ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

приборы, измеряющие содержание (концентрацию) одного или неск. компонентов в газовых смесях (см. также Газовый анализ). Каждый Г. предназначен для измерения концентрации только определенных компонентов на фоне конкретной газовой смеси в нормиров. условиях. Наряду с использованием отдельных Г. создаются системы газового контроля, объединяющие десятки таких приборов. В большинстве случаев работа Г. невозможна без ряда вспомогат. устройств, обеспечивающих создание необходимых т-ры и давления, очистку газовой смеси от пыли и смол, а в ряде случаев и от нек-рых мешающих измерениям компонентов и агрессивных в-в. Г. классифицируют по принципу действия на пневматические, магнитные, электрохимические, полупроводниковые и др. Ниже излагаются физ. основы и области применения Наиб. распространенных Г.

Термокондуктометрические газоанализаторы. Их действие основано на зависимости теплопроводности газовой смеси от ее состава. Для большинства практически важных случаев справедливо ур-ние:

где -теплопроводность смеси, - теплопроводность i - того компонента, Ci - eгo концентрация, n-число компонентов.

Термокондуктометрич. Г. не обладают высокой избирательностью и используются, если контролируемый компонент по теплопроводности существенно отличается от остальных, напр. для определения концентраций Н ₂, Не, Аг, СО ₂ в газовых смесях, содержащих N₂, О ₂ и др. Диапазон измерения - от единиц до десятков процентов по объему.

Изменение состава газовой смеси приводит к изменению ее теплопроводности и, как следствие, т-ры и электрич. сопротивления нагреваемого током металлич. или полупроводникового терморезистора, размещенного в камере, через к-рую пропускается смесь.При этом:

где a-конструктивный параметр камеры, R₁ и 2- > сопротивление терморезистора в случае пропускания через него тока I при теплопроводности газовой среды соотв. и , -температурный коэф. электрич. сопротивления терморезистора.

Рис. 1. Термокондуктометрич. газоанализатор: 1 -источник стабилизиров. напряжения; 2-вторичный прибор; R₁ и R₃ - рабочие терморезисторы; R₂ и R₄ -сравнит. терморезисторы; R₀ и потенциометры; вход и выход анализируемой газовой смеси показаны стрелками>.

На рис. 1 приведена схема, применяемая во многих Термокондуктометрич. Г. Чувствит. элементы R₁ и R₃ (рабочие терморезисторы) омываются анализируемой смесью; сравнит. терморезисторы 2 и R₄ помещены в герметичные ячейки, заполненные сравнит. газом точно известного состава. Потенциометры 0 и предназначены для установки нулевых показаний и регулировки диапазона измерения. Мера концентрации определяемого компонента - электрич. ток, проходящий через , к-рый измеряется вторичным (т. е. показывающим или регистрирующим) прибором. Термокондуктометрич. Г. широко применяют для контроля процессов в произ-ве H₂SO₄, NH₃, HNO₃, в металлургии и др.

Термохимические газоанализаторы. В этих приборах измеряют тепловой эффект хим. р-ции, в к-рой участвует определяемый компонент. В большинстве случаев используется окисление компонента кислородом воздуха; катализаторы - марганцевомедный (гопкалит) или мелкодисперсная Pt, нанесенная на пов-сть пористого носителя. Изменение т-ры при окислении измеряют с помощью металлич. или полупроводникового терморезистора. В ряде случаев пов-сть платинового терморезистора используют как катализатор. Величина связана с числом молей Мокислившегося компонента и тепловым эффектом соотношением: , где k-коэф., учитывающий потери тепла, зависящие от конструкции прибора.

Схема (рис. 2) включает измерит. мост с постоянными резисторами (1 > и 4 )и двумя терморезисторами, один из к-рых (2 )находится в атмосфере сравнит. газа, а второй (3 )омывается потоком анализируемого газа. Напряжение U _вых в диагонали моста пропорционально концентрации определяемого компонента. Для устойчивой работы Г. исключают влияние т-ры среды (термостатированием или термокомпенсацией), стабилизируют напряжение, поддерживают постоянным расход газа, очищают его от примесей, отравляющих катализатор (С1₂, НС1, H₂S, SO₂ и др.).

Рис. 2. Термохим. газоанализатор: 1- источник стабилизиров. напряжения; 2-вторичный прибор; R₁ и R₄ - постоянные резисторы; R₂ и R₃ -соотв, сравнительный и рабочий терморезисторы>.

Большинство термохим. Г. используют в кач-ве газосигнализаторов горючих газов и паров (Н ₂, углеводороды и др.) в воздухе при содержании 20% от их ниж. КПВ, а также при электролизе воды для определения примесей водорода в кислороде (диапазон измерения 0,02-2%) и кислорода в водороде (0,01-1%).

