Термокондуктометрические газоанализаторы

Принцип действия термокондуктометрических (от. лат. conductor — проводник) газоанализаторов основан на процессе теплопереноса в газах под действием градиента температур. Термокондуктометри­ческие анализаторы по принципу действия относятся к тепловым средствам измерений (см. гл. 9). Теплопроводность определяет собой количество тепловой энергии, проходящей через единицу площади, за единицу времени при градиенте температуры, равном единице температуры на единицу длины. Размерность теплопроводности в СИ Дж/(град·с·м) или Вт/(град·м),

Передача тепловой энергии теплопроводностью происходит при столкновении между собой молекул, имеющих различную кинети­ческую энергию. Теплопроводность газов пропорциональна произ­ведению длины свободного пробега молекул на их число в единице объема. Она практически не изменяется при больших изменениях давления, пока длина свободного пробега молекул не становится соизмеримой с размерами емкости, в которой расположен газ. Для подавляющего большинства газов теплопроводность заметно возрастает с увеличением температуры. Для многих газов и паров жидкостей величина, обратная теплопроводности,

(11.20)

— тепловое сопротивление — с высокой точностью является адди­тивной, где 1/λ — тепловое сопротивление анализируемой газовой смеси; 1/λ_i — тепловое сопротивление i-го компонента смеси; c_i — объемная концентрация i-го компонента.

Измерение теплового сопротивления анализируемой газовой смеси осуществляется в термокондуктометрических газоанализато­рах по электрическому сопротивлению терморезистора в процессе передачи тепловой энергии от этого терморезистора, нагреваемого электрическим током до некоторой температуры, через слой анали­зируемого газа постоянной толщины к стенкам камеры, в которой этот терморезистор размещен, имеющим меньшую, чем терморези­стор, постоянную температуру.

Основной частью термокондуктометрического газоанализатора является детектор, представляющий собой металлический блок 1 (рис. 11.1, а), в котором высверлены две или чаще четыре камеры 2, 6, 7, 8 цилиндрической формы. В каждой из камер в проволоч­ных держателях 4, укрепленных в электроизоляционной обойме 5, размещены металлические или полупроводниковые терморезисторы 3. Металлические терморезисторы выполнены из платиновой, вольфрамовой или вольфрамрениевой проволоки диаметром 0,02—0,05 мм. Иногда проволока защищена от коррозии стеклянной оболочкой. Сопротивление металлических терморезисторов состав­ляет обычно 5—60 Ом. Полупроводниковые терморезисторы выпол­нены в виде бусинок диаметром 0,2—0,5 мм с сопротивлением 2—30 кОм.

Схема термокондуктометрического газоанализатора показана на рис. 11.1, б. Анализируемый и вспомогательный газы поступают из блока подготовки га­зов 9 с постоянными объемными расходами соответственно в соеди­ненные последователь­но камеры 2, 6 и 8, 7 (рис. 11.1, а). Разме­щенные в этих камерах измерительные R_И и сравнительные R_СР тер­морезисторы включены в неравновесный мост, для питания которого служит стабилизиро­ванный источник пита­ния 11 (обычно посто­янного тока). Напряже­ние питания подбирают таким, чтобы терморе­зисторы были нагреты до температуры 50— 200°С. Резистор R₀ слу­жит для настройки на­чального уровня сигна­ла неравновесного мо­ста, резистор R_Д — для настройки коэффициен­та передачи. Тепловая энергия, выделяющаяся на терморезисторах R_И, отводится в общем случае за счет теплопроводности через слой газа, конвекции, излучения и теплопроводности в тонких креплени­ях терморезистора. Режим работы терморезисторов подбирают так, чтобы теплопередача в камерах детектора происходила практиче­ски полностью за счет теплопроводности через слой газа.

Когда теплопроводности анализируемого и сравнительного газов одинаковы, с помощью резистора R₀ на измерительной диагонали моста устанавливается нулевое значение сигнала. 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 R_И. В результате на измерительной диагонали моста возникает разбаланс, часть кото­рого с резистора R_Д поступает в промежуточный преобразова­тель 12, вырабатывающий унифицированный сигнал. Этот сигнал воспринимается автоматическим потенциометром 13. Разбаланс моста описывается выражением [22]:

ΔU = K_λ(1/λ_CM – 1/λ_B), (11.21)

где K_λ — коэффициент преобразования термокондуктометрического газоанализатора; 1/λ_CM, 1/λ_B—тепловое сопротивление анализируе­мой смеси и слоя вспомогательного газа соответственно.

Рис. 11.1. Схемы термокондуктометрического де­тектора (а) и газоанализатора (б)

Это выражение по структуре аналогично выражению (11.16), что определяет справедливость для термокондуктометрических ана­лизаторов всех ранее приведенных выводов (см. § 11.1).

В термокондуктометрических анализаторах аналитическое уст­ройство 10 обычно термостатируется либо применяются дополни­тельные устройства, осуществляющие коррекцию показаний анали­затора в зависимости от его температуры [19]. Иногда камеры 7 и 8 выполняют герметичными и заполняют газом с теплопроводно­стью, соответствующей нижнему пределу измерений газоанали­затора.

Термокондуктометрические газоанализаторы применяются для измерения концентрации Н₂, Не, СO₂, SO₂, NH₃, Ar, Сl₂ в бинарных и псевдобинарных газовых смесях. Они также очень широко ис­пользуются в качестве детекторов в газовых хроматографах (см. гл. 12).

Технические характеристики термокондуктометрических газо­анализаторов: диапазон измерений от 0—1 до 0—100%, чувстви­тельность 5—20 мВ/% об.; классы точности 2,5—10 (увеличивается с уменьшением диапазона измерений); время реакции 60—120 с.