Принцип работы автомобильного газоанализатора

Автомобильный газоанализатор является одним из базовых приборов на современном диагностическом участке автосервиса. Хотя газоанализатор в сознании многих специалистов автосервисов по прежнему ассоциируется с регулировкой карбюратора, он может выполнять широкий круг задач. Контроль токсичности отработанных газов – важная, но не единственная функция автомобильного газоанализатора.

Анализ здесь начинается с измерения концентрации токсичных газов выхлопа автомобиля, благодаря этой информации можно судить о состоянии двигателя автомобиля и его систем. Как врачу для того, чтобы выставить диагноз пациенту, нужны результаты его анализов, так и диагносту двигателя необходимы данные «анализа» о содержании выхлопа, для того, чтобы выявить «болезни» и неисправности двигателя, поскольку от его состояния напрямую зависит состав выхлопных газов.

Первые газоанализаторы, применявшиеся для регулировки карбюраторных двигателей, из целого ряда компонентов отработанных газов измеряли только концентрацию оксида углерода (CO), т.е., были однокомпонентными приборами. Анализируя концентрацию CO можно было сделать вывод лишь о качественном соотношении топливно-воздушной смеси. Первые газоанализаторы работали по принципу измерения электрической проводимости чувствительного элемента - платиновой спирали в среде оксида углерода. При этом, результаты анализа отображались на стрелочном индикаторе.

Вопрос о необходимости контроля токсичности автомобильных отработанных газов назрел только к 70-м годам XX века. Уровень развития науки и техники тех лет позволил разработать двухкомпонентные автомобильные газоанализаторы, для измерения концентрации не только оксида углерода, но и ещё одного токсичного компонента – не сгоревшего топлива (углеводородов CH). Такие приборы работали уже по принципу спектрометрирования исследуемых газов в инфракрасном диапазоне. Принцип спектрометрирования используется и в настоящее время.

Дальнейшее развитие науки и техники привело к появлению трех-, четырех-, и даже пятикомпонентных газоанализаторов, которые помимо оксида углерода CO и углеводородов СН, могли измерять концентрацию кислорода О₂, диоксида углерода СО₂ и оксидов азота NО_X. Такие приборы могли рассчитывать, также, соотношение воздух-топливо в исходной топливно-воздушной смеси.

Как же работают современные автомобильные газоанализаторы?!

Как уже было упомянуто выше, в настоящее время, для измерения концентрации СО, СН и СО₂ используется принцип спектрометрирования. Спектрометрический блок современного газоанализатора работает по принципу частичного поглощения энергии светового потока, который проходит через газ. Молекулы любого газа представляют собой колебательную систему, которая способна поглощать инфракрасное излучение только в строго определенном диапазоне волн. Таким образом, если через колбу с газом пропускать стабильный инфракрасный поток, то часть его будет поглощена газом. Более того, в таком случае поглощена будет только та небольшая часть всего спектра светового потока, которую называют абсорбционным максимумом данного газа. При этом, чем концентрация газа в колбе выше, тем большее будет наблюдаться поглощение.

Измерить концентрацию того или иного газа в газовой смеси путем измерения поглощения соответствующей длины волны, позволяет тот факт, что разным газам соответствуют разные абсорбционные максимумы. Таким образом, определить концентрацию каждого из газов в выхлопе двигателя можно измеряя снижение интенсивности светового потока в той части спектра, которая соответствует абсорбционному максимуму определенного газа.

Спектрометрический блок прибора работает следующим образом:

Через измерительную кювету, которая представляет собой трубку с закрытыми оптическим стеклом концами, прокачивают отработанные газы, предварительно отфильтрованные и очищенные от сажи и влаги. С одной стороны трубки устанавливается излучатель, который представляет собой спираль, нагреваемую электрическим током, температура которой строго стабилизируется на одной отметке. Такой излучатель генерирует стабильный поток инфракрасного излучения.

С другой стороны измерительной кюветы устанавливают светофильтры, которые из всего потока излучения выделяют те длины волн, которые соответствуют абсорбционным максимумам исследуемых газов. Поток, после прохождения светофильтров, попадает в приемник ИК-излучения, который измеряет интенсивность этого потока и преобразует её в информацию о концентрации газов в выхлопе автомобиля.

Поскольку данный метод применим только для измерения концентрации СО₂, СО и СН, то на следующем этапе смесь выхлопных газов из измерительной кюветы поступает последовательно на датчики электрохимического типа для измерения кислорода O2 и оксидов азота NOX. При этом, электрохимические датчики вырабатывают электрический сигнал с напряжением, пропорциональным концентрации кислорода и оксидов азота.

Таким образом, выполняется замер концентрации всех значимых газов: СО, СН и СО₂ –психрометрическим методом,  О₂ и NО_X – электрохимическими датчиками. Обработка сигналов со спектрометрического блока и электрохимических датчиков в современном газоанализаторе выполняется при помощи микропроцессорной электронной схемы.

После обработки сигналов, информация о содержании газов выводится на экран прибора: СО, СО₂  и О₂  - в процентах, а СН и NО_X  - в ppm (parts per million), «частей на миллион».  Обозначение в ppm связано с тем, что концентрация таких газов в выхлопе крайне мала, и поэтому неудобно использовать проценты для обозначения их количества.

Соотношение между процентами и ppm можно описать следующим равенством:

1% = 10 000 ppm

Так, например, в отработанных газах обычного двигателя внутреннего сгорания легкового автомобиля содержание CH составляет около 0.001%-0.01%. Сложность использования в работе таких значений и предопределило массовое распространение ppm в качестве единицы обозначения концентрации.

Газоанализатор – это сложный прибор, качество которого, в первую очередь, определяется точностью и надежностью спектрометрического блока. Спектрометрический блок – это самая сложная и дорогая часть прибора, поэтому, при эксплуатации очень важно создать условия для его сохранности и долговечности. Сажа, влага и другие механические частицы, оседая на стенках блока, приводят к заметному разбросу показаний спектрометрического блока, а в конечном итоге – к его поломке. Поэтому, до того, как попасть в измерительный блок, выхлопные газы должны пройти специальную подготовку, которая состоит, как правило, из нескольких этапов:

- грубая очистка отработанных газов. Выполняется при помощи фильтра, который устанавливается на входе в прибор, либо непосредственно в зонде забора пробы. На этом этапе выхлопные газы очищаются от сажи и других крупных механических частиц.

- очистка отработанных газов от влаги. Производится при помощи отделителя влаги, который может иметь самые разнообразные конструкции. На этом этапе от потока газов отделяются, а затем удаляются капли влаги, которые конденсируются на внутренних поверхностях зонда, а также соединительного шланга. Удаление конденсата из накопителя производится либо автоматически, либо вручную оператором.

- тонкая фильтрация. При помощи фильтра тонкой очистки производится окончательная фильтрация мельчайших механических частиц. Фильтров тонкой очистки может быть несколько, при этом, они устанавливаются последовательно друг за другом.