Macс-спектрометрический метод

Сущность метода состоит в том, что ионизованные атомы и моле­кулы вещества разделяются по значениям отношения т/е (т — масса, е — заряд иона) и раздельно регистрируются. Из получен­ного масс-спектра определяются значения масс и концентраций компонентов в пробе АГС.

Mace-спектрометрический метод — один из важнейших и универсальных методов анализа состава, в котором использу­ется основная характеристика вещества — масса молекулы или атома.

Количественный масс-спектрометрический анализ основан на пропорциональности интенсивности всех линий масс-спектра каж­дого из веществ пробы АГС его парциальному давлению в об­ласти ионизации:

I_{i, j}=K_ijp_i(20)

где I_{i, j} — значение пика тока ионов i-й массы, образовавшихся в результате иони­зации данного компонента i пробы АГС; K_ij—- коэффициент пропорциональ­ности, который определяется градуировкой масс-спектра по целевым компонентам; p_i — парциальное давление j-того компонента пробы АГС в области ионизации.

Если в масс-спектре i-компонентной газовой смеси находится j-пиков ионного тока различных масс, то

(21)

т. е. имеем j уравнений с iнеизвестными и с i, j коэффициентами, которые определяются, как было сказано выше, градуировкой масс-спектрометра по каждому компоненту. Так как обычно число уравнений (j) больше числа компонентов (i) пробы АГС, то систе­ма уравнений может быть решена разными способами.

Масс-спектрометрический анализ газовых смесей (в том числе кислородсодержащих смесей) состоит из следующих последова­тельных операций (стадий): ввода пробы АГС в источник ионов; получения ионов из атомов или молекул пробы АГС и форми­рования их в пучок или пакет; разделения ионного пучка или па­кета по массам; улавливания и регистрации ионов — раздельного измерения интенсивности каждой составляющей ионного пучка; обработки результатов измерений.

Получение ионов из атомов и молекул пробы АГС — наиболее сложная стадия масс-спектрометрического анализа. Выбор спо­соба ионизации и конструкции источника ионов зависит от многих факторов, в том числе от агрегатного состояния исследуемого вещества, смеси веществ или материалов, а также от их физико-химических свойств, требуемой точности анализа и т. д.

При использовании масс-спектрометрии в газовом анализе применяют следующие способы ионизации пробы АГС: электронный удар, фотоионизацию, химическую ионизацию, ионизацию в пламени, полевую ионизацию, поверхностную ионизацию

Образующиеся в области ионизации ионы формируются опти­ческой системой источника в ионный пучок, или сгусток.

Полученные в источнике ионные пучки (сгустки) разделяются в электрических и магнитных полях или по времени пролета.

По способу разделения ионов масс-спектрометры делят на статические и динамические. В статических масс-спектрометрах используются постоянные или медленно изменяющиеся во времени электрические или магнитные поля. В динамических масс-спектро­метрах ионы с различными массами разделяются в пространстве либо по времени пролета, лишенном электрических и магнитных полей, либо с высокочастотными электрическими полями.

Следующая стадия масс-спектрометрического анализа — улавливание и регистрация ионов. Приемные устройства играют важную роль в собирании разделенного продукта и в значитель­ной степени определяют характеристики масс-спектрометра в целом.

По способу регистрации ионов масс-спектрометры делятся на масс-спектрографы, в которых одновременно регистрируются ионы всех или части компонентов пробы АГС фотографическим спосо­бом, и собственно на масс-спектрометры, в которых ионы регистри­руются последовательным измерением ионного тока различных компонентов пробы АГС.

Применение масс-спектрометров при анализе газовых смесей эффективно при анализе многокомпонентных газовых смесей, ког­да контроль ведется по нескольким компонентам.

Общее число определяемых компонентов может достигать 20 и более.

