Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Ионизационные газоанализаторы



 

Принцип действия этих анализаторов состоит в ионизации анализируемого вещества и измерении ионного тока. В практике аналитического контроля в настоящее время находят применение в основном ионизационные газоанализаторы, различающиеся по способу ионизации анализируемого газа (ионизация радиоактивных излучений, фотоионизация, поверхностная ионизация, ионизация в тлеющем разряде и т. д.).

 

На рис. 11.10 приведены схемы радиоактивных (радиоизотопных) ионизационных газоанализаторов. Анализируемый газ (рис. 11.10, а) поступает в камеру 1 (называемую ионизационной) с постоянным объемным расходом. Под действием источника излучения - или -лучей 2 молекулы анализируемой бинарной или псевдобинарной газовой смеси ионизируются. Между источником 2 и анодом 3, укрепленным на фторопластовом изоляторе 4, под действием электрического потенциала стабилизированного источника 7 (полярность включения источника соответствует случаю ионизации -лучами) проходит ионный ток. Значение этого тока измеряется электрометрическим преобразователем 5, выходной унифицированный сигнал которого посылается на потенциометр 6, и определяется выражением

(11.36)

где — коэффициент преобразования радиоактивного ионизационного газоанализатора; — эффективное сечение ионизации анализируемой газовой смеси.

Эффективное сечение ионизации для газов является аддитивным свойством, что определяет возможность измерения концентрации определяемого компонента в соответствии с выражениями (11.5) или (11.19). Обычно в ионизированных газоанализаторах используют источники -излучения 3Н, 90Sr и 147Pm. Напряжение, прикладываемое между источником и коллектором 3, составляет 100—300 В.

Радиоактивные ионизационные газоанализаторы с достаточной для многих случаев чувствительностью могут работать в генераторном режиме, т. е. без внешнего источника потенциала (рис. 11.10, б), когда расстояние между плоским по конструкции источником излучения 2 и анодом 3 составляет несколько десятых долей миллиметра.

Радиоактивные ионизационные газоанализаторы обладают малой инерционностью и имеют классы точности 2—5. Они находят применение в газовой хроматографии (см. гл. 12), а также используются в составе аэрозольно-ионизационных газоанализаторов. Принцип действия этих комбинированных газоанализаторов состоит в предварительном воздействии на анализируемый газ, при котором определяемый компонент избирательно преобразуется в аэрозоль.

Число образующихся аэрозольных частиц, пропорциональное концентрации определяемого компонента, измеряется по силе токa I в ионизационной камере:

(11.37)

где - начальное значение силы тока; N — постоянная Брикарда, определяемая вероятностью осаждения газовых ионов на аэрозольных частицах; — коэффициент, зависящий от плотности и формы аэрозольных частиц; — время «жизни» газовых ионов в камере, определяемое ее конструкцией и напряженностью электрического поля; — массовая концентрация аэрозольных частиц; — средний радиус аэрозольных частиц.

Для преобразования определяемого компонента анализируемой газовой смеси в аэрозоль используются: химические реакции, пиролиз, каталитическая конверсия.

На рис. 11.10, в показана схема аэрозольно-ионизационного газоанализатора, в котором для преобразования определяемого компонента в аэрозоль используется химическая реакция. В этом анализаторе в отличие от анализатора на рис. 11.10, а имеется устройство 8, в котором вспомогательный газ (обычно воздух) насыщается парами реагента, служащего для образования аэрозоля. Газовый поток из устройства 8 поступает в камеру 1, где смешивается с потоком анализируемого газа. Образовавшаяся в результате химической реакции определяемого компонента и паров реагента аэрозоль изменяет ионный ток в ионизационной камере. Аэрозольно-ионизационные анализаторы обычно используются для контроля концентраций микропримесей вредных веществ, в том числе оксидов азота, хлористого водорода, аммиака, аминов. Диапазоны измерений от 0—0, 5 до 0—50 мг/м3. Классы точности 10—15.

