Abbildung 1: Aufbau und Funktionsweise eines Gasanalysators mit FID.
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Wenn Kohlenwasserstoffe (HC) im Probengas in die Wasserstoffflamme strömen, werden die Kohlenwasserstoffe oxidiert und es findet eine Ionisierungsreaktion statt. (Gleichung 1) Da die erzeugten Ionen proportional zur Anzahl der Kohlenstoffe sind, wird die Gaskonzentration von Kohlenwasserstoffen gemessen, indem diese Ionen elektrostatisch gesammelt und als elektrischer Strom erkannt werden.
CHOxidation→(O)CHO++t−
Gleichung 1: Ionisierungsreaktion von Kohlenwasserstoffen durch Wasserstoffflamme
Ein Gasanalysator mit FID liefert kontinuierlich Brenngas (Wasserstoff (H 2) oder ein Mischgas aus Wasserstoff und Helium (He) oder ein Mischgas aus Wasserstoff und Stickstoff (N 2) und Hilfsgas (gereinigte Luft), um eine Wasserstoffflamme zu erzeugen. Das Messgas wird mit Brenngas vermischt und in eine Hochtemperatur-Wasserstoffflamme (>1500 K) an der Spitze der Strahldüse geströmt, wobei die Kohlenwasserstoffmoleküle im Messgas oxidiert und ionisiert werden. (Gleichung 1) Diese Ionen werden von einer Kollektorelektrode gesammelt und als elektrischer Strom detektiert, um die Gaskonzentration von Kohlenwasserstoffen zu messen. (Abbildung 1)
Abbildung 1: Aufbau und Funktionsweise eines Gasanalysators mit FID.
Ein Gasanalysator mit FID wird verwendet, um die Konzentration von Methan (CH4), Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffen (NMHC)*1 und Gesamtkohlenwasserstoffen (THC)*2 in Messgas.
*1: NMHC: Abkürzung für Non-Methane Hydrocarbons (Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe) und allgemeiner Begriff für andere Kohlenwasserstoffe als Methan.
*2: THC: Abkürzung für Gesamtkohlenwasserstoffe
Die ppmC einer Gaskonzentrationseinheit wird im Allgemeinen in einem FID-Gasanalysator verwendet. Die ppmC (Kohlenstoffäquivalentkonzentration) ist die pro Kohlenstoff umgerechnete Gaskonzentration, und ppmC ist ppm multipliziert mit der Anzahl der Kohlenstoffe.
Enthält z.B. das Messgas nur Propan (C3H8) 100 ppm als Kohlenwasserstoffe, misst der FID-Analysator 100 x 3 = 300 ppmC, da Propan (C3H8) drei Kohlenstoffe (C).
HORIBA verwendet einen Gasanalysator mit FID, um gleichzeitig und kontinuierlich die Konzentrationen von Methan (CH4), Nichtmethan-Kohlenwasserstoffe (NMHC) und Gesamtkohlenwasserstoffe (THC), bei denen es sich um Schadstoffe in der Umgebungsluft und im Abgas handelt. Hier werden der Aufbau und das Funktionsprinzip des Analysators am Beispiel eines Analysators erläutert, der diese Kohlenwasserstoffkomponenten kontinuierlich in der Umgebungsluft misst.
Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für die Gesamtstruktur des Analysators. Die Wasserstoffflamme des FID ionisiert die meisten Kohlenwasserstoffarten im Probengas. Um Gase, Methan, Nichtmethan-Kohlenwasserstoffe und den Gesamtkohlenwasserstoffgehalt im Probengas messen zu können, enthält der FID-Analysator von HORIBA eine Einheit zur Entfernung von Nichtmethan mithilfe einer selektiven Verbrennungsmethode (NMHC-Cutter) und einen Nullgasreiniger.
Die Zeilenumschaltreihenfolge ist A, C, B, C und so weiter.
Abbildung 2: Aufbau und Funktionsprinzip eines Gesamtkohlenwasserstoff-(THC)-Gasanalysators
Kohlenwasserstoffe haben je nach Anzahl der Kohlenstoffe in ihren Molekülen unterschiedliche Verbrennungstemperaturen. Beispielsweise ist die Verbrennungstemperatur von Propan niedriger als die von Methan. Durch die Steuerung der Verbrennungstemperatur entsprechend dieser Eigenschaft werden alle nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe im Probengas verbrannt, um ein Probengas zu erzeugen, das nur Methan als Kohlenwasserstoff enthält. Diese Methode wird als selektive Verbrennungsmethode bezeichnet. Bei diesem Verfahren ist es wichtig, den Verbrennungsverlust von Methan im Probengas zu steuern.
Der Nicht-Methan-Entferner (NMHC-Cutter) im Analysator nutzt diese Methode.
