Аналіз складу газу

АНАЛІЗ СКЛАДУ ГАЗУ

Загальні положення

Вимірювання складу газового середовища виконується в різних галузях промисловості, у наукових дослідженнях, при проведенні енергоаудиту, при проведенні екологічних моніторингів навколишньої атмосфери і в інших випадках. Можна виділити наступні основні напрямки газового аналізу:

- визначення теплоти згорання газоподібного палива по відомому складу горючих компонентів газової суміші;

контроль якості згорання палива по складу продуктів згорання. При повному згоранні палива в продуктах згорання на виході з теплових агрегатів повинні бути тільки негорючі компоненти, такі як С0₂, Н₂0, N і 0₂. Для правильного ведення процесу горіння палива необхідно підтримувати певне співвідношення між кількостями палива і повітря, які подаються у топковий простір агрегату. При недостатній кількості повітря в продуктах згорання з'являються такі горючі компоненти, як СО, Н₂ і інші. Надлишкова кількість повітря забезпечує повне згорання палива, але вимагає додаткових витрат на нагрівання надлишкового об'єму повітря, що є баластом, який виносить із агрегату невикористане фізичне тепло. Необхідне співвідношення повітря-паливо може бути встановлене на основі газового аналізу;

контроль складу технологічних газів, до яких відносяться такі гази, як кисень, азот, аргон, водень, ендогаз, екзогаз і інших. Вони застосовуються для прискорення процесу виплавки сталі і чавуну (кисень), при рафінуванні рідкого металу в робочому просторі агрегату або в ковші (аргон, азот), для захисту сталевих виробів від окислювання при нагріванні (ендогаз, аргон) і для інших технологічних процесів. Технологічні гази повинні мати певний склад (або чистоту), що визначає якість технологічних операцій;

- контроль складу повітряної атмосфери для визначення концентрації шкідливих для навколишнього середовища газоподібних речовин, таких як оксиди (феноли, бензол, аміак, горючі вибухонебезпечні гази (СО, СН₄ і ін.).

Прилади, призначені для кількісного визначення складу газу, називаються газоаналізаторами. Залежно від призначення вони підрозділяються на переносні і автоматичні (стаціонарні).

Переносні газоаналізатори застосовуються в лабораторних умовах при виконанні дослідницьких робіт, при проведенні енергетичного аудиту технологічних систем, при випробуваннях і налагодженні різних промислових теплотехнічних установок (плавильних, нагрівальних і термічних печей, парових і водогрійних котлів, сушильних установок і ін.).

Автоматичні (стаціонарні) газоаналізатори призначені для безперервного автоматичного вимірювання змісту одного або декількох компонентів у газовій суміші. На основі безперервного контролю газового середовища в робочому просторі промислового агрегату може здійснюватися автоматизоване керування технологічним процесом.

Газоаналізатори залежно від способу визначення концентрації окремих компонентів газової суміші діляться на:

хімічні (хімічні властивості газових молекул);

теплові (фізичні властивості газу);

магнітні (магнітні властивості газу);

хроматографічні (адсорбційні властивості газових молекул);

оптичні (здатність поглинати електромагнітні хвилі);

спектрометричні (спектральні властивості газу);

ємнісні (діелектрична проникність середовища);

випарні (ефект випару, кипіння і конденсації рідини);

іонізаційні (іонізаційні властивості аналізованої речовини).

Газоаналізатори звичайно градируються у відсотках по об'ємі. Такий спосіб градуювання шкали газоаналізаторів зручний, тому що процентна складова окремих компонентів у загальному об'ємі залишається незмінною при зміні тиску і температури газової суміші.

Хімічні газоаналізатори

У хімічних газоаналізаторах визначення концентрації окремих компонентів газової суміші виконується методом поглинання цих компонентів хімічними реактивами. По зменшенню початкового мірного об'єму газу визначають склад даного компоненту в газовій суміші.

Для багатьох компонентів газу розроблені селективні хімічні реактиви, які поглинають (реагують) тільки аналізований компонент. Непоглинений залишок аналізованого газу надходить у газовимірювальний пристрій, де визначається зменшення об'єму, що відповідає поглиненому компоненту. Цей метод застосовується як у переносних газоаналізаторах ручної дії, називаних часто приладами Орса, так і в автоматичних.

Найбільше розповсюдження отримали переносні газоаналізатори для визначення якості спалювання палива під час пуско-налагоджувальних робіт теплових агрегатів, які використовують тверде, рідке або газоподібне паливо. При цьому аналізуються три компоненти: СО₂, О₂ і СО. Такі газоаналізатори застосовуються також для контролю і градуювання автоматичних газоаналізаторів на ці ж компоненти.