Магнитные газоанализаторы. Применяют для определения О ₂. Их действие основано на зависимости магн. восприимчивости газовой смеси от концентрации О ₂, объемная магн. восприимчивость к-рого на два порядка больше, чем у большинства остальных газов. Такие Г. позволяют избирательно определять О ₂ в сложных газовых смесях. Диапазон измеряемых концентраций 10^-2 - 100%. Наиб. распространены магнитомех. и термомагн. Г.

В магнитомеханических Г. (рис. 3) измеряют силы, действующие в неоднородном магн. поле на помещенное в анализируемую смесь тело (обычно ротор). Сила F, выталкивающая тело из магн. поля, определяется выражением:

где и -объемная магн. восприимчивость соотв. анализируемой смеси и тела, помещенного в газ, V-объем тела, H-напряженность магн. поля. Обычно мерой концентрации компонента служит вращающий момент, находимый по углу поворота ротора. Показания магнитомех. Г. определяются магн. св-вами анализируемой газовой смеси и зависят от т-ры и давления, поскольку последние влияют на объемную магн. восприимчивость газа.

Более точны Г., выполненные по компенсац. схеме. В них момент вращения ротора, функционально связанный с концентрацией О ₂ в анализируемой смеси, уравновешивается известным моментом, для создания к-рого используются магнитоэлектрич. или электростатич. системы. Роторные Г. ненадежны в промышленных условиях, их сложно юстировать.

Рис. 3. Магнитомех. газоанализатор: 1-ротор; 2-полюсы магнита; 3-растяжка; 4-зеркальце; 5-осветитель; 6-шкала вторичного прибора.

Действие термомагнитных Г. основано на термомагн. конвекции газовой смеси, содержащей О ₂, в неоднородных магнитном и температурном полях. Часто применяют приборы с кольцевой камерой (рис. 4), к-рая представляет собой полое металлич. кольцо. Вдоль его диаметра установлена тонкостенная стеклянная трубка, на к-рую намотана платиновая спираль, нагреваемая электрич. током. Спираль состоит из двух секций - R₁ и 2, > первая из к-рых помещается между полюсами магнита. При наличии в газовой смеси О ₂ часть потока направляется через диаметральный канал, охлаждая первую секцию платиновой спирали и отдавая часть тепла второй. Изменение сопротивлений 1 и 2 вызывает изменение выходного напряжения U, пропорциональное содержанию О ₂ в анализируемой смеси.

Рис. 4. Термомагн. газоанализатор: 1 -кольцевая камера; 2-стеклянная трубка; 3-постоянный магнит; 4-источник стабилизиров. напряжения; 5-вторичный прибор; R_t и R₂ -соотв. рабочий и сравнит. терморезисторы (секции платиновой спирали); R₃ и R₄ -постояниые резисторы>.

Пневматические газоанализаторы. Их действие основано на зависимости плотности и вязкости газовой смеси от ее состава. Изменения плотности и вязкости определяют измеряя гидромех. параметры потока. Распространены пневматич. Г. трех типов.

Г. с дроссельными преобразователями измеряют гидравлич. сопротивление дросселя (капилляра) при пропускании через него анализируемого газа. При постоянном расходе газа перепад давления на дросселе - ф-ция плотности (турбулентный дроссель), вязкости (ламинарный дроссель) или того и другого параметра одновременно.

Струйные Г. измеряют динамич. напор струи газа, вытекающего из сопла. Содержат два струйных элемента типа "сопло-приемный канал" (рис. 5). Для подачи анализируемого и сравнит. газов служит эжектор 2. Давление на выходе из элементов поддерживается регулятором 4. Равенство давлений газов на входе в элементы обеспечивается соединит. каналом 5 и настройкой вентиля 6. Разница динамич. давлений (напоров), воспринимаемых трубками 1б,- ф-ция отношения и мера концентрации определяемого компонента газовой смеси. Струйные Г. используют, напр., в азотной пром-сти для измерения содержания Н ₂ в азоте (диапазон измерения 0-50%), в хлорной пром-сти - для определения С1₂ (0-50 и 50-100%). Время установления показаний этих Г. не превышает неск. секунд, поэтому их применяют также в газосигнализаторах довзрывных концентраций газов и паров нек-рых в-в (напр., дихлорэтана, винилхлорида) в воздухе пром. помещений.

Рис. 5. Пневматический струйный газоанализатор: 1 - элемент "сопло-приемный канал"; 1а-сопло; 1б-приемная трубка; 2-эжсктор; 3-вторичный прибор; 4 -регулятор давления; 5 -соединит, канал; 6-вентиль.

