Диффузионные газоанализаторы

Принцип действия диффузионных газоанализаторов основан на процессе переноса вещества (компонента смеси) под действием градиента его концентрации. Этот перенос может происходить при соприкосновении веществ друг с другом (диффузия) или сквозь твердое вещество (трансфузия или проницание). Процесс переноса вещества связан с хаотическим тепловым движением молекул, происходящим в направлении уменьшения концентрации вещества и ведущим к его равномерному распределению по занимаемому объему. Проникновение через твердое тело определяется наличием разрывов в их кристаллической решетке, нерегулярных щелей и пор в макроструктуре твердого вещества или растворением газов и паров в твердом веществе. Наиболее быстро процесс переноса вещества под действием градиента концентрации происходит в газах, что во многом определяет использование этого явления для автоматического контроля концентрации газов.

Интенсивность взаимного проникновения двух соприкасающихся газов определяется коэффициентом их взаимной диффузии, кото­рый зависит от молекулярных масс этих газов и полярности их молекул. Коэффициент взаимной диффузии увеличивается с увели­чением температуры и уменьшается с увеличением давления.

При диффузии газа через мембрану из твердого пористого вещества при условии сравнимости длины свободного пробега молекул с диаметром пор (процесс так называемой кнудсеновской диффузии) коэффициент диффузии обратно пропорционален квад­ратному корню из молекулярной массы газа.

Коэффициенты диффузии через непористые материалы (кварц, стекло, металлы, полимеры), используемые в качестве мембран, индивидуальны для различных газов и зависят от механизма про­ницания.

Во многих важных для аналитического контроля случаях мож­но считать, что каждый компонент анализируемой газовой смеси проникает через мембрану независимо от других компонентов.

При взаимной диффузии двух газовых объемов независимая диффузия компонентов многокомпонентной смеси наблюдается только при ее предварительном 3—4-кратном разбавлении.

На рис. 11.2, а показана схема диффузионного мембранного анализатора концентрации водорода. В этом анализаторе камеры 2 и 1 разделены тонкой (10—20 мкм) мембра­ной из сплава палладия с серебром. Аналитиче­ское устройство анали­затора термостатирует­ся при температуре 45°С. Через камеру 2 с постоянным объемным расходом прокачивает­ся анализируемый газ, содержащий водород, а через камеру 1 — вспо­могательный газ (на­пример, воздух или азот), который предва­рительно проходит через камеру 4. В камере 1 размещены измери­тельный R_И, а в камере 4 — сравнительный R_СР терморезисторы. Эти терморезисторы подключены к неравновесному мосту 5 и образуют термокондуктометрический детектор (см. § 11.2). При пяботе ана­лизатора через мембрану из камеры 2 в камеру 1 диффундирует только водород, который добавляется к вспомогательному газу и изменяет теплопроводность газового потока, омывающего измери­тельный терморезистор R_И. Это вызывает изменение сигнала нерав­новесного моста 5, который измеряется и регистрируется самопи­шущим потенциометром 6.

Рис. 11.2. Схемы диффузионных газоанализа­торов

Когда поток газа, проникающего через мембрану, мал (2-3% об. от расхода вспомогательного газа), сигнал анализатора. описывается выражением

U = k_λ = K_Dc₀, (11.22)

где D_M – коэффициент диффузии определяемого компонента через мембрану; S и δ – площадь и толщина мембраны; λ – теплопроводность газа, проникающего через мембрану;

K_D = k_λ

—коэффициент преобразования анализатора.

Из выражения (11.22) следует, что сигнал анализатора одно­значно определяется концентрацией водорода в анализируемой многокомпонентной газовой смеси. Анализатор обеспечивает селек­тивное измерение концентраций водорода, дейтерия и гелия в диапазонах от 0—1 до 0—100% об., имеет класс точности 3 и время реакции 10—15 с. Кроме палладиевых мембран в рассмотренном анализаторе для решения задач селективного измерения концент­рации других газов и паров могут быть использованы тонкие (5—20 мкм) пленки из различных полимерных материалов.

На рис. 11.2, б приведена схема автоматического диффузионно­го анализатора концентрации легкого компонента в многокомпо­нентных смесях, основанного на взаимной диффузии. Здесь через камеру 2 с постоянным объемным расходом прокачивается анали­зируемый газ, а через камеры 1 и 5—вспомогательный газ, напри­мер воздух. Камеры 2 и 5 отделены друг от друга непроницаемой перегородкой 4, в которой имеется окно 3, закрытое металлической сеткой или бумагой. В камере 1 размещены сравнительный R_СР, а в камере 5 — измерительный R_И терморезисторы термокондуктометрического детектора.

При протекании по каналам названных газовых потоков через окно 3 между ними происходит диффузия. Причем условия ее про­текания (скорость потока, размеры окна 3, расстояние терморези­стора R_И от окна) подобраны так, что к измерительному терморе­зистору успевает продиффундировать только компонент, обладаю­щий наибольшим в данной анализируемой смеси коэффициентом диффузии (обычно это наиболее легкий компонент). Остальные компоненты сносятся потоком вспомогательного газа и практиче­ски не достигают терморезистора R_И. Поэтому изменения сопротив­ления терморезистора R_И, связанные с изменением теплопроводно­сти омывающей газовой смеси, будут происходить только за счет изменения концентрации легкого компонента. Возникающий при этих изменениях разбаланс неравновесного моста 6 измеряется и записывается потенциометром 7. Аналитическое устройство ана­лизатора термостатируется при температуре 45°С. Технические характеристики анализатора: диапазон измерений от 0—10 до 0—100% об.; класс точности 2; время реакции 10—15 с. Анализатор предназначен для измерения концентрации водорода, гелия, дейтерия, метана в многокомпонентных смесях.

Диффузионные газоанализаторы обладают на порядок большей селективностью при измерении концентрации определяемого компо­нента, чем термокондуктометрические, за счет существенно мень­шего влияния на их показания изменений концентраций неопреде­ляемых компонентов многокомпонентных газовых смесей.