Основные параметры масс-спектрометров — диапазон масс определяемых компонентов и разрешающая способность, которую определяют отношением М/ М (М — максимальное массовое число компонента, регистрируемого раздельно от другого компо­нента, массовое число которого отличается от максимального на M, равного единице).

Основные преимущества масс-спектрометров следующие: не­прерывность и одновременность анализа всех компонентов; малое приборное запаздывание; относительно одинаковое влияние внеш­них условий на погрешность измерения, что сохраняет точность их соотношений; дешевизна изготовления и эксплуатация прибора (при условии достаточно широкого спектра анализов).

Особым преимуществом масс-спектрометрического метода, на­ряду с достаточно высокой чувствительностью (≈ 10^-12— 10^-15 г ), является небольшой расход пробы АГС.

Масс-спектрометр MX 1215. Предназначен для определения концентраций кислорода, водорода, оксида и диоксида углерода, азота и аргона в отходящих газах кислородного конвертора, а также мартеновского, доменного и химических производств.

Масс-спектрометром определяют одновременно шесть компо­нентов пробы АГС, имеющих молекулярную массу от 2 до 44.

Время реагирования Гэо не превышает 2 с; потребляемая мощность 6, 5 кВт; масса 1100 кг.

Масс-спектрометр MX 1215 представляет собой статический масс-спектрометр со 180° магнитным полем, в котором ионы опре­деляемого компонента пробы АГС разделяются по значению отношения массы к заряду и фокусируются по направлению дви­жения.

Одним из важнейших направлений в области масс-спектрометрического приборостроения является разработка унифициро­ванного комплекса масс-спектрометрических приборов (УКМСП), включающего масс-спектрометры первого, второго и третьего классов с предельной разрешающей способностью соответственно 10⁵, 10⁴ и 500. Приборы УКМСП в зависимости от решаемой задачи комплектуются различными системами ввода пробы АГС, источниками и приемниками ионов, системами регистрации и об­работки информации, вспомогательными устройствами

Магнитные методы.

Кислород обладает наибольшей магнитной восприимчивостью по сравнению с другими газами. В табл. 1 приведены объемная и относительная (относительно кислорода) магнитная воспри­имчивость некоторых газов (при 7 = 0 °С).

Таблица 1. Магнитные свойства некоторых газов.

Газ	Химическая формула	Магнитная вое приимчивость
		объемная, х-109	относитель­ная
Кислород	02	146	1, 0
Воздух (21 % О2)		30, 8	0, 21
Монооксид азота	NO	53, 0	0, 362
Диоксид азота	NO2	9, 0	0, 0616
Оксид азота (I)	N2O	3, 0	0, 02
Ацетилен	C2Ha	1, 0	0, 0068

 

Из табл. 3 видно, что большинство газов обладает ничтожно малой по сравнению с кислородом магнитной восприимчивостью, что обеспечивает возможность избирательного определения кон­центрации кислорода во многих газовых смесях. Только два газа — моноокисд и диоксид азота — имеют относительно боль­шую магнитную восприимчивость, но они встречаются весьма редко в смесях промышленных газов, к тому же монооксид азота в присутствии кислорода вступает с ним в реакцию и переходит в диоксид азота.

Для определения концентрации молекулярного кислорода наибольшее распространение получили следующие методы: термо­магнитный, магнитомеханический, магнитопневматический.

Термомагнитный метод.

 Парамагнитные газы характеризуются положительным значением магнитной восприимчивости. Это зна­чит, что, если ввести парамагнитный газ в зону неоднородного магнитного поля, газ будет ориентироваться в направлении поля. Иными словами, парамагнитный газ втягивается в неоднородное магнитное поле, а диамагнитный газ выталкивается.

Силу, действующую на объем газа V в неоднородном магнит­ном поле, характеризующемся напряженностью H и градиентом напряженности в направлении оси абсцисс , определяют по формуле:

(22)

Объемная магнитная восприимчивость смеси веществ, не всту­пающих в химическое взаимодействие, равна сумме парциальных восприимчивостей отдельных компонентов, т. е. определяется по закону аддитивности:

(23)

где  и Сi — объемная магнитная восприимчивость и объемная доля i-ro компо­нента газовой смеси.

Магнитная восприимчивость сложной смеси, содержащей как парамагнитные, так и диамагнитные составляющие, определяется соотношением:

(24)

где  —объемная магнитная восприимчивость соответственно парамагнит­ной и диамагнитной составляющей сложной смеси.

Объемная магнитная восприимчивость веществ (диамагнети-ков и парамагнетиков) зависит как от давления, так и от темпера­туры, поскольку они влияют на плотность р.

Согласно закону Бойля — Мариотта для газов

p = pM/ RT,                        (25)

где М — молекулярная масса; R — газовая постоянная.

С учетом плотности (25) получим (при поправке Д = 0): для диамагнитных газов

(26)

для парамагнитных газов (кислорода)

(27)

где  — удельная магнитная восприимчивость.

Подставляя (26) и (27) в (24), получим:

(28)

где индексы п и д означают принадлежность газа к парамагнетикам и диамаг-нетикам соответственно.

Учитывая (22), выражение для силы F можно записать в виде:

(29)

Если на неоднородное магнитное поле наложить неоднородное тепловое поле, то в зоне, соответствующей максимуму темпера­туры, объем газа dV наряду с ориентирующим действием магнит­ного поля будет испытывать дезориентирующее действие тепло­вого поля в соотношении, обратно пропорциональном квадрату температуры.

На объем газа dV₁, находящийся в зоне с температурой Т\, действует сила

(30)

На объем газа dV₂, находящийся в зоне с температурой Г₂ действует сила

(31)

При Т₁> Т₂ возникает перепад давлений, вызывающий переме­щение более холодных элементов объема газа в область более вы­соких температур и вытеснение оттуда нагретых элементов объема газа, испытывающих меньшее ориентирующее действие магнит­ного поля:

(32)

Это перемещение элементов объема газа, или так называемая магнитная конвекция, тем сильнее, чем выше парциальное давление парамагнитной составляющей смеси, т. е. чем выше абсолютное значение удельной магнитной восприимчивости.

Непосредственно измерить перепад давлений  трудно, поэтому термомагнитную конвекцию измеряют, в частности, тер­моанемометрами. В простейшем виде это может быть осущест­влено установкой вблизи полюсов магнитной системы нагрева­тельного элемента, выполняющего одновременно и функции анемометра. Термоанемометр представляет- собой стеклянную трубку, на наружной поверхности которой намотана спираль, состоящая из двух секций. При протекании тока через спираль последняя нагревается, образуя по длине трубки перепад температур с мак­симумом, соответствующим середине трубки. Такой градиент температур соответствует положению, при котором газовая смесь, содержащаяся в воздушном зазоре магнитной системы, является бескислородной.

При появлении в газовой смеси кислорода единичный объем этой смеси втягивается в воздушный зазор, подвергается действию теплового поля термоанемометра, теряя при этом свои магнитные свойства, и вытесняется более холодным газом, продолжающим поступать в воздушный зазор магнитной системы. При этом вдоль термоанемометра образуется поток газа (термомагнитная кон­векция), скорость которого тем выше, чем выше парамагнетизм этого газа или концентрация кислорода в этой смеси.

Поток термомагнитной конвекции охлаждает первую секцию термоанемометра и передает часть тепла второй секции термо­анемометра, изменяя тем самым градиент температур. При этом сопротивление первой секции термоанемометра падает, а второй — возрастает. Разность сопротивлений секций термоанемометра является функцией концентрации молекулярного кислорода в газовой смеси.

