Слайды 72-73. Термокондуктометрические газоанализаторы

В тепловых ГА концентрация определяемого компонента определяется по изменению теплопроводности λ_см анализируемой газовой смеси (АГС). Теплопроводность является аддитивным свойством, поэтому для смеси n компонентов

где λ_i, C_i – теплопроводность и объемная концентрация каждого компонента. Если АГС является бинарной или псевдобинарной, то, учитывая, что сумма концентраций определяемого и неопределяемого компонента равна 1, можно записать

где λ_ок, С_ок – теплопроводность и объемная концентрация определяемого компонента;

λ_нк – теплопроводность неопределяемого компонента.

Из последнего выражения можно найти искомую концентрацию С_ок:

.

Принцип действия термокондуктометрического ГА основан на процессе теплопереноса в газах под действием градиента температур. При прохождении АГС через измерительную камеру, в которой находится нагретый до определенной температуры терморезистор, происходит передача тепловой энергии от этого терморезистора через слой АГС постоянной толщины к стенкам камеры, температура которых постоянна. Если количество теплоты, отдаваемой терморезистором, постоянно, а теплопередача происходит только за счет теплопроводности через слой газа, температура терморезистора, а следовательно, и его сопротивление будет определяться только теплопроводностью АГС, т.е. концентрацией определяемого компонента.

ГА представляет собой неуравновешенный мост, два плеча которого образованы терморезисторами R₂ и R₄, помещенными в измерительные камеры, а два – сравнительными R₁ и R₃. Измерительная камера представляет собой полый цилиндр, внутри которого коаксиально расположена платиновая нить (чувствительный элемент). Диаметр платиновой нити – 0,02 … 0,05 мм; она натягивается с помощью платиноиридиевых пружинок и закрепляется в измерительной камере изоляционными втулками. Температура газовой смеси должна быть постоянной, поэтому датчики термостатируются. Для уменьшения влияния конвекции диаметр измерительной камеры выполняется как можно меньшим. Сравнительные камеры бывают двух типов: герметизированные и проточные. В качестве сравнительных смесей в герметизированных камерах используются газовые смеси либо постоянного состава, либо с добавлением определяемого 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 выражением

где l – длина платиновой нити, образующей терморезистор;

λ_см – теплопроводность АГС;

t_н, t_с – температура платиновой нити и стенки камеры соответственно;

D, d – диаметр камеры и платиновой нити соответственно.

Нагрев платиновой нити до температуры 50…200 ⁰С осуществляется

стабилизированным током I, что обеспечивает постоянство значения Q. Иско-

мая температура нити t_н будет в этом случае равна

где R – сопротивление платиновой нити.

Для градуировки анализатора через него пропускается градуировочная смесь с известным содержанием определяемого компонента. Поскольку количество теплоты, отдаваемое чувствительным элементом к стенкам камеры, не меняется, температура нити при анализе смеси неизвестного состава находится по формуле

где λ_гс, λ_ас – теплопроводности градуировочной и анализируемой смеси соответственно; t_н1, t_н2 – соответствующие этим смесям температуры платиновой нити.

Если анализируемая газовая смесь содержит водяные пары, то при расчетах необходимо учитывать, что водяные пары практически полностью конденсируются, изменяя процентное содержание других компонентов. Теплопроводность смеси в этом случае определяется выражением

где n – число компонентов в смеси; λ_i, C_i – теплопроводность и концентрация i-го компонента; - концентрация водяных паров.

Если теплопроводности АГС λ_см в измерительных камерах и вспомогательного газа λ_в в сравнительных камерах одинаковы, напряжение на измерительной диагонали мостовой схемы отсутствует. При изменении концентрации определяемого компонента, а значит, и теплопроводности АГС условия теплопередачи в измерительных камерах изменяются, в результате чего на измерительной диагонали появляется напряжение разбаланса U:

где К_λ – коэффициент преобразования термокондуктометрического ГА.

Термокондуктометрические ГА используются для измерения концентрации негорючих газов (СО₂, SO₂ и др.) в бинарных и псевдобинарных смесях. Их диапазон измерений от 0 – 1 до 0 – 100%, класс точности 2,5 – 10 (увеличивается с уменьшением диапазона измерения), время реакции 60 – 120 с.