литература / Sharapov_V._Datchiki

Глава 16. Датчики газоанализаторов

К детекторам предъявляются специфические требования в отношении универсальности (т.е. неизбирательности) и, по возможности, равной чувствительности ко всем компонентам (если стоит задача полного выявления всех составляющих газовой смеси). Таким требованиям отвечают термокондуктометрические, термохимические, пламенно-ионизационные и ионизационные детекторы [4, 6, 9].

При использовании любых детекторов стремятся уменьшить объем полости датчика, заполняемой газом-носителем с примесью одного из компонентов анализируемой смеси, до минимально возможного, что приводит к увеличению чувствительности и селективности по отношению к двум соседним компонентам. Действительно, если принять объем какого-то компонента равным объему полости датчика, то в момент прохождения через датчик этого компонента его концентрация на фоне газа-носителя составит почти 100%. При большом объеме возможен вариант, когда соседние (по времени выхода из колонки) компоненты смешиваются с газом-носителем в полости датчика, что делает невозможным их идентификацию.

Детекторы по теплопроводности обычно содержат четыре чувствительных элемента (по аналогии с рис. 16.3). Все элементы — проточные. Два из них — рабочие и установлены на выходе хроматографической колонки. Другая пара — сравнительные элементы. Через них пропускают газ-носитель до входа в колонку. В качестве газа-носителя рекомендуется применять водород или гелий ввиду значительного отличия по теплопроводности от других газов. Порог обнаружения таких детекторов составляет 2 10 3 % (по пропану).

Для пламенно-ионизационного детектора в качестве газа-носителя используют негорючие газы (аргон, азот) и для питания горелки — водород.

В ионизационных детекторах газом-носителем обычно служат аргон, азот, неон, водород. Эти детекторы применяют для определения содержания электроотрицательных газов на фоне электроположительного газа-носителя (азот, аргон, неон). В этом случае ионизационная камера работает на линейном участке вольт-амперной характеристики.

На участке насыщения (рис. 16.19, б) на фоне газа-носителя с малой относительной ионизацией (гелий, водород) поддаются идентификации большинство известных газов при условии, что пробег ионизирующих частиц меньше размеров камеры.

На участке возникновения газового усиления на фоне аргона, используемого в качестве газа-носителя, возможна регистрация газов, потенциал ионизации которых меньше потенциала возбуждения метастабильного состояния атомов аргона.

По чувствительности эти детекторы незначительно уступают пламенноионизационным.

Вместо аргона иногда применяют гелий, потенциал возбуждения метастабильного состояния у которого 20,8 эВ. Но применение гелия возможно лишь при очень высокой степени его очистки, так как большинство газов, в том числе компоненты воздуха, имеют более низкий потенциал ионизации.

Ионизационные детекторы обычно собирают по дифференциальной схеме из двух ионизационных камер, установленных до и после хроматографической колонки.

16.8.Масс-спектрометрические газоанализаторы

16.8.Масс-спектрометрические газоанализаторы

Масс-спектрометрические газоанализаторы основаны на разделении компонентов смеси, подвергнутых ионизации, в вакууме под действием магнитных и электрических полей [9, 19].

В условиях высокого разряжения (10 4 —10 5 Па) атомы или молекулы газа подвергаются ионизации. Положительно заряженные ионы, ускоренные электрическим полем, попадают в магнитное или высокочастотное электрическое поле, где разделяются по массам. По величине ионного тока определяют концентрацию соответствующего компонента.

Масс-спектрометрическое оборудование самое сложное в ряду аналитических приборов и предназначено в основном для лабораторных целей.

Известно большое разнообразие способов разделения ионных пучков: в однородном или неоднородном магнитном поле с аксиальной симметрией; по времени пролета в пространстве свободным от воздействия магнитных и электрических полей; в пространственно совмещенных магнитном и электрическом полях; в высокочастотных электрических полях, создаваемых многосеточной системой; в поперечном магнитном поле и др. [9, 19].

Разделение ионов в однородном поперечном магнитном поле

Наиболее широкое применение получили газоанализаторы с разделением ионов в поперечном однородном магнитном поле (рис. 16.25).

В ионизационной камере 1 анализируемая проба газовой смеси при бомбардировке пучком электронов, испускаемых катодом 2, ионизируется. Под действием напряжения U ионы приобретают ускорение и вылетают через щель камеры со скоростью V в виде сформированного ионного пучка с углом расходимости 2 . Попадая в магнитное поле H секторной формы, ионы различной массы движутся по круговым траекториям различного радиуса r, отклоняясь от первоначального направления. Направление вектора напряженности H магнитного поля перпендикулярно плоскости чертежа.