Схема пристрою газоаналізатора для аналізу одного компоненту з газової суміші представлена на рис.8.1.

Аналізований газ із об'єкта 1 надходить у газоаналізатор по газовому тракті 2 при відкритому вентилі 4 і закритому вентилі 5. Мірна кількість газу (50 або 100 мл) надходить у вимірювальну бюретку 6 за рахунок розрядження, створюваного опусканням зрівняльної посудини 6. Дистильована вода з посудини 6 перетікає в посудину 7, а аналізований газ цілком заповнює вимірювальну бюретку 6, після чого кран 4 закривається, а кран 5 відкривається. Піднімаючи зрівняльну посудину 7, витісняють аналізований об'єм Рисунок 8.1 - Схема хімічного газоаналізатора газу в посудину поглинання 3, заповненого селективним хімічним реактивом, що поглинає тільки один компонент із аналізованої газової суміші. Для збільшення поверхні контакту між аналізованим газом і реактивом поглинальна посудина заповнена скляними трубками. Якщо прокачати аналізований газ кілька разів через реактив, можна домогтися повного поглинання даного компоненту. Залишковий об'єм газу повертають у вимірювальну бюретку, що має градуювання в об'ємних відсотках від 0 до 100%. Рівень рідини у вимірювальній бюретці вкаже на склад аналізованого компоненту в газовій суміші. При необхідності визначити концентрацію інших компонентів, які знаходяться в газовій суміші, використовують кілька поглинальних посудин, заповнених відповідними реактивами, які вибірково поглинають аналізовані компоненти.

Недоліками методу є: неможливість вимірювання рисих концентрацій, тому що ціна розподілу вимірювальної бюретки становить 0,1 мл; періодичність дії становить 20-30 аналізів у годину; необхідність частої заміни реактивів; неможливість використання в системах автоматичного регулювання.

Теплові газоаналізатори

У теплових газоаналізаторах для визначення концентрації якого-небудь компоненту в газовій суміші використовуються його теплові властивості, такі як теплопровідність (термокондуктометричні), тепловий ефект реакції каталітичного окислювання (термохімічні) і ін.

Термокондуктометричні газоаналізатори отримали найбільше розповсюдження, робота їх заснована на різкій розбіжності коефіцієнта теплопровідності одного з компонентів у порівнянні з іншими компонентами аналізованої газової суміші. Так, наприклад, теплопровідність таких газів як Н₂, СО₂, Ј0₂, СН₄, Не, Аг значно відрізняється від теплопровідності повітря, і якщо в повітряному середовищі є один із цих компонентів, то зміна величини теплопровідності газової суміші буде визначаться зміною складу даного аналізованого компоненту.

Аналіз багатокомпонентної газової суміші по її теплопровідності можна робити за умови, що всі компоненти газової суміші, крім того, що визначається, мають приблизно однакову теплопровідність. Якщо в газовій суміші є компоненти, які можуть впливати на теплопровідність суміші і концентрацію яких визначати не потрібно, то ці компоненти з газової суміші повинні бути вилучені перед початком аналізу. Так, наприклад, при вимірюванні концентрації СО2 у димових газах необхідно видалити такі компоненти як Н₂ і Ј0₂, які знаходяться в невеликій кількості, але впливають на загальну теплопровідність.

У теплових газоаналізаторах для визначення концентрації окремих компонентів використовуються мостові схеми, у яких плечима мосту є платинові спіралі, нагріті до температури и поміщені в газові камери. Газоаналізатор складається із чотирьох газових

камер, дві з яких Rl і R₃ є робочими, через які безупинно прокачується аналізований газ (рис.8.2). Дві інші герметичні газові камери Рм і R₂ служать у якості порівняльних, у яких перебуває газ постійного складу. Так, наприклад, у газоаналізаторах, призначених для визначення СО2 у газовій суміші, порівняльним газом є повітря.

При прокачуванні аналізованого газу, який містить, наприклад, СО2 і концентрацію якого треба визначити, через протилежні газові камери R₁ і R₃ змінюється теплопровідність газового простору, розташованого між платиновим проводом і стінкою камери. Зі збільшенням концентрації СО2 у газовій суміші зменшується теплопровідність газу, погіршується теплообмін, що приводить до збільшення температури платинового проводу в камерах R₁ і R₃. Розбаланс мосту, що з'явився, за величиною напруги між точками «а» і «б», пропорційний величині певної складової в аналізованому газі.

