Слайд 74. Термохимические газоанализаторы

В термохимических ГА, используемых для измерения концентраций горючих газов, используется тепловой эффект химической реакции окисления определяемого компонента АГС на каталитически активной поверхности платиновой нити, нагретой до температуры 200…500 ⁰С. По выделяющейся при этом теплоте и изменяющейся в результате этого температуре нити определяется концентрация анализируемого компонента.

Изменение температуры Δt при таком окислении (горении) определяется выражением

где К – постоянный коэффициент, зависящий от природы определяемого компонента и конструктивных параметров чувствительного элемента;

Q_н, С – удельная объемная теплота сгорания и объемная концентрация определяемого компонента соответственно.

Каталитически активная платиновая нить включается в одно из плеч неуравновешенного моста. В этот мост входит также резистор, выполненный из каталитически пассивной платиновой проволоки и находящийся в камере, заполненной неопределяемыми компонентами газовой смеси. Если определяемый компонент в смеси отсутствует, их сопротивления одинаковы. Резисторы двух оставшихся плеч имеют постоянное сопротивление и выполнены из манганиновой проволоки. При наличии определяемого компонента в газовой смеси происходит его сгорание на активном резисторе, сопротивление последнего возрастает, что приводит к появлению на измерительной диагонали моста напряжения, пропорционального концентрации определяемого компонента. Милливольтметр в измерительной диагонали градуируется в единицах концентрации определяемого компонента.

Такие ГА в основном используются как индикаторы и сигнализаторы взрывоопасных концентраций, градуируются в процентах НКПВ и выполняются как в стационарном, так и в переносном варианте (сигнализаторы серии СГГ, ПГФ и др.). Сигнализируемые значения 5 – 50% НКВП для горючих газов и паров и 5 – 20% НКВП для смесей водорода с воздухом, время реакции не более 30 с. Существуют также термохимические ГА, в которых реакция окисления определяемого компонента протекает на поверхности гранулированного катализатора, в качестве которого часто используется смесь диоксида марганца и оксида меди. Увеличение поверхности катализатора позволяет снизить нижний предел измерения до долей процента. В остальном их работа аналогична рассмотренному выше ГА.

Термохимические ГА в настоящее время являются одними из наиболее распространенных в промышленности средств аналитической техники. Их различные модели выпускаются как российскими, так и зарубежными фирмами.

Слайды 75-76. Оптические газоанализаторы

Принцип действия оптических ГА основан на явлении избирательного поглощения анализируемым компонентом энергии излучения определенной длины волны, причем интенсивность этого поглощения зависит от концентрации анализируемого компонента в АГС. Эта зависимость описывается законом Бугера - Ламберта – Бера

где I_0λ, I_λ – интенсивность монохроматического излучения с длиной волны λ на

входе в поглощающий слой газа и после прохождения через него соответствен-

но;

ε_λ – коэффициент поглощения излучения определяемым компонентом на

длине волны λ;

С – концентрация определяемого компонента в газовой смеси;

L – толщина поглощающего слоя.

Произведение ε_λсL называется оптической плотностью D_λ:

Каждый газ характеризуется определенным спектром поглощения. Газы, содержащие в своем составе два и более разнородных атомов, такие как CO, CO₂, CH₄, NH₃, C₂H₂ имеют спектры поглощения в инфракрасной (ИК) области.

Для использования этого метода измерения необходимо, чтобы определяемый компонент имел спектр поглощения, отличающийся от спектров поглощения других компонентов анализируемой смеси. Лежащие в ИК-области спектры поглощения CO, CO₂, CH₄, NH₃ частично перекрываются; тем не менее можно выделить длины волн, на которых имеет место селективное поглощение ИК-излучения этими компонентами, что позволяет измерять их концентрацию в многокомпонентных АГС. В качестве источников излучения инфракрасных ГА используются нихромовые излучатели, нагретые до 700 – 800 ⁰С. Приемниками излучения служат батареи термопар или терморезисторов, фоторезисторы или конденсаторные микрофоны. Источником 1 создается постоянное излучение, которое с помощью вращающегося диска с отверстиями (обтюратора) 2 и светофильтра 3 преобразуется в пульсирующее монохроматическое излучение. Определяемый компонент, находящийся в камере 4, поглощает излучение, при этом в камере возникают пульсации температуры, а следовательно, и давления. Эти пульсации воспринимаются микрофонным чувствительным элементом 5, представляющим собой конденсатор, образованный подвижной мембраной и неподвижной пластиной. Под действием давления мембрана перемещается, вызывая из-за колебаний зазора δ изменение емкости конденсатора С.

Используемые в промышленности оптико-акустические ГА, как правило, представляют собой дифференциальные двухлучевые схемы и имеют две кюветы: измерительную, через которую прокачивается АГС, и сравнительную, которая заполняется вспомогательной газовой смесью. В нее входят какой-либо не поглощающий ИК-излучение газ и неопределяемые компоненты АГС со средними значениями концентраций. ИК-излучение (2 – 8 мкм) поступает в измерительную и сравнительную камеры через фильтровые камеры, служащие для уменьшения влияния на результаты измерения неопределяемых компонентов, полосы поглощения которых частично перекрываются с полосой поглощения определяемого компонента. Они заполняются этими компонентами, причем их концентрация должна быть больше их возможной концентрации в АГС. Если определяемый компонент отсутствует в АГС, поглощение импульсного ИК-излучения в обеих камерах будет одинаково. При появлении в АГС определяемого компонента он поглощает часть энергии излучения, проходящего через измерительную камеру, в результате чего в конденсаторном микрофоне возникают колебания, частота которых составляет несколько герц.

Оптико-акустические ГА используются для измерения в многокомпонентных смесях концентраций СО, СО₂, СН₄, С₂Н₂, С₃Н₆ и др. Диапазоны измерений этих анализаторов от 0 – 0,1 до 0 – 100% об. Классы точности 2,5 -10 (в зависимости от диапазона измерений).