Рис. 11. Термоанемометры:

а — с внутренней конвекцией; б — с внешней конвекцией: 1 — термоанемометр, располо­женный под магнитными полюсами; 2 — термоанемометр, расположенный под ложными немагнитными наконечниками

Измерение термомагнитных усилий термоанемометрическим способом получило наибольшее применение. Термоанемометры, использующиеся для этих целей, разделяют на термоанемометры с внутренней конвекцией (рис. 11, а) и внешней конвекцией (рис. 11, 6). Термоанемометры с внешней конвекцией представ­ляют собой цилиндрический капилляр, на внешней поверхности которого намотана платиновая спираль, защищенная от воздей­ствия АГС покрытием, обычно остеклованием.

Принцип действия газоанализатора с термоанемометрами с внешней концентрацией аналогичен ранее описанному. При на­личии в АГС кислорода единичный объем этого газа втягивается в воздушный зазор магнитной системы, подвергается воздействию теплового поля термоанемометра 1, расположенного под полюсами магнита, нагревается, теряет свои магнитные свойства и вытесня­ется более холодным газом, втягивающимся в неоднородное магнитное поле рабочего зазора магнитной системы. Образовав­шийся поток термомагнитной конвекции F_M охлаждает первый термоанемометр и частично передает свое тепло второму термо­анемометру 2, расположенному под ложными немагнитными на­конечниками измерительной камеры. Электрическое сопротивление первого термоанемометра уменьшается, а второго возрастает. По их разности судят о концентрации кислорода в. АГС.

Использование термомагнитного метода при конструировании газоанализаторов для определения концентрации кислорода связано с неоднозначностью функциональной связи между факти­чески измеряемой и искомой величиной. Эта неоднозначность вы­звана зависимостью показаний прибора от свойств не только опре­деляемого компонента АГС — кислорода, но и свойств реальной смеси. С другой стороны, поскольку измерение магнитной воспри­имчивости кислорода затруднительно ввиду ее малого значения, а использование косвенных методов измерения предполагает слож­ную цепь преобразования магнитной восприимчивости в поток термомагнитной конвекции с последующим его измерением термо­анемометрическим способом, это приводит к дополнительным затруднениям и связанным с ними методическим погрешностям.

На показания газоанализаторов влияют: неопределяемые ком­поненты пробы АГС, температура и давление пробы АГС. Перед разработчиками аналитических приборов стоят задачи обеспе­чения стабильности параметров при длительной эксплуата­ции; оптимальных динамических характеристик; необходимой технелогичности конструкций; универсальности, исключающей мно­гообразие конструкций измерительных камер, схемных реше­ний и т. п.

Указанные задачи реализуют разнообразными средствами, главные из которых — создание специфичной конструкции измери­тельной камеры и чувствительного элемента, а также оригиналь­ных схемных решений.

Для устранения (уменьшения) влияния температуры и дав­ления пробы АГС на показания прибора возможны следующие варианты: стабилизации параметров и компенсация влияния.

Стабилизация параметров позволяет использовать простые и надежные конструкции измерительных камер, упрощает техно­логию изготовления и наладки газоанализаторов. Реализация компенсационных способов устранения (уменьшения) влияния давления и температуры приводит к созданию сложных много­камерных конструкций измерительных систем с одновременным усложнением электрических схем приборов, а также технологии изготовления и наладки.

К первой категории измерительных камер относится кольцевая измерительная камера. Чувствительный элемент — трубчатый термоанемометр, совмещающий в себе нагревательный элемент и терморезистор.

Конструкция кольцевой измерительной камеры позволяет создавать многошкальные приборы, нижний предел измерения которых начинается с нуля: 0—1, 0—2, 0—5, 0—10, 0—15, 0—21, О—50, 0—100 % (об.) — при горизонтальном расположении термоанемометра, а также шкалы с подавленным нулем: 15—30, 20—50, 50—100, 80—100, 90—100, 95—100, 98—100% (об.) — при наклонном (вертикальном) расположении термоанемометра.