На каждый однократно заряженный ион с массой m действует пара сил:

С другой стороны, ионы, имеющие одинаковый заряд, покидая ионизационную камеру под действием напряжения U , приобретают равную энергию eU .

Глава 16. Датчики газоанализаторов

Следовательно,

Из (16.16) и (16.17) можно найти радиус r кривизны траектории ионов:

H e

При надлежащей форме магнитных полюсов (угол ) и расположения приемника ионов 3, ионы одной и той же массы, несмотря на начальный угол расходимости 2 , фокусируются в плоскости входной щели приемника. Ионы других масс фокусируются в других точках.

Ионы, попадая в приемник, нейтрализуются на коллекторе 4 и создают в его цепи электрический ток (10 18 10 8 А), усиливаемый и регистрируемый соответствующей измерительной схемой.

Меняя H и U , управляют траекториями движения ионов, что позволяет последовательно направлять в приемник ионы различной массы и раздельно регистрировать все составляющие ионного пучка.

Времяпролетные масс-спектрометрические газоанализаторы

Приборы этого типа значительно проще по конструкции, что позволяет применять их в промышленности [9, 19].

Принцип действия этого типа газоанализаторов основан на разделении положительных ионов, образующихся в источнике ионов, по времени их пролета через полость камеры, выполненной в виде трубы, длиною 0,3—0,5 м (рис. 16.26).

Рис. 16.26. Упрощенная схема времяпролетного масс-спектрометрического газоанализатора

Анализируемый газ поступает в ионизационную камеру 1. Катод 2 эмиттирует поток электронов, устремляющихся к аноду 3. На сетку 4 подается импульсное напряжение, модулирующее поток электронов с высокой частотой 1...10 мГц, т.е. с такой же частотой происходит ионизация молекул и газа [9].

По окончанию действия модулирующего импульса на электрод 5 подается положительный импульс, под действием электрического поля которого поло-

16.8. Масс-спектрометрические газоанализаторы

жительные ионы выталкиваются из зоны ионизации, попадают в ускорительный промежуток, где под действием отрицательного потенциала U , приложенного к сетке 6, ионы вылетают в пространство свободного дрейфа с энергией (для однократно заряженного иона) eU .

В соответствии с (16.17) скорость иона будет при прочих равных условиях определяться его массой m:

Следовательно, более легкие ионы будут двигаться по камере 10 быстрее тяжелых и раньше достигнут приемника 7.

Группы ионов, поочередно попадая на коллектор 8, создают ток, пропорциональный количеству ионов.

С сопротивления R сигнал поступает на усилитель постоянного тока с последующей регистрацией.

Перед коллектором установлена группа сеток, на которые подаются в соответствующие моменты времени, синхронные с моментом вхождения ионов в камеру, импульсы напряжений, что создает условия для поочередной регистрации ионов с любым массовым показателем.

Камера 10 тщательно экранирована от действия внешних магнитных и электрических полей.

Радиочастотные масс-спектрометрические газоанализаторы

Разделение ионов по массам в этих приборах производится в пространстве камеры 1 (рис. 16.27) без участия магнитного поля.

Рис. 16.27. Упрощенная схема радиочастотного масс-спектрометра

Газовая смесь ионизируется потоком электронов, испускаемых катодом 2. Положительные ионы ускоряются электрическим полем, создаваемым напряжением, приложенным между сеткой 3 и катодом, и летят к трехсеточному каскаду (сетки 4, 5 и 6) в соответствии с (16.19) с разными скоростями. Более легкие ионы первыми пересекают сетку 4. Сетки каскада имеют высокую прозрачность (тонкий провод, большой шаг). На все три сетки подается постоян-

Глава 16. Датчики газоанализаторов

ное отрицательное ускоряющее напряжение, а на среднюю сетку 5 — высокочастотное напряжение с частотой f . При этом в пространствах между сетками 4-5 и 5-6 будут действовать электрические поля с той же частотой, равные по величине (так как расстояния l между сетками одинаковые), но в противоположных направлениях:

где — угловая частота ( 2<f ); U — амплитуда переменного напряжения;— фаза колебаний относительно момента времени подхода иона к сетке 4.

