книги из ГПНТБ / Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств учебник

характеризует содержание анализируемого компонента в газо­ вой смеси, проходящей через кювету 4. Полупрозрачная пла­ стина 3, вводимая вручную в сравнительный оптический канал, служит для периодической проверки и установки нуля шкалы

гггпри пропускании через кювету 4 контрольной газовой смеси.

фотоэлементов, которые трудно подобрать с одинаковыми харак­ теристиками. Схема газоанализатора на хлор с одним фотоэлемен­ том, работающего по принципу оптической компенсации, пока­ зана на рис. 270.

Рис. 271. Блок-схема однолучевого ультрафиолетового газо­ анализатора:

фотоприемник; 9 — усилитель; 10 — вторичный прибор

Для выделения необходимого участка ультрафиолетовой части спектра на пути потоков установлены светофильтры. Потоки из­ лучения прерываются обтюратором с частотой 50 Гц. Модулиро­ ванные в противофазе потоки излучения поступают в измеритель­ ную и сравнительную кюветы.

При появлении в измерительной кювете хлора равенство потоков излучения нарушается; в цепи фотоэлемента появляется

370

пульсирующий фототок частотой 50 Гц, который усиливается в фазочувствительном усилителе и подается к реверсивному элек­ тродвигателю. Двигатель кинематически связан с компенсирую­ щим оптическим клином.

Для корректировки нуля шкалы газоанализатора служит заслонка. Диапазоны измерения 0—0,3 и 0—2%. Основная по­ грешность ±5% максимального значения шкалы.

На рис. 271 показана принципиальная схема однолучевого газоанализатора ультрафиолетового поглощения. Прибор имеет один источник 1 и один фотоприемник 8. Излучение источника прерывается обтюратором и разбивается им на два одинаковых потока, изменяющихся в противоположных фазах. Каждый из этих потоков проходит через соответствующий оптический фильтр. Полосы прозрачности фильтров разнесены, не перекрываются и сосредоточены в диапазоне частот соответственно v x и v 2. Про­ фильтрованные потоки радиации проходят рабочую кювету 7, через которую продувается анализируемый газ, поглощающий радиацию на частоте v x, и попадают затем в общий приемник из­ лучения. В отсутствие анализируемого компонента в кювете ин­ тенсивности рабочего и сравнительного потоков выравниваются перемещением заслонки регулирования нуля 4. В этом случае система сбалансирована и разностный сигнал, снимаемый с фото­ приемника, равен нулю. При поступлении анализируемого газа в кювету интенсивность потока радиации на частоте vx умень­ шается, а на частоте v2 остается неизменной. На выходе фото­ приемника появляется разностный сигнал, амплитуда которого служит мерой концентрации анализируемого компонента.

Для устранения температурной погрешности прибор термостатируется. Пределы измерения 0—30 мг/л; 0—3% вес. Основная погрешность ±4% диапазона шкалы.

Глава X X X V

Термокондуктометрические газоанализаторы

В основу работы термокондуктометрических газоанализаторов положен метод, использующий зависимость электрического сопро­ тивления проводника с большим температурным коэффициентом сопротивления, помещенного в камеру с анализируемой газовой смесью и нагреваемого током, от теплопроводности окружаю­ щей проводник смеси.

Как известно, передача тепла через газовую среду происходит посредством теплопроводности, конвекции и лучеиспускания. Так как только теплопроводность закономерно связана с соста­ вом газовой смеси, то в этих газоанализаторах снижают долю тепла, передаваемую путем конвекции и лучеиспускания. Для

этого уменьшают габариты измерительных ячеек (для цилиндри­ ческих ячеек — их диаметр) и избегают высоких температур на­ грева плечевого измерительного элемента (не выше 120° С).

В табл. 5 приведены абсолютные и относительные значения теплопроводности для некоторых газов.

Если газовая смесь бинарная и теплопроводность ее компо­ нентов различна, то измерение изменения теплопроводности га­ зовой смеси может явиться основной для определения одного из компонентов.

Для анализа многокомпонентной смеси термокондуктометри­ ческий метод может быть применен в случае, если теплопровод­ ность определяемого компонента значительно отличается от тепло­ проводности неопределяемых компонентов и если теплопровод­

Принципиальная схема термокондуктометрического газоана­ лизатора показана на рис. 272. В плечи измерительного неуравно­ вешенного моста включены одинаковые сопротивления в виде нагреваемых током нитей 5. Две из них, включенные в противо-

372

положные плечи моста, помещены в камеры, через которые про­ ходит исследуемый газ, а две другие — в камеры, наполненные воздухом. Воздушные камеры могут быть и проточными.