Границі основної похибки, яка допускається, термокондуктометричних газоаналізаторів для визначення СО₂ у газовій суміші не перевищують 2...2,5% діапазону вимірювання. Зміна показань газоаналізаторів при зміні температури навколишнього повітря від 20 до 50⁰С не перевищує +2...2,5%

Термокондуктометричнй принцип вимірювання (вимірювання по теплопровідності) застосовується для визначення (крім СО2) таких компонентів, як Н₂, Ј0₂, Аг, 0₂, NH₃ у топкових газах і в газах при виробництві аміаку, хлору, аргону, сірчаної кислоти, а також для

визначення концентрації водню в системі водневого охолодження турбогенераторів на теплових електростанціях. Недоліками таких типів газоаналізаторів є великий час установлення показань (інерційність), що досягає 120 секунд і підвищена похибка (до 5%).

Термохімічний аналізатор працює за принципом використання теплового ефекту хімічної реакції, що протікає між обумовленим компонентом аналізованої суміші і допоміжним реагентом. Сигналом вимірювальної інформації в термохімічних аналізаторах служить температура, значення якої залежить від теплового ефекту хімічної реакції. Термохімічний принцип аналізу використовується для створення аналізаторів газів і рідин. Для створення термохімічних газоаналізаторів використовуються хімічні реакції окислювання на каталітично активній поверхні, у полум'ї і у газових потоках. Для термохімічних газоаналізаторів рідин застосовуються реакції розбавлення (розведення), нейтралізації і змішування, а також реакції з використанням специфічних реагентів.

На рис.8.3 представлена схема термохімічного газоаналізатора, у роботі якого використовується тепловий ефект реакції окислювання горючих газів на каталітично активній поверхні. У термохімічному аналізаторі (рис.8.3) аналізований газ повітряним ежектором (струминним насосом) 3 прокачується через кран 10 і камеру 1. У камері розміщені вибухоперешкоджуючі сітки 2 і 7, вимірювальний 4 і порівняльний 5 чутливі елементи. Останній закритий ковпачком 6 і служить для усунення впливу зміни навколишньої температури на сигнал газоаналізатора. Як чутливі елементи в цих газоаналізаторах використовуються платинові проводки з активованою поверхнею. Чутливі елементи в термохімічних газоаналізаторах нагріваються струмом електричного мосту 8 до температури 200...500С. При згоранні на поверхні вимірювального чутливого елемента горючого компоненту, який потрібно визначити, температура елемента збільшується, що викликає збільшення електричного опору платинового проводка, а це, у свою чергу, спричиняє розбаланс електричного мосту, вимірюваний вторинним приладом 9.

Газоаналізатор, показаний на рис.8.3 у цей час є одним з найпоширеніших у промисловості засобів аналітичної техніки з тієї причини, що він використовується як сигналізатор вибухонебезпечних концентрацій газів і пари у повітрі. Значення, які сигналізуються, 5...50% від нижньої межі вибуху для горючих газів і пари і 5...20% -- для сумішей повітря-водень, час реакції 30 с.

Магнітні газоаналізатори

В основу роботи магнітних газоаналізаторів покладені різні явища, пов'язані із взаємодією обумовленого компоненту аналізованої (у загальному випадку багатокомпонентної) газової суміші з магнітним полем.

Гази, які втягуються в магнітне поле, називають парамагнітними, а ті гази, які виштовхуються з магнітного поля, -- діамагнітними. Кількісно магнітні властивості газів визначаються величиною, називаною магнітною сприйнятливістю. Магнітна сприйнятливість парамагнітних газів є позитивною величиною, діамагнітних газів - негативною. Вона має властивість адитивності. Переважна більшість газів і пари є діамагнітними.

Магнітні газоаналізатори використовуються для визначення тільки концентрації кисню в газовій суміші, тому що кисень на відміну від інших газів має сильні магнітні властивості, який є парамагнітною речовиною. Якщо відносну магнітну сприйнятливість кисню прийняти за одиницю, то ця величина для всіх інших газів на два порядки менше, ніж у кисні. Тобто всі гази, крім кисню, є практично немагнітними речовинами. Таким чином, магнітні властивості газової суміші залежать від концентрації кисню в газі, а такі гази як ЫО і Л00₂, які проявляють магнітні властивості, практично не впливають на магнетизм газової суміші через їхні малі концентрації.

Існує кілька методів вимірювання магнітної сприйнятливості газової суміші, що містить кисень. Найбільше розповсюдження отримав метод, що називається термомагнітна конвекція. У магнітному газоаналізаторі аналізований газ під дією магнітного поля втягується в спеціальну вимірювальну камеру, у якій знаходиться чутливий елемент, що нагрівається електричним струмом. Газ, зіштовхуючись із чутливим елементом, нагрівається і кисень втрачає свої магнітні властивості. Внаслідок цього, нагрітий газ виштовхується з камери, розташованої в магнітному полі, холодним газом і таким чином, виникає безперервний потік газу через вимірювальну камеру.

