Измерение концентрации жидкостей и газов. Термокондуктометрические и пленочные газоанализаторы

Газоанализаторы.

Чаще всего сырье или готовый продукт представляет собой смесь, которая состоит из двух и более составных частей, называемых компонентами.

Различают качественный и количественный состав смеси. Первый представляет собой информацию о том, какие компоненты входят в смесь, второй, кроме того, дает информацию о количестве этих компонентов в смеси. Количественный состав характеризуется концентрацией.

Бинарная смесь – смесь, состоящая из двух компонентов.

Многокомпонентная смесь – смесь, состоящая из трех и более компонентов.

Псевдобинарная смесь – многокомпонентная смесь, которая при определенных условиях по некоторому физико-химическому свойству может рассматриваться как бинарная.

Измерение концентрации определяемого компонента в бинарных и псевдобинарных смесях жидкостей и газов – одна из наиболее распространенных задач автоматического контроля качества потоков химико-технологических процессов. В общем случае измерение концентрации определяемого компонента в бинарной смеси осуществляется путем измерения какого-либо физико-химического свойства этой смеси.

Термокондуктометрические газоанализаторы. Принцип действия основан на процессе теплопереноса в газах под действием градиента температур.

Для большинства газов теплопроводность возрастает с увеличением температуры. Для многих газов и паров жидкостей тепловое сопротивление (величина обратная теплопроводности) смеси связана с теплопроводностью компонентов соотношением:

где 1/ λ – тепловое сопротивление анализируемой газовой смеси; 1/ λ _i – тепловое сопротивление i -гo компонента смеси; c _i – объемная концентрация i -го компонента.

Основной частью термокондуктометрического газоанализатора является детектор, представляющий собой металлический блок 1, в котором расположены четыре камеры 2, 6, 7, 8. В каждой из камер в держателях 4, укрепленных в электроизоляционной обойме 5, размещены металлические или полупроводниковые терморезисторы 3. Металлические терморезисторы выполнены из платиновой, вольфрамовой или вольфрам-рениевой проволоки диаметром 0,02 – 0,05 мм.

Анализируемый и вспомогательный газы поступают из блока подготовки газов 9 с постоянными объемными расходами соответственно в соединенные последовательно камеры 2, 6 и 8, 7. Размещенные в этих камерах измерительные Rи и сравнительные Rср терморезисторы образуют неравновесный мост. Напряжение питания подбирают таким, чтобы терморезисторы были нагреты до температуры 50 - 200°С. Резистор Rо служит для настройки начального уровня сигнала моста, резистор Rд – для настройки коэффициента передачи.

Если теплопроводности анализируемого и сравнительного газов одинаковы, то температуры, а, следовательно, и сопротивления резисторов одинаковы, и ток в измерительной диагонали моста отсутствует (при необходимости устанавливается с помощью резистора Rо) 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 Rи.

В результате чего на измерительной диагонали моста возникает разбаланс, который описывается выражением:

ΔU = K _λ (1/ λ _см – 1/ λ _в),

где K _λ – коэффициент преобразования термокондуктометрического газоанализатора; 1/ λ см, 1/ λ в – тепловые сопротивления анализируемой смеси и вспомогательного газа соответственно.

Термокондуктометрические газоанализаторы применяются для измерения концентрации Н ₂, Не, С0 ₂, С0, NH ₃, С1 ₂ в бинарных и псевдобинарных газовых смесях, т.к. у этих газов теплопроводность во много раз больше теплопроводности воздуха.

Диапазон измерений от 0 – 1 до 0 – 100%, классы точности 2,5 – 10 (увеличивается с уменьшением диапазона измерений); время реакции 60–120 с.