Термокондуктометрические газоанализаторы

 

Принцип действия термокондуктометрических (от лат. conductor - проводник) газоанализаторов основан на процессе теплопереноса в газах под действием градиента температур. Термокондуктометрические анализаторы по принципу действия относятся к тепловым средствам измерений (см. гл. 9). Теплопроводность определяет собой количество тепловой энергии, проходящей через единицу площади, за единицу времени при градиенте температуры, равном единице температуры на единицу длины. Размерность теплопроводности в СИ Дж/(град*с*м) или Вт/(град*м).

Передача тепловой энергии теплопроводностью происходит при столкновении между собой молекул, имеющих различную кинетическую энергию. Теплопроводность газов пропорциональна произведению длины свободного пробега молекул на их число в единице объема. Она практически не изменяется при больших изменениях давления, пока длина свободного пробега молекул не становится соизмеримой с размерами емкости, в которой расположен газ. Для подавляющего большинства газов теплопроводность заметно возрастает с увеличением температуры. Для многих газов и паров жидкостей величина, обратная теплопроводности,

(11.20)

- тепловое сопротивление - с высокой точностью является аддитивной, где - тепловое сопротивление анализируемой газовой смеси; - тепловое сопротивление i-го компонента смеси; с_i — объемная концентрация i-го компонента.

Измерение теплового сопротивления анализируемой газовой смеси осуществляется в термокондуктометрических газоанализаторах по электрическому сопротивлению терморезистора в процессе передачи тепловой энергии от этого терморезистора, нагреваемого электрическим током до некоторой температуры, через слой анализируемого газа постоянной толщины к стенкам камеры, в которой этот терморезистор размещен, имеющим меньшую, чем терморезистор, постоянную температуру.

Основной частью термокондуктометрического газоанализатора является детектор, представляющий собой металлический блок l (рис. 11.1, а), в котором высверлены две или чаще четыре камеры 2, 6, 7, 8 цилиндрической формы. В каждой из камер в проволочных держателях 4, укрепленных в электроизоляционной обойме 5, размещены металлические или полупроводниковые терморезисторы 3. Металлические терморезисторы выполнены из платиновой, вольфрамовой или вольфрамрениевой проволоки диаметром 0, 02—0, 05 мм. Иногда проволока защищена от коррозии стеклянной оболочкой. Сопротивление металлических терморезисторов составляет обычно 5—60 Ом. Полупроводниковые терморезисторы выполнены в виде бусинок диаметром 0, 2—0, 5 мм с сопротивлением 2—30 кОм.

Схема термокондуктометрического газоанализатора показана на рис. 11.1, б. Анализируемый и вспомогательный газы поступают из блока подготовки газов 9 с постоянными объемными расходами соответственно в соединенные последовательно камеры 2, 6 и 8, 7 (рис. 11.1, а). Размещенные в этих камерах измерительные и сравнительные терморезисторы включены в неравновесный мост, для питания которого служит стабилизированный источник питания 11 (обычно постоянного тока). Напряжение питания подбирают таким, чтобы терморезисторы были нагреты до температуры 50— 200°С. Резистор служит для настройки начального уровня сигнала неравновесного моста, резистор — для настройки коэффициента передачи. Тепловая энергия, выделяющаяся на терморезисторах , отводится в общем случае за счет теплопроводности через слой газа, конвекции, излучения и теплопроводности в тонких креплениях терморезистора. Режим работы терморезисторов подбирают так, чтобы теплопередача в камерах детектора происходила практически полностью за счет теплопроводности через слой газа.

Когда теплопроводности анализируемого и сравнительного газов одинаковы, с помощью резистора на измерительной диагонали моста устанавливается нулевое значение сигнала. При изменении теплопроводности смеси условие теплопередачи в камерах 2 и 6 изменяется, а в камерах 7 и 8 остается прежним. Это вызывает изменение сопротивлений терморезисторов . В результате на измерительной диагонали моста возникает разбаланс, часть которого с резистора поступает в промежуточный преобразователь 12, вырабатывающий унифицированный сигнал. Этот сигнал воспринимается автоматическим потенциометром 13. Разбаланс моста описывается выражением [22]:

, (11.21)

где - коэффициент преобразования термокондуктометрического газоанализатора; - тепловое сопротивление анализируемой смеси и слоя вспомогательного газа соответственно.

Это выражение по структуре аналогично выражению (11.16), что определяет справедливость для термокондуктометрических анализаторов всех ранее приведенных выводов (см. § 11.1).

В термокондуктометрических анализаторах аналитическое устройство 10 обычно термостатируется либо применяются дополнительные устройства, осуществляющие коррекцию показаний анализатора в зависимости от его температуры [19]. Иногда камеры 7 и 8 выполняют герметичными и заполняют газом с теплопроводностью, соответствующей нижнему пределу измерений газоанализатора.

Термокондуктометрические газоанализаторы применяются для измерения концентрации Н₂, Не, СО₂, SО₂, NН₃, Аr, Сl₂ в бинарных и псевдобинарных газовых смесях. Они также очень широко используются в качестве детекторов в газовых хроматографах (см. гл. 12).

Технические характеристики термокондуктометрических газоанализаторов: диапазон измерений от 0-1 до 0-100%, чувствительность 5—20 мВ/% об.; классы точности 2, 5-10 (увеличивается с уменьшением диапазона измерений); время реакции 60—120 с.

 

⇐ Предыдущая15161718192021222324Следующая ⇒

Поделиться: