RAE Systems Műszaki segédlapok, TN-106 Korrekciós faktorok, ionizációs energiák* és kalibrációs karakterisztikák Korrekciós faktorok CF) és ionizációs energiák (IE) A RAE Systems PID-ek számos vegyület-gőzök, -gázok detektálására használhatók, különböző érzékenységekkel. Általában, amelyik vegyületnek az ionizációs energiája (IE) kisebb mint a lámpa fotonjaié, az mérhető.* A különböző vegyületekhez a PID kalibrálásának legjobb módja, az illető vegyület használata. Azonban egy standard kalibráló gáz, pl. izo-butilénnel mért korrekciós faktort használatával a felhasználó megismerheti a különböző mért anyagok mennyiségét. A RAE PID-eknél a korrekciós faktorok három módon használhatók: 1) Kalibrálja a monitort i-butilénnel a szokásos módon, az i-butilén ekvivalensek meghatározásához. Manuálisan szorozza a leolvasásokat a korrekciós faktorral (KF), mért anyag koncentrációjának nyeréséhez. 2) Kalibrálja a monitort i-butilénnel a szokásos módon, az i-butilén ekvivalensek meghatározásához. Hívja elő a korrekciós faktort a monitor memóriájából, vagy töltse le egy PC-ből és vigye be a monitorba. A monitor ezután közvetlenül a mért anyag valós koncentrációját írja ki. 3) Kalibrálja a monitort i-butilénnel a szokásos módon, de vigyen be egy ekvivalens, korrekt kalibrálógáz koncentrációt, kalibrációs értékként. Ettől kezdve a monitor közvetlen az adott anyag mennyiségét írja ki. *Az ionizációs energia kifejezés tudományosan korrektebb, mint a régi ionizációs potenciál. A magas forráspontú ( nehéz ) vegyületek nem képesek elég mértékben párologni ahhoz, hogy jelet adjanak, még akkor sem, ha az ionizációs energiájuk kisebb mint a lámpa foton-energiája. Néhány szervetlen vegyület, mint a H 2 O 2 és az NO 2 egy gyenge jelet ad, pedig az ionizációs energiájuk lényegesen alacsonyabb, mint a lámpa foton-energiájánál. 1. Példa: A monitor i-butilénes kalibrálásánál a kijelzés 10 ppm, 10,6 ev lámpával. A mért anyag butil-acetát, amelynek a korrekciós faktora 2,6. Szorozza meg a 10-et 2,6-al és megkapja a valós, 26 ppm butil-acetát értéket. Hasonlóan, ha a mért vegyület triklór-etilén (CF=0,54), 10 ppm leolvasásnál, a valós koncentráció 5,4 ppm. 2. Példa i-butilénnel kalibrált monitorral a leolvasott érték 100 ppm, 10,6 ev lámpával. A mért anyag m-xilol (CF=0,43). E faktor letöltése után a készüléknek kb. 43 ppm-et kell mutatni e koncentrációnál és így a m-xilol értéket közvetlen mutatja a monitor. 3. Példa A kívánt mérendő anyag etilén-diklorid (EDC). A CF=0,6, 11,7 ev lámpával. Az i-butilénes kalibrálás alatt vigyen be 0,6 x 100, azaz 60-at a kalibrációs gáz koncentrációjaként. Ezután a kiírás a mért anyag valós koncentrációja lesz. Átszámítás mg/m 3 -re A ppm-nek mg/m 3 -re átszámítása az alábbi összefüggéssel lehet: Koncentráció, mg/m 3 = [konc. (ppm) x mólsúly (g/mól)] moláris gáztérfogat Levegő esetén, 25 o C-on a moláris gáztérfogat 24,4 l/mól és az összefüggés az alábbiként egyszerűsödik: Koncentráció, mg/m 3 = konc. (ppm) x mólsúly x 0,041 Például, ha a monitor ppm-es koncentrációval lett kalibrálva, pl. 100 ppm i-butilénnel, de a használó mg/m 3 -ben akarja kiíratni a hexán koncentrációt, amelynek a mólsúlya 86 és a CF-je 4,3, akkor az átalakító faktor 4,3 x 86 x 0,041 = 15,2.