На рисунку 8.4 представлена схема магнітного газоаналізатора, у якому використовується схема вимірювання на основі нерівноважного мосту. Мостова схема живиться постійним струмом від батареї Б, підключеної до живильної діагоналі 1-2. Всі плечі мосту Яі, Я₂, Яз, Рм, являють собою платинові нагрівачі виконані із проводу діаметром 0,02 мм, які намотані на скляний стрижень.

Через дві вимірювальних камери Я₂ і Яз безупинно прокачується аналізований газ, який містить кисень. Одна з Р^исун°^{к 8.4} газоаналізатора камер Я₂ поміщена в поле постійного магніту. Чим більше склад кисню в газовій суміші, тим більший об'єм газу втягується в магнітне поле, проходячи через нагрівач Я₂. Таким чином, температура нагрівача Я₂ буде визначатися змістом кисню в аналізованому газі. Більший об'єм газу, що проходить через магнітну камеру Я₂ у порівнянні з камерою Я₃, знижує температуру нагрівача Я₂ і зменшує його електричний опір. Розбаланс мосту, що виникає при цьому, тобто К₁-К₃>К₄-Я₂, приводить до появи різниці потенціалів між точками 3 и 4, який вимірюється вольтметром ВП, градированому по відсотковому складу кисню в газовій суміші.

Одномостова вимірювальна схема магнітного газоаналізатора застосовується як у переносному, так і в стаціонарному варіанті для вимірювання змісту кисню в продуктах згорання нагрівальних і плавильних печей, а також котельних установок. Гранична похибка приладу залежить від діапазону вимірювання і перебуває в інтервалі від +2 до ±10%.

Дифузійні газоаналізатори

Принцип дії дифузійних газоаналізаторів заснований на процесі переносу речовини (компоненту суміші) під дією градієнта його концентрації. Цей перенос може відбуватися при зіткненні речовин один з одним (дифузія) або крізь тверду речовину (трансфузія або проникнення). Процес переносу речовини пов'язаний з хаотичним тепловим рухом молекул, що відбувається у напрямку зменшення концентрації речовини і ведучим до його рівномірного розподілу по займаному об' ємі. Проникнення через тверде тіло визначається наявністю розривів у їхніх кристалічних решітках, нерегулярних щілин і пор у макроструктурі твердої речовини або розчиненням газів і пари у твердій речовині. Найбільше швидко процес переносу речовини під дією градієнта концентрації відбувається в газах, що багато в чому визначає використання цього явища для автоматичного контролю концентрації газів.

Інтенсивність взаємного проникнення двох дотичних газів, визначається коефіцієнтом їхньої взаємної дифузії, що залежить від молекулярних мас цих газів і полярності їхніх молекул. Коефіцієнт взаємної дифузії збільшується зі збільшенням температури і зменшується зі збільшенням тиску.

При взаємній дифузії двох газових об' ємів незалежна дифузія компонентів багатокомпонентної суміші спостерігається тільки при її попередньому 3 -- 4-кратному розведенні.

На рис.8.5 показана схема дифузійного мембранного аналізатора концентрації водню. У цьому аналізаторі камери 2 і 1 розділені тонкою (10...20 мкм) мембраною зі сплаву паладію зі сріблом. Аналітичний пристрій аналізатора термостатирується при температурі 45°С. Через камеру 2 з постійною об'ємною витратою прокачується аналізований газ, який містить водень, а через камеру 1 -- допоміжний газ (наприклад, повітря або азот), що попередньо проходить через камеру 4. У камері 1 розміщені вимірювальний Я_и, а в камері 4 -- порівняльний Я_ср терморезистори. Ці терморезистори підключені до нерівноважного мосту 5 і утворюють термокондуктометричний детектор. При роботі аналізатора через мембрану з камери 2 у камеру 1 дифундує тільки водень, що Д< додається до допоміжного газу і змінює теплопровідність газового потоку, який обмиває вимірювальний терморезистор і?_и- Це обумовлює зміну сигналу нерівноважнго мосту 5, сигнал виміряється і реєструється Рисунок 8.5 - Схема дифузійного газоаналізатора самописним потенціометром 6.

Дифузійні газоаналізатори характеризуються на порядок більшою селективністю при вимірюванні концентрації необхідного компоненту, чим термохімічні, за рахунок істотно меншого впливу на їхні показання змін концентрацій невизначуваних компонентів багатокомпонентних газових сумішей.

