10.1.2. Термохимические газоанализаторы
Принцип действия
термокаталитических (термохимических)
газоанализаторов основан на беспламенном
сжигании (окислении) углеводородов на
поверхности каталитического активного
элемента и измерении количества
выделившейся при этом теплоты, которое
пропорционально концентрации углеводородов
и паров горючих жидкостей. Выпускаются
две основные модификации термокаталитических
газоанализаторов. В первой (рис. 108, а),
наиболее
распространенной конструкции, реакция
сжигания осуществляется на активированной
поверхности нагретой платиновой нити
(измерительный элемент), помещаемой в
измерительную проточную камеру и
служащей одновременно чувствительным
элементом для измерения температуры.
Нить R,
нагревается
постоянным током и на ней происходит
каталитическое окисление пропускаемой
горючей смеси. Сравнительный элемент
(точно такая же платиновая нить
сопротивлением
)
находится в закрытой сравнительной
камере, заполненной воздухом. Оба
платиновых сопротивления вместе с двумя
другими сопротивлениями образуют
неуравновешенный измерительный мост.
Выделяющаяся в результате каталитического
окисления горючих компонентов теплота
приводит к повышению температуры
измерительного элемента. Его сопротивление
изменяется, и возникает разбаланс
измерительного моста — мера концентрации
горючих компонентов.
Во второй модификации (рис. 108, б) применяется насыпной твердый катализатор /, помещаемый в проточную термостатируемую камеру сжигания. Повышение температуры, вследствие теплового эффекта реакции сгорания, измеряется термометром сопротивления 2.
где
—
теплота сгорания.
Рис. 108. Измерительные мостовые схемы термохимического газоанализатора:
а —
с проволочным платиновым каталитическим
чувствительным элементом
;
б —
с проточной термостатируемой камерой
(/ — твердый насыпной катализатор; 2
— термопреобразователь
сопротивления)
В результате беспламенного горения появляется следующая схема преобразования концентрации анализируемого (горючего) газа в разбаланс напряжения:
Напряжение разбаланса (рис. 108, а, б) можно измерить потенциометром.
Недостатки: ограниченный диапазон измерений; отсутствие селективности; низкие быстродействие и чувствительность; отравляемость чувствительного элемента; обязательное присутствие кислорода в контролируемой среде.
Область применения: чаше всего для измерения довзрывных концентраций углеводородов и паров горючих жидкостей.
10.1.3. Термомагнитные газоанализаторы
Принцип действия основан на использовании температурной зависимости парамагнитной восприимчивости кислорода, выраженной уравнением Кюри:
где
—
удельная магнитная восприимчивость; с
— постоянная
Кюри.
При повышении температуры магнитная восприимчивость снижается.
Принципиальная
схема термомагнитного газоанализатора
с кольцевой камерой показана на рис.
109. Поток анализируемого газа на входе
в кольцевую камеру разделяется на два
потока, которые протекают по двум
половинам кольцевой металлической
камеры 1.
Камера имеет
поперечное сечение в виде тонкостенной
стеклянной трубки 3,
образующей
собственно анализатор. На трубку снаружи
намотаны две одинаковые нагревательные
проволочные секции из металла с высоким
температурным коэффициентом сопротивления
(Pt;
Ni),
представляющие собой два сопротивления
и
измерительного
моста. Двумя другими плечами моста
служат постоянные манганиновые
сопротивления
и
Сопротивления
и
нагреваются
до 200...300 °С электрическим током от
стабилизированного источника питания
(ИПС). Половина трубки с сопротивлением
находится
между полюсами сильного магнита 2.
При отсутствии
кислорода в анализируемой смеси поток
разделяется на две равные части, омывающие
сопротивления
и
,
не нарушая равновесие моста. Если
холодный анализируемый газ содержит
кислород, то он сильнее втягивается в
трубку со стороны магнита. Согласно
уравнению (5.112), при нагревании газовой
смеси, содержащей кислород, магнитная
восприимчивость смеси снижается. Более
холодные свежие порции смеси вытесняют
нагретые, что приводит к образованию
постоянного газового потока («магнитного
ветра») через поперечную трубку.
Сопротивление
,
расположенное вблизи магнитных полюсов,
несколько охлаждается, а другое
сопротивление
на
столько же нагревается. Возникающая
между сопротивлениями разность температур
и соответственно разность сопротивлений
является мерой содержания кислорода в
анализируемом газе. Напряжение разбаланса
измерительного моста можно измерить
потенциометром 4.
Рис. 109. Схема термомагнитного газоанализатора с кольцевой камерой.
10.1.4. Оптические абсорбционные в ИК-области спектра газоанализаторы
Действие оптико-акустических газоанализаторов основано на способности определяемого газа поглощать инфракрасное излучение. Этой способностью обладают все газы, за исключением одноатомных, а также водорода, кислорода, азота и хлора. Каждый газ поглощает инфракрасное излучение только в своих, характерных для него участках спектра. Интенсивность монохроматического излучения, прошедшего слой поглощающего газа, определяется законом Бугера—Ламберта—Бера:
где
—
интенсивность монохроматического
излучения до и после
прохождения слоя
поглощающего газа;
—
коэффициент поглощения, характерный
для данного газа и определенной длины
волны
;
— объемная концентрация газа, поглощающего
излучение;
—
толщина слоя поглощающего газа.