Elegyek korrekciós faktora A gőz-elegyek korrekciós faktora az egyes komponensek Xi mól-frakcióit kell osztani azok CFi korrekciós faktoraival : CF elegy = 1/(X1CF1 + X2/CF2 + X3/CF3 + Xi/CFi) Így, pl. egy 5% benzol és 95% n-hexán elegy korrekciós faktora, CFelegy = 1/(0,05/0,53) + 0,95/4,3) = 3,2. Így, egy 100 ppm-es mérési érték 320 ppm összértéknek felel meg, 16 ppm benzol és 304 ppm hexán tartalommal. Számításokhoz, az elegyek korrekciós faktorai és megengedett értékei a CF táblázat végében található. Elegyek megengedett határértékei és alar-szintjei Az elegyek korrekciós faktorai az alarm-szintek beállításához használhatók. Ehhez, először az elegyek expozíciós értékeit kell kiszámítani. A megengedett koncentráció értékek (ÁK, vagy MK) gyakran az expozíciós határértékekkel definiálhatók. Az elegyek ÁK értékei a CF értékekhez hasonló módon számíthatók: ÁK elegy = 1 / (X1/ÁK1 + X2/ÁK2 + X3/ÁK3 + Xi/ÁKi) A fenti példában a 8 órára vonatkozó MK érték benzolra 3 (kb. 1) és az n-hexánra 180 (50) mg/m 3 (ppm). Így az elegy ÁK értéke = 1/ (0,05/1 + 0,95/50) = 14,5 ppm, megfelelve kb. 13,8 ppm hexánnak és 0,7 ppm benzolnak. i-butilénnel kalibrált monitornál az ÁK értékhez viszonyított kijelzés: Alarm-érték = ÁK elegy / CF elegy = 14,5 / 3,2 = 4,5 ppm A gyakorlat az, hogy az alsó alarm szintet az ÁK érték felére, a felső alarm szintet az ÁK értékre állítják. Így, az alarmokat 2,3 és 4,5 ppm értékekre kell állítani. Kalibrációs jellegzetességek a) Térfogatáram konfiguráció. A PID jel lényegében független a levegő térfogatáramától, amíg a szivattyú beállítottan üzemel. Négy fő konfiguráció van alkalmazva a PID kalibrálásánál: 1) Komprimált gázpalack (fix légáram-szabályzóval): a szabályzó légárama egyezik a monitor szivattyújának teljesítményével, vagy kissé nagyobb. 2) Komprimált gázpalack ( igény-szerinti légáram-szabályzó): az igény-szerinti légáram jobban alkalmazkodik a szivattyú teljesítmény ingadozásához, de egy kis vákuumot és gyenge érték-emelkedést eredményeznek a kalibrálásnál. 3) Összehajtogatható gáz-zsák: A monitor szívja ki a kalibrálógázt a zsákból, normál sebességgel. A zsák annyira feltölthető, hogy min 1 l/perc sebességet teljesítsen (MiniRAE kb. 0,6/p, MultiRAE 0,3 l/p). 4) T (vagy nyitott cső) módszer: A T módszernél egy T-elágazású csövön át megy a szivattyúl teljesítményénél nagyobb mennyiségű kalibrálógáz. A T-elosztócső egyik ága a monitorhoz van csatlakoztatva, a másik vége szabad, ahol a fölös levegő elmegy. A környezeti levegő bejutásának elkerüléséhez egy hosszú csövet kell a T-cső szabad végére rakni, vagy lényegesen nagyobb kalibráló levegő légáramot alkalmazni. Alternatívaként, a monitor mintavevő csövét egy, a mintavevőnél kissé nagyobb átmérőjű nyitott csőbe lehet bedugni és a fölös légminta a mintavevő cső mellett lép ki a szabadba. Az első két palackos módszer a leghatékonyabb a gázfelhasználás szempontjából, míg a zsákos és a T módszer kissé pontosabb eredményt biztosít, mivel azok jobban alkalmazkodnak a szivattyú teljesítményéhez.. b) Légnyomás. Légnyomáseltérés hatással van a mérésre, a gázkoncentrációra és szivattyú teljesítményre történi hatása következtében. Legjobb, ha a kalibrálás és a mérés ugyanazon nyomáson történik. (Vigyázzon arra, hogy a palacknyomás nem releváns, mivel a gázszabályzó környezetire csökkenti a nyomást). Ha a monitort a f enti eljárás valamelyikével atmoszférikus nyomáson kalibrálja, akkor 1) a környezeti nyomástól kissé magasabb nyomás elfogadható, de magas nyomás károsíthatja a szivattyút és 2) a depresszió pedig kisebb értékeket adhat, ha a minta vezetékben szivárgás van. c) Hőmérséklet. Mivel a hőmérséklet hatással van a gáz sűrűségre és a koncentrációra, a kalibrálógáz és a monitor hőmérséklete a lehető legközelebb legyen a felhasználási környezet hőmérsékletéhez. Az a javaslat, hogy a kalibrálógáz hőmérséklete a monitorra megadott értéken (-10 + 45 o C) belül legyen. A mérés ideje alatt a monitort ugyanazon, vagy magasabb hőmérsékleten kell tartani, mint a légminta hőmérséklete, a kondenzáció elkerülésére. 2
