Ионизационные газоанализаторы

Принцип действия этих анализаторов состоит в ионизации анали­зируемого вещества и измерении ионного тока. В практике анали­тического контроля в настоящее время находят применение в основном ионизационные газоанализаторы, различающиеся по способу ионизации анализируемого газа (ионизация радиоактивных излучений, фотоионизация, поверхностная ионизация, ионизация в тлеющем разряде и т. д.).

Рис. 11.10. Схемы ионизационных газоанализаторов

На рис. 11.10 приведены схемы радиоактивных (радиоизотоп­ных) ионизационных газоанализаторов. Анализируемый газ (рис. 11.10, а) поступает в камеру 1 (называемую ионизационной) с постоянным объемным расходом. Под действием источника излу­чения α- или β-лучей 2 молекулы анализируемой бинарной или псевдобинарной газовой смеси ионизируются. Между источником 2 и анодом 3, укрепленным на фторопластовом изоляторе 4, под дей­ствием электрического потенциала стабилизированного источника 7 (полярность включения источника соответствует случаю ионизации β-лучами) проходит ионный ток. Значение этого тока измеряется электрометрическим преобразователем 5, выходной унифицирован­ный сигнал которого посылается на потенциометр 6, и определяется выражением

U = k_θθ_СМ. (11.36)

где k_θ — коэффициент преобразования радиоактивного ионизаци­онного газоанализатора; θ_СМ— эффективное сечение ионизации анализируемой газовой смеси.

Эффективное сечение ионизации θ для газов является аддитив­ным свойством, что определяет возможность измерения концентрации определяемого компонента в соответствии с выражениями (11.5) или (11.19). Обычно в ионизированных газоанализаторах используют источники β-излучения ³Н, ⁹⁰Sr и ^I47Pm. Напряжение, прикладываемое между источником и коллектором 3, составляет 100—300 В.

Радиоактивные ионизационные газоанализаторы с достаточной для многих случаев чувствительностью могут работать в генератор­ном режиме, т. е. без внешнего источника потенциала (рис. 11.10, б), когда расстояние между плоским по конструкции источником излучения 2 и анодом 3 составляет несколько десятых долей мил­лиметра.

Радиоактивные ионизационные газоанализаторы обладают ма­лой инерционностью и имеют классы точности 2—5. Они находят применение в газовой хроматографии (см. гл. 12), а также исполь­зуются в составе аэрозольно-ионизационных газоанализаторов. Принцип действия этих комбинированных газоанализаторов состо­ит в предварительном воздействии на анализируемый газ, при ко­тором определяемый компонент избирательно преобразуется в аэро­золь.

Число образующихся аэрозольных частиц, пропорциональное концентрации определяемого компонента, измеряется по силе то­ка I в ионизационной камере:

I = I₀e , (11.37)

где I₀ — начальное значение силы тока; N — постоянная Брикарда, определяемая вероятностью осаждения газовых ионов на аэрозоль­ных частицах; а — коэффициент, зависящий от плотности и формы аэрозольных частиц; τ— время «жизни» газовых ионов в камере, определяемое ее конструкцией и напряженностью электрического поля; С_m — массовая концентрация аэрозольных частиц; r — сред­ний радиус аэрозольных частиц.

Для преобразования определяемого компонента анализируемой газовой смеси в аэрозоль используются: химические реакции, пиро­лиз, каталитическая конверсия.

На рис. 11.10, в показана схема аэрозольно-ионизационного газоанализатора, в котором для преобразования определяемого ком­понента в аэрозоль используется химическая реакция. В этом ана­лизаторе в отличие от анализатора на рис. 11.10, а имеется устрой­ство 8, в котором вспомогательный газ (обычно воздух) насыщается парами реагента, служащего для образования аэрозоля. Газовый поток из устройства 8 поступает в камеру 1, где смешивается с по­током анализируемого газа. Образовавшаяся в результате химиче­ской реакции определяемого компонента и паров реагента аэрозоль изменяет ионный ток в ионизационной камере. Аэрозольно-ионизационные анализаторы обычно используются для контроля концент­раций микропримесей вредных веществ, в том числе оксидов азота, хлористого водорода, аммиака, аминов. Диапазоны измерений от 0—0,5 до 0—50 мг/м³. Классы точности 10—15.

Явление поверхностной ионизации используется в работе анали­затора, схема которого показана на рис. 11.10, г. Анализируемый газ поступает в камеру 1 анализатора с постоянным объемным рас­ходом. В этой камере размещены керамический пористый ци­линдр 2, на который намотана платиновая нить 3, нагреваемая током источника 8 до температуры 800—1000 °С. Эта нить служит анодом. В качестве катода используется платиновый цилиндр 4. Между анодом и катодом приложено напряжение 50—500 В от ис­точника 7. Расстояние между электродами 1—2 мм. Ионный ток между электродами определяется в основном эмиссией щелочно­земельных металлов при нагревании платиновой нити. Для обеспе­чения стабильности работы керамический цилиндр 2 предваритель­но пропитывают едким кали (КОН).

Газоанализатор, основанный на поверхностной ионизации, обла­дает селективной чувствительностью к галогенсодержащим соеди­нениям, увеличение концентрации которых в анализируемом газе приводит к увеличению ионного тока. Значение ионного тока пре­образуется с помощью электрометрического преобразователя 5 в унифицированный электрический сигнал, поступающий на потен­циометр 6. Данный газоанализатор способен измерять микрокон­центрации галогенсодержащих соединений. Классы точности 10—15. Переносные газоанализаторы такого типа широко используются в качестве так называемых течеискателей при создании, эксплуата­ции и испытаниях холодильных аппаратов, кондиционеров и дру­гих систем, в работе которых используются фреоны различных ма­рок.