Měření pevných částic v plynu

V článku jsou popsány metody a přístroje využívané k měření obsahu pevných částic v plynu. Měřicí přístroje, často označované jako prachoměry, je možné rozdělit do dvou skupin. U přístrojů první skupiny se zachycují pevné částice na filtru a vyhodnocuje se množství zachycené hmoty. Druhou skupinu představují optické přístroje, které využívají rozptyl záření dopadajícího na částice vznášející se v plynu. 

1. Gravimetrické metody a měření absorpce β-záření

Metody první skupiny je možné označit jako gravimetrické. Pro občasné měření se filtr, na němž jsou částice zachycené z proudu plynu, zváží v laboratoři. V zařízeních pro kontinuální měření by vážení poměrně malých hmotností s dostatečnou citlivostí bylo obtížně realizovatelné. Proto se místo vážení měří absorpce jaderného β-záření procházejícího vrstvou pevné látky zachycené na filtru. Přitom se využívá výhodná vlastnost, že β-záření interaguje s atomy v molekulách hmoty tak, že absorpce je úměrná hmotnosti vrstvy, kterou záření prochází. Absorpce se řídí Bouguerovým zákonem (obdoba Lambertova-Beerova zákona), podle kterého je tok β-záření (elektronů) oslabován hmotou exponenciálně v závislosti na plošné hmotnosti, nezávisle na hustotě, chemickém složení nebo jiné optické či elektrické vlastnosti.

Obr. 1. Gravimetrické měření pevných částic v plynu

Zdrojem záření může být nádobka naplněná kryptonem ⁸⁶Kr nebo látka obsahující uhlík ¹⁴C, např. polymetylmetakrylát. Za detektor slouží vždy Geigerova-Müllerova trubice.

Schéma typického přístroje pro měření je na obr. 1. Základní součástí je pásek filtračního materiálu, obvykle filtrační papír ze skleněných vláken, který prochází jednak mezi přívodem a odvodem měřeného plynu, jednak mezi zdrojem a detektorem β-záření. Pásek filtračního materiálu se pohybuje přetržitě, přičemž se střídají tři fáze měření. V první fázi se změří absorpce β-záření čistým páskem, v druhé fázi, která trvá podle podmínek a požadavků 1 min až 24 h, se na pásku zachycují částice a ve třetí fázi se opět měří absorpce β-záření, nyní už páskem s vrstvou zachyceného materiálu [1].

V mírně odlišném uspořádání se používají dva zdroje β-záření, jeden umístěný před oblastí pásku, kterou prochází měřený plyn, a druhý za ní. V tom případě dvěma zdrojům záření příslušejí také dva detektory na opačné straně pásku. Intenzita obou zdrojů a citlivost detektorů jsou shodné (upravené kalibračním koeficientem). I při tomto uspořádání je pohyb pásku přetržitý a měření obsahu částic v plynu periodické.

Příklad uspořádání měřicího systému přístroje Verewa F-701-20 (www.durag.com) je na obr. 2. Přístroj pracuje v cyklech a při kaž­dém cyklu se měří odezva detektoru jednak při průchodu čistého pásku filtračního papíru, jednak po zachycení prachových částic po průchodu měřeného vzorku přes filtrační papír.

Obr. 2. Měřicí systém přístroje Verewa F-701-20 (foto: M. Karlík)

Součástí měřicího systému je vždy i zařízení k měření průtoku plynu. Koncentrace částic v plynu je vyjádřena jako poměr hmotnosti zachycených částic a objemu prošlého plynu. Výsledek měření se udává v gramech na metr krychlový. 

2. Optické metody

Optickými metodami je možné stanovovat množství částic v plynu kontinuálně. Pracují na základě rozptylu světelného záření (obr. 3). Rozptyl záření jednotlivou částicí je závislý na mnoha veličinách, na jejich velikosti, na tvaru, u větších částic na struktuře povrchu i na průhlednosti. U částic, jejichž velikost je blízká vlnové délce záření, je rozptyl ovlivněn také ohybovými jevy.