Сорбційні газоаналізатори

В основу роботи сорбційних газоаналізаторів покладені різні ефекти, що супроводжують процес сорбції (сорбція -- поглинання твердим тілом або рідиною речовини з навколишнього середовища). Це явище давно використовується в аналітичному контролі (приміром, - волосяні вимірювачі вологи повітря, у яких сигнал вимірювальної інформації формується за рахунок зміни довжини волосся зі зміною вологості повітря). У сорбційних газоаналізаторах використовуються механічні, теплові, оптичні і електричні ефекти, що супроводжують процес адсорбції газів і пари.

Дилатометричний газоаналізатор (рис.8.6, а), призначений для вимірювання концентрації водню. У камері 2, через яку прокачується аналізований газ, розміщена тонкостінна трубка 1, виготовлена з паладію. Водень, який знаходиться в аналізованому газі, розчиняється в паладію. При цьому довжина трубки 1 за рахунок ефекту набрякання зі збільшенням концентрації водню збільшується. Тому що верхній кінець трубки 1 закріплений на корпусі 2, то її нижній кінець вільно переміщається. За допомогою ємнісного, індуктивного або пневматичного перетворювача переміщень 4 виміряються переміщення пластини 3, закріпленої на нижньому кінці трубки 1. Ці переміщення пов'язані з концентрацією водню в багатокомпонентних газових сумішах.

Відомі сорбційні дилатометричні газоаналізатори, призначені для вимірювання концентрації пропану, бутану, діоксиду вуглецю або інших технічних газів, у яких замість паладієвої трубки використовується стрижень, виготовлений з адсорбенту (активоване вугілля, алюмогель, силікагель).

На рис.8.6, б показана схема а) газоаналізатора, заснованого на визначенні маси обраного компоненту аналізованої суміші, який поглинається. Останнє здійснюється шляхом вимірювання частоти або амплітуди коливань п'єзоелектричної (звичайно кварцової) пластини 1 (розмірами 12x12x0,2 мм), на поверхні якої розміщенні електроди 3 і нанесений шар сорбенту 2. Пластина включена в коливальний контур високочастотного (5...15 МГц) генератора 5 і розміщена в камері 4, через яку прокачується аналізований газ. При зміні концентрації обраного компоненту, що селективно поглинається шаром сорбенту 2, змінюється маса останнього, яка змінює частоту коливання пластини, а отже, і частоту коливань генератора 5. Вихідний сигнал цього генератора надходить у змішувач 6.

Розглянутий газоаналізатор може використовуватись для вимірювання концентрації Н2, NО₂, 50₂, NН₃, Н₂5 і пари НСІ, Н^, Н₂0, ароматичних вуглеводнів і інших речовин при відповідному підборі шару сорбенту. У якості шару сорбента звичайно використовуються різні рідкі фази, які використовуються в газорідинній хроматографії. При використанні газоаналізатора для вимірювання концентрації пари води, тобто як гігрометр, шар сорбенту виконують із діоксиду кремнію, пентоксиду фосфору і інших гігроскопічних полімерів і природних смол.

Інтенсивно розвивається напрямок автоматичного газового аналізу. Це такі методи і засоби, що базуються на використанні електричних явищ, які супроводжують процес сорбції. В основу роботи сорбційних електрокондуктометричних (кондуктометричних) газоаналізаторів покладено вимірювання провідності адсорбентів, виготовлених у вигляді гранул, пластин або плівок. Провідність істотно змінюється при сорбції газів або пари, як правило, матеріали, з яких виготовляють зазначені елементи, є напівпровідниками. При протіканні через камеру газоаналізатора аналізованого газу обраний компонент поглинається плівкою сорбенту і змінює її електричний опір.

На зазначеному принципі працюють хроматографічні газоаналізатори. Газова хроматографія є досить перспективним фізико-хімічним методом поділу газових сумішей на складові їх компонентів.

Хроматографічні газоаналізатори, створені на цьому принципі, служать для визначення складу, у димових газах горючих компонентів (Н₂, СО, СН₄ та ін.), що характеризують хімічну неповноту, палива, також і негорючих компонентів (СО₂, О₂, Ы₂ та ін.). Дія цих приладів заснована на адсорбційному способі поділу проби газової суміші при пропущенні її разом з потоком допоміжного газу (газу-носія) через шар пористої речовини (адсорбенту) і наступному почерговому вимірюванні змісту кожного компоненту, що виділився, електричним методом.

