21-3. Тепловые газоанализаторы

К тепловым газоанализаторам относятся приборы, основанные на измерении тепловых свойств определяемого компонента газовой смеси, могущих быть мерой его концентрации. В качестве измеряемых величин в газоанализаторах этого типа используются теплопроводность газовой смеси и полезный тепловой эффект реакции каталитического окисления, которые зависят от

концентрации определяемого компонента. Тепловые газоанализаторы подразделяются на газоанализаторы термокондуктометрические (по теплопроводности газовой смеси) и термохимические (по полезному тепловому эффекту реакции каталитического окисления).

Газоанализаторы термокондуктометрические. Газоанализаторы, основанные на измерении теплопроводности анализируемой газовой смеси, применяются для определения процентного содержания какого-либо одного компонента: двуокиси углерода водорода аммиака гелия (Не), хлора и других газов, имеющих резко отличные коэффициенты теплопроводности по сравнению с другими компонентами смеси. Анализ многокомпонентной газовой смеси по ее теплопроводности можно производить при условии, что все компоненты газовой смеси, кроме определяемого, имеют одинаковую теплопроводность. Если в газовой смеси имеются компоненты, которые могут исказить результаты анализа, то, как будет показано ниже, тем или иным способом устраняют их влияние.

В табл 21-3-1 приводятся значения теплопроводности К, температурные коэффициенты теплопроводности и отношения теплопроводности некоторых газов к теплопроводности воздуха при температуре 100° С,

Таблица 21-3-1 (см. скан) Теплопроводность , температурные коэффициенты теплопроводности и отношения теплопроводности некоторых газов к теплопроводности воздуха при температуре

Значение теплопроводности зависит от температуры, и, так как температурные коэффициенты теплопроводности газов неодинаковы, при повышенных температурах теплопроводности некоторых газов оказываются равными теплопроводности воздуха. Например, для такое равенство наступает при 600° С. При этой температуре анализ газов с целью определения по суммарной теплопроводности газовой смеси невозможен. Для анализа по

теплопроводности газсшой смеси наиболее благоприятный температурный режим обеспечивается при 80—100° С.

Продукты горения обычно содержат а также и водяные пары. Теплопроводности почти одинаковы, поэтому при Еыборе соответствующей температуры (например, близкой к 100° С) определение может производиться с достаточной точностью. Метан обычно присутствует в продуктах горения в незначительном количестве и существенного влияния на теплопроводность газовой смеси не оказывает. Наличие водорода в продуктах горения приводит к значительному искажению (приуменьшению) результата измерения содержания так как теплопроводность велика (см. табл. 21-3-1). Поэтому при определении в продуктах горения, содержащих водород, необходимо перед впуском газа в приемный преобразователь газоанализатора дожигать На в специальной печи. При этом содержание может быть несколько преувеличено за счет одновременного сжигания также и Это можно учесть и внести поправку, если имеется прибор для определения Сернистый газ необходимо удалить с помощью фильтра, заполненного обезжиренной стальной (железной) стружкой и некоторым объемом воды. Следует отметить, что преувеличивает показания газоанализатора примерно на 1,7% Кроме того, является агрессивным газом, вызывающим коррозию металлических частей прибора.

Рис. 21-3-1. Принципиальная измерительная мостовая схема термокондуктометр ического газоанализатора.

Температура и влажность отбираемой пробы газовой смеси могут колебаться в достаточно широких пределах. Поэтому для уменьшения влияния переменного состава водяных паров на результаты анализа, а также для снижения температуры и влажности пробу газовой смеси охлаждают до определенной температуры с помощью водяного холодильника. Это позволяет стабилизировать температуру и влажность газовой смеси, поступающей в приемный преобразователь газоанализатора. В некоторых случаях, например в газоанализаторах, предназначенных для определения в бинарных смесях с повышенной или переменной влажностью, для стабилизации ее перед приемным преобразователем газоанализатора устанавливают барботеры, в которых сравнительный и анализируемый газы увлажняются до насыщения.

Принципиальная схема газоанализатора на приведена на рис. Газоанализатор состоит из приемного

преобразователя с мостовой измерительной схемой, линии связи, вторичного измерительного прибора (например, милливольтметра) и источника питания. Плечи моста приемного преобразователя являющиеся рабочими чувствительными элементами, изготовлены из тонкой платиновой проволоки (обычно диаметром и сопротивлением 10 или 40 Ом) и помещены в измерительные камеры, через которые протекает анализируемая газовая смесь. Два других плеча моста выполненные также из платиновой проволоки, представляют собой чувствительные элементы, помещенные в герметически закрытые камеры, заполненные сравнительным газом. В газоанализаторах, предназначенных для определения в газовой смеси, сравнительным газом является воздух. Имеются газоанализаторы, у которых плечи моста и не находятся в закрытых камерах, а аналогично рабочим чувствительным элементам непрерывно омываются сравнительным газом.