В кольцевой измерительной камере сравнительно легко устра­няется влияние неопределяемых компонентов, для этого обеспе­чивают необходимую тепловую симметрию термоанемометра при нулевом значении концентрации кислорода в пробе АГС.

В газоанализаторах МГК-14М, ГТМК-ПМ, ГТМК-12М и ГТМК-16М в начальной части диапазона влияние неопределяемых компонентов не наблюдается и достигает в конце диапазона ±5 % относительно верхнего предела диапазона при замене 10 % одного неопределяемого компонента 10 % другого. Это по­зволяет использовать кольцевые измерительные камеры в усло­виях, когда анализу подлежат сложные многокомпонентные газовые смеси, характеризующиеся значительными колебаниями концентраций неопределяемых компонентов. В настоящее время газоанализаторы с кольцевыми камерами широко используют в различных отраслях науки и техники, прежде всего в химии, металлургии и энергетике. Указаные газоанализаторы дешевы, надежны и отвечают современным требованиям метрологического обеспечения.

К недостаткам кольцевых камер относят большую зависимость показаний приборов от положения в пространстве, что исключает их эксплуатацию на подвижных объектах: судах, самолетах, поездах и т. п.

В том случае, когда диапазон давлений, в котором работают стабилизаторы давления (регуляторы абсолютного давления), недостаточен, применяют газоанализаторы, принцип действия которых основан на компенсации потока термомагнитной конвек­ции тепловой конвекцией. Применение кольцевых камер при этом не является оптимальным. Это второй недостаток кольцевой камеры.

Многокамерные системы созданы главным образом для устра­нения влияния давления и температуры пробы АГС компен­сационными способами. Представляют интерес конструктивные и схемные решения, реализованные в газоанализаторе типа МН (рис. 12).

В газоанализаторе в качестве измерительной схемы исполь­зованы два моста: рабочий I и сравнительный II.

Рабочий мост собран из чувствительных элементов  R₁— R₄, расположенных в камере, через которую пропускается проба АГС. Сравнительный мост собран из чувствительных элементов R₅— R₈, размещенных в камере, через которую пропускается сравни­тельный газ — атмосферный воздух. Потоки пробы АГС и срав­нительного газа на выходе из камер объединяются, достигается равенство давлений в обеих камерах, встроенных в латунный блок.

 

  Рис. 12. Схема газоанализатора типа МН: I, II — рабочий и сравнительный мосты; 1 — реохорд; 2 — шкала; 3 — подвижной квнтакт (поводок) реохорда; 4 — реверсивный двигатель; 5 — усилитель

 

Обозначим напряжение в диагонали съема моста I через U₁, в диагонали съема моста II — U₂, а напряжение, снимаемое с участка реохорда I — U₃. Напряжения U₁ и U₂ сдвинуты по фазе на 180°. Усилитель переменного тока 5управляет ревер­сивным двигателем 4, перемещающим подвижный контакт 3ре­охорда 1 и механически связанную с ним стрелку (указатель) шкалы 2до тех пор, пока напряжение на выходе усилителя не станет равным нулю. В момент равновесия схемы напряжение U_l компенсируется равным ему и сдвинутым по фазе на 180° напряжением U₁. Положение подвижного контакта 3реохорда 1, а следовательно, и положение указателя шкалы 2 определяются как отношение U₁/ U₂.

Действительно, в момент равновесия схемы U₁= U_l = U₂(l/z), откуда l=z( U₁/ U₂)  где z— длина реохорда, а l — расстояние от подвижного контакта 3 реохорда 1.

Так как при изменении давления и температуры пробы АГС, а также напряжения питания прибора U₁ и U₂ меняются по одному и тому же закону, то показания газоанализатора не за­висят от указанных факторов.

В многокамерных газоанализаторах используются чувстви­тельные элементы с наружной конвекцией, размещаемые между полюсами магнитов и ложными наконечниками.