Пневмоакустические Г. содержат два свистка (рис. 6) с близкими частотами (3-5 кГц), через один из к-рых проходит анализируемый газ, через второй - сравнительный. Частота биений звуковых колебаний в смесителе частот зависит от плотности анализируемого газа. Биения (частота до 120 Гц) усиливаются и преобразуются в пневматич. колебания усилителем. Для получения выходного сигнала (давления) служит частотно-аналоговый преобразователь.

Рис. 6. Пневмоакустич. газоанализатор: 1 -свисток; 2-смеситель частот; 3 - усилитель - преобразователь ; 4 - частотно-аналоговый преобразователь; 5-вторичный прибор.

Пневматич. Г. не обладают высокой избирательностью. Они пригодны для анализа смесей, в к-рых изменяется концентрация только одного из компонентов, а соотношение между концентрациями других остается постоянным. Диапазон измерения - от единиц до десятков процентов. Пневматич. Г. не содержат электрич. элементов и поэтому могут использоваться в помещениях любой категории пожаро- и взрывоопасности. Элементы схемы, контактирующие с газами, выполнены из стекла и фторопласта, что позволяет анализировать весьма агрессивные газы (хлор-, серосодержащие и др.).

Инфракрасные газоанализаторы. Их действие основано на избйрат. поглощении молекулами газов и паров ИК-излучения в диапазоне 1-15 мкм. Это излучение поглощают все газы, молекулы к-рых состоят не менее чем из двух разл. атомов. Высокая специфичность молекулярных спектров поглощения разл. газов обусловливает высокую избирательность таких Г. и их широкое применение в лабораториях и пром-сти. Диапазон измеряемых концентраций 10^-3 -100%. В дисперсионных Г. используют излучение одной длины волны, полученное с помощью монохроматоров (призмы, дифракц. решетки). В недисперсионных Г., благодаря особенностям оптич. схемы прибора (применению светофильтров, спец. приемников излучения и т. д.), используют немонохроматич. излучение. В кач-ве примера на рис. 7 приведена Наиб. распространенная схема такого Г. Излучение от источника последовательно проходит через светофильтр и рабочую кювету, в к-рую подается анализируемая смесь, и попадает в спец. приемник. Если в анализируемой смеси присутствует определяемый компонент, то в зависимости от концентрации он поглощает часть излучения, и регистрируемый сигнал пропорционально изменяется. Источником излучения обычно служит нагретая спираль с широким спектром излучения, реже - ИК-лазер или светодиод, испускающие излучение в узкой области спектра. Если используется источник немонохроматич. излучения, избирательность определения достигается с помощью селективного приемника.

Рис. 7. Недисперсионный инфракрасный газоанализатор: 1-источник излучения; 2-светофильтр; 3-модулятор; 4 и 4'-соотв. рабочая и сравнит. (внизу) кюветы; 5-приемник излучения; 6-усилитель; 7-вторичный прибор.

Наиб. распространены Г. с газонаполненным оптико-акустическим приемником. Последний представляет собой герметичную камеру с окном, заполненную именно тем газом, содержание к-рого нужно измерить. Этот газ, поглощая из потока излучения определенную часть с характерным для данного газа набором спектральных линий, нагревается, вследствие чего давление в камере увеличивается. Посредством мех. модулятора поток излучения прерывается с определ. частотой. В результате с этой же частотой пульсирует давление газа в приемнике. Амплитуда пульсации давления - мера интенсивности поглощенного газом излучения, зависящая от того, какая часть характерного излучения поглощается тем же газом в рабочей кювете. Др. компоненты смеси излучение на этих длинах волн не поглощают. Т. обр., амплитуда пульсации давления в приемнике излучения - мера кол-ва определяемого компонента в анализируемой смеси, проходящей через рабочую кювету. Изменение давления измеряют обычно конденсаторным микрофоном или микроанемометром (датчиком расхода газа). Заменяя газ в приемнике излучения оптико-акустич. Г., можно избирательно измерять содержание разл. компонентов смесей.

В инфракрасных Г. используют также неселективные приемники излучения - болометры, термобатареи, полупроводниковые элементы. Тогда в случае источников с широким спектром излучения избирательность определения обеспечивают применением интерференционных и газовых фильтров. Для повышения точности и стабильности измерения часть потока излучения обычно пропускают через сравнит. кювету, заполненную газом, не поглощающим регистрируемое излучение, и измеряют разность или отношение сигналов, полученных в результате прохождения излучения через рабочую и сравнит. кюветы.

