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 R_P, 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.