Термомагнитные газоанализаторы

Принцип работы термомагнитных газоанализаторов основан на свойстве некоторых газов взаимодействовать с магнитным полем. Наиболее ярко выраженным пара­магнетизмом обладает кислород. Схема термомагнитного газоанализатора, определяющего содержание кислорода, показана на рис. 3.3

Рис. 3.3. Принципиальная схема термомагнитного газоанализатора

В зави­симости от характера взаимодействия с магнитным полем газы делятся на диамагнитные, молекулы которых отталкиваются магнитным полем, и парамагнитные – их молекулы притягиваются. С увеличением температуры магнитные свойства газов ослабевают – на этой зависимости и построена работа термомагнитных газоанализаторов. Эти две особенности кислорода использованы в термомагнитных газоанализаторах, определяющих его концентрацию.

Датчик термомагнитного газоанализатора представляет собой кольцевую проточную камеру, имеющую горизонтально расположенный по диаметру канал, внутри которого находятся два платиновых терморезистора (спирали) R1 и R2. Снаружи расположены полюса постоянного магнита, создающего неоднородное магнитное поле; его напряженность убывает в направлении от R1 к R2. Спирали вместе с постоянными резисто­рами R3 и R4 образуют неуравновешенный мост и нагреваются током от источника питания. Реохорд RP служит для уравновешивания моста.

Газ, в котором требуется определить содержание кислорода, поступает в камеру снизу.

Если кислорода в газовой смеси нет, то газ, войдя в камеру, двумя потоками проходит вдоль стенок снизу вверх, при этом в горизонтальном канале установившийся тепловой режим не нарушается, мост уравновешен.

При появлении в газе кислорода его молекулы втягиваются в канал магнитным полем слева, нагреваются от спирали R1 и, потеряв в результате этого магнитные свойства, выталкиваются в направлении спирали R2 новыми, еще не нагретыми молекулами. Возникшее под влиянием магнитного поля движение газа в канале, называемое термомагнитной конвекцией, нару­шает тепловое равновесие в нем, так как сопровождается переносом тепла с R1 на R2. Спираль R1 при этом несколько охлаждается, и ее сопротивление уменьшает­ся. Сопротивление же спирали R2 увеличи­вается в результате ее дополнительного на­грева. Равновесие моста нарушается и появив­шееся на его выходе напряжение является мерой концентрации кислорода в газе.

Схемы промышленных газоанализаторов аналогично схемам ТКГ выполняются в виде двойного моста – измерительного и сравни­тельного. Выходные напряжения мостов включены встречно, что позволяет значительно ослабить влияние различных помех на работу прибора.

Оптические анализаторы

Оптические методы анализа разнообразны. Они основаны на использовании явлений, связанных с прохождением светового потока через раствор. Эти методы бесконтактные, что обеспечивает высокую надежность анализаторов.

Фотоэлектрические рефрактометры

Р ефракция – это преломление (изменение направления) светового потока на границе раздела двух сред с различной оптической плотностью. При прохождении светового луча из среды 1 в среду 2 он изменяет свое направление. Сначала световой луч двигается в среде 1 со скоростью V₁ под углом α (угол падения) к нормали NN проведенной к границе раздела двух сред, то перейдя в среду 2 световой луч будет двигаться со скоростью V₂ под другим углом к той же нормали – угол β (угол преломления). Частично луч отразится обратно в среду 1.

Количественной оценкой преломления является показатель преломления n, определяется по формуле:

Показатель n отражает свойство преломления второй среды по отношению первой. Если преломление луча происходит в растворе, то при изменении концентрации последнего будет изменяться и показатель преломления.

Например, для слабых растворов справедлива зависимость:

,

где n₀ – показатель преломления растворителя, С – концентрация растворенного компонента, k – постоянный коэффициент (находится импирически).

Зависимость между показателями преломления и концентрацией раствора положена в основу работы рефрактометров.

На рис. 3.29 показана упрощённая принципиальная схема автоматического рефрактометра, основным узлом которого является дифференциальная кювета 4, состоящая из двух частей. Лева часть кюветы проточная, через неё непрерывно протекает анализируемый раствор, а правая заполнена таким же раствором с начальной концентрацией. Кювета изменяет направление хода светового пучка только при различных значениях коэффициента преломления составляющих её половин, поэтому при начальной концентрации анализируемого раствора пучок от источника света 1, пройдя через линзу 2, диафрагму 3 и кювету, попадает на фоторезисторы 6 без отклонения, освещая их в равной степени.

Мост, плечами которого являются фоторезисторы, уравновешен, и напряжение на входе усилителя 7 равно нулю. Если в проточной части кюветы значение концентрации анализируемого раствора будет отлично от начальной, то коэффициент преломления изменится и пучок света на выходе из кюветы отклонится. В результате этого освещенность одного из фоторезисторов окажется больше, сопротивление его при этом уменьшится, а сопротивление второго увеличится, мост выйдет из равновесия и на выходе усилителя появится напряжение. Реверсивный двигатель 8 включится в работу и будет поворачивать компенсационную стеклянную пластинку 5, пока преломление светового пучка в ней не скомпенсирует преломление его в кювете. Равенство освещенностей фоторезисторов восстановится, указатель отсчетного устройства 9 переместится на соответствующую отметку шкалы прибора. Из вышеизложенного можно сделать вывод, что прибор использует схему следящего уравновешивания с оптической компенсацией.