Явление поверхностной ионизации используется в работе анализатора, схема которого показана на рис. 11.10, г. Анализируемый газ поступает в камеру 1 анализатора с постоянным объемным расходом. В этой камере размещены керамический пористый цилиндр 2, на который намотана платиновая нить 3, нагреваемая током источника 8 до температуры 800—1000 °С. Эта нить служит анодом. В качестве катода используется платиновый цилиндр 4. Между анодом и катодом приложено напряжение 50—500 В от источника 7. Расстояние между электродами 1—2 мм. Ионный ток между электродами определяется в основном эмиссией щелочноземельных металлов при нагревании платиновой нити. Для обеспечения стабильности работы керамический цилиндр 2 предварительно пропитывают едким кали (КОН).

Газоанализатор, основанный на поверхностной ионизации, обладает селективной чувствительностью к галогенсодержащим соединениям, увеличение концентрации которых в анализируемом газе приводит к увеличению ионного тока. Значение ионного тока преобразуется с помощью электрометрического преобразователя 5 в унифицированный электрический сигнал, поступающий на потенциометр 6. Данный газоанализатор способен измерять микроконцентрации галогенсодержащих соединений. Классы точности 10—15. Переносные газоанализаторы такого типа широко используются в качестве так называемых течеискателей при создании, эксплуатации и испытаниях холодильных аппаратов, кондиционеров и других систем, в работе которых используются фреоны различных марок.

 

Термохимические анализаторы

 

Принцип действия термохимических анализаторов состоит в использовании теплового эффекта химической реакции, протекающей между определяемым компонентом анализируемой смеси и вспомогательным реагентом. Сигналом измерительной информации в термохимических анализаторах служит температура, значение которой зависит от теплового эффекта химической реакции. Термохимический принцип анализа используется для создания анализаторов газов и жидкостей. Для создания термохимических газоанализаторов используются химические реакции окисления на каталитически активной поверхности, в пламени и в газовых потоках. Для термохимических газоанализаторов жидкостей применяются реакции разбавления (разведения), нейтрализации и смешения, а также реакции с использованием специфических реагентов.

На рис. 11.11 приведены схемы термохимических газоанализаторов, в работе которых используется тепловой эффект реакции окисления горючих газов на каталитически активной поверхности.

Изменение температуры при таком окислении (горении) определяется выражением

(11.38)

где — постоянный коэффициент, зависящий от природы определяемого компонента и конструктивных параметров чувствительного элемента анализатора; — низшая удельная объемная теплота сгорания компонента; с — объемная концентрация определяемого компонента.

В термохимическом анализаторе (рис. 11.11, а) анализируемый газ воздушным эжектором (струйным насосом) 3 прокачивается через кран 10 и камеру 1. В камере размещены взрывопреградительные сетки 2 и 7, измерительный 4 и сравнительный 5 чувствительные элементы. Последний закрыт колпачком 6 и служит для устранения влияния изменения окружающей температуры на сигнал газоанализатора. В качестве чувствительных элементов в этих газоанализаторах используются платиновые проволочки с активированной поверхностью или так называемые пеллисторы. Конструкция чувствительного элемента с платиновой проволочкой показана на рис. 11.11, б. Проволочка 2 диаметром 0, 03—0, 05 мм укреплена между держателем 1 и контактом 4, размещенным в изоляторе 3. Пеллистор (рис. 11.11, в) представляет собой платиновую проволочку 3 диаметром 0, 03—0, 05 мм, заключенную в шарик 2 или цилиндр из оксида алюминия, покрытый слоем 1 платино-палладиевого катализатора. Чувствительные элементы в термохимических газоанализаторах (рис. 11.11, а) нагреваются током неравновесного моста 5 до температуры 200—500 °С. При сгорании на поверхности измерительного чувствительного элемента горючего определяемого компонента температура элемента увеличивается, что вызывает увеличение электрического сопротивления платиновой проволочки, а это, в свою очередь, вызывает разбаланс электрического моста, измеряемый вторичным прибором 9 и описываемый выражением

(11.39)

где — постоянный коэффициент для данного неравновесного моста; — коэффициент преобразования анализатора.

Для проверки и корректировки нулевого значения сигнала газоанализатора через кран 10 в камеру 1 может быть направлен воздух, не содержащий горючих компонентов. Чувствительный элемент, представленный на рис. 11.11, в, обладает значительно большей стабильностью, чем чувствительный элемент на рис. 11.11, б, за счет большой поверхности. В то же время он имеет большую инерционность.

