Раздел 7. Методы анализа газов и жидкостей

произвести измерение концентрации в смеси газов следующих компонентов: диоксида углерода, сероводорода, диоксида серы (сумма кислых паров и газов), кислорода, оксида углерода, водорода, непредельных и предельных углеводородов, азота.

Принцип действия объемных химических газоанализаторов рассматривается на примере газоанализатора ГХП-2 (рис. 3.76), предназначенного для измерения двух компонентов газовой смеси: СО2 и О2. Прибор включает в себя измерительную бюретку 1, соединенную с гребенкой 2, к которой подключены два поглотительных сосуда 5, 4. Сосуд 3 заполнен раствором едкого калия и предназначен для поглощения СО2, сосуд 4 содержит щелочной раствор пирогаллола для поглощения О2. Поскольку последний раствор поглощает СО2, при проведении анализа вначале определяют содержание СО2, а затем кислорода. Внутри мерной бюретки находится сообщающаяся с атмосферой трубка 5, которая используется для контроля давления пробы газа после поглощения определяемого компонента. Мерная бюретка термостатирована. Отбор пробы при открытом кране 9 и прокачивание газа через прибор осуществляются резиновой грушей 6. При прокачивании газа кран 8 находится в положении, показанном на рисунке, напорный сосуд 7 с запирающей жидкостью опущен и газ через трубку 5 выталкивается в атмосферу. При подъеме напорного сосуда 7 запирающая жидкость при достижении конца трубки 5 отсекает от атмосферы пробу газа объемом 50 см3. В двух других положениях крана 8 проба газа в мерной бюретке 1 сообщается с сосудами 3 и 4. Фильтр 10 служит для очистки газа В качестве запирающей используется жидкость, не поглощающая компоненты анализируемой газовой смеси; часто применяются насыщенные растворы поваренной соли или хлористого кальция.

Рис. 3.76. Схема газоанализатора ГХП-2: 1— измери-

тельная бюретка; 2 — гребенка; 3, 4 — поглотительные сосуды; 5 — трубка; 6 — резиновая груша; 7 — напорный сосуд; 8,9 — краны; 10 — фильтр

7.2.Тепловые газоанализаторы

Втепловых газоанализаторах измерение концентрации определяемого компонента производится измерением тепловых свойств газовой смеси, зависящих от концентрации определяемого компонента.

Термокондуметрические газоанализаторы. Принцип действия этих газоана-

лизаторов основан на том, что с ростом температуры теплопроводность газов

99

меняется в разной степени. Измеряя эту разность можно сказать какие газы и в каком количестве находятся в смеси.

Термохимические газоанализаторы. В термохимических газоанализаторах концентрация определяемого компонента измеряется по количеству теплоты, выделившейся при реакции каталитического окисления. В число определяемых по этому методу газов входят Н2, О2, СН3, СН4. Термохимические газоанализаторы используются как сигнализаторы взрывоопасных концентраций газов, измерителей химического недожога топлива, детекторов газовых хроматографов и пр.

Термохимические газоанализаторы разделяются на две группы. В первой группе, имеющей более низкую чувствительность, реакция окисления происходит на поверхности нагретой платиновой нити, играющей роль катализатора. Температура платиновой нити, а следовательно, и ее сопротивление меняются с изменением количества теплоты, выделившейся при окислении определяемого компонента. Платиновая нить включается в плечо неуравновешенного моста, схема которого показана на рис. 3.77.

Рис. 3.77. Измерительная мостовая схема газоанализатора

В этот мост входит резистор R2, выполненный из платиновой проволоки подобно резистору R1 но находящийся в камере, заполненной неопределяемыми компонентами газовой смеси. Резисторы R3 и R4 имеют постоянное сопротивление и выполнены из манганиновой проволоки. При наличии определяемого компонента в газовой смеси и его сгорании сопротивление резистора R1 возрастает и милливольтметр (потенциометр), включенный в измерительную диагональ моста, показывает наличие разности напряжений, пропорциональной концентрации определяемого компонента. Милливольтметр градуируется в единицах концентрации определяемого компонента.

Газоанализаторы первой группы в основном используются как индикаторы и сигнализаторы взрывоопасных концентраций газов и выполняются в переносном варианте, к их числу относятся сигнализаторы СГГ довзрывоопасных концентраций в воздухе таких газов как водород, метан, пропан и др. Сигнализаторы градуируются в процентах нижнего концентрационного предела взрываемости.

В термохимических газоанализаторах второй группы реакция окисления определяемого компонента протекает на поверхности гранулированного катали-

100

затора, в качестве которого часто используется гопкалит (60 % диоксида марганца и 40 % оксида меди). Наличие развитой поверхности катализатора обеспечивает возможность измерения концентраций определяемого компонента, составляющих доли процента. Количество выделившейся при сжигании теплоты измеряется платиновым терморезистором или батареей термопар.

