Методы и приборы для анализа состава и измерения параметров веществ общие сведения. Классификация методов и приборов для анализа состава и измерения параметров веществ

ТЕРМОКОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

В основу работы термокондуктометрических газоанализаторов положен метод, использующий зависимость электрического сопротивления проводника с большим температурным коэффициентом сопротивления (терморезистора), помещенного в камеру с анализируемой газовой смесью и нагреваемого током, от теплопроводности окружающей терморезистор смеси. Закономерности, связывающие теплопроводность газовой смеси с ее составом, проявляются при условии сведения к минимуму (или поддержания постоянной) доли теплоты, передаваемой от терморезистора конвекцией и излучением. Этого условия достигают оптимизацией режима работы терморезистора, выбором конструктивных характеристик терморезистора и камеры, ограничением рабочей температуры терморезистора (как правило, не выше 200 °С).

В табл. 1 приведены абсолютные и относительные значения коэффициента теплопроводности некоторых газов при температуре 0 °С и давлении 0,1 МПа.
Таблица 1 Теплопроводность некоторых газов

Газ			Газ
Азот	23,72	0,996	Окись углерода	22,94	0,965
Аммиак	21,33	0,879	Сернистый ангидрид	8,17	0,344
Водород	169,60	7,130	Сероводород	12,79	0,538
Воздух	23,78	1,000	Углекислый газ	14,59	0,614
Двуокись азота	42,71	1,796	Хлор	7,65	0,322
Кислород	24,16	1,016	Водяной пар (при 100 °С)	23,15	0,973
Метан	31,38	1,320

Примечание и — коэффициент теплопроводности соответственно газа и воздуха
Для практического применения зависимость теплопроводности газовой смеси от состава удовлетворительно описывается уравнением, аддитивным относительно теплопроводностей отдельных компонентов смеси:
(1)
где С₁, С₂, ..., С_п — концентрации компонентов в долях единицы; — теплопроводность компонентов.
Как следует из уравнения (1), для бинарной газовой смеси с различными теплопроводностями компонентов теплопроводность смеси является однозначным критерием состава. Это справедливо и для квазибинарной многокомпонентной смеси, в которой теплопроводность определяемого компонента с концентрацией С₁ значительно отличается от теплопроводности неопределяемых компонентов: .
Существует ряд известных схемных и конструктивных методов, позволяющих использовать термокондуктометрический метод для определения состава многокомпонентных смесей, существенно отличающихся от квазибинарных, однако чаще всего этот метод используют для определения состава бинарных и квазибинарных смесей.
Простейшая принципиальная схема термокондуктометрического анализатора приведена на рис. 1. В плечи измерительного неуравновешенного моста включены одинаковые терморезисторы Б; два из них размещены в рабочих камерах 1 и 3, через которые проходит анализируемый газ, и включены в противоположные плечи моста, а два других размещены в сравнительных камерах 2 и 4, заполненных или продуваемых сравнительным газом известного и постоянного состава (например, воздухом).
Если анализируемая газовая смесь отличается по теплопроводности от сравнительного газа, то температура, а следовательно, и сопротивление терморезисторов в рабочих камерах отличаются от температуры и сопротивления терморезисторов в сравнительных камерах. Сила тока в диагонали моста зависит от величины разбаланса места, т. е. от содержания искомого компонента в газовой смеси. Для неуравновешенного моста сила тока в диагонали

где I₀ — сила тока питания моста; R — сопротивление терморезисторов 5; ΔR — изменение сопротивлений плеч моста в рабочих камерах 1 и 3; R_мВ — сопротивление милливольтметра.
Из этого уравнения видно, что измерения следует проводить при I₀ = const, так как только в этом случае I однозначно зависит от ΔR, т. е. от содержания искомого компонента в газовой смеси.
Зависимость силы тока в диагонали моста от температур терморезисторов и стенок измерительных камер выражается уравнением
(2)
где k — постоянная прибора; Т_н — абсолютная температура терморезистора в рабочей камере; Т_СТ — абсолютная температура стенки внутри рабочей камеры; Т_Н0 — абсолютная температура терморезистора в сравнительной камере; Т_СТ0 — абсолютная температура стенки внутри сравнительной камеры. Уравнение (2) можно представить в виде
(3)
Отсюда следует, что измерение содержания анализируемого компонента возможно лишь при условии равенства температур стенок внутри рабочих и сравнительных камер, т. е. при . В этом случае справедлива однозначная зависимость силы тока в диагонали измерительного моста от температуры терморезистора в рабочей камере .
Основные причины погрешностей в термокондуктометрических газоанализаторах: колебания температуры окружающей среды, вызывающие изменение температуры стенки измерительных камер; колебания напряжения источника питания измерительного моста; изменение скорости продувки газовой смеси через рабочие камеры. Наличие неанализируемых компонентов, в частности, водяных паров.
Рис. 1. Схема термокондуктометрического газоанализатора
Рис. 2. Измерительная компенсационная схема газоанализатора
Влияние температуры окружающей среды на показания термокондуктометрических газоанализаторов снижают объединением всех измерительных камер в массивном металлическом моноблоке с достаточной поверхностью для отдачи теплоты, выделяемой нагревательными элементами. В газоанализаторе обычно предусматривают систему термостатирования блока преобразования.
Для устранения влияния колебаний напряжения источника питания применяют стабилизаторы напряжения или тока.
Скорость прохождения газовой смеси через измерительные газовые камеры влияет как на количество уносимой газовой смесью теплоты (и вследствие этого степень охлаждения нагревательных элементов), так и на динамические свойства газоанализатора — его постоянную времени. Выбранную оптимальную скорость в процессе работы газоанализатора следует поддерживать постоянной. Для этого используют различные стабилизаторы и регуляторы расхода.
При невозможности отбора на анализ газовых смесей с постоянной влажностью чаще всего смеси подвергают полной осушке перед подачей в прибор.
Необходимость термостатирования измерительного блока и применения стабилизированных источников питания усложняет и удорожает приборы. Более совершенны схемы компенсационного типа (рис. 2). Схема состоит из двух неуравновешенных мостов I и II, питающихся от сети переменного тока через трансформатор Тр. Два рабочих плеча 1 и 3 измерительного моста I омываются анализируемым газом. Другие два плеча 2 и 4 находятся в газовой среде, состав которой соответствует началу шкалы прибора. Два плеча 6 и 8 сравнительного моста II находятся в газовой среде, соответствующей началу шкалы прибора, а плечи 5 и 7 — в газовой среде, состав которой соответствует концу шкалы.
В диагональ сравнительного моста II включен КПР R_p, движок которого и вершина b моста I включены на вход электронного усилителя ЭУ. Реверсивный двигатель РД перемещает движок КПР R_p и указывающую стрелку по шкале до тех пор, пока напряжение на вершинах а и b моста не уравновесится напряжением, снимаемым движком с КПР. Благодаря принципу сравнения показания газоанализатора не зависят от колебаний напряжения питания и изменения температуры окружающей среды.
Термокондуктометрические газоанализаторы, построенные по одной из приведенных схем, применяют для определения Н₂, Не, СО₂, SO₂, NH₃, Ar, Cl₂, HC1 в технологических смесях различного состава.