Das Probengas fließt direkt durch die Leitung A in einen Kohlenwasserstoffdetektor mit eingebautem FID, und die Gesamtkohlenwasserstoffe werden gemessen. Anschließend schalten Magnetventile auf die Leitung C um, und ein kohlenwasserstofffreies Gas wird als Nullpunkt-Vergleichsgas in den Kohlenwasserstoffdetektor (FID) geleitet, um die Nullpunktdrift zu verringern (*). Nullpunkt-Vergleichsgas wird erzeugt, indem Feuchtigkeit, Kohlenwasserstoffe usw. mit einem Nullgasreiniger aus der Umgebungsluft entfernt werden.
Dann schalten die Magnetventile auf Leitung B, aus dem Probengas wird durch einen NMHC-Cutter reines Methangas erzeugt, das in den Kohlenwasserstoffdetektor (FID) fließt, und Methan wird gemessen. Nach der Methanmessung schalten Sie auf Leitung C, um Nullpunkt-Vergleichsgas in den Kohlenwasserstoffdetektor (FID) fließen zu lassen, um die Nullpunktdrift zu verringern (*).
Somit werden ausgewählte Gase in der Reihenfolge Linie A, C, B und C in den Kohlenwasserstoffdetektor (FID) geleitet.
Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe werden aus der Konzentrationsdifferenz zwischen dem Gesamtkohlenwasserstoff und Methan berechnet. (Zeilen A, B)
Zusätzlich werden diese Gase in die gleiche Reaktionszelle geströmt und durch die Schaltfunktion des Magnetventils vom gleichen Detektor detektiert. Das bedeutet, dass sich die Empfindlichkeit der Reaktionszelle und des Detektors im Laufe der Zeit ändert, etc. spiegeln sich gleichermaßen in der Detektion dieser Gase wider, wodurch schließlich der Unterschied in der Empfindlichkeit von THC und CH4minimiert wird.
*)Die Nullpunktdrift ist eine Verschiebung des Nullpunkts eines Analysators in eine Richtung, die durch Temperatur, Alterung oder andere Faktoren graduell bedingt ist. Die Verwendung des Vergleichsgases bei einer Abweichung vom Nullpunkt kann den Einfluss der Nullpunktdrift verringern.
Der FID-Gasanalysator misst Methan, Gesamtkohlenwasserstoffe und Nichtmethan-Kohlenwasserstoffe auf der Grundlage einer Messung einer bekannten ionisierten Konzentration von Propan oder Methan durch eine Wasserstoffflamme. Wenn beispielsweise die Ionisierungsrate von Propan für andere Kohlenwasserstoffe gleich ist, kann der FID jeden Kohlenwasserstoff im Probengas genau messen. Wenn sich die Ionisierungsrate jedoch zwischen den Kohlenwasserstoffen unterscheidet, wird die Messung beeinflusst. Die Ionisierungsrate variiert je nach Struktur des Kohlenwasserstoffs (z. B. Doppel- oder Dreifachbindungen), dem Vorhandensein oder Fehlen von Sauerstoff und anderen Faktoren.
Somit wird die Messung des FID-Analysators durch die Art und Konzentration der im Probengas enthaltenen Kohlenwasserstoffe beeinflusst. Der FID-Analysator benötigt Mechanismen, die sicherstellen, dass die Ionisierungsraten der Kohlenwasserstoffe möglichst gleich sind.
Abhängig von der Sauerstoffkonzentration wird die Kohlenwasserstoffmessung beeinflusst. Dies nennt man Sauerstoffinterferenz.
Beispielsweise führt Sauerstoff im Probengas dazu, dass einige Kohlenwasserstoffe verbrennen, bevor sie ionisiert werden, was den Grad der Ionisierung verändert und die Messung beeinflusst.
HORIBA optimiert die folgenden Elemente, um den Einfluss von Unterschieden in den Kohlenwasserstoff-Ionisierungsraten und der Sauerstoffinterferenz zu verringern.
Ein FID-Analysator wird hauptsächlich zur Messung von Kohlenwasserstoffen in der Umgebungsluft eingesetzt. Die FID- und NDIR-Analysatoren messen Kohlenwasserstoffe im Abgas gemäß den nationalen und industriellen Umweltvorschriften. NDIR benötigt keine Netzgase wie Brenngas und FID kann mehrere Gaskomponenten (THC, NMHC, CH4) gleichzeitig messen.
Der Wasserstoff-Flammen-Ionisations-Detektionsanalysator (FID) ist in der kontinuierlichen Messung und Überwachung von Kohlenwasserstoffemissionen aus Mobilitäten und Fabriken tätig, die zur Bildung von Ozon (O3), ein Hauptbestandteil des photochemischen Smogs, und die Bildung von schädlichem Feinstaub. Es wird auch bei der Entwicklung der Kraftstoffeffizienz von Mobilitäten und der Verbrennungseffizienz von Motoren verwendet.
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