42 Средства анализа концентрации и состава смесей. Принципы действия, конструкции, характеристики.

1. Газоанализаторы.

Чаще всего сырье или готовый продукт представляет собой смесь, которая состоит из двух и более составных частей, называемых компонентами.

Различают качественный и количественный состав смеси. Первый представляет собой информацию о том, какие компоненты входят в смесь, второй, кроме того, дает информацию о количестве этих компонентов в смеси. Количественный состав характеризуется концентрацией.

Бинарная смесь – смесь, состоящая из двух компонентов.

Многокомпонентная смесь – смесь, состоящая из трех и более компонентов.

Псевдобинарная смесь – многокомпонентная смесь, которая при определенных условиях по некоторому физико-химическому свойству может рассматриваться как бинарная.

Измерение концентрации определяемого компонента в бинарных и псевдобинарных смесях жидкостей и газов – одна из наиболее распространенных задач автоматического контроля качества потоков химико-технологических процессов. В общем случае измерение концентрации определяемого компонента в бинарной смеси осуществляется путем измерения какого-либо физико-химического свойства этой смеси.

Термокондуктометрические газоанализаторы. Принцип действия основан на процессе теплопереноса в газах под действием градиента температур.

Для большинства газов теплопроводность возрастает с увеличением температуры. Для многих газов и паров жидкостей тепловое сопротивление (величина обратная теплопроводности) смеси связана с теплопроводностью компонентов соотношением:

где 1/λ – тепловое сопротивление анализируемой газовой смеси; 1/λ_i – тепловое сопротивление i-гo компонента смеси; c_i – объемная концентрация i-го компонента.

Основной частью термокондуктометрического газоанализатора является детектор, представляющий собой металлический блок 1, в котором расположены четыре камеры 2, 6, 7, 8. В каждой из камер в держателях 4, укрепленных в электроизоляционной обойме 5, размещены металлические или полупроводниковые терморезисторы 3. Металлические терморезисторы выполнены из платиновой, вольфрамовой или вольфрам-рениевой проволоки диаметром 0,02 – 0,05 мм.

Анализируемый и вспомогательный газы поступают из блока подготовки газов 9 с постоянными объемными расходами соответственно в соединенные последовательно камеры 2, 6 и 8, 7. Размещенные в этих камерах измерительные Rи и сравнительные Rср терморезисторы образуют неравновесный мост. Напряжение питания подбирают таким, чтобы терморезисторы были нагреты до температуры 50 - 200°С. Резистор Rо служит для настройки начального уровня сигнала моста, резистор Rд – для настройки коэффициента передачи.

Если теплопроводности анализируемого и сравнительного газов одинаковы, то температуры, а, следовательно, и сопротивления резисторов одинаковы, и ток в измерительной диагонали моста отсутствует (при необходимости устанавливается с помощью резистора Rо ) При изменении теплопроводности смеси условие теплопередачи в камерах 2 и 6 изменяется, а в камерах 7 и 8 остается прежним. Это вызывает изменение сопротивлений терморезисторов Rи.

В результате чего на измерительной диагонали моста возникает разбаланс, который описывается выражением:

ΔU = K_λ (1/λ_см – 1/λ_в),

где K_λ – коэффициент преобразования термокондуктометрического газоанализатора; 1/λ см, 1/λ в – тепловые сопротивления анализируемой смеси и вспомогательного газа соответственно.

Термокондуктометрические газоанализаторы применяются для измерения концентрации Н₂ , Не, С0₂, С0, NH₃, С1₂ в бинарных и псевдобинарных газовых смесях, т.к. у этих газов теплопроводность во много раз больше теплопроводности воздуха.

Диапазон измерений от 0 – 1 до 0 – 100%, классы точности 2,5 – 10 (увеличивается с уменьшением диапазона измерений); время реакции 60–120 с.

Магнитные газоанализаторы. Принцип действия основан на взаимодействии определяемого компонента анализируемой (в общем случае многокомпонентной) газовой смеси с магнитным полем.

Большинство газов является диамагнетиками, и они выталкиваются из магнитного поля. Количественно их магнитные свойства характеризуются объемной магнитной восприимчивостью χ_д, которая является отрицательной величиной. Газы, которые втягиваются в магнитное поле, называют парамагнитными и их магнитная восприимчивость χ_п является положительной величиной. Парамагнитными свойствами обладают кислород и оксиды азота. Кислород имеет точку Кюри 85ºС, при которой он из парамагнетика превращается в диамагнетик.

Аномальные магнитные свойства кислорода используются для получения измерительной информации о его концентрации в многокомпонентных смесях газов и паров. Наиболее распространенными являются термомагнитные газоанализаторы.

Анализируемый газ поступает из блока подготовки 1 с постоянным объемным расходом в кольцевую камеру 3. По диаметру этой камеры установлена тонкостенная стеклянная трубка 4 с намотанными на ней терморезисторами R₁ и R₂ . Если в анализируемом газе отсутствует кислород, то при горизонтальном положении трубки 4 поток газа через нее отсутствует.

Когда в анализируемом газе имеется кислород, он втягивается в магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом 2 около левого (на рисунке) конца трубки 4. Затем кислород нагревается терморезистором R₁ до температуры выше точки Кюри, становится диамагнитным и выталкивается из магнитного поля. Возникает поток газа, протекающий по трубке 4. который измеряется расходомером. При этом R₁ охлаждается, а R₂ – нагревается.

Диапазоны измерений термомагнитного газоанализатора от 0 – 1 до 0 – 100% . Классы точности 2,5 – 5% (в зависимости от диапазона измерений).