d) Mátrix. A kalibrációs vegyület mátrix gáza szignifikáns. Némely mátrix komponens, pl. a metán és a vízgőz hatással lehetnek a VOC jelre. A PID-eket használják leggyakrabban a levegőben lévő VOC-ok monitorozására, amelyek esetében a javasolt mátrixgáz a levegő. MiniRAE monitornál a metán, metanol és vízgőz kb. 20%-al csökkenti a jelet, ha a koncentrációjuk 15.000 ppm és kb. 40%-al, 30.000 ppm-nél. Korábbi oxigén-hatás közlés helyett, a RAE PID jelei 10,6 ev lámpával, független az oxigén koncentrációjától és nitrogén mátrixgáz is használható kalibráláshoz. Max. 5 tf%-ig a H 2 és CO 2 sem zavarja a mérést. e) Koncentráció. Bár a RAE PID-ek kimeneti jelei elektronikusan linealizáltak, a kalibrálást a mérendő szennyezőanyag koncentrációjához közeli töménységgel ajánlatos végezni. Például, 100 ppm-es kalibrálógáz koncentráció alkalmas a várható 0 250 ppm és 500 ppm, 250 1000 ppm VOC szennyezettség méréséhez. E táblázatban lévő korrekciós faktorok általában 50-100 ppm koncentrációknál lettek kimérve és ppb tartománytól kb. 1000 ppm-ig alkalmazhatók. 1.000 ppm felett a CF változhat és jobb a kalibrálást a mérendő gázzal végezni. f) Szűrők. A szűrők hatással vannak a légáram mértékére és a nyomásviszonyokra, tehát bármilyen szűrőt használ a mérésnél, ugyanazt kell használni a kalibrálásnál is. Víz-fogó (hidrofób szűrő) használata esetén nagymértékben lecsökken az aeroszolok és szilárd részecskék beszívásának esélye. Tanácsos a szűrők időszakos cseréje, mivel a piszkos szűrő adszorbeálja a VOC-ot és hosszabb válaszidőt okoz. g) Műszer felépítés. A magas-forrpontú ( nehéz ), vagy nagyon reaktív vegyületeknél veszteség léphet fel reakció miatt, vagy a mintavevő eszközökön, pl. a szűrőn, szivattyún és más szenzoron történő adszorpció következtében. A több-gázos monitorok és AreaRAE rendelkeznek szivattyúval és a légáram útjában más szenzorral is és okozhatnak veszteségeket. Ilyen, veszteségre hajlamos vegyületek a táblázatban zöld színűek, amelyeknek lassúbb a válaszidejük, vagy, extrém esetben, nem is adnak jelet. Sok esetben a többgázos monitorok, pontos, kvantitatív értékek helyett, csak egy relatív közeli jeleket adnak. A ppbrae és a MIniRAE monitorok inert mintavevő rendszerrel rendelkeznek, ezért nincs nekik szignifikáns veszteségük; mindazonáltal, a jel csökkenhet a nagyon nehéz szénhidrogéneknél és növekedhet a mintavételi idő egy percre, vagy többre, a stabil érték nyeréséhez. Táblázati rövidítések: CF = Korrekciós faktor (a leolvasott értékkel össze-szorozva, a valós érték kapható, ha a kalibrálás i-butilénnel történik). NR = nincs válaszjel IE = ionizációs energia ( zárójelben lévő értékek nem teljesen megalapozott) C = bizonyított értékek + -al jelezve ebben az oszlopban, minden más adat csak előzetes, vagy becsült érték és változhat. C## = maximális érték, ott szerepel, ahol a 8 óra x ÁK nincs megadva. TWA (USA) = ÁK (magyar), 1 műszak ideje alatt megengedett átlag-koncentráció Megjegyzések: Az aktuális kijelzések változhatnak a lámpa korával és tisztaságával, a relatív légnedvességtől és egyéb tényezőktől függően. A precíz méréshez az készüléket, igénybevételétől függően, rendszeresen kalibrálni kell. E táblázatban megadott faktorok száraz levegőn, szobahőmérsékleten, általában 50-100 ppm-el lettek mérve. Kb. 1000 ppm felett a CF-ek változhatnak. E táblázat adatai idővel változhatnak és szaporodhatnak. Figyelje a változásokat az interneten, a www.raesystems.com, vagy a www.spirooptic.com honlapokon. 3
4
5
6
7
8
9
10
I. Függelék: Példa az elegyek korrekciós faktorainak, ÁK-értékeinek és alarm-szintjeinek számítására. (A számításokra ezen adatbázis Excel verziója lett használva, amely kívánságra hozzáférhető). 11