Глава 6. Газоанализаторы

Газоанализаторы - приборы, предназначенные для контроля концентрации одного или нескольких компонентов в газовой смеси.

В мясной и молочной промышленности газоанализаторы используются для анализа топочных газов при сжигании топлива, анализа состава га­зовых сред в обжарочных и сушильных камерах, концентрации углекислого газа в процессе молочнокислого брожении при производстве кисломолочных продуктов (кефира, кумыса). Одна из важных областей применения газоана­лизаторов - определение предельно допустимых значений во взрывоопас­ных и пожароопасных помещениях (компрессорная, котельная на газе).

Номенклатура газоанализаторов весьма обширна и определяется их назначением, чувствительностью и точностью измерений. В основу их действия положены различные химические и физические методы измерения: термокондуктометрические, термохимические, магнитные, кулонометрические, оптические и ультразвуковые.

Особое значение имеют устройства для предварительной подготовки проб к проведению анализа, основное назначение которых - очистка анализируемой среды и транспортировка её в измерительные устройства.

Газоанализаторы подразделяются на лабораторные и промышленные, последние могут быть как периодического, так и непрерывного действия.

К газоанализаторам периодического действия относятся приборы, основанные на использовании химических реакций, в результате которых из смеси удаляется определенный компонент, а его содержание определяют по уменьшению объема (волюметрический метод).Так, при пропускании газа через раствор КОН целиком поглощается углекислый газ СО₂.

Определение кислорода может быть осуществлено при его сжигании в присутствии водорода с последующим измерением объема.

Могут быть использованы и комбинированные методы, т.е. сжигание с последующей абсорбцией.

6.1. Термокондуктометрические газоанализаторы

Наиболее широкое применение в разных областях получили термокондуктометрические анализаторы, позволяющие осуществлять непрерывный автоматический контроль концентрации газов. В основе метода измерения лежит зависимость электрического сопротивления проводника с большим температурным коэффициентом от теплопроводности окружающей среды, т.е. концентрации анализируемого газа.

Относительные значения теплопроводности различных газов приведены ниже:

Хлор	Азот	Воздух	Гелий	Водород
0, 323	0, 996	1,000	5.970	7,000

В термокондуктометрических газоанализаторах сравнивают изменение теплопроводности анализируемой газовой смеси с эталонной. На рис. 6.1 приведена простейшая схема термогазоанализатора. Здесь один из чувствительных элементов (нагреваемая нить) помещен в рабо­чую камеру, а другой – в сравнительную.

Рис. 6.1

Обычно чувствительные элементы нагреваются до температуры 100-120 °С. При отклонении теплопроводности анализируемого газа (т.е. его концентрации) от номинального значения изменяется электрическое сопротивление R и в измерительной диагонали появляется напряжение ΔU, которое служит мерой концентрации анализируемого вещества. Значение ΔU можно определить из выражения

ΔU = άI ³R₀² [ln (D/d)/2π l] (λ_к-λ_н)/λ_к λ_н ,

где D - диаметр камеры;

d- диаметр проволки;

R₀ - сопротивление при температуре 0 ^оС;

λ_н и λ_к - начальное и конечное значение теплопроводности;

ά - температурный коэффициент;

l - длина камеры.

Это выражение получено следующим образом.

Поток тепловой энергии, проходящий через поверхность S составит:

Q= S dt/dx =I ²R.

Здесь S=2 π l/ln( r_с/r_п)=к ,

где r_с и r_п - радиусы стеклянной камеры и проволоки.

dt/dx - градиент температуры.

Теплопроводность смеси λ _cм вычисляется по формуле

λ _cм = λ ₁С₁+ λ₂С₂ ,

где λ₁ и λ₂ -теплопроводность компонентов с концентрацией С₁ и С₂.

При этом С₁ + С₂ =1.

Тогда λ _cм = С₁ (λ ₁- λ ₂) + λ ₂.

Пусть первоначально для С₁₁: λ_{см 1} = (λ₁- λ₂) С₁₁ + λ₂,

тогда для С₁₂: λ _{cм 2} = (λ ₁- λ ₂) С₁₂+ λ ₂.

Перепад температур :

Δt₁ = t _{п 1} - t _с =I ² R₁ / к λ _{cм 1}; Δt₂=t _{п 2} - t _с = I ²R₂ / к λ _{cм 2};

Δt = Δt₁ - Δt₂=I ² R (λ _{cм 2} - λ _{cм 1}) / к λ _cм λ _cм =I² R Δ C₁ (λ ₁ - λ ₂ )/к λ_cм1 λ_{cм 2},

отсюда Δ U = Δ R I = α R₀ Δ t I = α I³R₀² Δ C₁ (λ ₁ - λ ₂)/ к λ _{см 1} λ _{см 2}.

Основными недостатками рассмотренной схемы, приводящими к повыше­нию погрешности измерений, являются влияние температуры окружающей среды, колебания напряжения источника питания, наличие водяных паров.

От этих погрешностей можно избавиться при использовании дифференци­альных схем измерения.

Существенную роль играет также подготовка контролируемой среды. Анализируемый газ предварительно пропускают через холодильник, откуда об­разовавшийся конденсат сбрасывается в дренаж, далее газ проходит через фильтр, редукционный вентиль и ротаметрический регулятор расхода.