17.3. Теплові газоаналізатори

Дія теплових газоаналізаторів грунтується на вимірюванні теплових властивостей певного компоненту газової суміші, які можуть визначати міру його концентрації. Теплові газоаналізатори поділяються на термокондуктометричні і термохімічні.

Найбільш поширені в газоаналітичних вимірюваннях т е р м о-к о н д у к т о м е т р и ч-н і газоаналізатори. Дія цих газоаналізаторів грунтується на тому, що температура, а відповідно і електричний опір провідника, який нагрівається струмом, залежать, за певних умов, від теплопровідності газової суміші, що оточує провідник. Якщо теплопровідність визначуваного компонента газової суміші значно відрізняється від теплопровідності інших компонентів, то теплопровідність суміші буде головним чином визначатися концентрацією визначуваного компонента. Чим більше відрізняються теплопровідності визначуваних і невизначуваних компонентів, тим вище чутливість газоаналізатора. В табл. 17.2 наведені дані з теплопровідності різних газів при температурі 0 ^оС.

Таблиця 17.2

Газ	Коефіцієнт теплопровідності при 0 оС, Вт/м·К	Відношення до теплопровідності повітря, %
Повітря	244	170
Азот N2	243	99,6
Кисень О2	246	170,8
Водень Н2	1740	713,1
Двооксид вуглецю СО2	146	59,8
Оксид вуглецю СО	233	95,5
Двооксид сірки SO2	84	34,4
Водяна пара Н2О	170	69,7
Гелій Не	1460	598,4
Метан СН4	307	125,8

З наведених даних видно, що СО₂ порівняно з повітрям має в 1,67 рази меншу, а водень в 7,13 разів більшу теплопровідність.

Ці особливості дозволяють визначати концентрацію СО₂ в сухих газових сумішах шляхом порівнювання інтенсивності переносу теплоти теплопровідністю в газовій суміші і в повітрі. Теплопровідності СО, О₂ і N₂ майже не відрізняються від теплопровідності повітря і не впливають на вимірювання концентрації СО₂.

Однак з аналізуємої газової суміші повинні бути видалені водень, водяна пара і двооксид сірки, теплопровідності яких значно відрізняються від теплопровідності повітря. Водяну пару видаляють охолодженням проби газової суміші, тобто її конденсацією в спеціальному охолоднику, розміщеному перед приладом. Водень видаляється його допалюванням в електропечі, а SO₂ – поглинанням в сірчистому фільтрі.

Схема кондуктометричного газоаналізатора показана на рис. 17.3. Газова суміш, що підлягає аналізу і допоміжний газ надходять з блоку підготовки газів 5 з постійними об’ємними витратами відповідно в з’єднані послідовно камери 1, 2 і 3, 4. Розміщені в цих камерах вимі- рювальні R_в і порівняльні R_п терморезистори включені в нерівноваж- ний міст, який живиться від стабілізованого джерела постійного струму 7. Напругу живлення підбирають такою, щоб температура термо- резисторів була в межах 50…200 ^оС. Настроювання початкового рівня сигналу нерівноважного моста виконують за допомогою резистора R_о, а настроювання коефіцієнта передачі – за допомогою резистора R_д.

Теплота, що виділяється в терморезисторах R_в, передається через шар газу стінкам камер. Якщо теплопровідності аналізуємого і порів- няльного газів однакові, за допомогою резистора R_о на вимірювальній діагоналі мосту установлюється нульове значення сигналу. При змінюванні теплопровідності газової суміші умови теплопередачі в камерах 1 і 2 змінюються, а в камерах 3 і 4 залишаються попередніми. При цьому змінюється електричний опір терморезисторів R_в і на вимірювальній діагоналі моста виникає розбаланс, частина якого з резистора R_д надходить в проміжний перетворювач 8, який утворює уніфікований сигнал. Цей сигнал надходить в автоматичний потенціо- метр 9. Пристрій 6 газоаналізатора звичайно термостатують, або застосовують додаткові пристрої для корекції показань в залежності від температури. Іноді камери 3 і 4 виконують герметичними і заповнюють газом, теплопровідність якого відповідає нижній границі вимірю- вань газоаналізатора.

В газоаналізаторах застосовують металеві або напівпровідникові терморезистори. Металеві терморезистори виготовляють з платинового, вольфрамового або вольфрамренійового дроту діаметром 0,02…0,05 мм, захищеного від корозії скляною оболонкою. Електричний опір цих терморезисторів складає 5…60 Ом. Напівпровідникові терморезистори виготовляються у вигляді бусинок діаметром 0,2…0,5 мм з опором 2…30 кОм.

Основна похибка кондуктометричних газоаналізаторів складає ±2,5…3,5 % від діапазону показань. Похибки вимірювань виникають внаслідок коливань напруги джерела живлення і температури навколишнього середовища, змінювання швидкості руху газу в камерах тощо.

Дія т е р м о х і м і ч н и х газоаналізаторів грунтується на вимірюванні теплового ефекту реакції каталітичного окислення (горіння) визначуваного компонента газової суміші. Ці прилади застосовують для визначення концентрації СО, Н₂, О₂, NH₃, CH₄. Сигналом вимірю- вальної інформації в термохімічних газоаналізаторах є температура, значення якої залежить від теплового ефекту хімічної реакції. На рис. 17.4 показана схема термохімічного газоаналізатора, в якому використовується тепловий ефект реакції окислення газів на каталі- тично активній поверхні. Змінювання температури при такому окис- ленні (горінні) визначається залежністю

QнC

(17.3)

де – постійний коефіцієнт, який залежить від природи визначуваного компонента і конструктивних параметрів чутливого елемента аналізатора; Q_н – нижча питома об’ємна теплота згоряння компонента; С – об’ємна концентрація визначуваного компонента.

В термохімічному газоаналізаторі газ за допомогою повітряного ежектора (струмінного насоса) 3 проходить через кран 17 і камеру 1, в якій розміщені вибухозахисні сітки 2 і 7, вимірювальний 4 і порів-няльний 5 чутливі елементи. Порівняльний чутливий елемент закритий ковпачком 6 і призначений для усунення впливу змінювання температури на сигнал газоаналізатора. Чутливі елементи – це платинові дротики з активованою поверхнею (пелістори). Пелістор (рис. 17.4,б) – це платиновий дротик 3 діаметром 0,3…0,05 мм, розміщений в шарику 2 або в циліндрі з оксиду алюмінію покритому шаром 1 платино-паладієвого каталізатора.

Чутливі елементи в термохімічних газоаналізаторах (рис. 17.4,а) нагріваються струмом нерівноважного моста 8 до температури 200…500 ^оС. При згорянні на поверхні вимірювального чутливого елемента горючого визначуваного компонента температура елемента збільшується, через що підвищується електричний опір платинового дротика, а це, в свою чергу, спричиняє розбаланс електричного моста, який вимірюється вторинним приладом 9 і визначається формулою

QнC = K·C,

(17.4)

де – постійний коефіцієнт для даного нерівноважного моста; Q_н – коефіцієнт перетворення аналізатора.

Для перевірки і коректування нульового значення сигналу газоаналізатора через кран 17 в камеру 1 надходить повітря, яке не містить горючі компоненти.

Термохімічні газоаналізатори застосовуються як сигналізатори вибухонебезпечних концентрацій газів і парів у повітрі.