Дифузійні газоаналізатори
Принцип дії дифузійних газоаналізаторів заснований на процесі переносу речовини (компоненту суміші) під дією градієнта його концентрації. Цей перенос може відбуватися при зіткненні речовин один з одним (дифузія) або крізь тверду речовину (трансфузія або проникнення). Процес переносу речовини пов'язаний з хаотичним тепловим рухом молекул, що відбувається у напрямку зменшення концентрації речовини і ведучим до його рівномірного розподілу по займаному об' ємі. Проникнення через тверде тіло визначається наявністю розривів у їхніх кристалічних решітках, нерегулярних щілин і пор у макроструктурі твердої речовини або розчиненням газів і пари у твердій речовині. Найбільше швидко процес переносу речовини під дією градієнта концентрації відбувається в газах, що багато в чому визначає використання цього явища для автоматичного контролю концентрації газів.
Інтенсивність взаємного проникнення двох дотичних газів, визначається коефіцієнтом їхньої взаємної дифузії, що залежить від молекулярних мас цих газів і полярності їхніх молекул. Коефіцієнт взаємної дифузії збільшується зі збільшенням температури і зменшується зі збільшенням тиску.
При взаємній дифузії двох газових об' ємів незалежна дифузія компонентів багатокомпонентної суміші спостерігається тільки при її попередньому 3 — 4-кратному розведенні.
На рис.8.5 показана схема дифузійного мембранного аналізатора концентрації водню. У цьому аналізаторі камери 2 і 1 розділені тонкою (10...20 мкм) мембраною зі сплаву паладію зі сріблом. Аналітичний пристрій аналізатора термостатирується при температурі 45°С. Через камеру 2 з постійною об'ємною витратою прокачується аналізований газ, який містить водень, а через камеру 1 — допоміжний газ (наприклад, повітря або азот), що попередньо проходить через камеру 4. У камері 1 розміщені вимірювальний Яи, а в камері 4 — порівняльний Яср терморезистори. Ці терморезистори підключені до нерівноважного мосту 5 і утворюють термокондуктометричний детектор. При роботі аналізатора через мембрану з камери 2 у камеру 1 дифундує тільки водень, що Д< додається до допоміжного газу і змінює теплопровідність газового потоку, який обмиває вимірювальний терморезистор і?и- Це обумовлює зміну сигналу нерівноважнго мосту 5, сигнал виміряється і реєструється Рисунок 8.5 - Схема дифузійного газоаналізатора самописним потенціометром 6.
Дифузійні газоаналізатори характеризуються на порядок більшою селективністю при вимірюванні концентрації необхідного компоненту, чим термохімічні, за рахунок істотно меншого впливу на їхні показання змін концентрацій невизначуваних компонентів багатокомпонентних газових сумішей.
Сорбційні газоаналізатори
В основу роботи сорбційних газоаналізаторів покладені різні ефекти, що супроводжують процес сорбції (сорбція — поглинання твердим тілом або рідиною речовини з навколишнього середовища). Це явище давно використовується в аналітичному контролі (приміром, - волосяні вимірювачі вологи повітря, у яких сигнал вимірювальної інформації формується за рахунок зміни довжини волосся зі зміною вологості повітря). У сорбційних газоаналізаторах використовуються механічні, теплові, оптичні і електричні ефекти, що супроводжують процес адсорбції газів і пари.
Дилатометричний газоаналізатор (рис.8.6, а), призначений для вимірювання концентрації водню. У камері 2, через яку прокачується аналізований газ, розміщена тонкостінна трубка 1, виготовлена з паладію. Водень, який знаходиться в аналізованому газі, розчиняється в паладію. При цьому довжина трубки 1 за рахунок ефекту набрякання зі збільшенням концентрації водню збільшується. Тому що верхній кінець трубки 1 закріплений на корпусі 2, то її нижній кінець вільно переміщається. За допомогою ємнісного, індуктивного або пневматичного перетворювача переміщень 4 виміряються переміщення пластини 3, закріпленої на нижньому кінці трубки 1. Ці переміщення пов'язані з концентрацією водню в багатокомпонентних газових сумішах.
Відомі сорбційні дилатометричні газоаналізатори, призначені для вимірювання концентрації пропану, бутану, діоксиду вуглецю або інших технічних газів, у яких замість паладієвої трубки використовується стрижень, виготовлений з адсорбенту (активоване вугілля, алюмогель, силікагель).
На рис.8.6, б показана схема а) газоаналізатора, заснованого на визначенні маси обраного компоненту аналізованої суміші, який поглинається. Останнє здійснюється шляхом вимірювання частоти або амплітуди коливань п'єзоелектричної (звичайно кварцової) пластини 1 (розмірами 12x12x0,2 мм), на поверхні якої розміщенні електроди 3 і нанесений шар сорбенту 2. Пластина включена в коливальний контур високочастотного (5...15 МГц) генератора 5 і розміщена в камері 4, через яку прокачується аналізований газ. При зміні концентрації обраного компоненту, що селективно поглинається шаром сорбенту 2, змінюється маса останнього, яка змінює частоту коливання пластини, а отже, і частоту коливань генератора 5. Вихідний сигнал цього генератора надходить у змішувач 6.
Розглянутий газоаналізатор може використовуватись для вимірювання концентрації Н2, NО2, 502, NН3, Н25 і пари НСІ, Н^, Н20, ароматичних вуглеводнів і інших речовин при відповідному підборі шару сорбенту. У якості шару сорбента звичайно використовуються різні рідкі фази, які використовуються в газорідинній хроматографії. При використанні газоаналізатора для вимірювання концентрації пари води, тобто як гігрометр, шар сорбенту виконують із діоксиду кремнію, пентоксиду фосфору і інших гігроскопічних полімерів і природних смол.
Інтенсивно розвивається напрямок автоматичного газового аналізу. Це такі методи і засоби, що базуються на використанні електричних явищ, які супроводжують процес сорбції. В основу роботи сорбційних електрокондуктометричних (кондуктометричних) газоаналізаторів покладено вимірювання провідності адсорбентів, виготовлених у вигляді гранул, пластин або плівок. Провідність істотно змінюється при сорбції газів або пари, як правило, матеріали, з яких виготовляють зазначені елементи, є напівпровідниками. При протіканні через камеру газоаналізатора аналізованого газу обраний компонент поглинається плівкою сорбенту і змінює її електричний опір.
На зазначеному принципі працюють хроматографічні газоаналізатори. Газова хроматографія є досить перспективним фізико-хімічним методом поділу газових сумішей на складові їх компонентів.
Хроматографічні газоаналізатори, створені на цьому принципі, служать для визначення складу, у димових газах горючих компонентів (Н2, СО, СН4 та ін.), що характеризують хімічну неповноту, палива, також і негорючих компонентів (СО2, О2, Ы2 та ін.). Дія цих приладів заснована на адсорбційному способі поділу проби газової суміші при пропущенні її разом з потоком допоміжного газу (газу-носія) через шар пористої речовини (адсорбенту) і наступному почерговому вимірюванні змісту кожного компоненту, що виділився, електричним методом.