Если теплопроводность газовой смеси будет отличаться от теплопроводности воздуха, то температуры, а следовательно, и

Из уравнения (258) следует, что измерение содержания ана­ лизируемого компонента возможно лишь при условии равенства температур стенок внутри рабочих и сравнительных ячеек, т. е. когда Тст— ТСТо = 0 . В этом случае имеется однозначная

373

зависимость силы тока в диагонали измерительного моста от тем­ пературы нити в рабочей ячейке

/ = Н Е ­

ОСНОВНЫМИ источниками погрешностей в термокондуктометри­

разования.

Для устранения влияния колебаний напряжения источника питания применяют феррорезонансные стабилизаторы напряже­ ния, барретторы и т. д.

Скорость прохождения газовой смеси через измерительные газовые камеры влияет как на количество уносимого газовой смесью тепла (как следствие этого — на дополнительное охла­ ждение нагревательных элементов), так и на динамические свой­ ства газоанализатора — его постоянную времени.

Выбранная оптимальная скорость в процессе работы газо­ анализатора должна поддерживаться постоянной. Для этого используются различные стабилизаторы и регуляторы расхода.

При невозможности отбора на анализ газовых смесей с постоян­ ной влажностью чаще всего применяют полную осушку перед поступлением смеси в прибор.

Необходимость термостатирования измерительного.блока и при­ менения стабилизированных источников питания усложняет и удо­ рожает приборы. Более совершенны схемы компенсационного типа (рис. 273). Схема состоит из двух неуравновешенных мостов А и Б, питающихся от сети переменного тока через трансформа­ тор Тр.

Плечи мостов из платиновых проволочек заключены в стеклян­ ные баллончики. Два рабочих плеча 1 я 3 измерительного моста А

374

омываются анализируемым газом. Другие два плеча 2 и 3 находятся в газовой среде, состав которой соответствует началу шкалы прибора. Два плеча 6 и 8 сравнительного моста Б нахо­ дятся в газовой среде, соответствующей началу шкалы прибора, а плечи 5 и 7 — в газовой среде, состав которой соответствует концу шкалы.

В диагональ сравнительного моста Б включен реохорд Rp, движок которого и вершина b моста А включены на вход электрон­ ного усилителя ЭУ. Реверсивный двигатель РД перемещает движок реохорда Rp и указывающую стрелку по шкале до тех пор, пока напряжение на вершинах моста аb не уравновесится напряжением, снимаемым движком с реохорда. Благодаря прин­

Глава X X X V I

Магнитные газоанализаторы

Среди других газов кислород обладает особым физическим свойством — парамагнетизмом.

Магнитные свойства газов, как известно, характеризуются объемной магнитной восприимчивостью k и удельной магнитной восприимчивостью х (отнесенной к 1 г вещества), связанных между собой зависимостью

_ k

к ~ ДГ’

где р — плотность газа.

Для парамагнитных газов

рМ

k = »Ф = XW ’

где М — молекулярная масса; р — давление газа;

’R — газовая постоянная;

Т— абсолютная температура газа.

Для парамагнитных газов согласно закону Кюри

375

и объемная магнитная восприимчивость

(259)

где С — постоянная Кюри.

Объемная магнитная восприимчивость для смеси газов из т парамагнитных компонентов и п диамагнитных компонентов определяется соотношением

тп

k

Для диамагнитных газов х << 0; для парамагнитных газов

х > 0 .

Из всех газов наибольшей величиной магнитной восприим­ чивости обладает только кислород1, а абсолютная величина х на два порядка больше магнитной восприимчивости диама нитных газов. Отсюда следует, что концентрация кислорода опре­ деляет магнитную восприимчивость газовой смеси практически независимо от содержания других компонентов. Это позволяет использовать магнитные свойства кислорода для избирательного измерения его концентрации в сложных газовых смесях.

Все магнитные газоанализаторы на кислород, имеющие практи­ ческое значение, можно разделить на термомагнитные и магнито­ механические.

§ 94* Термомагнитные газоанализаторы

Наибольшее применение получил термомагнитный метод, использующий эффект изменения объемной магнитной воспри­ имчивости кислорода при изменении его температуры.

В основе термомагнитного метода лежит явление термомагнит­ ной конвекции, сущность которого заключается в следующем.

Если нагретый током проводник поместить в неоднородное магнитное поле, то вследствие уменьшения объемной магнитной восприимчивости кислорода, обусловленной нагреванием газовой

к меньшим. Величина усилия втягивания может быть рассчитана по уравнению

376

V — объем газа.

