§ 11.15. Пламенные ионизационные и фотометрические газоанализаторы

Химическая реакция окисления горючих веществ, протекающая в пламени, сопровождается рядом эффектов, которые используются для получения измерительной информации. Так, тепловой эффект этой реакции используется в работе калориметров (см. § 10.5) га­зов. Эффекты ионизации и возникновение электромагнитного излу­чения применяются для измерения концентраций некоторых ве­ществ в многокомпонентных смесях.

На рис. 11.25, а приведена схема пламенного ионизационного газоанализатора, в котором анализируемый газ и водород, служа­щий для поддержания пламени, подаются из блока подготовки газов 1 с постоянными объемными расходами в миниатюрную го­релку 3. Последняя установлена в корпусе 4 на изоляторе 6. Воздух, необходимый для горения водорода, с постоянным объемным расходом, поступает в камеру 4 через распределитель 2. Над го­релкой на фторопластовом изоляторе 6 установлен коллекторный электрод 5 из платины или нихрома. Между горелкой 3 и коллек­торным электродом 5 прикладывается электрическое поле от источ­ника 9 напряженностью 150—200 В/см. При сгорании чистого водо­рода почти не образуется ионов (сопротивление водородного пламени порядка 10¹⁶Ом). Органические вещества (газы и пары), содержащиеся в анализируемом газе, попадая в водородное пламя, сгорают и вызывают резкое увеличение ионного тока. Последний преобразуется в унифицированный сигнал преобразователя 7 с большим входным сопротивлением (10⁸—10⁹ Ом), а сигнал послед­него воспринимается автоматическим потенциометром 8.

Р ис. 11.25. Схемы пламенных газоанализаторов

Физические основы работы плазменных ионизационных анализа­торов изучены еще недостаточно полно. Установлено, что его сиг­нал, определяемый ионным током между горелкой и коллекторным электродом, для углеводородов при концентрациях в анализируе­мом газе, не превышающих 0,5—1% об., зависит от числа атомов углерода в молекуле:

U = k_nnc, ' (11.59)

где k_n — коэффициент преобразования пламенного ионизационного анализатора по физико-химическому свойству (см. § 11.1); с — объ­емная концентрация определяемого компонента в анализируемом газе. Для углеводородов с числом атомов углерода, превышающим 6, выражение (11.59) с достаточной для практики точностью заме­няют выражением

U = k_nk₁μc = k_nk₁ V_μc = k_nk₁ V_μρ c, (11.60)

где k₁— постоянный коэффициент; μ — молекулярная масса определяемого компонента; V_μ — объем 1 моль и ρ плотность определя­емого компонента в газовой фазе при нормальных условиях. При постоянных расходах газовых потоков в пламенном ионизационном газоанализаторе выражение (11.60) можно представить в виде

U = Kc_m, (11.61)

І

где K = k_nk₁ V_μ, с_m = ρс — массовая концентрация определяемого компонента в анализируемой газовой смеси, выраженная в (ед. мас­сы)/(ед. объема).

Зависимость (11.61) справедлива для многих углеводородов и для их смесей. Поэтому пламенные ионизационные газоанализато­ры применяются как для измерения микроконцентрации в воздухе индивидуальных углеводородных газов и паров жидкостей, так и для измерения их суммарной массовой концентрации, выраженной в приводимых выше единицах. Диапазоны измерений от 0—1 до 1—100 мг/м³; классы точности 5—15; время реакции 10—20 с. Пламенные ионизационные газоанализаторы находят широкое применение в газовой хроматографии (см. гл. 12).

Эффекты изменения интенсивности и спектрального состава из­лучения пламени положены в основу работы пламенных фотомет­рических газоанализаторов (рис. 11.25, б). Схема подачи газов в этом анализаторе аналогична рассмотренной (рис. 11.25, а). При сгорании в пламени паров фосфор-, серу- или галогенсодержащих веществ, содержащихся в анализируемом газе, существенно изме­няется интенсивность излучения. Фотопоток поступает в фотоумно­житель 6 через монохроматический фильтр 5, длину волны которого принимают равной 526, 394 или 589 нм при измерении концентраций фосфор-, серу- и галогенсодержащих соединений соответственно. Сигнал фотоумножителя преобразуется в унифицированный сигнал с помощью преобразователя 7 и воспринимается автоматическим потенциометром 8. Пламенные фотометрические газоанализаторы могут применяться для анализа жидких веществ. С этой целью га­зоанализатор снабжен специальной горелкой, в которой анализиру­емое жидкое вещество перед сгоранием распыляется потоком газа.