Для измерения интенсивности излучения, прошедшего слой анализируемого газа, используют оптико-акустический эффект: газ, способный поглощать ИК-лучи, в замкнутом объеме подвергается прерывистому воздействию инфракрасного излучения, при этом смесь периодически нагревается (в результате поглощения излучения) и охлаждается (при прекращении излучения). Колебания температуры вызывают колебания давления газа, воспринимаемые звуковым приемником.
Принципиальная схема двухканального оптико-акустического газоанализатора показана на рис. 110. От двух источников (излучателей) 3 с отражателями 2 потоки инфракрасного излучения, практически одновременно прерываемые обтюратором 4 (вращается электродвигателем У) с определенной частотой, проходят две камеры 5 и 6, затем фильтровые камеры 7 и попадают в лучеприемник 8. Сравнительная непроточная камера 6 заполнена азотом, а в рабочую Камеру 5 поступает анализируемый газ. Окна рабочей, сравнительной и фильтровых камер, а также лучеприемника выполнены из материала, пропускающего ИК-излучение. Фильтровые камеры заполняются неопределяемыми мешающими газами, спектры поглощения которых могут частично перекрывать спектр поглощения определяемого компонента. Таким образом присутствие в анализируемой смеси мешающих газов не будет приводить к увеличению погрешности измерения, так как они будут поглощать ИК-излучение в характерных для них участках спектра в обоих каналах — как измерительном, так и сравнительном, и разность интенсивности потоков ИК-излучения, поступающего в левую и правую камеры лучеприемника, будет зависеть от концентрацией в анализируемой смеси только определяемого компонента. Лучеприемник 8 состоит из двух камер, разделенных конденсаторным микрофоном 9 и заполненных смесью азота с определяемым компонентом. Периодически газ в лучеприемнике 8 нагревается (за счет поглощения энергии) и охлаждается, что приводит к возникновению в замкнутом объеме лучеприемника периодических колебаний температуры, вызывающих периодические колебания давления газа. При равенстве интенсивностей инфракрасного излучения в правой и левой частях лучеприемника 8 мембрана конденсаторного микрофона неподвижна. Если интенсивность поступающего инфракрасного излучения в левую лучеприемную камеру будет меньше, чем в правую, то и амплитуда периодического колебания давлений в левой лучеприемной камере будет меньше, чем в правой. При этом разность давлений, действующая на мембрану конденсаторного микрофона, будет тем больше, чем больше будет концентрация определяемого компонента в анализируемой газовой смеси. Амплитуда колебаний мембраны и связанное с ней изменение выходного сигнала пропорциональны разности давлений в лучеприемных камерах, а следовательно, и концентрации определяемого компонента в газовой смеси. Колебания давления могут быть преобразованы конденсаторным микрофоном 9 в электрический выходной сигнал, который можно измерить. Описанное оптико-акустическое явление известно как явление Тиндаля—Рентгена, которое наблюдалось этими учеными при звуковых частотах модуляции излучения. Выходной сигнал конденсаторного микрофона после преобразования в напряжение и прохождения усилителя 10 подается на реверсивный двигатель //, перемещающий одновременно стрелку прибора и компенсирующую заслонку 12. Собственно перемещение компенсирующей заслонки 12 и уравнивает потоки инфракрасного излучения на выходе из камер 5 и 6.
Рис. 110. Схема оптико-акустического газоанализатора.
Селективность оптико-акустических анализаторов повышают, применяя набор светофильтров с узким диапазоном длин волн пропускаемых лучей.
Достоинствами оптико-акустических газоанализаторов являются высокая чувствительность, хорошая избирательность, высокое быстродействие, широкий диапазон измерений, высокая точность и долговечность.
Примечание
Для измерения интенсивности ИК-излучения в оптических абсорбционных газоанализаторах применяются также светодиоды. Ослабленный поток излучения, прошедшего слой поглощающего газа, попадает на фотоприемник. Отношение сигналов от рабочего и опорного свето-диодов зависит от концентрации анализируемого газа. Это отношение устанавливается при калибровке и записывается в память микроконтроллера. Полученные сигналы пересчитываются микропроцессором в объемную концентрацию анализируемого газа с учетом температурной коррекции.
10.1.5. Оптические абсорбционные в УФ-области спектра газоанализаторы
Принцип действия основан на оптико-абсорбционном методе измерения ультрафиолетовой энергии излучения анализируемым компонентом газовой смеси. Газоанализаторы этого типа имеют большую чувствительность к парам ртути, ацетона, к хлору, озону и ряду других газов, наличие которых удается обнаружить с точностью тысячных долей процента.