Тепловые газоанализаторы
В тепловых ГА концентрация определяемого компонента опреде-
ляется по изменению теплопроводности λсм анализируемой газовой
смеси (АГС). Теплопроводность является аддитивным свойством,
поэтому для смеси n компонентов
где λi , Сi — соответственно теплопроводность и объемная концен-
трация каждого компонента.
Если АГС является бинарной или псевдобинарной, то, учитывая,
что сумма концентраций определяемого и неопределяемого компо-
нента равна 1, можно записать
где λок, Сок — теплопроводность и объемная концентрация опреде-
ляемого компонента; λнк — теплопроводность неопределяемого ком-
понента.
Из последнего выражения можно найти искомую концентрацию
Существует два типа тепловых газоанализаторов: термокондукто-
метрические и термохимические.
Принцип действия термокондуктометрического ГА основан на
процессе теплопереноса в газах под действием градиента температур.
При прохождении АГС через измерительную камеру, в которой на-
ходится нагретый до определенной температуры терморезистор, про-
исходит передача тепловой энергии от этого терморезистора через
слой АГС постоянной толщины к стенкам камеры, температура ко-
торых постоянна. Если количество теплоты, отдаваемой терморези-
стором, постоянно, а теплопередача происходит только за счет тепло-
проводности через слой газа, температура терморезистора, а следователь-
но, его сопротивление будут определяться только теплопроводностью
АГС или, как следует из выражения (8.2), концентрацией определяе-
мого компонента.
ГА представляет собой неуравновешенный мост (рис. 8.1, а), два
плеча которого образованы терморезисторами R2 и R4, помещенны-
ми в измерительные камеры, а два — сравнительными R1 и R3. Из-
мерительная камера (рис. 8.1, 6) представляет собой полый цилиндр,
внутри которого коаксиально расположена платиновая нить (чувстви-
тельный элемент). Диаметр платиновой нити 0,02... 0,05 мм; она на-
тягивается с помощью платиноиридиевых пружинок и закрепляется
в измерительной камере изоляционными втулками. Температура
газовой смеси должна быть постоянной, поэтому датчики термоста-
тируются. Для уменьшения влияния конвекции диаметр измеритель-
ной камеры выполняется как можно меньшим. Сравнительные ка-
меры бывают двух типов: герметизированные и проточные. В качестве
сравнительных смесей в герметизированных камерах используются
газовые смеси либо постоянного состава, либо с добавлением опреде-
ляемого компонента с концентрацией, соответствующей нижнему,
среднему или верхнему пределу измерения анализатора. В проточных
камерах обычно используется АГС, очищенная от определяемого
компонента специальным поглотителем.
Теплота Q, отдаваемая терморезистором в АГС, определяется вы-
Ражением
где I — длина платиновой нити, образующей терморезистор; λсм —
теплопроводность АГС; tH, tc — температура платиновой нити и
стенки камеры соответственно; D,d — диаметры камеры и платино-
вой нити соответственно.
Нагрев платиновой нити до температуры 50... 200 "С осуществля-
ется стабилизированным током I, что обеспечивает постоянство
значения Q. Искомая температура нити tH будет в этом случае равна
где R — сопротивление платиновой нити.
Для градуировки анализатора через него пропускается градуиро-
вочная смесь с известным содержанием определяемого компонента.
Поскольку количество теплоты, отдаваемое чувствительным элемен-
том к стенкам камеры, не меняется, температура нити при анализе
смеси неизвестного состава находится по формуле
где А,гс, Хас — теплопроводности градуировочной и анализируемой
смеси соответственно; tн1, t2 — соответствующие этим смесям тем-
пературы платиновой нити.
Теплопроводность смеси n компонентов находится по формуле
(8.1). Если анализируемая газовая смесь содержит водяные пары,
то при расчетах необходимо учитывать, что водяные пары практиче-
ски полностью конденсируются, изменяя процентное содержание
других компонентов. Теплопроводность смеси в этом случае опреде-
ляется выражением
где п — число компонентов в смеси; λ, С, — теплопроводность и кон-
центрация i-го компонента; CHj0 — концентрация водяных паров.
Если теплопроводности АГС А,см в измерительных камерах и вспо-
могательного газа λв в сравнительных камерах одинаковы; напряжение
на измерительной диагонали мостовой схемы отсутствует. При из-
менении концентрации определяемого компонента, а значит, и тепло-
проводности АГС условия теплопередачи в измерительных камерах
изменяются, в результате чего на измерительной диагонали появля-
ется напряжение разбаланса U:
где Кх — коэффициент преобразования термокондуктометрического ГА.
Термокондуктометрические ГА используются для измерения кон-
центрации негорючих газов (С02, S02 и др.) в бинарных и псевдоби-
нарных смесях. Их диапазон измерений от 0... 1 до 0... 100 %, класс
точности 2,5... 10 (увеличивается с уменьшением диапазона измере-
ния), время реакции 60... 120 с.
В термохимических ГА, используемых для измерения концентра-
ций горючих газов, используется тепловой эффект химической реак-
ции окисления определяемого компонента АГС на каталитически
активной поверхности платиновой нити, нагретой до температуры
200... 500 °С. По выделяющейся при этом теплоте и изменяющейся в
результате этого температуре нити определяется концентрация ана-
лизируемого компонента.
Изменение температуры ∆t при таком окислении (горении) опре-
деляется выражением
где К — постоянный коэффициент, зависящий от природы опреде-
ляемого компонента и конструктивных параметров чувствительного
элемента; QH, С — удельная объемная теплота сгорания и объемная
концентрация определяемого компонента соответственно.
Каталитически активная платиновая нить включается в одно из
плеч неуравновешенного моста. В этот мост входит также резистор,
выполненный из каталитически пассивной платиновой проволоки и
находящийся в камере, заполненной неопределяемыми компонента-
ми газовой смеси. Если определяемый компонент в смеси отсутству-
ет, их сопротивления одинаковы. Резисторы двух оставшихся плеч
имеют постоянное сопротивление и выполнены из манганиновой
проволоки. При наличии определяемого компонента в газовой смеси
происходит его сгорание на активном резисторе, сопротивление по-
следнего возрастает, что приводит к появлению на измерительной
диагонали моста напряжения, пропорционального концентрации
определяемого компонента. Милливольтметр в измерительной диа-
гонали градуируется в единицах концентрации определяемого ком-
понента.
Такие ГА в основном используются как индикаторы и сигнализа-
торы взрывоопасных концентраций, градуируются в процентах НКПВ
и выполняются как в стационарном, так и в переносном варианте
(сигнализаторы серии СГГ, ПГФ и др.). Сигнализируемые значения
5... 50 % НКВП для горючих газов и паров и 5...20 % НКВП для сме-
сей водорода с воздухом, время реакции не более 30 с. Существуют
также термохимические ГА, в которых реакция окисления опреде-
ляемого компонента протекает на поверхности гранулированного
катализатора, в качестве которого часто используется смесь диокси-
да марганца и оксида меди. Увеличение поверхности катализатора
позволяет снизить нижний предел измерения до долей процента.
В остальном их работа аналогична рассмотренному выше ГА.
Термохимические ГА в настоящее время являются одними из наи-
более распространенных в промышленности средств аналитической
техники. Их различные модели выпускаются как российскими, так и
зарубежными фирмами.
Дата добавления: 2022-05-27; просмотров: 188;