Фото: Виктор Молодцов
Существует множество газов, вредных и даже смертельных для человека. И мы не всегда можем полагаться на наши органы чувств, чтобы обнаружить их − эти газы могут не иметь запаха, вкуса и цвета. С другой стороны, опасные газы могут концентрироваться и там, где человека нет вовсе, приводя к техногенным катастрофам. Для обнаружения таких газов созданы специальные «электронные носы» − детекторы газа, или газоанализаторы.
Про то, откуда появился и как работает этот важный прибор, востребованный и в быту, и в промышленности, – читайте в нашем материале.
Зачем нужна канарейка в шахте
Метан, природный газ без вкуса, цвета и запаха, долгое время был опасным врагом горняков. В больших концентрациях под землей он часто приводил к взрывам. Чтобы обнаружить метан, рудокопы прошлых веков брали с собой в шахту клетки с канарейками. Эти маленькие певучие птички с быстрым обменом веществ чувствовали повышение концентрации газа гораздо раньше, чем человек. Если шахтер слышал, что птичка замолкала, значит, пора эвакуироваться – опасность близко. С тех пор выражение «канарейка в шахте» в английском языке стало обозначать тревожный сигнал.
Горный мастер показывает клетку с канарейкой, использовавшуюся для обнаружения угарного газа, 1928 год. Фото: George McCaa, wikimedia.org
Удивительно, но ни в чем неповинные птицы продолжали использоваться в горном деле практически до конца XX века, хотя первые устройства, похожие на детекторы газа, появились еще в 1815 году. Тогда англичане Гемфри Дэви и Джордж Стефенсон придумали безопасные лампы для работы в шахтах, по характеру пламени в которых можно было обнаружить присутствие горючего газа.
Современная эпоха в обнаружении газа началась в 1927 году, когда был изобретен первый газовый детектор. Он мог определять наличие еще одного опасного для горняков газа, такого же безвкусного и бесцветного, как метан, – угарного газа. Создали детектор американцы Чарльз Лоу и Честер Гордон, и его работа была основана на взаимодействии угарного газа и хлорида палладия. Однако первое устройство было дорогим и хрупким, и прошло еще немало лет, прежде чем газовые детекторы распространились повсеместно, а канарейки в шахтах ушли в прошлое. Но надо отдать должное бедным птицам – они спасли тысячи шахтерских жизней.
Какие бывают газоанализаторы
С тех пор было разработано множество технологий и устройств для обнаружения газов, мониторинга и оповещения. Уменьшались размеры приборов, росла их функциональность. Если первые детекторы могли определять только одно вещество, то современные газоанализаторы способны одновременно распознавать целые комбинации газов. По типам они делятся на переносные и стационарные, но основное деление газоанализаторов – по принципу действия: оптические, магнитные, электрохимические, полупроводниковые и т.д.
Взрывозащищенный газоанализатор «Алмаз-Спектр» для контроля атмосферы на промышленных объектах. Фото: «Росэлектроника»
Как же все-таки правильно называть прибор − детектор газа или газоанализатор? Можно сказать, что детектор газа, или датчик − это чувствительный элемент, определяющий количественный и качественный состав газа. Детектор является компонентом более сложного прибора − газоанализатора, который обрабатывает информацию, передает сигнал опасности и может быть оснащен другими дополнительными функциями.
Детекторы газа и газоанализаторы востребованы в большом количестве областей. В домашнем хозяйстве они следят за утечками газа на кухне, в медицине используются для диагностики больных, в офисах и домах устанавливаются противопожарные датчики дыма и угарного газа. Но основная сфера применения газоанализаторов − это, конечно, промышленность. Это и мониторинг вредных производств, и борьба с утечками, и экологическая безопасность, и многое другое. Газоанализаторы помогают предупредить взрывы газа на предприятиях, а значит, избежать человеческих жертв и вреда для окружающей среды.
Как работает газоанализатор
Сегодня существуют десятки типов газовых датчиков, отличающихся принципом работы. Каждый из них подходит для определенных задач, может применяться в той или иной среде для выявления разных газов.
В составе Госкорпорации Ростех лидером по производству газоанализаторов является холдинг «Росэлектроника». Недавно его санкт-петербургское НПП «Электростандарт» вывело на рынок газоанализатор нового поколения ПГА-600. Этот прибор способен мониторить до шести показателей одновременно. В устройстве применяются оптические, электрохимические и фотоионизационные датчики, причем их состав может варьироваться в зависимости от заказа. На примере этого газоанализатора рассмотрим, как работают те или иные типы газовых датчиков.
Газоанализатор ПГА-600. Фото: «Росэлектроника»
Работа оптических или инфракрасных датчиков основана на измерении оптических свойств газовой смеси. Источник света в датчике подает ИК-лучи, которые проходят через газ, а сенсор фиксирует интенсивность поступающих лучей. Различные газы поглощают свет на определенных длинах волн, и в зависимости от полученного результата формируется выходной сигнал, сообщающий характеристики газа. Такие датчики обычно используются на очистных сооружениях, нефтеперерабатывающих заводах, газовых турбинах, химических заводах и других объектах, где присутствуют легковоспламеняющиеся газы и существует вероятность взрыва. Кроме того, ИК-датчики применяются для анализа выбросов автомобильных двигателей.
В основе электрохимических газодетекторов лежит процесс электролиза. Газ поступает на измерительный электрод, выполненный из благородного металла. При этом высвобождающиеся электроны попадают на референсный или эталонный электрод и формируют постоянный сигнал тока. По величине этого сигнала определяется концентрация детектируемого газа. Электрохимические детекторы используются на нефтепереработке, в газовых турбинах, на химических заводах, в подземных хранилищах газа − там, где нужно измерять предельно допустимую концентрацию токсичных веществ.
Газоанализатор для дронов «Шмель», холдинг «Росхимзащита». Фото: Александр Уткин
Принцип работы газоанализаторов с фотоионизационными датчиками (ФИД) основан на измерении тока, полученного в результате ионизации газа фотонами, излучаемыми ультрафиолетовой лампой. С помощью этого метода обычно измеряют концентрацию летучих органических соединений. Преимущество фотоионизации в том, что она чувствительна к низким концентрациям и может применяться для обнаружения широкого спектра веществ. Обычно ФИД используются в промышленной гигиене, для защиты от вредных веществ и для мониторинга окружающей среды.
С помощью этих методов газоанализатор ПГА-600 может измерять в воздухе более десяти параметров, в том числе объемную долю метана, пропана, диоксида углерода, водорода, кислорода, паров бензина и других веществ.