Если рассмотренные схемные и конструктивные решения многокамерных систем в какой-то мере устраняют влияние дав­ления и температуры пробы АГС, то они не предотвращают влия­ние неопределяемых компонентов пробы АГС. Положение усугуб­ляется тем, что на чувствительные элементы действуют не только упорядоченные потоки термомагнитной конвекции, но и огромные потоки тепловой конвекции, сила которых определяется плот­ностью газа, т. е. переменной величиной, зависящей от состава пробы АГС. Причем если для кольцевых камер в отсутствие кисло­рода поток тепловой конвекции равен нулю и влияние плотности отсутствует, то в рассматриваемых многокамерных системах поток тепловой конвекции не связан с наличием кислорода в пробе АГС, он всегда имеет определенное значение и влияние плотности максимально. Для многокамерных систем характерно большое число модификаций, различающихся не только шкалами, но и, что более важно, конструкциями камер и схемными реше­ниями.

На базе многокамерных систем возможно создание модифи­кации для использования на подвижных объектах.

Потоки термомагнитной конвекции, охлаждающие рабочие ЧЭ, имеют противоположные направления. Потоки свободной теп­ловой конвекции, возникающие при наклоне камеры, суммируются с одним из потоков термомагнитной конвекции и частично компен­сируются другим потоком.

Таким образом, поскольку измеряемый эффект представляет собой сумму эффектов, реализуемых рабочими ЧЭ, то теорети­чески погрешность от влияния наклона камеры должна компен­сироваться. Практически же в газоанализаторах, в которых используется описанная конструкция камеры, например в газо­анализаторе МН-5112 (переносный), допустимое значение угла наклона, при котором возникает погрешность, не превышающая основную, составляет 45°.

Преимущество многокамерных систем — использование ми­ниатюрных малоинерционных чувствительных элементов, обеспечивающих устойчивую работу газоанализаторов в условиях механических воздействий. Инерционность таких ЧЭ не пре­вышает 30 с при крутизне номинальной статической характе­ристики 20—25 мВ на 1 % (об.) кислорода.

Многокамерные газоанализаторы выпускаются отечествен­ными приборостроительными заводами. Это газоанализаторы, в которых используется схема компаратора напряжения пере­менного тока МН-5130, МН-5121 — МН-5128, а также газо­анализаторы типов МН-5106М и МН-5110Т4.

С двухкамерными первичными преобразователями выпуска­ются газоанализаторы «Magnos 5», «Magnos 5T» фирмы «Hart-man and Braun» (ФРГ), модель 6500 фирмы GKHP (Англия), модель 7803 фирмы «Leeds and Northrup» (ФРГ)

Четырехкамерный газоанализатор выпускает американская фирма «Mine Safety Appliances Company», а тдкже фирма «Sie­mens» (ФРГ).

Недостатки — сложность, низкая надежность, низкий уровень унификации, сложность технологии изготовления и наладки, не­достаточно высокие метрологические характеристики, трудность реализации частных задач, обусловленных большим диапазоном воздействия давления пробы АГС и ужесточением требований при их использовании на подвижных объектах.

Таким образом, сопоставление однокамерных (кольцевых) и многокамерных систем свидетельствует в пользу однокамерных. Вместе с тем нельзя признать кольцевую камеру единственно приемлемой для использования в базовой конструкции унифици­рованного термомагнитного газоанализатора на кислород, по­скольку и она не является универсальной.

В СССР разработана так называемая О-образная камера, обладающая рядом преимуществ по сравнению с классической кольцевой измерительной камерой.

О-образная измерительная камера состоит из двух парал­лельно расположенных стеклянных трубок с двумя секциями, выполняющих одновременно функции терморе­зисторов — термоанемометров.

Измерительная камера работает следующим образом. Проба АГС втягивается в термоанемометр, находящийся под полюсами магнитной системы. При этом газ, нагреваясь, теряет свои маг­нитные свойства и выталкивается более холодным газом, про­должающим поступать в верхнюю полость, где происходит по­стоянная смена газа.