Поэтому каждый ион, входящий в пространство трехсеточного каскада в зависимости от фазы , ускоряется или замедляется.

Максимальный прирост энергии наблюдается при выполнении условия:

l <.

V

После трехсеточного каскада установлена задерживающая сетка 7. На нее подается такой положительный потенциал, что его способны преодолеть только те ионы, которые получили максимальный прирост энергии. Эти ионы достигают коллектора 8, создают ионный ток, величина которого пропорциональна концентрации исследуемого компонента. Изменяя f , можно получить развертку спектра масс-анализируемого газа.

Обычно на пути движения ионов устанавливают от 2 до 5 трехсеточных каскадов.

Радиочастотные масс-спектрометрические газоанализаторы характеризуются высокой чувствительностью (10 3%), компактностью и выпускаются для промышленных измерений [9, 15, 19].

16.9. Акустические газоанализаторы

Акустические газоанализаторы основаны на явлении зависимости скорости распространения звука V в газе от свойств среды

где — отношение удельных теплоемкостей газа при постоянном давлении и при постоянном объеме; R — универсальная газовая постоянная; — плотность газа; М — молекулярный вес; T — абсолютная температура; k — коэффициент пропорциональности.

Скорость V в смеси двух газов является однозначной функцией ее плотности. Поэтому она может служить мерой концентрации для бинарной или псевдобинарной газовой смеси.

В табл. 16.3 приведены значения скорости звука для некоторых газов.

Как видно из таблицы, за исключением водорода и гелия, другие газы различаются между собой по акустическим свойствам незначительно. Метод является неизбирательным, что не способствует его развитию и широкому применению. Тем более, для газов, имеющих значительные отклонения в скорости звука по сравнению с воздухом (водород, гелий, хлор), существуют высокоизбирательные методы и приборы [9].

Информацию о серийно выпускаемых газоанализаторах можно найти на сайтах фирм-производителей [20—25].

Литература

1.Аш. Ж. и др. Датчики измерительных систем. — М.: Мир — 1992. — 500 с.

2.А.с. 177681 (СССР). Датчик ионизационно импульсного газоанализатора / Минаев И.Г. и др. Б.и. 1965 №1.

3.Байбаков Ф.Б., Шарапов В.М. Контроль примесей в сжатых газах. — М.: Химия, 1989. — 160 с.

4.Ваня Я. Анализаторы жидкостей и газов. — М.: Энергия, 1970. — 552 с.

5.Вечкасов И.С. и др. Приборы и методы анализа в ближайшей инфракрасной области. — М.: Химия, 1977. — 180 с.

6.Другов Ю.С., Березкин В.Г. Газохроматографический анализ загрязненного воздуха. — М.: Химия, 1981. — 254 с.

7.Измерения в промышленности. Справ. изд. в 3-х кн. Кн. 3 Способы измерения и аппаратура: Пер. с нем. / Под ред. Профоса П. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Металлургия, 1990. — 344 с.

8.Клименко А.П. Методы и приборы для измерения концентраций пыли. — М.: Химия, 1978. — 207 с.

9.Павленко В.А. Газоанализаторы. — М.-Л.: Машиностроение, 1965. — 296 с.

10.Патент РФ № 2262684. Оптический абсорбционный газоанализатор. G01N21/61 /Петров А.А., Писаревский М.С. Опубл. 20.10.2005. Бюл. №28.

11.Патент РФ № 2287803. Многокомпонентный газоанализатор ИК диапазона G01N21/35 / Максютенко М.А. и др. Опубл. 20. 11. 2006. Бюл. 24.

Глава 16. Датчики газоанализаторов

12.Патент РФ № 2082960. Лазерный газоанализатор G01N21/37 /Игнатьев Г.Н. и др. Опубл. 23.03.1997. Бюл. 4.

13.Патент РФ № 2278371 Оптический газоанализатор G01N21/61 /Карасевич А.М. и др. Опубл. 20.06.2006. Бюл. № 12.

14.Патент РФ 2207546 Фототермоакустический газоанализатор G01N21/61 /Азбукин А.А. и др. Опубл. 27.06.2003. Бюл № 12.

15.Перегуд Е.А., Горелик Д.О. Инструментальные методы контроля загрязнений атмосферы. — Л.: Химия, 1981. — 297 с.

16.Перегуд Е.А. Химический анализ воздуха. — Л.: Химия, 1976. — 326 с.

