Термохимические газоанализаторы

Принцип действия термокаталитических (термохимических) газоанализаторов основан на беспламенном сжигании (окислении) углеводородов на поверхности каталитического активного элемента и измерении количества выделившейся при этом теплоты, которое пропорционально концентрации углеводородов и паров горючих жидкостей. Выпускаются две основные модификации термокаталитических газоанализаторов. В первой (рис. 108, а), наиболее распространенной конструкции, реакция сжигания осуществляется на активированной поверхности нагретой платиновой нити (измерительный элемент), помещаемой в измерительную проточную камеру и служащей одновременно чувствительным элементом для измерения температуры. Нить R, нагревается постоянным током и на ней происходит каталитическое окисление пропускаемой горючей смеси. Сравнительный элемент (точно такая же платиновая нить сопротивлением ) находится в закрытой сравнительной камере, заполненной воздухом. Оба платиновых сопротивления вместе с двумя другими сопротивлениями образуют неуравновешенный измерительный мост. Выделяющаяся в результате каталитического окисления горючих компонентов теплота приводит к повышению температуры измерительного элемента. Его сопротивление изменяется, и возникает разбаланс измерительного моста — мера концентрации горючих компонентов.

Во второй модификации (рис. 108, б) применяется насыпной твердый катализатор /, помещаемый в проточную термостатируемую камеру сжигания. Повышение температуры, вследствие теплового эффекта реакции сгорания, измеряется термометром сопротивления 2.

где — теплота сгорания.

Рис. 108. Измерительные мостовые схемы термохимического газоанализатора:

а — с проволочным платиновым каталитическим чувствительным элементом ; б — с проточной термостатируемой камерой (/ — твердый насыпной катализатор; 2 — термопреобразователь сопротивления)

В результате беспламенного горения появляется следующая схема преобразования концентрации анализируемого (горючего) газа в разбаланс напряжения:

Напряжение разбаланса (рис. 108, а, б) можно измерить потенциометром.

Недостатки: ограниченный диапазон измерений; отсутствие селективности; низкие быстродействие и чувствительность; отравляемость чувствительного элемента; обязательное присутствие кислорода в контролируемой среде.

Область применения: чаше всего для измерения довзрывных концентраций углеводородов и паров горючих жидкостей.

10.1.3. Термомагнитные газоанализаторы

Принцип действия основан на использовании температурной зависимости парамагнитной восприимчивости кислорода, выраженной уравнением Кюри:

где — удельная магнитная восприимчивость; с — постоянная Кюри.

При повышении температуры магнитная восприимчивость снижается.

Принципиальная схема термомагнитного газоанализатора с кольцевой камерой показана на рис. 109. Поток анализируемого газа на входе в кольцевую камеру разделяется на два потока, которые протекают по двум половинам кольцевой металлической камеры 1. Камера имеет поперечное сечение в виде тонкостенной стеклянной трубки 3, образующей собственно анализатор. На трубку снаружи намотаны две одинаковые нагревательные проволочные секции из металла с высоким температурным коэффициентом сопротивления (Pt; Ni), представляющие собой два сопротивления и измерительного моста. Двумя другими плечами моста служат постоянные манганиновые сопротивления и Сопротивления и нагреваются до 200...300 °С электрическим током от стабилизированного источника питания (ИПС). Половина трубки с сопротивлением находится между полюсами сильного магнита 2. При отсутствии кислорода в анализируемой смеси поток разделяется на две равные части, омывающие сопротивления и , не нарушая равновесие моста. Если холодный анализируемый газ содержит кислород, то он сильнее втягивается в трубку со стороны магнита. Согласно уравнению (5.112), при нагревании газовой смеси, содержащей кислород, магнитная восприимчивость смеси снижается. Более холодные свежие порции смеси вытесняют нагретые, что приводит к образованию постоянного газового потока («магнитного ветра») через поперечную трубку. Сопротивление , расположенное вблизи магнитных полюсов, несколько охлаждается, а другое сопротивление на столько же нагревается. Возникающая между сопротивлениями разность температур и соответственно разность сопротивлений является мерой содержания кислорода в анализируемом газе. Напряжение разбаланса измерительного моста можно измерить потенциометром 4.

Рис. 109. Схема термомагнитного газоанализатора с кольцевой камерой.

10.1.4. Оптические абсорбционные в ИК-области спектра газоанализаторы

Действие оптико-акустических газоанализаторов основано на способности определяемого газа поглощать инфракрасное излучение. Этой способностью обладают все газы, за исключением одноатомных, а также водорода, кислорода, азота и хлора. Каждый газ поглощает инфракрасное излучение только в своих, характерных для него участках спектра. Интенсивность монохроматического излучения, прошедшего слой поглощающего газа, определяется законом Бугера—Ламберта—Бера:

где — интенсивность монохроматического излучения до и после

прохождения слоя поглощающего газа; — коэффициент поглощения, характерный для данного газа и определенной длины волны ; — объемная концентрация газа, поглощающего излучение; — толщина слоя поглощающего газа.

