3. Аналіз складу газів

Засоби вимірювань, призначені для аналізу складу газів, назива­ють газоаналізаторами. Для вимірювань концентрації одного з компо­нентів газового середовища використовується та чи інша фізико-хімічна властивість досліджуваного газу, яка відрізняється від властивостей інших складових досліджуваного газового середовища.

Існують газо­аналізатори, призначені для аналізу різних складових багатокомпо­нентних газових сумішей. Залежно від принципу дії газоаналізатори поділяють на іонізаційні, теплові, магнітні, оптичні, хроматографічні, мас-спектрометричні.

В іонізаційних газоаналізаторах застосовуються α і ß-радіоактивне випромінювання, γ - випромінювання не використовується через малу іонізуючу і велику проникну властивості, що зумовлює значне збільшення розмірів іонізуючої камери і необхідність створення ефек­тивного захисту від випромінювання.

Найпростіша схема іонізаційного газоаналізатора з ß випроміню-ванням показана на рис.3. В камері газова суміш іонізується дже­релом ß-випромінювання. Під дією прикладеної напруги U створені іони надходять на колектор (внутрішній електрод), внаслідок чого в колі колектора виникає струм, який вимірюється вимірювальним приладом ВПР після підсилення підсилювачем з великим вхідним опором.

Рис.3. Спрощена схема іонізаційного газоаналізатора

Теплові методи аналізу основані на залежності теплових влас­тивостей речовини від її хімічного складу або на визначенні темпе­ратурних змін при різних фізико-хімічних і фазових перетвореннях речовини. Вони застосовуються для аналізу складу газів та вологості газів.

Термомагнітні методи газового аналізу основані на температур­ній залежності магнітної сприйнятливості парамагнітних газів , тобто газів, що притягуються магнітним полем. Переважно термомагнітні газоаналізатори використовуються для вимірювань концентрації кисню в газових сумішах, оскільки зі всіх газів кисень має найбільшу магнітну сприйнятливість.

На рис.4 показана схема термомагнітного киснеміра з кільце­вою вимірювальною камерою, виконаною у вигляді металевої трубки, з'єднаної по горизонтальному діаметру тонкостінною скляною трубкою. На скляну трубку намотана двосекційна нагрівальна платинова обмотка, яка створює одночасно два резистивні чутливі елементи R1 і R2. Чут­ливий елемент R1 і розміщений між полюсами постійного магніту. Чутли­ві елементи R1 і R2 разом з резисторами R3 і R4 утворюють міст постій­ного струму, який живиться від стабілізованого джерела живлення.

Рис.4. Схема термомагнітного киснеміра

Якщо аналізований газ містить кисень, то такий газ (парамагніт­ний) всмоктується з лівого боку в горизонтальну скляну трубку і в ній підігрівається. Оскільки під час нагрівання газу його магнітна сприй­нятливість падає, то холодний газ, втягуючись у магнітне поле, буде виштовхувати нагрітий газ. У результаті в горизонтальній трубці газ буде рухатись зліва направо зі швидкістю, пропорційною концентрації кисню в досліджуваній газовій суміші.

Оскільки терморезистор R1 знаходиться в зоні холодного газу, а терморезистор R2 - в зоні нагрітого, то опір першого буде дещо мен­шим, а другого - більшим, що призводить до порушення рівноваги мос­та. Виміряна за допомогою вимірювального засобу ВЗ напруга пропор­ційна до вмісту кисню в газовій суміші.

Треба відзначити, що покази ВЗ дуже залежать від нахилу скляної трубки, і для газоаналізаторів з початковим значенням діапазону вимірювання, що дорівнює 0, вона повинна бути встановлена строго горизонтально. Змінюючи кут нахилу трубки, можна отримати технічно цікаві діапазони вимірювання з безнульовою шкалою, наприклад, 20...25% чи 95...100%.

Для зменшення впливу на похибку вимірювання нестабільності температури довкілля і напруги живлення, в термомагнітних газоаналі­заторах використовуються компенсаційно-мостові вимірювальні кола.

Для аналізу складних сумішей широко застосовують хроматогра­фічний метод, оснований на попередньому хроматографічному розді­ленні досліджуваної газової суміші на складові з використанням явища сорбції та наступним визначенням концентрації окремих складових досліджуваної суміші за допомогою розглянутих вище методів аналізу. В цьому методі певна кількість досліджуваної газової суміші пере­носиться газом-носієм, наприклад, гелієм, аргоном, воднем чи іншим інертним газом через хроматографічну колонку, заповнену нерухомою сорбувальною речовиною. Внаслідок селективної затримки сорбентом окремих компонентів досліджуваної суміші першими виносяться з хроматографічної колонки компоненти, що найменше поглинаються, а останніми - що найбільш поглинаються. Після розподілу кожен ком­понент з газом-носієм створює бінарну суміш, аналізувати яку можна будь-яким із розглянутих вище методів.

Принципова схема газового хроматографа зображена на рис.5. Газ-носій з балона 1 через регулятор швидкості 2 надходить до хро­матографічної колонки 4, захоплюючи певну дозу досліджуваної сумі­ші, яка періодично вводиться дозатором 3. В хроматографічній колонці суміш розподіляється на складові, які рухаються через колонку і по черзі виносяться газом-носієм у детектори 5, а з виходів детекторів - до вимірювально-обчислювальної системи 6 для обробки результатів і. хроматографічного аналізу. Результати вимірювань реєструються само­писцем.

Рис.5. Принципова схема газового хроматографа і зразок хромограми

Хроматограма складається з окремих піків, кожен з яких відпо­відає певному компонентові досліджуваної суміші. Компоненти іден­тифікуються за часом виходу з колонки, а їх об'ємна концентрація визначається відношенням площі відповідних піків до загальної площі всієї хроматограми.