Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лекции по ФОПИ / Эл курс фопи 2 / измерение концентрации.doc
Скачиваний:
59
Добавлен:
02.05.2014
Размер:
2.84 Mб
Скачать

3. Электрофизические методы

Электрофизические методы основаны на использовании зависимостей физических свойств веществ от их состава и кон­центрации отдельных компонентов или воздействий анализируе­мых компонентов на измеряемый физический параметр чувстви­тельного элемента. Для измерений концентраций веществ наибо­лее широкое применение получили методы и приборы, основан­ные на использовании тепловых, магнитных, диэлектрических свойств веществ.

Тепловой метод. Тепловой метод анализа основан на зависи­мости тепловых свойств вещества, главным образом его тепло­проводности, от его состава и концентрации отдельных компо­нентов, а также на определении температурных коэффициентов при различных физико-химических фазовых превращениях вещества. Наиболее широкое применение получил метод ана­лиза, основанный на различии теплопроводности компонентов, входящих в анализируемую газовую смесь. Термокондуктометрические газоанализаторы, или катарометры, особенно пригодны для анализа газов Н2, Не, С02, SO2, Сl2, которые значительно отличаются по теплопроводности от других газов, а также для измере­ния вакуума, т. е. абсолютной концентрации газов безотноси­тельно к их составу. В качестве чувствительных элементов в термокондуктометрических газоанализаторах и вакууметрах обычно используются нагреваемые электрическим током платиновые или полупроводниковые терморезисторы. Изменение концентрации из­меряемого компонента газовой смеси, пропускаемой через камеру, где помещен терморезистор, приводит к изменению теплоотдачи и температуры терморезистора, что вызывает изменение его элект­рического сопротивления. Измерительная цепь таких газоанали­заторов обычно представляет собой автоматическую мостовую или компенсационную цепь.

На рис. 3 показана электрическая схема термокондуктометрических газоанализаторов типа ТП. Для уменьшения погрешностей от изменения темпера­туры и напряжения питания датчик газоанализатора содержит восемь терморе­зисторов, четыре (R1 R4) из них образуют измерительный мост, a R5 R8 сравнительный мост. Мосты конструктивно выполнены в одном металличе­ском блоке и питаются от двух вторичных обмоток одного и того же трансфор­матора. Терморезисторы, образующие плечи R2, R4, R6 и R8, запаяны в ам­пулы с газовой смесью, соответствующей по концентрации началу шкалы при­бора, a R5 и R7 со смесью, соответствующей концу шкалы; R1 и R3 – плечи моста, в которых терморезисторы омываются анализируемой газовой смесью. Напряжение на выходной диагонали измерительного моста, пропорциональное концентрации измеряемого газа, компенсируется напряжением на верхнем участке реохорда RP, питаемого от выходной диагонали сравнительного моста.

Рис. 3. Электрическая схема термокондуктометрического газоанализатора типа ТП

Для измерения концентрации компонентов в дисперсных средах (суспен­зия, пульпа) применяется калориметрический метод, основанный на зависимо­сти теплофизических параметров дисперсной среды от соотношения ее фаз. Обычно измеряется при стабильной скорости потока. По схемным и конструктивным решениям калориметрические концентратомеры аналогичны тепловым расходомерам.

На тепловом методе основаны электрические гигрометры и психрометры точки росы, применяемые для измерения влажности газов. Измерение влажности газа по точке росы заключается в определении температуры поверхности воды, при которой устанавливается динамическое равновесие между количеством влаги, испаряющейся с поверхности, и осаждаемой обратно из газа. При практическом осуществлении метода измеряют температуру Pповерхности твердого тела (металлического зеркала), которое охлаждают до тех пор, пока не по­явится конденсат (роса). С помощью терморегулятора поддерживают температуру поверхности таким образом, чтобы количество конденсата не менялось. Известны гигрометры, в которых охлаждение зеркала производится с использованием эффекта Пельтье.

По температурам точки росы P и исследуемого газа () можно определить относительную влажность (в процентах)

%

где E(P) и Е() — упругости насыщенного пара соответственно при температурах P и .

Достоинствами гигрометров точки росы являются относительно высокая точность и возможность измерения влажности воздуха и различных газов при низ­ких температурах (–160 °С) и высоких давлениях (Па), недостатками – сложность конструкции и дополнительные погрешности от загрязнения зеркала содержащимися в газах примесями (пыль, агрессивные газы и т. п.).

Психрометрические гигрометры основаны на измерении разности температур двух термопреобразователей (терморезисторы, термопары): сухого (c), находящегося в исследуемой газовой среде, и мокрого (м), который смачивается водой и находится в термодинамическом равновесии с газовой средой. Чем меньше влажность этой среды, тем сильнее испаряется влага с поверхности мокрого термопреобразователя и тем ниже его температура м. Психрометри­ческие гигрометры в основном используются для измерения влажности газовых сред при температурах 0 – 100 °С. Измерительная цепь таких гигрометров обычно представляет собой автоматический мост или компенсатор.

Разновидностью теплового метода анализа является термохимический ме­тод, применяемый для определения суммарной концентрации примесей в орга­нических веществах или для определения чистоты таких веществ. Метод осно­ван на зависимости температуры кристаллизации вещества от суммарного содержания примесей и позволяет определять содержание примесей в диапазоне 0,5 – 1 % с погрешностью 20 %.

Магнитный метод. Этот метод получил широкое применение для измерения концентрации кислорода в газовых средах, по­скольку из всех газов кислород обладает наибольшей магнитной восприимчивостью. Магнитные методы применяются для поисков полезных ископаемых, определения магнитных включений в немагнитных материалах, в дефектоскопии и магнитном структурном анализе.

На рис. 4, а, б показаны конструкция датчика и схема из­мерительной цепи термомагнитного кислородомера. Датчик пред­ставляет собой кольцевую камеру с горизонтальной трубкой, на которую намотана нагревающая платиновая обмотка, разделен­ная на две секцииr1 и r2. У левого конца горизонтальной трубки расположены полюсные наконечники магнита NS, поэтому парамагнитный газ всасывается с левой стороны в горизонтальную трубку и в ней подогревается.

Рис. 4. Конструкция датчика (а) и схема из­мерительной цепи термомагнитного кислородомера (б)

У левого конца горизонтальной трубки расположены полюсные наконечники магнита NS, поэтому парамагнитный газ всасывается с левой стороны в горизонтальную трубку и в ней подогревается. Так как при нагревании газа его магнитная восприимчивость падает, то холодный газ, втяги­ваясь в магнитное поле, будет выталкивать нагретый газ. В ре­зультате в горизонтальной трубке газ движется слева направо со скоростью, пропорциональной концентрации кислорода в испытуе­мой газовой смеси. Левая секция r1 охлаждается холод­ной смесью, поступающей из камеры. В правую половину гори­зонтальной трубки газовая смесь поступает уже нагретой, благо­даря чему охлаждение правой секции обмотки r2 значительно меньше, чем левой. Обе секции обмотки включены в два соседних плеча моста.

Высокая точность измерения при больших концентрациях кислорода достигается в результате совместного применения теп­лового и термомагнитного методов измерений. Основанные на этом принципе газоанализаторы обеспечивают измерения кон­центрации кислорода в диапазоне 98—100 % объемных с абсо­лютной погрешностью 0,1 %.

Магнитные кислородомеры применяются для измерения кон­центраций кислорода в широком диапазоне от 0 до 100% объемных в различных газовых смесях с основной погрешностью 0,1 – 5 %. Постоянная времени таких газоанализаторов 10 – 90 с.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.