Випарні і конденсаційні аналізатори

За принципом дії випарні і конденсаційні газоаналізатори відносяться до теплових засобів вимірювання, тому що в їхній роботі використовуються теплові ефекти випару, кипіння і конденсації рідини.

Одним з найдавніших і розповсюджених газоаналізаторів є психрометричний, або психрометр. Дія його заснована на вимірюванні змін температури рідини при її випарені в аналізований газ, який містить компонент пари цієї рідини. Психрометри можуть використовуватись для вимірювання концентрації пари будь-яких рідин у газах, однак найбільше широко вони застосовуються для вимірювання концентрації пари води, тобто як гігрометри.

Концентрацію пари рідини в газах прийнято характеризувати абсолютною або відносною вологістю.

Абсолютна вологість визначається як маса пари рідини в одиниці об'єму сухого або вологого газу в нормальних умовах.

Відносна вологість, або ступінь насичення газу парами рідини, визначається як відношення маси пари в одиниці об'єму до максимально можливої маси пари в одиниці об'єму при тій же температурі, виражене в %:

Психрометричний (випарний) аналізатор, схема якого показана на рис.8.7, призначений для вимірювання відносної вологості повітря.

Повітря за допомогою вентилятора 1 зі швидкістю 3...4 м/с прокачується через фільтри 4 і 5 камер 2 і 6, у яких розміщені платинові терморезистори 3 і 8. Терморезистор 3 служить, для вимірювання температури повітря, його називають сухим термометром. Термометр 8, який обернуто у бавовняну тканину 7 кінець її занурений у ванночку 9, заповнену дистильованою водою. Цей терморезистор називають мокрим термометром. При випарі води з поверхні терморезистора 8 в потоці повітря температура його зменшується, причому тим більше, чим менше його вологість. Опір терморезисторів 3 і 8 вимірюється спеціальним вторинним приладом 13. Для підтримки у ванночці деякого рівня води служить бачок 12 із

трубками 10 і 11. У міру випару води із терморезистора 8 її рівень у ванночці 9 знижується, відкривається нижній кінець трубки 11, через нього в бачок надходить повітря і з бачка у ванночку 9 стікає вода. Коли вода перекриває нижній отвір трубки 11 у газовому просторі бачка поступово (у міру витікання з нього води) утвориться розрядження. Вода з бачка випливає доти, поки це розрядження стане достатнім для зрівноважування гідростатичного тиску, обумовленого різницею рівнів води в бачку і ванночці. Діапазон вимірювання психрометра 20...100% відносної вологості, класи точності 4...6; час реакції 3...5 мін.

Конденсаційний газоаналізатор (рис.8.8). У цей час такі газоаналізатори використовуються в основному як гігрометри. В основу їхньої роботи покладено вимірювання температури, при якій аналізований газ досягає при незмінному тиску стану насичення. З нього випадає конденсат (роса) рідини, концентрація пари якої в газі вимірюється. Цю температуру прийнято називати температурою точки роси (або інею), а аналізатори, засновані на вимірюванні цієї температури, -- гігрометрами точки роси. Аналізований газ із постійною об'ємною витратою прокачується через камеру 3, у якій розміщений напівпровідниковий термоелемент (термопара) 1, який є холодильником. До холодного спаю цієї термопари припаяне металеве дзеркальце 2. До гарячого спаю термопари подається напруга постійного струму від автоматичного регулятора 8. При протіканні через напівпровідникову термопару постійного струму її холодний спай, а з ним і дзеркальце 2 охолоджуються. Охолодження відбувається доти, поки на поверхні дзеркальця не утвориться конденсат (іній). При цьому світловий потік, що надходить від лампи 4 до фотоприймача 7, зменшується за рахунок розсіювання на поверхні дзеркальця, покритого росою. Це викликає зменшення вхідного сигналу регулятора і відключення або зменшення напруги живлення термопари 1. За рахунок теплоти, внесеної в камеру 3 потоком аналізованого газу, дзеркальце і холодний спай поступово нагріваються. При цьому конденсат з поверхні дзеркальця випаровується і світловий потік, що надходить до фотоприймача, відновлюється до початкового значення. Регулятор 8 підключає або збільшує напругу живлення термопари і холодний спай її починає знову охолоджувати. Таким чином, температура дзеркальця автоматично підтримується рівній температурі точки роси. Ця температура перетвориться в уніфікований сигнал за допомогою термоелектричного чутливого елемента 6 і перетворювача 5. Гігрометри точки роси звичайно мають діапазон вимірювання від -80 до +40°С при тиску аналізованого газу 0,05...10 МПа. Абсолютна похибка вимірювання ±0,5°С.