Газоанализатор, показанный на рис. 11.11, а, в настоящее время является одним из наиболее распространенных в промышленности средств аналитической техники по той причине, что он используется в качестве сигнализатора взрывоопасных концентраций газов и паров в воздухе. Сигнализируемые значения 5—50 % нижнего предела взрываемости (НВП) для горючих газов и паров и 5—20 % НВП — для водородовоздушных смесей, время реакции 30 с.

В термохимическом газоанализаторе (рис. 11.11, г) используется насыпной катализатор. Его температура, изменяющаяся при сгорании на нем определяемого компонента, измеряется платиновым терморезистором. Анализируемый газ с постоянным объемным расходом поступает через теплообменник 6 в сравнительную камеру 7, а затем — в измерительную камеру 1. Эти камеры выполнены в корпусе 5 из нержавеющей стали, температура которого автоматически стабилизируется на значении (200±5) °С с помощью электронагревателя 4 и регулятора (на рис. 11.11, г не показан). Камера 7 заполнена неактивной массой, а камера 1 — катализатором (платина, нанесенная на оксид алюминия). Терморезисторы 8 и 2, размещенные соответственно в неактивной массе и в катализаторе, включены в неравновесный мост 10, сигнал которого измеряется электронным потенциометром 11.

Термохимические газоанализаторы (рис. 11.11, г) применяются для измерения малых концентраций горючих газов (СО, Н2, CH4, пары углеводородов) в воздухе или кислороде, а также для измерения малых (от 0—0, 5 до 0—1 % об.) концентраций кислорода в горючих газах. Класс точности 5, время реакции 300 с.

Новым типом термохимических газоанализаторов являются озонолизные (от греч. ozon— пахнущий и lysis — разрушающий), в работе которых используется тепловой эффект селективной реакции озона с газообразными олефинами, протекающей в газовых потоках. В результате этой реакции озоном разрушается двойная связь между атомами углерода в молекуле олефина и выделяется большое количество тепловой энергии (420 кДж/моль), возникает люминесценция и образуются высококипящие продукты реакции — озониды, которые при нормальной температуре конденсируются и образуют аэрозоль.

 

На рис. 11.12, а показана схема анализатора концентрации олефина (этилена, пропилена или бутилена) в многокомпонентной газовой смеси. Анализатор является устройством циклического действия с импульсным вводом анализируемого вещества. Он имеет два режима работы: «Подготовка» и «Анализ».

Управление работой анализатора осуществляется управляющим устройством 10. В режиме «Подготовка» воздух из блока подготовки газов 7 с постоянным объемным расходом прокачивается через автоматический дозатор 8 (см. гл. 12), трубу 9 и камеру 3. В эту же камеру через штуцер 5 с постоянным объемным расходом подается озонсодержащий газ, образующийся из воздуха в озонаторе 6. Газовый поток покидает камеру через штуцер 1. В режиме «Подготовка» дозируемый объем дозатора 8 промывается анализируемым газом. Этот режим длится 30 с. Затем по сигналу управляющего устройства 10 проба анализируемого газа вводится дозатором 8 в поток воздуха (газа-носителя), протекающего через него. Начинается режим работы «Анализ». Колонка 9 служит для создания небольшого (20—30 с) интервала времени между отбором пробы и ее поступлением в камеру 3. Когда проба анализируемого газа с потоком газа-носителя начинает вытекать из сопла 4, озон вступает в реакцию с олефином, содержащимся в анализируемой газовой смеси. Образующиеся продукты реакции конденсируются на поверхности батареи 2 из четырех хромель-копелевых термоэлектрических чувствительных элементов, сигнал которой преобразуется в унифицированный токовый сигнал нормирующим преобразователем 11 и имеет форму пика (см. рис. 9.3, б). Сигнал преобразователя 11 воспринимается потенциометром 12 или предварительно вычислительным устройством, определяющим и запоминающим на один цикл работы анализатора амплитуду пика (см. рис. 12.10). Названный параметр пика определяет концентрация олефина в анализируемой газовой смеси. Температура в аналитическом блоке 14 анализатора поддерживается равной (100±1) °С путем подачи и конденсации в емкости 13 насыщенного водяного пара при атмосферном давлении.

