7.4 Анализаторы газов

Анализаторы газов делятся: термокондуктометрические, термохимические, термомагнитные, абсорбционные, хроматографические.

Термомагнитные газоанализаторы рисунок 88. Термомагнитные газоанализаторы основаны на использовании явления термомагнитной конвекции парамагнитного газа, возникающей при наличии неоднородного магнитного поля и нагретого тела (температурного градиента). Между термомагнитной конвекцией и естественной тепловой конвекцией (свободным движением) имеется аналогия. Известно, что естественная тепловая конвекция возникает около горячей (или холодной) поверхности, окруженной газом (жидкостью), при наличии гравитационного поля. От соприкосновения с горячей поверхностью тела газ нагревается, его температура по сравнению с температурой остальной массы повышается, а плотность уменьшается. вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц газа возникает подъемная сила, под действием которой нагретые частицы поднимаются кверху, т.е. в строну падения гравитационного поля. На их место поступают другие, холодные частицы, которые также нагреваются и поднимаются. Возникновение и интенсивность естественной конвекции всецело определяются тепловыми условиями процесса и зависят от рода жидкости, разности температур и объема пространства, в котором протекает процесс.

В термомагнитном газоанализаторе анализируемый парамагнитный газ, протекающий непрерывно в канале, втягивается в специальную измерительную камеру с магнитной системой, между полюсами которой находится нагреваемый током чувствительный элемент. Газ нагревается, и магнитная восприимчивость его уменьшается. Вследствие этого нагретый газ выталкивается из магнитного поля холодным газом, протекающим в канале, и около нагретого чувствительного элемента возникает непрерывный поток газа (на рисунке 68 показан пунктирными стрелками), движущийся в сторону падения напряженности магнитного поля.

Этот поток газа, носящий название термомагнитной конвекции или магнитного ветра, охлаждает чувствительный элемент. Интенсивность термомагнитной конвекции, зависящую от магнитной восприимчивости парамагнитного газа, оценивают по изменению электрического сопротивления чувствительного элемента, вызванного его охлаждением.

Рисунок 89 – Схемы измерительных камер приемного преобразователя термомагнитного газоанализатора

а – с диффузионым подводом газа; б – прямоточная со сбросом части газа;

1 – канал, по которому протекает анализируемый газ; 2 – измерительная камера; 3 –чувствительный элемент; 4 – постоянный магнит.

Для измерения изменения сопротивления чувствительного элемента применяют неуравновешенную мостовую или компенсационную мостовую схему.

Магнитное поле в зоне чувствительного элемента обычно создают с помощью постоянного магнита. Неоднородное магнитное поле, как правило, возникает вблизи кромок полюсов постоянного магнита, около которых в измерительной камере располагают чувствительный элемент или нагреватель.

Процесс теплообмена нагретого чувствительного элемента установленного в измерительной камере с неоднородным магнитным полем, осуществляется посредством теплопроводности окружающей газовой среды, тепловой и термомагнитной конвекции и лучеиспускания.

Следует отметить, что изменение содержания неопределяемых компонентов (например, Н₂ и СО₂) от градуировочных значений в анализируемой газовой смеси может привести к изменению показаний газоанализатора, так как теплопроводность, вязкость и другие свойства их влияют на процесс теплообмена.

Следует отметить, что комплекс задач по измерению кислорода в различных условиях не может быть решен на базе одного типа термомагнитного газоанализатора с использованием одной универсальной измерительной камеры. Поэтому в зависимости от состава газовой смеси, диапазон измерения и других факторов применяют термомагнитные газоанализаторы с различными по устройству измерительным камерами, в который направление потока термомагнитной и естественной тепловой конвекций выбирают в зависимости от требований, предъявляемых к прибору.

Термомагнитные газоанализаторы с кольцевой измерительной камерой, с внутренней конвекцией используют одинаковую измерительную схему.

Измерительная камера приемного преобразователя газоанализатора выполнена в виде полого металлического кольца, по горизонтальному диаметру которого установлена тонкостенная стеклянная трубка. На этой трубке расположены два рабочих чувствительных элемента и , которые нагреваются током примерно до 100^оС, а в некоторых модификациях – до 200^оС. Элементы и выполнены в виде спиралей из тонкой платиновой проволоки диаметром 0,04 – 0,05 мм. Чувствительный элемент расположен между полюсами постоянного магнита . Рабочие чувствительные элементы и и резисторы и , из манганиновой проволоки образуют четыре плеча измерительного неравновесного моста – рисунок 90.

В измерительную диагональ моста включен вторичный прибор ВП (автоматический потенциометр или милливольтметр). Питание моста осуществляется постоянным током от стабилизированного источника ИПС.

При протекании через кольцевую камеру преобразователя контрольного газа, не содержащего кислород, схема моста должна быть уравновешена, а указатель вторичного прибора должен находиться на начальной отметке шкалы. Незначительное отклонение от равновесия схемы в момент проверки нуля устраняется с помощью регулируемого резистора R₀.

Рисунок 90 – Схема термомагнитного газоанализатора на О₂ с кольцевой измерительной камерой.

В рабочем режиме анализируемый газ, поступающий в измерительную кольцевую камеру через нижний канал, свободно протекает в левой и правой половине кольца и выходит через верхний канал. Если газовая смесь содержит О₂, то она втягивается в стеклянную трубку, нагревается чувствительным элементом R₁ и магнитная восприимчивость смеси уменьшается. Нагретый газ в трубке выталкивается из магнитного поля более холодным газом, протекающим в левой половине кольца, и в зоне нагретого чувствительного элемента в трубке возникает поток внутренней термомагнитной конвекции, который направлен в сторону падения напряженности магнитного поля (на рисунке направление потока показано пунктирной стрелкой). При этом поток термомагнитной конвекции охлаждает чувствительный элемент R₁ и часть тепла отдает чувствительному элементу , который нагревается. Это приводит к уменьшению сопротивления плеча и некоторому увеличению сопротивления .

Изменение сопротивления рабочих чувствительных элементов и нарушает равновесие моста и вызывает изменение напряжения на вершинах измерительной диагонали моста, пропорциональное содержанию кислорода в анализируемой газовой смеси. Измерение напряжения на вершинах моста осуществляется вторичным прибором, шкала которого отградуирована в процентах по объему кислорода.

Рассмотренные газоанализаторы чувствительны к изменениям температуры окружающего воздуха, давления и расхода газовой смеси, кроме того, их показания зависят от угла наклона кольцевой камеры. Для уменьшения влияния изменения температуры окружающего воздуха приемные преобразователи термостатируют. В некоторых случаях приборы этого типа выполняются с компенсацией по температуре и давлению. Для уменьшения транспортного запаздывания в подводящей линии предусмотрен канал КС для частичного сбора газа, контроль расхода газа производится с помощью ротаметра (на рис. канал и ротаметр показаны пунктиром).

8 АВТОМАТИЧЕСКОЕ ИЗМЕРЕНИЕ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