Из уравнения (259) следует, что с увеличением температуры объемная магнитная восприимчивость газа уменьшается. Это приводит к возникновению вынужденного потока газовой смеси, в котором нагретая газовая смесь будет непрерывно вытесняться

вляется в перемычку, где образуется течение газа в направлении слева направо (от большей напряженности магнитного поля к мень­ шей). Образующийся конвекционный поток газа переносит тепло от обмотки R3 к R4, вследствие чего температура секций изме­ няется (R3 охлаждается, R4 нагревается) и изменяется их сопро­

Разбаланс моста измеряется вторичным прибором, шкала которого отградуирована в процентах кислорода. Измерительный мост питается постоянным током от стабилизированнного источника питания. Сопротивление RO служит для установки силы тока питания моста.

Для обеспечения постоянства температуры преобразователь термостатирован. Система термостатирования обеспечивает по­ стоянство температуры с точностью ±1°С .

Пределы измерения 0—5; 0— 10; 0—21 и 20—35% кислорода. Основная погрешность прибора не превышает ±2,5% диапазона шкалы.

При больших концентрациях кислорода скорость термомагнит­ ной конвекции становится настолько большой, что перераспреде­ ление температур между секциями измерительной обмотки нару­

377

шается и чувствительность прибора падает. Если кислород со­ держится в больших количествах, то применяются газоанализа­ торы (например, МГК-4), у которых с целью уменьшения скорости термомагнитного потока навстречу ему направляется поток теп­ ловой конвекции. С этой целью измерительная перемычка в пре­

тельности прибора уменьшена напряженность магнитного поля и повышена температура измерительной обмотки.

Сеть 50Гц

Рис. 275. Компенсационная измерительная схема термо­ магнитных газоанализаторов:

1—8 — плечевые элементы; 9 — реохорд; 10 — реверсивный дви­ гатель; 11 — электронный уси­ литель; 12 — магниты

Такие газоанализаторы используются для контроля чистоты

а) изменение температуры окружающей среды, влияющей на величину объемной магнитной восприимчивости газовой смеси; б) изменение температуры нагрева чувствительного элемента

(напряжения питания измерительного моста); в) изменение давления анализируемой газовой смеси или

атмосферного давления; г) изменение напряженности магнитного поля в результате

старения магнитов.

Для устранения погрешностей измерения в рассмотренных термомагнитных газоанализаторах применяют специальные системы термостатирования, различные системы стабилизации питания измерительной схемы и устройства для стабилизации давления анализируемой смеси (регуляторы давления, регули­ рующие ротаметры).

Указанные погрешности устраняются в термомагнитных газо­ анализаторах с компенсационными мостовыми измерительными схемами (рис. 275),

3 7 8

В этих газоанализаторах (типа МН) Один или два чувстви­ тельных элемента (противоположные плечи) каждого из мостов помещаются в неоднородное магнитное поле. Смежными плечами этих элементов являются чувствительные элементы, помещенные в одинаковые тепловые условия, но без магнитного поля. Чувстви­

Изменения температуры, давления и тока питания одинаково . влияют на напряжения в измерительных диагоналях каждого из мостов, так что на показаниях газоанализатора эти изменения не сказываются. Применение кольцевых магнитных систем поз­ воляет исключить влияние изменения напряженности магнит­ ного поля из-за старения магнитов.

Газоанализаторы изготовляются на различные пределы изме­ рения.

§ 95« Магнитомеханические газоанализаторы

Если в неравномерное магнитное поле поместить тело, магнит­ ные свойства которого отличны от магнитных свойств окружаю­ щей его среды, то возникает сила, вытесняющая тело в места с большей или меньшей плотностью силовых линий, в зависимости

влении действия силы; V — объем тела (ротора).

На рис. 276 показана схема измерительной части такого газоанализатора. В неоднородном магнитном поле, образованном магнитом 1, размещен на подвесках 2 ротор 3. Средой для этой системы является анализируемая газовая смесь, содержащая

кислород.

Под действием выталкивающей силы F ротор 3 поворачивается, а вместе с ним поворачивается зеркало 4, отбрасывающее свето­ вой луч на дифференциальную фотоэлектрическую следящую систему 5, состоящую из двух фотоэлементов ФЭ1 и ФЭ2. При попадании светового луча на один из фотоэлементов (в случае поворота ротора 3) в цепи фотоэлемента возникает ток разбаланса, который, усиливаясь в электронном усилителе ЭУ, приводит

379