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.

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 (t_п-t_c)/ln(D/d),

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

При постоянстве отдаваемой проводником теплоты Q и температуры стенок камеры t_c, 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.

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

1 — стеклянный корпус; 2 — платиновый 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.

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.

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 R_t 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 R_x включается в плечо неуравновешенного моста, схема которого аналогична представленной на рис. 3. В этот мост входит резистор R₂, выполненный из платиновой проволоки подобно резистору R_x, 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 R_x 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.