Инфракрасные Г. широко используют для контроля кач-ва продукции, анализа отходящих газов, воздуха помещений. С их помощью определяют, напр., СО, СО ₂, NH₃, СН ₄ в технол. газах произ-ва синтетич. аммиака, пары ряда р-рителей в воздухе пром. помещений, оксиды азота, SO₂, СО и углеводороды в выхлопных газах автомобилей и т. д.

Ультрафиолетовые газоанализаторы. Принцип их действия основан на избират. поглощении молекулами газов и паров излучения в диапазоне 200-450 нм. Избирательность определения одноатомных газов весьма велика. Двух- и многоатомные газы имеют в УФ-области сплошной спектр поглощения, что снижает избирательность их определения. Однако отсутствие УФ-спектра поглощения у N₂, O₂, СО ₂ и паров воды позволяет во многих практически важных случаях проводить достаточно селективные измерения в присут. этих компонентов. Диапазон определяемых концентраций обычно 10^-2-100% (для паров Hg ниж. граница диапазона 2,5-10^-6%).

Схема ультрафиолетового Г. аналогична схеме, приведенной на рис. 7. Имеются также приборы с двумя детекторами излучения без модулятора, в к-рых световые потокине прерываются. В кач-ве источников излучения обычно применяют ртутные лампы низкого (= 253,7 нм) и высокого (спектр с большим набором линий) давлений, газоразрядные лампы с парами др. металлов (=280, 310 и 360 нм), лампы накаливания с вольфрамовой нитью, водородные и дейтериевые газоразрядные лампы. Приемники излучения - фотоэлементы и фотоумножители. При использовании неселективного источника излучения избирательность измерения в большинстве приборов обеспечивают с помощью оптич. фильтров (стеклянных или интерференционных).

Ультрафиолетовые Г. применяют гл. обр. для автоматич. контроля содержания С1₂, О ₃, SO₂, NO₂, H₂S, C1O₂, дихлорэтана, в частности в выбросах пром. предприятий, а также для обнаружения паров Hg, реже Ni (СО)₄, в воздухе пром. помещений.

Люминесцентные газоанализаторы. В хемилюминесцентных Г. измеряют интенсивность люминесценции, возбужденной благодаря хим. р-ции контролируемого компонента с реагентом в твердой, жидкой или газообразной фазе. Пример - взаимод. NO с О ₃, используемое для определения оксидов азота:

N0 + 0₃ -> N0₂⁺ + 0₂ -> N0₂ + hv + 0₂

Схема хемилюминесцентного Г. с газообразным реагентом представлена на рис. 8. Анализируемая смесь и реагент через дроссели поступают в реакц. камеру. Побудитель расхода (насос) обеспечивает необходимое давление в камере. При наличии в смеси определяемого компонента излучение, сопровождающее хемилюминесцентную р-цию, через светофильтр подается на катод фотоумножителя, к-рый расположен в непосредств. близости к реакц. камере. Электрич. сигнал с фотоумножителя, пропорциональный концентрации контролируемого компонента, после усиления поступает на вторичный прибор. При измерении слабых световых потоков, возникающих при малых концентрациях определяемого компонента, фотокатод охлаждают электрич. микрохолодильниками с целью уменьшения темнового (фонового) тока.

Рис. 8. Хемилюминесцентный газоанализатор: 1-рсакц. камера; 2-светофильтр; 3 - фотоумножитель; 4-вторичный прибор; 5-побудитель расхода газа; 6-дроссели.

Для измерения содержания NO₂ в приборе предусмотрен конвертер, где NO₂ превращается в NO, после чего анализируемая смесь направляется в реакц. камеру. При этом выходной сигнал пропорционален суммарному содержанию NO и NO₂. Если же смесь поступает, минуя конвертер, то по выходному сигналу находят концентрацию только NO. По разности этих сигналов судят о содержании NO ₂ в смеси.

Высокая избирательность хемилюминесцентных Г. обусловлена специфичностью выбранной р-ции, однако сопутствующие компоненты в смеси могут изменять чувствительность прибора. Такие Г. применяют для определения NO, NO₂, NH₃, O₃ в воздухе в диапазоне 10^-7-1%.

В флуоресцентных Г. измеряют интенсивность флуоресценции (длина волны ), возникающей при воздействии на контролируемый компонент УФ-излучения (с частотой v₁). В кач-ве примера на рис. 9 представлена схема такого Г. для определения SO₂ в воздухе. Анализируемая смесь поступает в детекторную камеру, к-рая отделена от импульсного источника УФ-излучения и от фотоумножителя светофильтрами 3и 4, пропускающими излучение с длинами волн соотв. и . Фотоумножитель, расположенный под углом 90