Питание мостовой измерительной схемы современных газоанализаторов осуществляется постоянным током от источника стабилизированного питания (ИПС). Резистор включенный в цепь питания, предназначен для установки тока питания моста при градуировке газоанализатора на заводе-изготовителе.

Для уменьшения влияния колебания температуры воздуха, окружающего приемный преобразователь газоанализатора, необходимо, чтобы было соблюдено равенство сопротивлений чувствительных элементов с наивысшей степенью точности. При протекании через газовые камеры воздуха мост должен быть электрически уравновешен и указатель милливольтметра должен находиться на отметке, соответствующей начальному значению шкалы. Незначительные отклонения от равновесия схемы в тот момент, когда все четыре чувствительных элемента омываются воздухом, устраняются с помощью регулируемого резистора Сопротивление этого резистора составляет примерно 0,15 Ом.

Для подгонки сопротивления линии связи до заданного значения служит резистор Параллельно с показывающим измерительным прибором может быть включен также и самопишущий милливольтметр. В этом случае градуировка газоанализатора должна быть выполнена с учетом сопротивления второго вторичного прибора и определенного значения сопротивления линии связи,

При омывании чувствительных элементов анализируемым газом, содержащим отсутствуют), изменяются условия теплоотдачи от чувствительных элементов к стенкам камер вследствие того, что теплопроводность анализируемого газа благодаря наличию иная, чем сравнительного газа (воздуха). В силу этого температура чувствительных элементов возрастает, а следовательно, увеличивается их сопротивление. При этом на вершинах в диагонали моста из-за нарушения электрического равновесия схемы появится напряжение и указатель милливольтметра отклонится на некоторый угол. Это напряжение является функцией сопротивления чувствительных элементов

и или, иначе говоря, функцией объемного процентного содержания в анализируемой газовой смеси.

Пределы допускаемой основной погрешности газоанализаторов, выполненных по схеме рис. 20-3-1, для определения в газовой смеси не превышают 2-2,5% диапазона измерения. Изменение показаний газоанализаторов этого типа при изменении температуры окружающего воздуха от 20 ± 5° до любой температуры в пределах от 5 до 50° С на каждые 10° С не превышает 2,5% диапазона измерения.

Рис. 21-3-2. (см. скан) Принципиальная компенсационная измерительная схема термокондуктометр ического газоанализатора на или

Рассмотрим компенсационно-мостовую измерительную схему газоанализатора, предназначенного для измерения объемной концентрации в продуктах горения или в системах водородного охлаждения турбогенераторов. Принципиальная компенсационная измерительная схема, применяемая в газоанализаторах на или разработанных аналитического приборостроения АН СССР и серийно выпускаемых Выруским заводом газоанализаторов, показана на рис. 21-3-2. Приемный преобразователь газоанализатора состоит из двух измерительных мостов: рабочего РМ и сравнительного Мосты преобразователя питаются переменным

током напряжением 6,5 В от двух вторичных обмоток трансформатора подключенного к стабилизатору, питаемому от сети напряжением 127 или 220 В, частотой 50 Гц. В качестве вторичного прибора в газоанализаторах этого типа используется электронный прибор, выполненный на базе автоматических уравновешенных мостов типа КСМ2 и др., снабженный реохордом

Реохорд вторичного прибора включен в измерительную диагональ сравнительного моста преобразователя. К токоотводу реохорда и к нижней вершине рабочего моста преобразователя подключен вход электронного усилителя.

Чувствительные элементы рабочего моста находятся в измерительных камерах и омываются анализируемой газовой смесью. В газоанализаторах типа предназначенных для определения чувствительные элементы рабочего моста и помещены в закрытые камеры, заполненные воздухом. Чувствительные элементы сравнительного моста находятся в закрытых камерах, заполненных газовой смесью (воздух соответствующей конечному значению шкалы. Два других чувствительных элемента сравнительного моста находятся также в закрытых камерах, заполненных воздухом, что соответствует начальному значению шкалы. Резисторы предназначены для установки тока питания рабочего и сравнительного мостов при градуировке газоанализаторов. Резистор служит для корректировки нуля газоанализатора, когда чувствительные элементы рабочего моста омываются воздухом.