Использование реакции озона с олефинами позволяет измерять также суммарную концентрацию олефинов в многокомпонентных газовых смесях и концентрацию этилена в смесях, содержащих пропилен и бутилен. Анализаторы, обеспечивающие получение этой измерительной информации, отличаются от описанного выше только конструкцией первичного измерительного преобразователя. Показанный на рис. 11.12, б первичный измерительный преобразователь обеспечивает измерение суммарной концентрации олефинов. В корпусе 1 (длиной 200—250 мм) установлено сопло 2, и на оси размещены спаи 20 термоэлектрических чувствительных элементов, образующих батарею 3. Сигнал батареи воспринимается нормирующим преобразователем 4. Размещение термоэлектрических чувствительных элементов по оси камеры обеспечивает получение информации о суммарном количестве тепловой энергии, которое выделяется в результате полного озонолиза всех олефинов, содержащихся в анализируемой смеси. Сигнал батареи 3 имеет форму пика (см. рис. 9.3, б), площадь которого вычисляется и запоминается на один цикл работы анализатора вычислительным устройством 5 и служит мерой суммарной концентрации олефинов в анализируемой смеси.

В основе работы анализатора концентрации этилена в многокомпонентных газовых смесях, содержащих другие олефины, лежит различие в константах скоростей реакций индивидуальных олефинов с озоном. Обычно в многокомпонентных газовых смесях помимо этилена присутствуют еще пропилен и бутилен. Константы скоростей реакций озона с бутиленом и пропиленом существенно превосходят эту величину для этилена. Это и обеспечивает возможность избирательного измерения концентрации последнего. Первичный измерительный преобразователь (рис. 11.12, в) анализатора концентрации этилена отличается от преобразователя (рис. 11.12, б) только тем, что в нем используется батарея 3 из четырех термоэлектрических чувствительных элементов, которая располагается в камере 1 на таком удалении от сопла 2 по газовому потоку, при котором реакции озона с пропиленом и бутиленом при принятой скорости движения газового потока успевают полностью завершиться, а продукты реакции охладиться до температуры газового потока. Поэтому в зоне, где размещена батарея 3, будет протекать только реакция оставшегося этилена с озоном. Сигнал батареи 3 имеет форму пика, амплитуда которого пропорциональна концентрации этилена. Этот сигнал после нормирующего преобразователя 4 поступает в потенциометр 5 или предварительно в вычислительное устройство, определяющее и запоминающее амплитуду сигнала на один цикл работы анализатора.

Диапазоны измерений озонолизных газоанализаторов от 0—5 до 0—100 % об.; продолжительность одного цикла 3—5 мин; классы точности 3—5 (в зависимости от диапазона измерений). Озонолизные газоанализаторы предназначены для автоматического контроля базовых нефтехимических процессов. Схема термохимического анализатора жидкостей показана на рис. 11.13. В анализаторе вспомогательная и анализируемая жидкости непрерывно поступают соответственно в напорные емкости 1 и 13, снабженные переливными трубками 2 и 12. Через капилляры 3 эти жидкости стекают в воронку 4. В воронке 4 и реакционной камере 5 происходит смешение жидкостей и выделение тепловой энергии. Через трубку 1 смесь, нагревшаяся в результате реакции жидкостей, стекает в измерительную камеру 6, где ее температура измеряется термоэлектрическим чувствительным элементом 7. Через трубку 9 жидкость выводится из анализатора. Корпус 11 анализатора покрыт термоизоляционным материалом. Сигнал термоэлектрического чувствительного элемента 7 воспринимается автоматическим потенциометром 8 или нормирующим преобразователем.

Сигнал термоэлектрического чувствительного элемента в термохимическом анализаторе является мерой концентрации определяемого компонента в анализируемой жидкости.

Термохимические анализаторы предназначены для измерения концентраций водных растворов неорганических кислот и щелочей, солей и спиртов, концентраций ароматических углеводородов, воды в нефтях и нефтепродуктах, для измерения кислотного числа нефтепродуктов и т. п. В качестве вспомогательных жидкостей — реагентов — используются: вода, щелочи, кислоты, спирты, специальные растворители. Диапазоны измерений от 0—0, 1 до 0—100%, время реакции не более 120 с, классы точности 2—5 (в зависимости от решаемой задачи и диапазона измерений).

 


Поделиться:



Последнее изменение этой страницы: 2017-03-15; Просмотров: 860; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.029 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь