Класифікація та коротка характеристика газоаналізаторів

Газоаналізатори – це ЗВ, що призначені для отримання інформації про значення концентрації вимірюваного компоненту або суміші компонентів в досліджуємій газовій суміші. За їх допомогою можна аналізувати склад і рідких

чи твердих речовин, доводячи їх до газового стану.

Принципи, відповідно до яких побудовані прилади газового аналізу, ділять на наступні групи: ■хімічні, ■теплові, ■магнітні, ■радіоізотопні, ■електричні, ■оптичні, ■сорбційні та інші.

■ До хімічних відносяться газоаналізатори, що грунтуються на використовуванні хімічних реакцій, при яких із визначеної порції газової суміші видаляють (наприклад, випалюванням) неохідний компонент і його вміст визначається по зменшенню об’єму аналізованої порції.

■ До теплових відносяться газоаналізатори, що грунтуються на

вимірювання теплопровідності газової суміші або корисного теплового ефекту

реакції каталітичного окислення. Відповідно розрізняють теплові аналізатори:

● теплопровідності (термокондуктометричні);

● теплового ефекту каталітичної реакції (термохімічні).

● Термокондуктометричні газоаналізатори використовують процес тепло- перенесення в газах під дією градієнта температур і використовуються для аналізу бінарних газових сумішей, в яких всі компоненти, крім досліджуємого, мають одинакову теплопровідність, наприклад, відносна теплопровідність у % для деяких газів складає: повітря -100; водяна пара – 97; СО – 96; О₂ – 102; N₂ – 100, а SO₂ – 34; СO₂ – 61; H₂ - 713. Так як теплопровідність СO₂ майже в два рази менша теплопровідності повітря, СО, О₂ та N₂, то термокондуктометри і використовуються, наприклад, для аналізу СO₂ в димових газах.

 

ДЖС

А

а) б)

Рис. 1. Спрощені схеми: а) -термокондуктометричного та б) -термомагнітного газоаналізаторів (А.с. – аналізована суміш).

 

В основу принципу дії положено вимірювання опору нагрітого електричним струмом терморезистора, виготовленого із платинового дроту, що перебуває в атмосфері газу, температура якої (а, отже, і опір терморезистора) у результаті теплообміну між терморезистором і газом визначаються концентрацією вимірюваного газу (чим більша концентрація газу, тим більшою є його теплопровідність і тим більше нагрітий терморезистор віддає газу свого тепла).

Газоаналізатор (рис.1,а) вміщує чотири елементи теплопровідності у вигляді

циліндричних капсул: R₁ та R₃, з незмінним еталонним (порівняльним) газом, та R₂ і R₄, через які безперервно пропускається аналізована робоча газова суміш, температуру та витрати якої стабілізують. Коли теплопровідність (концентрація) аналізованого та еталонного газів одинакова, міст зрівнова-жують резистором R₀. Зміна теплопровідності (концентрації) робочої суміші приводить до розбалансування мостової схеми. Сигнал розбалансу, що про-

порційний концентрації робочої суміші, вимірюється вторинним приладом 5. ●

Термохімічні газоаналізатори мають аналогічну мостову схему. Аналізо-

ваний газ спалюється у колонці з каталітичною насадкою, а двома ТО вимі-

рюється різниця температур газу до та після його спалювання, яка є мірою вимірюваної концентрації.

■ В основу принципу дії магнітних газоаналізаторів покладено взаємодію аналізованого компонента газової суміші з магнітним полем, характер якої залежить від магнітних властивостей компонента.

Кількісно магнітні властивості газів характеризуються значеннями магніт-ної сприйнятливості: об’ємної (κ) та (масової) питомої (χ), між якими існує наступна залежність: χ = κ/ρ, де ρ – густина газу. Відповідно всі гази за ха-рактером і абсолютним значенням магнітних властивостей ділять на парамаг-нітні (парамагнетики), в яких κ > 0 і які втягуються у магнітне поле, та діамаг-нітні (діамегнетики), в яких κ < 0 і вони виштовхуються з магнітного поля.

Майже всі гази є діамагнетиками або дуже слабими парамагнетиками, і лише кисень є сильним парамагнетиком. Тому для непереривного вимірювання об’ємної частки кисню в двокомпонентних газових сумішах (кисень-азот, кисень-аргон, кисень-гелій, кисень-метан, кисень-водень і т.ін.) використовуються магнітні аналізатори. Останні в свою чергу поділяють на:

● термомагнітні, в яких використовується ефект зміни значення κ для

киснювід κ > 0 до значення κ < 0 (перехід парамагнетика у діамагнетик) у

разі переходу його температури через точку Кюрі (≈80 °С);

● магнітомеханічні – використовується ефект виникнення виштовхуваль-ної сили, яка діє на тіло, що розміщене у нерівномірному магнітному полі, і яка пропорційна різниці магнітних сприйнятностей цього тіла та аналізованої газової суміші, що вміщує кисень, і оточує тіло.

ПВП термомагнітного газоаналізатора (рис.1,б) виконано у вигляді тороподібної порожнистої проточної камери 1 з поперечною трубчастою перемичкою 3, в середині якої розташовані (або намотані на неї ззовні) підіг-рівні ідентичні резистори R₁ і R₂ (виготовлені із платинового дроту), темпера-тура яких залежить від швидкості омивання їх аналізованою сумішшю і які ввімнені у незрівноважену мостову схему. Витрати аналізованої суміші (А.с.) через ПВП стабілізують, а сам ПВП термостатується за температури 45°С.

Якщо в газовій суміші є кисень, то вона втягується у в магнітне поле

постійного магніту 2, розміщеного у лівого кінця трубки 3. Там кисень розігрівається резистором R₁ до температури, що вище за точку Кюрі, переходить із стану парамагнетика в стан діамагнетика і виштовхується із магнітного поля, утворюючи так званий «магнітний вітер» - потік газової суміші зліва на право. Витрати потоку газової суміші через трубку 3 пропорційні концентрації кисню в суміші. Під дією потоку газової суміші через трубку 3 резистор R₁ дещо охолоджується за рахунок постійного надходження не розігрітого газу, а резистор R₂ навпаки – додатково нагрівається розігрітим газом, що виштовхується, в наслідок чого виникає різниця між значеннями цих опорів, яка приводить в свою чергу до розбалансування мостової схеми, а величина напруги розбалансу пропорційна концентрації кисню і вимірюється

вторинним приладом. ПВП

Під час пропускання через ПВП контрольного газу, в якому немає кисню,

схема моста зрівноважується змінним резистором. Діапазон концентрації

вимірювання таких газоаналізаторів становить від 0÷100%, класи точності – 2,5÷5,0 (залежно від діапазону вимірювань), час реагування - 40÷120 с.

■ Абсорбційні газоаналізатори – принцип роботи грунтується на селективній здатності газів до поглинання електромагнітних хвиль певної довжини. Для вимірювання концентрацій використовується випромінювання майже всього спектра електромагнітних коливань: видимої (фотоколориметри), інфрачервоної (оптикоакустичні) та ультрафіолетового частин спектра.

■ П ’ єзоелектричні газоаналізатори - принцип роботи грунтується на

вимірюванні зменшення резонансної частоти коливань кварцового кристала (власна частота 9 МГц, діаметр 10÷16 мм, товщиною-0,2мм) при збільшенні адсорбції на його поверхню, що покрита сорбентом, сорбату.