Для измерения интенсивности излучения, прошедшего слой анализируемого газа, используют оптико-акустический эффект: газ, способный поглощать ИК-лучи, в замкнутом объеме подвергается прерывистому воздействию инфракрасного излучения, при этом смесь периодически нагревается (в результате поглощения излучения) и охлаждается (при прекращении излучения). Колебания температуры вызывают колебания давления газа, воспринимаемые звуковым приемником.

Принципиальная схема двухканального оптико-акустического газоанализатора показана на рис. 110. От двух источников (излучателей) 3 с отражателями 2 потоки инфракрасного излучения, практически одновременно прерываемые обтюратором 4 (вращается электродвигателем У) с определенной частотой, проходят две камеры 5 и 6, затем фильтровые камеры 7 и попадают в лучеприемник 8. Сравнительная непроточная камера 6 заполнена азотом, а в рабочую Камеру 5 поступает анализируемый газ. Окна рабочей, сравнительной и фильтровых камер, а также лучеприемника выполнены из материала, пропускающего ИК-излучение. Фильтровые камеры заполняются неопределяемыми мешающими газами, спектры поглощения которых могут частично перекрывать спектр поглощения определяемого компонента. Таким образом присутствие в анализируемой смеси мешающих газов не будет приводить к увеличению погрешности измерения, так как они будут поглощать ИК-излучение в характерных для них участках спектра в обоих каналах — как измерительном, так и сравнительном, и разность интенсивности потоков ИК-излучения, поступающего в левую и правую камеры лучеприемника, будет зависеть от концентрацией в анализируемой смеси только определяемого компонента. Лучеприемник 8 состоит из двух камер, разделенных конденсаторным микрофоном 9 и заполненных смесью азота с определяемым компонентом. Периодически газ в лучеприемнике 8 нагревается (за счет поглощения энергии) и охлаждается, что приводит к возникновению в замкнутом объеме лучеприемника периодических колебаний температуры, вызывающих периодические колебания давления газа. При равенстве интенсивностей инфракрасного излучения в правой и левой частях лучеприемника 8 мембрана конденсаторного микрофона неподвижна. Если интенсивность поступающего инфракрасного излучения в левую лучеприемную камеру будет меньше, чем в правую, то и амплитуда периодического колебания давлений в левой лучеприемной камере будет меньше, чем в правой. При этом разность давлений, действующая на мембрану конденсаторного микрофона, будет тем больше, чем больше будет концентрация определяемого компонента в анализируемой газовой смеси. Амплитуда колебаний мембраны и связанное с ней изменение выходного сигнала пропорциональны разности давлений в лучеприемных камерах, а следовательно, и концентрации определяемого компонента в газовой смеси. Колебания давления могут быть преобразованы конденсаторным микрофоном 9 в электрический выходной сигнал, который можно измерить. Описанное оптико-акустическое явление известно как явление Тиндаля—Рентгена, которое наблюдалось этими учеными при звуковых частотах модуляции излучения. Выходной сигнал конденсаторного микрофона после преобразования в напряжение и прохождения усилителя 10 подается на реверсивный двигатель //, перемещающий одновременно стрелку прибора и компенсирующую заслонку 12. Собственно перемещение компенсирующей заслонки 12 и уравнивает потоки инфракрасного излучения на выходе из камер 5 и 6.

Рис. 110. Схема оптико-акустического газоанализатора.

Селективность оптико-акустических анализаторов повышают, применяя набор светофильтров с узким диапазоном длин волн пропускаемых лучей.

Достоинствами оптико-акустических газоанализаторов являются высокая чувствительность, хорошая избирательность, высокое быстродействие, широкий диапазон измерений, высокая точность и долговечность.

Примечание

Для измерения интенсивности ИК-излучения в оптических абсорбционных газоанализаторах применяются также светодиоды. Ослабленный поток излучения, прошедшего слой поглощающего газа, попадает на фотоприемник. Отношение сигналов от рабочего и опорного свето-диодов зависит от концентрации анализируемого газа. Это отношение устанавливается при калибровке и записывается в память микроконтроллера. Полученные сигналы пересчитываются микропроцессором в объемную концентрацию анализируемого газа с учетом температурной коррекции.

10.1.5. Оптические абсорбционные в УФ-области спектра газоанализаторы

Принцип действия основан на оптико-абсорбционном методе измерения ультрафиолетовой энергии излучения анализируемым компонентом газовой смеси. Газоанализаторы этого типа имеют большую чувствительность к парам ртути, ацетона, к хлору, озону и ряду других газов, наличие которых удается обнаружить с точностью тысячных долей процента.