В О-образном контуре камеры создается поток термомаг­нитной конвекции, который изменяет сопротивление секций тер­моанемометров, включенных в мостовую схему. По разбалансу моста судят о концентрации кислорода в пробе АГС.

В термоанемометрах действуют потоки термомагнитной и теп­ловой конвекции. Результирующий поток в О-образном контуре определяют по формуле:

F_к = F_м - F_t1+ F_t2(33)

где F_K — результирующий поток О-образного контура; F_м — поток термомаг­нитной конвекции; F_t1— поток тепловой конвекции 1-го термоанемометра; F_t2 — поток тепловой конвекции 2-го термоанемометра.

В зависимости от соотношений потоков тепловых конвекции F_t1 и F_t2 при одной и той же конструкции измерительной камеры можно получить различные функциональные решения.

Так, при достижении равенства F_t1= F_t2, обеспечиваемого соответствующим симметрированием секций термоанемометров, можно достичь диапазона, нижний предел которого начинается с нуля, и достигаются условия, при которых изменение угла наклона в широком интервале не влияет на показания прибора. На самом деле, при равенстве F_t1= F_t2  в О-образном контуре действует только термомагнитная конвекция, не зависящая от угла наклона. Это обстоятельство придает О-образной камере новые качества, расширяющие область ее использования.

При варьировании значением  F_t2 в широких пределах можно обеспечить F_к = 0 на различных участках диапазона измерения.

При F_t1 = F_t2 нуль потоков, или F_к = 0, достигается при F_м =0, т. е. в нулевой точке диапазона измерения (концентрация кисло­рода в пробе АГС равна нулю). При изменении давления пробы АГС погрешности в этой точке диапазона измерения не появ­ляются.

Значение F_к = 0 можно реализовать и в любой другой точке диапазона измерения, обеспечив равенство F_м = F_t1 — F_t2  при определенной концентрации кислорода в пробе АГС.

Универсальность О-образной камеры предопределяет раз­личные варианты схем включения при неизменных параметрах самой камеры.

На рис. 13, а изображена схема включения О-образной камеры, в которой один термоанемометр расположен под магнитными наконечниками и используется в качестве измерителя, а второй термоанемометр — в качестве нагревателя для обеспечения компенсации потоков термомагнитной и результирующей тепловой конвекции в одной из точек диапазона измерения.

Рис. 13. О-образная камера:

а — с двумя термоанемометрами: одним измерительным, другим нагревательны-м; б — с двумя измерительными термоанемометрами

Для увеличения чувствительности камеры и одновременного обеспечения компенсации потоков предпочтительнее включать камеру по схеме, изображенной на рис. 23, б. Здесь оба термо­анемометра используются в качестве измерительных, а второй термоанемометр одновременно выполняет и функции нагревателя, создающего дополнительный поток тепловой конвекции для обеспечения компенсации потоков. При этом наиболее эффективно в качестве измерителя второй термоанемометр будет использо­ваться для диапазонов, нижний предел которых начинается с нуля, так как протекающий через него ток практически не отличается от тока, протекающего через первый термоанемометр, и менее эффективно для диапазонов с подавленным нулем, особенно в узких пределах измерения.

О-образная измерительная камера позволяет разработать компенсационный термомагнитный газоанализатор, обладающий более высокими метрологическими характеристиками. Принцип действия термомагнитных компенсационных газоанализаторов основан на непрерывном поддержании равенства термомагнитных и компенсирующих усилий, действующих на пробу АГС. Для тер­момагнитных компенсационных газоанализаторов, использующих тепловую конвекцию для обеспечения условий компенсации, F_к = 0 или F_м  = F_t.

Преимуществами компенсационных газоанализаторов яв­ляются: полная независимость показаний от давления пробы АГС; меньшая зависимость от температуры; высокая точность; универ­сальность, т. е. возможность разработки приборов с любыми пределами измерений.

