Сорбционные газоанализаторы

В основу работы сорбционных газоанализаторов положены раз­личные эффекты, сопровождающие процесс сорбции (сорбция — поглощение твердым телом или жидкостью вещества из окружаю­щей среды). Это явление давно используется в аналитическом контроле. Так, широко распространены волосяные влагомеры воз­духа, в которых сигнал измерительной информации формируется за счет изменения длины волоса с изменением влажности воздуха. Интенсивное развитие сорбционных методов и средств автоматического контроля наблюдается в последнее время. В сорбционных газоанализаторах используются механические, тепловой, оптические и электрические эффекты, — сопровождающие процесс адсорбции газов и паров. В дилатометрическом газоанализаторе (рис. 11.4, а), предназначенном для измерения концентрации водорода, в каме­ре 2, через которую прокачивается анализируемый газ, размещена тонкостенная трубка 1, изготовленная из палладия. Водород, со­держащийся в анализируемом газе, растворяется в палладии. При этом длина трубки 1 за счет эффекта набухания с увеличением концентрации водорода увеличивается. Так как верхний конец трубки 1 закреплен на корпусе 2, то ее нижний конец свободно перемещается. С помощью емкостного, индуктивного или пневма­тического преобразователя перемещений 4 измеряются перемеще­ния пластины 3, укрепленной на нижнем конце трубки 1. Эти пере­мещения связаны с концентрацией водорода в многокомпонентных газовых смесях.

Известны сорбционные дилатометрические газоанализаторы, предназначенные для измерения концентрации пропана, бутана, диоксида углерода или других технических газов, в которых вместо палладиевой трубки используется стержень, изготовленный из адсорбента (активированный уголь, алюмогель, силикагель).

Рис. 11.4. Схемы сорбционных газоанализаторов

На рис. 11.4, б показана схема газоанализатора, основанного на определении массы сорбированного определяемого компонента анализируемой смеси. Последнее осуществляется путем измерения частоты или амплитуды колебаний пьезоэлектрической (обычно кварцевой) пластины 1 (размерами 12×12×0,2 мм), на поверхно­сти которой напылены электроды 3 и нанесен слой сорбента 2. Пластина включена в колебательный контур высокочастотного (5—15 МГц) генератора 5 и размещена в камере 4, через которую прокачивается анализируемый газ. При изменении концентрации определяемого компонента, который селективно сорбируется слоем сорбента 2, изменяется масса последнего, что изменяет частоту колебаний пластины, а следовательно, и частоту колебаний генера­тора 5. Выходной сигнал этого генератора поступает в смеситель 6, а сигнал опорной частоты поступает в смеситель от генератора 7, частота колебаний которого определяется пьезокварцевой пластиной 9 с электродами 10, размещенной в герметичной камере 8. Частота биения, возникающего на выходе смесителя, определяется из выражения

Δƒ = , (11.25)

где ƒ — собственная частота колебаний пластины с сорбирующим слоем; N — частотный коэффициент, зависящий от типа среза кри­сталла кварца и формы пластины; ρ и S — плотность и площадь поверхностного слоя пластины; m — масса сорбированного ве­щества.

Рассмотренный газоанализатор может использоваться для из­мерения концентрации Н₂, NO₂, SO₂, NH₃, H₂S и паров НС1, Hg, H₂O, ароматических углеводородов и других веществ при соответ­ствующем подборе сорбирующего слоя. В качестве сорбирующего слоя обычно используются различные жидкие фазы, применяемые в газожидкостной хроматографии (см. гл. 12). При использовании газоанализатора для измерения концентрации паров воды, т. е. в качестве гигрометра (от греч. hygros — влажный и metreo — из­меряю), сорбирующий слой выполняют из диоксида кремния, пентоксида фосфора, сульфированного полистирола и других гигроскопических полимеров и природных смол.

Рассмотренный газоанализатор в качестве гигрометра в настоя­щее время наиболее распространен. Влагомеры такого типа имеют широкий диапазон измерений от 0—10^-5 до 0—3% об. и время ре­акции 10—30 с.

Интенсивно развивающимся направлением автоматического газового анализа являются методы и средства, базирующиеся на использовании электрических явлений, сопровождающих процесс сорбции. В основу работы сорбционных электрокондуктометрических (далее просто кондуктометрических) газоанализаторов поло­жено измерение проводимости адсорбентов, изготовленных в виде гранул, пластин или пленок. Проводимость существенно изменяется при сорбции газов или паров. Как правило, материалы, из которых изготавливают указанные элементы, являются полупроводниками.

В настоящее время разработано большое число конструкций сорбционно-кондуктометрических газоанализаторов. Из всего мно­гообразия этих конструкций можно выделить газоанализаторы с пленочным, диодным, триодным чувствительным элементом и чув­ствительным элементом в виде гранулы. В качестве материалов в полупроводниковых пленочных чувствительных элементах исполь­зуют в основном оксиды металлов SnO₂, Nb₂O₅, CoO, ZnO, ZrO₂, ТiO₂, а также германий и кремний. На рис. 11.4, в показана схема газоанализатора с пленочным чувствительным элементом. В качест­ве пленки 2 используется оксид цинка, нанесенный на боросиликатную подложку. Толщина пленки 20—1000 А, размеры ее 20×4 мм. Через нанесенные на нее контакты 3 пленка подложки подключается к измерительной схеме. При протекании через камеру 1 ана­лизируемого газа определяемый компонент сорбируется на пленке и изменяет ее электрическое сопротивление.

Вещества, обладающие донорными свойствами, увеличивают электропроводность, а вещества с акцепторными свойствами умень­шают ее. Сигнал анализатора определяется током, создаваемым в цепи стабилизированным источником 5, который преобразуется в унифицированный сигнал высокоомным преобразователем 4. Для получения высокой чувствительности пленку нагревают до темпера­туры 200—400°С.

Явления сорбции применяются в сочетании с другими явлениями в ряде других средств аналитического автоматического контроля (см. § 11.7, 12.2, 12.3).