HCl, HCN, H 2 S, NO 2, H 2, CO, AsH 3, SiH 4 apod.). Vnitřní uspořádání převodníku je zobrazeno na obr.1. Obr. 1: Řez elektrochemickým převodníkem 1
V případě na obr. 1 je indikační elektroda vytvořena přímo na straně membrány, která je v kontaktu s roztokem vnitřního elektrolytu. Nepokovená strana je exponována v analyzovaném prostředí. Hlavní výhodou tohoto uspořádání je, že nemůže dojít k vyschnutí filmu elektrolytu při měření v plynném prostředí, což se projeví na životnosti. Materiál, potenciál indikační elektrody a složení elektrolytu, určují, jaký plyn lze detekovat a jsou výrobci utajovány. Laboratorní zařízení: Pro laboratorní úlohu je k dispozici aparatura, která obsahuje měřící ústřednu OLDHAM MX32 vybavenou proudovým vysílačem OLDHAM CTX300 s elektrochemickými detektory pro H 2 a O 3. Detektor je přes odporový vysílač propojen k ústředně pomocí unifikované proudové smyčky 4 20 ma. Ústředna MX32 je určena pro sběr dat ze senzoru, který je umístěn tam, kde je měřena koncentrace plynu. Měřenou koncentraci ve zvolených jednotkách zobrazuje na integrovaném displeji. Zároveň umožňuje nastavení dvou poplachových úrovní pro jeden senzor, při kterých spíná varovné hlášení poplachu (akustické, vizuální, spínaný relé výstup). Zařízení lze programovat ve vnitřním programovacím menu pomocí třítlačítkové klávesnice s tlačítky +, a MENU. Menu nabízí několik kapitol: PRG CAL INI %COD BUZ programování poplachových úrovní, nastavení měřeného plynu, apod. kalibrace nastavením nulového bodu a hodnoty rozsahu inicializace detektoru operace s přístupovým heslem zapínání/vypínání akustického poplachu Obr.2: Čelní panel měřicí ústředny 2
Plynový rozvod v aparatuře je zobrazen na obr. 3. Promývací nádoba je v případě měření vodíku prázdná, při měření O 3 je naplněna vodou a slouží jako záchyt ozónu. Obr. 3: Schéma plynového rozvodu v aparatuře Obr. 4: Celkový pohled na aparaturu 3
Úkoly pro práci: Obr. 5: Elektrochemický senzor pro ppm H 2 s kalibračními potenciometry 1. Seznámení s obsluhou laboratorní stanice. 2. Nastavení programovatelných parametrů měřicí ústředny. Nastavení časových prodlev poplachů. Konfigurace koncentračních limitů poplachových kanálů. 3. Kalibrace systému na kalibrační vzorek. 4. Ověření poplachových funkcí. 5. Ověření vlivu průtoku plynu na velikost odezvy a dynamické vlastnosti detektoru. Pracovní postup: 1. S pomocí návodu pro MX32 a CTX300 se seznamte s jejich funkcí zapojením a ovládáním. Zároveň zapojte do napájení měřicí ústřednu i hnací čerpadlo a otevřete hlavní ventil aparatury a na rotametru nastavte průtok vzduchu na 0,5 l/min (stupnice je uvedena v jednotkách l/min). V návodech se pokuste najít průtok doporučený výrobcem a uveďte jej do protokolu. 2. Nastavení parametrů měření se provádí v menu PRG. Při nastavování se nejprve potvrdí programovaný kanál 1 a poté jeho zapnutí ON. V dalším kroku se volí druh plynu (H 2 ) a poté koncentrace (ppm). Výčet základních plynů, které lze nastavit uveďte do protokolu. V dalším kroku lze nastavit maximální hodnotu koncentrace. Poté je k dispozici nastavení poplachových úrovní, tzn. nastavení hodnot koncentrací prodlevy do sepnutí hlášení a AUT nebo MAN módu poplachu postupně vyzkoušejte obojí nastavení a rozdíl popište do protokolu. Poté se nastavuje typ připojeného senzoru: AUT (flame detectors and other). V dalším kroku lze pomocí 4
AUT nebo MAN nastavit LED vizualizaci poplachu (MAN no LED visualisation). Zvolené nastavení je třeba potvrdit a uložit do paměti pomocí EnrG OUI. 3. Proveďte kalibraci detektoru pomocí nastavení nuly s průtokem vzduchu přes detektor a nastavení rozsahu za průtoku plynové směsi. Kalibrace se provádí v menu CAL, kde se nejdříve zobrazí údaj označený jako XO, který odpovídá nastavení nuly (nula se nastavuje šroubovákem pomocí potenciometru ZERO na samotném těle senzoru). Rozsah se poté nastaví po přepnutí na průtok kalibračního plynu druhým potenciometrem poté se kalibrace uloží příkazem EnrG OUI. Při kalibraci je třeba vyčkat ustálení hodnoty na displeji. 4. Proveďte ověření nastavení v bodě 2) pomocí kontrolního plynu o neznámé koncentraci, kterou lze takto změřit, následně přenastavte poplachové úrovně tak, aby se poplach AL1 spínal při koncentraci ½ neznámého vzorku a AL2 při koncentraci ¾ neznámého vzorku. Koncentrace uveďte do protokolu. 5. Vliv průtoku ověřte na dvou hodnotách a to 0,1 a 0,5 l/min. Měření provádějte s kalibračním plynem. Stabilitu určete porovnáním hodnot koncentrace po ustálení. Dynamické vlastnosti určete nastavením poplachu na poloviční koncentraci kalibračního plynu s časovou prodlevou sepnutí 1 s a měřte čas sepnutí poplachu od momentu připojení vaku s plynem. Zjištěné časy v protokolu porovnejte s ohledem na bezpečnou funkci systému. Literatura: 1. Návody a dokumentace k zařízením OLDHAM 2. Vrňata M., Vysloužil F.: Základní rozdělení chemických senzorů určených pro detekci plynných směsí, přednáška předmětu Senzory a senzorové systémy, elektronická učební pomůcka ÚFMT, VŠCHT Praha 5