Молниезащита
Измерительная техника
Статьи / Измерительная техника / Газоанализатор. Тепловые газоанализаторы.
  10.01.12  |  

Газоанализатор. Тепловые газоанализаторы.

В тепловых газоанализаторах измерение концентрации определяемого компонента производится измерением тепловых свойств газовой смеси, зависящих от концентрации определяемого компонента. Наиболее распространенными приборами этого типа являются газоанализаторы, основанные на измерении теплопроводности смеси (термокондуктометрические) и теплоты, выделяющейся при реакции каталитического окисления определяемого компонента (термохимические). Представители этих групп приборов, как правило, являются автоматическими устройствами, работающими в составе информационно-измерительных и управляющих систем. Тепловые газоанализаторы предназначены для непрерывного анализа состава бинарных смесей.

Термокондуктометрические газоанализаторы. В табл. 1 приведены теплопроводности различных газов при температурах 100 и 500 °С, отнесенных к теплопроводности воздуха. Анализ данных, приведенных в табл. 1, показывает, что при температуре 100 °С теплопроводности таких газов, как Н2, СO2, SO2, СН4, Аr, Не отличаются от теплопроводности воздуха.

С ростом температуры теплопроводность газов меняется в разной степени, в связи с чем при температуре 500 °С относительная теплопроводность N2, Н2, O2, СО, Аr, Не практически не меняется, тогда как теплопроводность СO2 возростает до единицы, а СН4 — до 2,13. Характер влияния температуры на относительный коэффициент теплопроводности газов учитывается при выборе температурных режимов работы чувствительных элементов газоанализаторов.

Таблица 1

Относительные теплопроводности газов

Газ

100 °С

500 °С

Газ

100 °С

500 °С

Воздух

1

1

Диоксид серы

0,38

0,53

Азот

0,98

0,97

Кислород

1,02

1,07

Водород

6,84

6,77

Аргон

0,66

0,66

Диоксид углерода

0,71

0,96

Гелий

5,56

5,32

Оксид углерода

0,94

0,93

Пары воды

0,78

1,16

Метан

1,45

2,13

Если в числе неопределяемых компонентов содержится газ, изменение концентрации которого влияет на теплопроводность смеси, то этот компонент из газовой смеси должен быть удален. Так, в дымовых газах котла, содержащих в основном N2, O2, SO2, СO2, СО, Н2, водяные пары, при измерении концентрации СO2 должны быть удалены SO2, Н2, водяные пары. Колебания концентрации других компонентов влияют мало, так как обладают близкими к азоту теплопроводностями.

Для измерения теплопроводности газовой смеси используется нагреваемый током проводник, помещенный в камеру, заполненную анализируемой смесью. Если теплоотдача от проводника к стенкам камеры в основном осуществляется в результате теплопроводности, то имеет место следующая зависимость:

Q = 2πlλ (tп-tc)/ln(D/d),

где Q — количество теплоты, отдаваемой проводником; l, d— длина и диаметр проводника; D — диаметр камеры; X — теплопроводность смеси газов; tп, tc — температуры проводника и стенок камеры.

При постоянстве отдаваемой проводником теплоты Q и температуры стенок камеры tc, зависящей от температуры окружающей среды, теплопроводность газовой смеси будет однозначно определять температуру проводника, а следовательно, и его сопротивление. В качестве проводника используется проволока из металла, обладающего высоким температурным коэффициентом электрического сопротивления и химической стойкостью; чаще применяют платину, реже вольфрам, никель, тантал.

Схема двух типов рабочих чувствительных элементов из платиновой проволоки представлена на рис. 2. В стеклянном корпусе 1 к платиновым токоподводам 2 диаметром 0,15 мм подпаяна платиновая спираль 3 диаметром 0,02 мм открытая (рис. 2, а) либо остеклованная 4 (рис. 2, б). В первом случае сопротивление чувствительного элемента составляет 10 Ом, во втором — 40 Ом. Чувствительный элемент второго типа защищен от агрессивных воздействий среды, но имеет большую инерционность.


Устройство рабочих чувствительных элементов с открытой (а) и остеклованной (б) платиновой спиралью

Рис. 2. Устройство рабочих чувствительных элементов с открытой (а) и остеклованной (б) платиновой спиралью:

1стеклянный корпус; 2платиновый токоподвод; 3,4 — открытая и остеклованная платиновые спирали

Для обеспечения максимальной чувствительности по теплопроводности для СO2, а также снижения влияния теплоотдачи за счет излучения температура платиновой спирали устанавливается 80... 100 °С. В целях уменьшения влияния конвективного теплообмена газ к чувствительному элементу подается в результате диффузионного обмена, что увеличивает инерционность тепловых газоанализаторов.


Измерительная мостовая схема газоанализатора

Рис. 3. Измерительная мостовая схема газоанализатора

Для измерения сопротивления проволочных чувствительных элементов используются мостовые схемы. Одна из наиболее простых и распространенных измерительных схем газоанализатора (рис. 3) представляет собой неуравновешенный мост, питаемый постоянным током от батареи или источника стабилизированного питания (ИПС). Резисторы R1 и R3 выполнены из платиновой проволоки и находятся в камерах, заполненных анализируемым газом. Резисторы

R2 и R4 находятся в герметичных камерах, заполненных неопределяемыми компонентами смеси или воздухом. Конструкция сравнительных чувствительных элементов аналогична конструкции рабочих элементов, представленных на рис. 2, только правый конец стеклянной трубки в них запаян.