Рис. 14. Схема термомагнитного газоана­лизатора с О-образной камерой: / — резистор; 1 — магнитные наконечники; 3 — термоанемометр; 4 — измерительная ка­мера; 5 — нагреватель; 6 — измерительный прибор; 7 — источник питания; S — усилитель

На рис. 14 представлена схема одного из термомагнитных газоанализаторов, в котором использована О-образная измерительная камера.

Измерительная камера 4состоит из расположенного под маг­нитными наконечниками 2 термоанемометра 3, который вместе с элементами 1 мостовой схемы образует первичный измеритель­ный преобразователь, реагирующий на изменение концентрации кислорода в пробе АГС. Сигнал с диагонали съема моста по­дается на вход усилителя 8, его выход связан с входом управляемого источника питания 7, нагрузкой которого служит нагре­ватель 5, являющийся устройством для создания компенсирующего патока тепловой конвекции. Измерительный прибор 6включен в цепь питания нагревателя.

Газоанализатор работает следующим образом. При отсутствии в пробе АГС кислорода отсутствует и поток термомагнитной конвекции F_M. Создаваемый термоанемометром 3поток тепловой конвекции F_t1  уравновешен потоком тепловой конвекции F_t2, создаваемым нагревателем 5 при протекании через последний начального тока. Это состояние газоанализатора соответствует исходному состоянию, когда концентрация кислорода в пробе АГС равна нулю. При этом на входе в усилитель сигнал рассогласо­вания отсутствует.

При появлении в пробе АГС кислорода возникает поток термо­магнитной конвекции F_м вызывающий разбаланс мостовой схемы. На входе в усилитель появляется сигнал, который после усиления воздействует на управляемый источник питания таким образом, чтобы уменьшить ток через нагреватель 5. При этом уменьшается поток тепловой конвекции F_t2 и увеличивается результирующий поток тепловой конвекции F_T = F_t1 — F_t2.

Результирующий поток тепловой конвекции будет увеличи­ваться до тех пор, пока он не уравновесит возникший поток термомагнитной конвекции, т. е. пока не наступит равенство F_K = F_T. При этом на входе в усилитель сигнал вновь станет рав­ным нулю, а изменившееся значение тока питания нагревателя 5 будет функцией концентрации кислорода в пробе АГС. Ана­логичным образом действует газоанализатор и при диапазонах с подавленным нулем. В этом случае исходному положению со­ответствует такое состояние компенсации, когда начальному значению потока термомагнитной конвекции соответствует равное ему значение результирующего потока тепловой конвекции. Рассмотренный термомагнитный компенсационный газоана­лизатор обеспечивает компенсацию при любых концентрациях кис­лорода в пробе АГС.

Прибор Газоанализатор АГ0011 [4]

Предназначен для непрерывого автоматического измерения объемной доли кислорода в невзрывоопасных двух или многокомпонентных газовых смесях (в т.ч. и воздухе) и выдачи измерительной информации в виде показаний по цифровому дисплею и стандартных электрических выходных сигналов информационной связи с другими изделиями

Область применения: металлургические, нефтеперерабатывающие заводы, ТЭС, электролизные и другие технологические установки.

Тип газоанализатора – стационарный

Способ забора пробы – принудительный

Принцип работы – термомагнитный

 

Наименование измеряемого компонента	Диапазон измерения объемной доли, %	Пределы допускаемой приведенной основной погрешности, %	Наименование неизмеряемого компонента анализируемой среды
Кислород	0-1	±5, 0	Азот не нормируется; Один из компонентов: водород - от 0 до 1, 2% метан - от 0 до 1, 2% двуокись углерода от 0 до 15% ⇐ Предыдущая1234 Поделиться:

Последнее изменение этой страницы: 2019-10-04; Просмотров: 190; Нарушение авторского права страницы