7.3. Магнитные газоанализаторы

Существует несколько методов измерения магнитной восприимчивости смеси газов, наиболее распространенный из них связан с использованием явления термомагнитной конвекции. Последняя представляет собой движение кислородосодержащего газа в неоднородном магнитном и тепловом полях. Основанные на этом эффекте газоанализаторы выполняются с одномостовой или двухмостовой измерительными схемами.

Рис. 3.78. Схема чувствительного элемента кислородомера (а) и преобразователя с внешней магнитной конвекцией (б): 1 — платиновая проволока; 2 — стеклянный капилляр; 3 — стеклянное покрытие; 4 — токоввод; 5 — постоянный магнит; 6 — немагнитный медный блок; 7 — труба

На рис 3.78 представлены схема чувствительного элемента, применяемого в газоанализаторах типа МН, (рис. 3.78, а), и размещение его между полюсами магнита (рис. 3.78, б). Чувствительный элемент представляет собой платиновую проволоку 1 диаметром 0,02 мм, намотанную на стеклянный капилляр 2 и остеклованную с внешней стороны 3. Концы спирали подпаяны к токовводам 4. Наружный диаметр чувствительного элемента составляет 0,5...0,6 мм, сопротивление резистора 40 Ом. Кислородосодержащий газ, протекающий по трубке 7, втягивается в магнитное поле, при этом он нагревается от резистора Rl и его магнитная восприимчивость снижается. Холодный газ выталкивает нагретый, создавая поток магнитной конвекции q, охлаждающий резистор R1.

Резистор R2 для обеспечения одинаковых условий теплоотдачи размещен внутри немагнитного медного блока 6, имеющего ту же конфигурацию, что и постоянный магнит 5. На рис. 3.78, б направления тепловой и магнитной конвекции совпадают, при размещении крышки с линиями: подвода газа 7 под магнитом направления конвекции становятся встречными.

В газоанализаторах МН используется двухмостовая измерительная схема, представленная на рис. 3.79. В первичном преобразователе (приемнике) размещены два моста, питаемых от вторичных обмоток 1, 2 силового трансформатора

101

Тр. Мост I является рабочим, его резисторы R1, R2 представляющие собой платиновые чувствительные элементы с внешним теплообменом, омываются анализируемым газом. Резистор R1 находится в неоднородном магнитном поле, R2 — между полюсами ложного магнита (медного блока). Резисторы R3 R4 являются постоянными и выполнены из манганиновой проволоки.

При наличии кислорода в смеси газов мост I работает в неравновесном режиме и напряжение в измерительной диагонали Uab зависит от концентрации кислорода. Для проверки начальной точки шкалы вторичного прибора приемник снабжается металлическим шунтом. При его опускании снимается магнитное поле, резисторы R1 и R2 попадают в одинаковые условия и мост I должен быть уравновешен. В схему моста включен не показанный на схеме переменный резистор начальной балансировки, аналогичный резистору R0, входящему в мост на рис. 3.77.

Мост II является мостом сравнения. Его плечи R5 и R6, выполненные из платиновой проволоки, омываются воздухом, причем R6, как и R2 находится между полюсами ложного магнита. Резисторы R7 и R8 выполнены подобно R3 и R4 из манганиновой проволоки.

Для измерения сигнала рабочего моста используется компенсационный метод.

Благодаря резкому отличию магнитной восприимчивости кислорода от восприимчивости других газов не требуется предварительного удаления неопределяемых компонентов. Тем не менее в целях защиты чувствительных элементов установка газоанализатора должна включать в себя фильтр для очистки пробы от сернистого газа, если последний содержится в ней.

Рис. 3.79. Схема автоматического магнитного газоанализатора:

1, 2 — вторичные обмотки силового трансформатора

7.4.Оптические и оптико-акустические газоанализаторы

Воптических газоанализаторах концентрация определяемого компонента измеряется по изменению оптических свойств газовой смеси, к числу которых относятся показатели преломления, спектрального поглощения и излучения, спектральная плотность и т.п. Наиболее распространенными являются четыре

102

группы оптических газоанализаторов: инфракрасного и ультрафиолетового поглощения; фотокалориметрические; люминесцентные; при ослаблении видимого излучения оптические газоанализаторы обладают большой разрешающий способностью, благодаря чему они применяются для анализа микроконцентраций взрывоопасных и токсичных газах, при контроле воздуха в атмосфере производственных помещений.

Газоанализаторы инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Каждый газ характеризуется определенным спектром поглощения. Газы, содержащие в своем составе два и более разнородных атомов, такие как СО, СО2, СН4, NH3, C2H2 имеют спектры поглощения в инфракрасной области. Одноатомные газы характеризуются линейчатыми спектрами поглощения, лежащими в ультрафиолетовой области.

Для использования этого метода измерения необходимо, чтобы определяемый компонент имел спектр поглощения, отличающийся от спектров поглощения других компонентов анализируемой смеси.

Схема одного из вариантов газоанализатора с приемником инфракрасного излучения представлена на рис.

Рис. 3.80. Измерительная система универсального газоанализатора

103