Відомі конструкції конденсаційних газоаналізаторів, що забезпечують вимірювання температури точки роси по воді, вуглеводням і т.п.

Діелькометричні аналізатори

Принцип дії діелькометричних аналізаторів складається у вимірюванні діелектричної проникності в середовища, що заповнює електричний конденсатор.

Ці аналізатори застосовуються для аналізу складу бінарних або псевдобінарних сумішей газів і рідин. На рис.8.9 показана схема діелькометричного гігрометра, у якому вимірювання діелектричної проникності використовується разом з явищем сорбції пари води з аналізованого газу. У цьому гігрометрі аналізований газ прокачується з постійною об'ємною витратою через камеру 1, у якій розміщений алюмінієвий стрижень 2, по поверхні якого зроблена нарізка і нанесено оксид алюмінію. У нарізку покладений нікелевий дріт 3. Стрижень 2 і дріт 3 утворять конденсатор, ємність якого збільшується при сорбції пари води оксидом алюмінію. Остання викликає збільшення ємності конденсатора, що виміряється нерівноважним електричним мостом змінного струму і вторинним приладом (вольтметром) 4. Існують схеми діелькометричних гігрометрів з рівноважним електричним мостом.

Оптичні аналізатори

Для вимірювання концентрацій складових газів використовується ефект випромінювання практично всього спектра електромагнітних коливань, починаючи з радіохвиль і закінчуючи у-випромінюваннями. Найбільш широке застосування мають випромінювання інфрачервоних, видимих і ультрафіолетових ділянок спектра. Аналізатори, що працюють із випромінюваннями цих ділянок спектра, називають фотометричними. В аналізаторах використовуються явища поглинання, відбиття і розсіювання електромагнітного випромінювання аналізованою речовиною. Аналізатори, засновані на явищі поглинання електромагнітного випромінювання, називають абсорбційнооптичними і абсорбційнометричними. Аналізатори рідин і газів, засновані на явищі поглинання електромагнітного випромінювання видимої частини спектра, називаються фотоколориметрами.

У силу того що світло різних довжин хвиль має різні коефіцієнти переломлення при розробці фотоколориметричних аналізаторів, для забезпечення необхідної чутливості застосовують фільтри, що дозволяють використовувати ту частину спектра, яка найбільшою мірою змінюється при проходженні через аналізоване середовище.

Схемні і конструктивні виконання аналізаторів, у роботі яких використовується випромінювання видимої частини спектра, досить різноманітні. Колориметричні аналізатори класифікують залежно від числа джерел і приймачів випромінювання, числа використовуваних променів і наявності попереднього перетворення аналізованої речовини. На рис.8.10 наведена схема колориметричного газоаналізатора.

Полум'яні іонізаційні і фотометричні газоаналізатори

Хімічна реакція окислювання горючих речовин, що протікає в полум'ї, супроводжується рядом ефектів, які використовуються для одержання вимірювальної інформації. Ефекти іонізації і виникнення електромагнітного випромінювання застосовуються для вимірювання концентрацій деяких речовин у багатокомпонентних сумішах.

Полум'яний іонізаційний газоаналізатор (рис.8.12, а), у ньому аналізований газ і водень, що служить для підтримки полум'я, подаються із блоку підготовки газів 1 з постійними об'ємними витратами в мініатюрний пальник 3. Ост

Рисунок 8.12 - Схеми полум'яних газоаналізаторів

Повітря, необхідне для горіння водню, з постійною об'ємною витратою, надходить у камеру 4 через розподільник 2. Над пальником на фторопластовому ізоляторі 6 установлений колекторний електрод 5 із платини або ніхрому. Між пальником 3 і колекторним електродом 5 прикладається електричне поле від джерела 9 напругою 150...200 В/См. При згоранні чистого водню майже не утвориться іонів. Органічні речовини (гази і пари), що знаходяться в аналізованому газі, потрапляючи у водневе полум'я, згорають і обумовлюють різке збільшення іонного струму. Останній перетвориться в уніфікований сигнал перетворювача 7 з більшим вхідним опором, а сигнал останнього сприймається автоматичним потенціометром 8.