Obr. 3. Rozptyl záření na částici v plynu

Podle toho, zda se měří intenzita odraženého nebo přímého záření, se přístroje označují jako nefelometry nebo turbidimetry. Ve většině provozních přístrojů se měří odražené záření. Je to proto, že intenzita odraženého záření je úměrná množství a velikosti částic v měřicím prostoru, zatímco při měření procházejícího záření je při nulové koncentraci částic intenzita záření dopadajícího na detektor maximální. Nízká koncentrace částic způsobuje jen malou změnu poměrně velké celkové hodnoty výstupního signálu detektoru.

Úhel mezi směrem záření ze zdroje a směrem, ze kterého zachycuje záření detektor, se volí podle vlastností částic, jejich počtu v jednotce objemu a podle rozměrů prostoru, ve kterém se má měřit (obr. 4).

Obr. 4. Uspořádání optického prachoměru: a) měření odrazu ve zpětném směru, b) měření odrazu v dopředném směru

Převážně se pracuje se zářením ve viditelné oblasti a zdrojem záření může být LED, laser, popř. i jiný zdroj záření. Naměřená intenzita rozptýleného světla je úměrná koncentraci prachu. Vzhledem k tomu, že intenzita rozptýleného světla závisí nejen na počtu a velikosti částic, ale rovněž na jejich optických charakteristikách, musí být měřicí systém kalibrován gravimetrickým srovnávacím měřením, aby byl zajištěn dostatečně přesný výsledek. Kalibrační koeficienty se obvykle zadávají ručně při instalaci měřicího systému.

Existují také systémy, které jsou kombinací optické a gravimetrické části. Podle výsledku z gravimetrické části se pak perio­dicky koriguje kalibrační koeficient optického systému.

Optické měření může probíhat přímo v technologickém proudu (in situ), např. v kouřovodu, nebo v odebíraném proudu (on line). Při uspořádání in situ nehrozí nebezpečí změny koncentrace částic odloučením nebo zředěním vzorku.

Obr. 5. Přístroje k měření prachu Dusthunter SB a Dusthunter SF (upraveno podle www.sick.com)

Příkladem přístrojů pro měření in situ jsou produkty firmy SICK Dusthunter SB [2] a Dusthunter SF [3] (v ČR dodává Sick, spol. s r. o., www.sick.com/cz/cs). Uspořádání optického systému Dusthunter SB odpovídá obr. 4a, uspořádání systému Dusthunter SF odpovídá obr. 4b. Schéma instalací, principy a celkové pohledy na přístroje jsou na obr. 5. Přístroje jsou určeny pro malé až střední obsahy prachu ve středních až velkých průměrech kanálů. 

3. Použití měřičů pevných částic v plynu

Přístroje k měření pevných částic v plynu nacházejí uplatnění při monitorování funkce filtrů a odlučovačů prachu a při řízení ventilace prašných provozů (v metalurgii, při výrobě stavebních materiálů a dalších).

Text článku vychází z kapitoly 10, Měření složení, z knihy Měření a řízení chemických, potravinářských a biotechnologických procesů (editoři Kadlec K., Kmínek M., Kadlec P.), Key Publishing Ostrava (2017). 

Literatura:

[1] BARTOVSKÝ T., KADLEC K. a KADLEC P.: Kapitola Měření složení. Měření a řízení v potravinářských a biotechnologických výrobách: technologie potravin. Ostrava: Key Publishing, 2015. Monografie (Key Publishing). ISBN 9788074182327.

[2] SICK AG. Operating instruction DUSTHUNTER SB [online]. Waldkirch, Germany, 2016 [cit. 2018-12-03]. Dostupné z: https://cdn.sick.com/media/docs/4/54/654/Operating_instructions_DUSTHUNTER_SB_en_IM0037654.PDF

[3] SICK AG. Operating instruction DUSTHUNTER SF [online]. Waldkirch, Germany, 2012 [cit. 2018-12-03]. Dostupné z: https://cdn.sick.com/media/docs/6/56/656/Operating_instructions_DUSTHUNTER_SF100_Dust_Concentration_Monitor_en_IM0037656.PDF.

doc. Ing. Karel Kadlec, CSc., doc. Ing. Tomáš Bartovský, CSc., ústav fyziky a měřicí techniky VŠCHT Praha (karel.kadlec@vscht.cz)