Если показывающий прибор, включенный в измерительную диагональ моста ab, имеет безнулевую шкалу, то в камерах с резисторами R2 и R4 находятся неопределяемые компоненты с концентрацией определяемого компонента, соответствующей нижнему пределу измерения прибора. Входящий в мост переменный резистор R0 служит для устранения начального небаланса моста, когда резисторы — R4 находятся в камерах с одинаковым составом газовых смесей.

Модификацией рассмотренной схемы являются одномостовые схемы, содержащие одно рабочее плечо, плечо сравнения и два постоянных сопротивления. В обоих случаях мосты могут быть уравновешенными и неуравновешенными. Рассмотренные типы измерительных схем имеют термокондуктометрические течеискатели и газоанализаторы, предназначенные для анализа содержания Н2, СO2, SO2, Аг, O2, NH3 в топочных газах и газах производства аммиака, хлора, аргона, серной кислоты.

Одномостовой измерительной схеме присущи недостатки, обусловленные влиянием на сигнал небаланса моста колебаний напряжения питания и температуры окружающей среды. Для снижения влияния этих факторов используются источники стабилизированного питания, термостатирование и более сложные измерительные схемы газоанализаторов, включающие помимо рабочего моста мост сравнения (газоанализаторы типа ТП, ГТВ). Компенсация влияния перечисленных факторов проще осуществляется в микропроцессорных газоанализаторах.

Структурная схема микропроцессорного газоанализатора АГ0012 представлена на рис. 4.


Структурная схема микропроцессорного газоанализатора АГ-0012

Рис. 4. Структурная схема микропроцессорного газоанализатора АГ-0012:

1 — рабочий мост; 2 — тензомост; К — коммутатор; МБ — микропроцессорный блок; АГ — газоанализатор; ДИ — цифровой индикатор; ЦСг — цепь сигнализации

Рабочий мост 1 включает две камера с резисторами омываемыми анализируемым газом. Резисторы R2, R4 находятся в камерах, содержащих анализируемый газ с концентрацией, соответствующей нижнему пределу измерения прибора. Термопреобразователь Rt измеряет температуру прибора и анализируемого газа, тензомост 2 служит для измерения давления газовой смеси. Коммутатор К подает выходные сигналы перечисленных элементов на аналого-цифровой преобразователь микропроцессорного блока МБ, в котором производится коррекция выходного сигнала газоанализатора по температуре и давлению анализируемой газовой смеси. Газоанализатор АГ-0012 при пределах измерения концентрации водорода в азоте от 0...1 до 0.. 100 % имеет приведенную погрешность измерения от ±4,5 до ±2%. Прибор помимо цифрового индикатора ЦИ имеет на выходе токовый унифицированный сигнал и цепи сигнализации ЦСг.

Газоанализаторы по теплопроводности выпускаются многими приборостроительными фирмами мира: мод. САТ7, Hydros (ф. Rose- mount), мод. 7866 (ф. Honeywell) и др.

Термохимические газоанализаторы. В термохимических газоанализаторах концентрация определяемого компонента измеряется по количеству теплоты, выделившейся при реакции каталитического окисления. В число определяемых по этому методу газов входят СО, Н2, O2, NH3, СН4. Термохимические газоанализаторы используются как сигнализаторы взрывоопасных концентраций газов, измерителей химического недожога топлива, детекторов газовых хроматографов и пр.

Термохимические газоанализаторы разделяются на две группы. В первой группе, имеющей более низкую чувствительность, реакция окисления происходит на поверхности нагретой платиновой нити, играющей роль катализатора. Температура платиновой нити, а следовательно, и ее сопротивление меняются с изменением количества теплоты, выделившейся при окислении определяемого компонента. Платиновая нить с сопротивлением Rx включается в плечо неуравновешенного моста, схема которого аналогична представленной на рис. 3. В этот мост входит резистор R2, выполненный из платиновой проволоки подобно резистору Rx, но находящийся в камере, заполненной неопределяемыми компонентами газовой смеси. Резисторы R3 и R4 имеют постоянное сопротивление и выполнены из манганиновой проволоки. При наличии определяемого компонента в газовой смеси и его сгорании сопротивление резистора Rx возрастает и милливольтметр (потенциометр), включенный в измерительную диагональ моста, показывает наличие разности напряжений, пропорциональной концентрации определяемого компонента. Милливольтметр градуируется в единицах концентрации определяемого компонента.

Газоанализаторы первой группы в основном используются как индикаторы и сигнализаторы взрывоопасных концентраций газов и выполняются в переносном варианте, к их числу относятся сигнализаторы СГГ довзрывоопасных концентраций в воздухе таких газов как водород, метан, пропан и др. Сигнализаторы градуируются в процентах нижнего концентрационного предела взрываемости (НКПВ).

В термохимических газоанализаторах второй группы реакция окисления определяемого компонента протекает на поверхности гранулированного катализатора, в качестве которого часто используется гопкалит (60 % диоксида марганца и 40 % оксида меди). Наличие развитой поверхности катализатора обеспечивает возможность измерения концентраций определяемого компонента, составляющих доли процента. Количество выделившейся при сжигании теплоты измеряется платиновым терморезистором или батареей термопар.




Другие статьи:

Газоанализатор. Объемные химические газоанализаторы.
Газоанализаторы. Анализ состава газов.
Методы измерения влажности твердых и сыпучих тел