Полум'яний фотометричний газоаналізатор (рис.8.12, б) працює на ефекті зміни інтенсивності і спектрального складу випромінювання полум'я. Схема подачі газів у цьому аналізаторі аналогічна розглянутої (рис.8.12, а). При згорянні в полум'ї пари фосфоро-, сірково-або галогеноскладових речовин, які знаходяться в аналізованому газі, істотно змінюється інтенсивність випромінювання. Фотопотік надходить у фотомножник 6 через монохроматичний фільтр 5. Сигнал фотомножника перетворюється в уніфікований сигнал за допомогою перетворювача 7 і сприймається автоматичним потенціометром 8 Полум'яні фотометричні газоаналізатори можуть застосовуватися для аналізу рідких речовин. Із цією метою газоаналізатор виконується зі спеціальним пальником, який аналізовану рідку речовину перед згорянням розпорошує потоком газу

Хемілюмінесцентні газоаналізатори

Принцип дії даних газоаналізаторів заснований на явищі люмінесценції, що супроводжує деякі хімічні реакції. Таку люмінесценцію називають хемілюмінесценцією.

У хемілюмінесцентному газоаналізаторі (рис.8.13) аналізований газ і повітря з постійними об'ємними витратами із блоку підготовки газів 1 надходять у реакційну камеру 2. Повітря попередньо проходить через озонатор 7, де під дією бар'єрного високовольтного розряду в повітрі утворюється озон. При взаємодії в камері 2 озону з певним компонентом аналізованої суміші утворюються продукти реакції в збудженому стані. При переході їх у стійкий стан відбувається випромінювання квантів люмінесценції. Електромагнітне випромінювання через вікно 3 попадає у фотомножник 4, сигнал якого перетворюється в уніфікований сигнал за допомогою перетворювачів 5.

Вихідний сигнал останнього сприймається автоматичним потенціометром 6. При постійній концентрації озону в повітрі, що надходить у камеру 2, інтенсивність електромагнітного випромінювання пропорційна концентрації певного компонента в аналізованому газі. При такій подачі газів хемілюмінесцентний газоаналізатор може використовуватись для селективного вимірювання мікроконцентрацій неграничних вуглеводнів і оксидів азоту. Він може застосовуватися для

селективного вимірювання мікроконцентрацій озону в повітрі. У цьому випадку повітря надходить у реакційну камеру 2, минаючи озонатор, а замість аналізованого газу в камеру з постійною об'ємною витратою подається етилен.

Установка стаціонарних газоаналізаторів

При установці газоаналізатора велике значення має правильний вибір місця для відбору проби димових газів, що повинна найбільше повно характеризувати середній їхній склад.

Відбір проби виконується газовідбірним пристроєм (рис.8.14), що складається зі сталевої газовідбірної трубки 1 діаметром 15...20 мм, привареної під кутом 20...25° (для стоку конденсату) до фланця 2, щільно приєднаному із прокладкою до патрубка газоходу. На верхньому кінці трубки за допомогою фланців 3 і 4 закріплений пористий керамічний фільтр 5, разом зі сталевим захисним козирком 6. Протилежний кінець трубки приєднується накидною гайкою до лінії, що підводить газ до газоаналізатора.

Керамічний фільтр служить для первинного очищення газу, який відбирається для аналізу, від механічних домішок (золи і сажі), склад яких може досягати 20 г/м³. Від швидкого забруднення фільтр охороняє захисний козирок, установлений назустріч потоку газу.

Кінцівку газоовідбірної трубки з керамічним фільтром розташовують по можливості в середині потоку в місцях, де немає завихрень і застійних зон. Неприпустимо поміщати трубку поблизу місць можливого підсмоктування повітря (люків, заслінок, нещільностей обмуровування).

Газовідбірна трубка встановлюється вдалині від місцевих збурювань потоку, які утворюють різні опори (поворотом газоходу, заслінкою, шибером і т. п.). Найбільш сприятливою є її установка на прямих вертикальних ділянках газоходу зі спадним потоком, а також у вузьких місцях тракту, де відбувається краще перемішування газу. При установці газовідбірної трубки на горизонтальних ділянках кінець її розташовують ближче до верхньої частини газоходу, де швидкість руху нагрітого газу вище.

Температура газу в місці відбору проби повинна бути в межах 200...600°С. При температурі нижче 200⁰С можливе забруднення поверхні керамічного фільтра незгорілими продуктами, що конденсуються на ній (смолами). При температурі вище 600°С з'являється небезпека руйнування газовідбірної трубки і відновлення СО₂ у СО і О₂.

Для зменшення запізнювання показань первинний перетворювач газоаналізатора варто встановлювати можливо ближче до місця відбору проби. Температура газу при надходженні в прилад не повинна перевищувати 35°С.

Газоаналізатор установлюється в місцях, не підданих вібрації і розташованих удалині від нагрітих поверхонь. Температура навколишнього повітря, що допускається, 5.50°С і відносна вологість до 95%. Періодично газовідбірна трубка з керамічним фільтром продувається стисненим повітрям тиском 0,05 МПа.