17.Тхоржевский В.П. Автоматический анализ газов и жидкостей на химических предприятиях. — М.: Химия, 1986. — 272 с.

18.Уорк К., Уорнер С.М. Загрязнение воздуха. Источники и контроль. — М.: Мир, 1980. — 539 с.

19.Физические методы анализа следов элементов: Пер. с англ. / Под ред. Алимарина И.П. — М.: Мир, 1967. — 416 с.

20.www.elpapiezo.ru.

21.www.sktbelpa.ru

22.www.akhtuba.vistcom.ru

23.www.mechinindustry.ru

24.www.alttpp.ru

ГЛАВА 17

ДАТЧИКИ ВЛАЖНОСТИ

17.1. Общие сведения

Определение влажности твердых материалов, жидкостей и газов необходимо почти во всех отраслях народного хозяйства, в метеорологии, в научных исследованиях, связанных со многими областями знаний [6].

Влажность — один из важных показателей качества.

Контроль влажности материалов важен не только с позиций технологических требований к осуществлению каких-либо процессов и режимов (обработки, прессовки, хранения и т.д.), но является порой решающим экономическим фактором, так как расчеты за сырье обычно проводятся по его весу и ошибка, например, на 5% при измерении влагосодержания насыпного продукта в пятидесятитонном товарном железнодорожном вагоне равносильна ошибке в 2,5 т самого возможно весьма дорогого продукта

У влагомеров нижний предел измерений может исчисляться тысячными долями процента (влажность трансформаторного масла), и верхний предел может быть близок к 100%. Например в растениях и других биологических объектах, содержащих воду в количестве 50—80% от общей массы.

В зависимости от агрегатного состояния вещества различают методы измерения влажности:

—твердых и, в частности, сыпучих тел;

—жидкостей;

—газов и, в частности, воздуха.

Методы измерения влажности принято делить на прямые и косвенные. В прямых методах производится непосредственное разделение материала на сухое вещество и влагу. В косвенных методах измеряется величина, функционально связанная с влажностью материала. Косвенные методы требуют предварительной калибровки для установления зависимости между влажностью материала и измеряемой физической величиной.

17.2.Методы измерения влажности твердых тел и жидкостей

Влага в твердых телах и жидкостях

Содержащие влагу материалы представляют собой многокомпонентные гетерогенные системы, в которых один из компонентов (вода) может находиться в различных фазовых состояниях. При измерениях влажности необходимо принимать во внимание физико-химические свойства системы, которые опре-

Глава 17. Датчики влажности

деляются свойствами твердого скелета материала, количеством и свойствами влаги [11].

В понятие влажности не входит содержание в материале химически связанной, т.е. конституционной воды, входящей в молекулы тканиевых белков, жиров и углеводов, или кристалогидратной воды. Например, в медном купоросе — CuSO4·5Н2О.

Так называемая «капельная вода» (сырость), попадающая на твердые материалы в результате их опрыскивания, может свободно стекать с объекта под действием силы тяжести и поэтому также не подлежит контролю.

Между влажностью объекта и влажностью воздуха устанавливается динамическое равновесие, которое определяется гигроскопическими свойствами вещества и графически может быть представлено изотермами сорбции (см. п. 16.7).

Изотермы сорбции, полученные при повышении влажности воздуха, отличаются от изотерм десорбции, получаемых при снижении его влажности, наличием гигроскопического гистерезиса, который вызван расходом энергии, необходимой для разрыва связей молекул воды.

Величина этого гистерезиса служит пределом точности для гигроскопических методов измерения влажности и обычно указывается в технических условиях.

Единицы измерения влагосодержания

Наиболее распространенными являются две величины: влагосодержание и влажность. Обе являются относительными и выражаются в безразмерных единицах. Применяются также наименования: абсолютная влажность (вместо влагосодержания) и относительная влажность (вместо влажности).

Под влагосодержанием (массовым) и понимается отношение массы влаги М, содержащейся в теле, к массе абсолютно сухого тела М0:

Под влажностью (массовой) W понимается отношение массы влаги М, содержащейся в теле, к массе влажного материала М1:

Для указания содержания влаги в материале может быть применена любая из этих величин. Переход от одной величины к другой может быть осуществлен по соотношениям:

В некоторых случаях, например при измерении влажности почв, пользуются величинами, характеризующими содержание воды в единице объема материала. По аналогии с приведенными выше величинами можно различать: