Лекция 6. Газоанализаторы

Классификация. Термомагнитные газоанализаторы, понятие удельной и объемной магнитной восприимчивости. Принципиальная схема. Термокондуктометрические газоанализаторы, относительная теплопроводность газов. Принцип действия.

Газоанализаторы – это измерительные устройства для измерения концентрации определенных газов в атмосфере, дымовых или других смесях. По принципу действия газоанализаторы можно разбить на восемь групп (рис. 14).

Рис. 19. Классификация газоанализаторов по принципу действия

Термомагнитные газоанализаторы предназначены для измерения концентрации кислорода в дымовых газах и воздухе. Известно, что кислород, оксид и диоксид азота (О_2, NO, NO₂) обладают парамагнитными свойствами, т. е. втягиваются магнитным полем. Остальные газы – парамагнетики. На этом различии свойств основан принцип действия газоанализатора на О₂.

Магнитные свойства газов характеризуются величиной объемной (κ) и удельной (κ₀) магнитной восприимчивостью: у парамагнетиков κ > 0 (больше нуля); у неферромагнитных газов, диамагнетиков ( κ < 0) меньше нуля.

Известно, что κ₀ = κ/ρ или κ = κ₀ ρ. (12)

По уравнению Менделеева-Клапейрона:

, (13)

где М – молекулярная масса газа, Т –температура смеси, К; R – универсальная газовая постоянная; Ра – абсолютное давление.

Подставив уравнение 13 в уравнение 12, получим:

(14)

Исходя из уравнения 14, объемная магнитная восприимчивость с ростом температуры уменьшается, т. е. притяжение магнитным полем ослабевает. Это явление называется термомагнитной конвекцией.

Объемная магнитная восприимчивость обладает свойством аддитивности:

κ_см = ∑κ_iVi , (15)

где Vi – объемная концентрация компонентов смеси.

Усилие, перемещающее объем парамагнитного газ (V) в магнитном поле :

F_v=₀∫^vκH(dH/dl)dV (16)

С учетом уравнения (14):

F_v=₀∫^vκ_0·( )·H·( )dV (17)

Устройство: проточная ячейка, находящаяся в магнитном поле, с намотанными наружно проволочными сопротивлениями, включенными в измерительную схему одинарного неуравновешенного или сдвоенного уравновешенного моста (рис.20, 21).

Рис. 20. Принципиальная схема датчика термомагнитного газоанализатора с неуравновешенным мостом

R₁, R₂ – постоянные сопротивления, плечи моста; R₃, R₄ – чувствительные элементы, температура и сопротивления которых зависят от интенсивности отвода тепла; NS – постоянный магнит; R₅ – сопротивление установки нуля.

Рис. 21. Принципиальная схема термомагнитного газоанализатора кислорода

Основная допускаемая погрешность термомагнитных газоанализаторов типа МН составляет ±5%. Диапазон измерения (нормированное значение шкалы): 20…100 %.

Термокондуктометрические газоанализаторы предназначены для измерения концентрации оксида, диоксида углерода в газах. Принцип действия основан на различии теплопроводностей газов (табл.7).

Таблица 7

Значения абсолютного и относительного коэффициента теплопроводности некоторых газов (t = 0 ⁰C, P = 0,1 МПа)

Газ			Газ	, кВт/(м )
Азот Аммиак Водород Воздух Диоксид азота Кислород Метан	23,72 21,33 169,60 23,78   42,71 24,16 31,38	0,996 0,879 7,130 1,000   1,796 1,016 1,320	Оксид углерода Сернистый ангидрид Сероводород Углекислый газ Хлор Водяной пар (при100	22,94   8,17 12,79   14,59 7,65     23,15	0,965   0,344 0,538   0,614 0,322     0,973
Примечание. и – коэффициенты теплопроводности соответственно газа и воздуха

Рис. 22. Измерительная схема термокондуктометрического газоанализатора с одинарным неуравновешенным мостом

Чувствительными элементами анализатора являются нагреваемые терморезисторы, помещенные в рабочие камеры с проходящей газовой смесью, а два других резистора находятся в сравнительных камерах, продуваемых газом постоянного состава с известным λ, например, воздухом.

Измерительная схема анализатора – неуравновешенный одинарный или сдвоенного мост (рис. 22, 23). При появлении в газовой смеси контролируемого компонента с большим отвод тепла от терморезисторов в рабочих камерах увеличится, изменится температура, а это приведет к изменению сопротивления терморезисторов, при этом температура и сопротивление терморезисторов в сравнительных камерах останется постоянным. Нарушается равновесие измерительного моста и в измерительной диагонали появится сигнал разбаланса (токовый в схеме неуравновешенного моста и напряжения в схемах уравновешенного моста).

^, (18)

где I – ток в измерительной диагонали неуравновешенного моста; k – постоянная прибора; T_н – абсолютная температура терморезистора в рабочей камере; T_н0 – абсолютная температура стенки; T_ст – абсолютная температура стенкив рабочей камере; Т_ст0 – абсолютная температура стенки в сравнительной камере.

Условиями точного измерения является:

- равенство температур стенок рабочей и сравнительной камер ( Т_ст – Т_ст0 = 0), что обеспечивается термостатированием измерительного блока;

- постояноство тока питания схемы (I₀ = const);

- постоянство скорости обдува сравнительной камеры;

- колебания температуры окружающей среды.

Рис. 23. Принципиальная схема термокондуктометрического газоанализатора на СО₂ со сдвоенным неуравновешенным мостом и компенсационным измерение выходного сигнала:

1, 3 – сопротивления чувствительных элементов, контактирующие с анализируемой смесью газов; 2,4, 5-8 – сопротивления плеч измерительного и сравнительного мостов

При этом система будет находится в равновесии и РД будет неподвижен. Кинематически РД связан с указателем отсчетного устройства.

Таблица 8

Технические характеристики газоанализатора «Протон»