При равновесии измерительной схемы преобразователя напряжение на Еершинах рабочего моста уравновешивается частью напряжения, снимаемого с реохорда выше движка. В этом случае напряжение на входе усилителя практически равно нулю. При изменении концентрации в газовой смеси напряжение на вершинах рабочего моста изменится и на входе усилителя появляется напряжение разбаланса, которое усиливается усилителем до значения, достаточного для приведения в действие реверсивного двигателя. Выходной вал реверсивного двигателя через систему кинематической передачи воздействует на движок реохорда, изменяя компенсирующее напряжение на верхнем участке реохорда до тех пор, пока оно не уравновесит напряжение на вершинах рабочего моста Одновременно валом реверсивного двигателя приводят в действие каретку с указателем и пером, фиксируя значение измеряемой концентрации в анализируемой гэзобой смеси.

Условию равновесия измерительной схемы отвечает выражение

где отношение длины участка реохорда выше движка к полной его длине; падение напряжения на рабочей длине реохорда.

Газоанализаторы типа применяемые для определения в системе водородного охлаждения турбогенераторов, имеют шкалу

. У этих газоанализаторов измерительные камеры рабочего моста с чувствительными элементами заполнены газовой смесью воздуха), соответствующей начальному значению шкалы. Камеры чувствительных элементов в сравнительном мосте заполнены что соответствует конечному значению шкалы, а камеры чувствительных элементов газовой смесью воздуха), соответствующей начальному значению шкалы.

Газоанализаторы с другими диапазонами измерений отличаются от рассмотренных приборов только процентным содержанием газовой смеси в закрытых камерах рабочего и сравнительного мостов.

Основным преимуществом компенсационной измерительной схемы является то, что показания газоанализаторов в меньшей степени зависят от колебаний напряжения питания и от изменения температуры воздуха, окружающего приемный преобразователь, так как эти влияющие величины одинаково действуют на рабочий и сравнительный мосты. Изменения показаний газоанализатора при изменении температуры воздуха, окружающего преобразователь, будут тем меньше, чем с большей точностью соблюдено равенство сопротивлений чувствительных элементов мостов.

Компенсационная измерительная схема позволяет создавать газоанализаторы для измерения малых концентраций определяемого компонента в бинарных и многокомпонентных газовых смесях, В этом случае приемный преобразователь снабжается двумя рабочими мостами и одним сравнительным мостом. Для устранения влияния на показания газоанализатора переменного содержания какого-либо неопределяемого компонента газовой смеси компенсационная измерительная схема позволяет кроме рабочего и сравнительного мостов включить в схему компенсационный мост. Рассмотренная измерительная схема газоанализатора позволяет также осуществлять автоматическую корректировку возможного изменения показаний и от других влияющих величин.

Для газоанализаторов, показанных на рис. 21-3-2, сопротивление каждого провода, соединяющего приемный преобразователь с реохордом вторичного прибора, должно быть равно Ом. Пределы допускаемой основной погрешности диапазона измерения. Изменения показаний газоанализаторов при изменении температуры окружающего воздуха от С до любой температуры в пределах от 5 до 50° С на каждые 10° С не превышают диапазона измерения. Изменение показаний газоанализаторов при изменении напряжения питания на ±10% не более ±2,5% диапазона измерения. Запаздывание показаний газоанализаторов при изменении концентрации газовой смеси на входном штуцере приемного преобразователя не превышает 4 мин.

Рассмотрим устройство рабочих и сравнительных чувствительных элементов и измерительных камер, применяемых в термокондуктометр ических газоанализаторах. Устройство измерительных камер приемного преобразователя газоанализатора должно быть

таково, чтобы незначительные колебания скорости газового потока не вызывали изменения показаний прибора при одном и том же процентном содержании определяемого компонента в анализируемой газовой смеси. Температура стенок рабочих и сравнительных камер преобразователя должна быть одинакова. Для этой цели измерительные камеры выполняются массивными и из высокотеплопроводного материала.

В газоанализаторах с компенсационно-мостовой измерительной схемой применяются чувствительные элементы в стеклянных ампулах, показанные на рис. 21-3-3 [89]. Чувствительные элементы а и имеют сопротивление 10 Ом, а чувствительные элементы в и Ом. Чувствительные элементы обладают лучшей механической надежностью и химической устойчивостью, однако при их применении несколько увеличится инерционность приемного преобразователя газоанализатора. Запаянные стеклянные ампулы с чувствительными элементами заполняются газовой смесью в зависимости от определяемого компонента в анализируемой газовой смеси, диапазона измерения и применяемой измерительной схемы (рис. 21-3-2).

Рис. 21-3-3. Устройство рабочих и сравнительных чувствительных элементов в стеклянных ампулах с открытой и остеклованной платиновой спиралью. 1 — платиновая спираль 0,02 мм; 2 - платинородиевые токоподводы мм; 3 - стекло.

Все чувствительные элементы приемного преобразователя газоанализатора устанавливают в вертикальных камерах (каналах) общего массивного блока с одним или двумя горизонтальными центральными каналами, через которые протекает анализируемый газ. Указанное расположение чувствительных элементов в блоке обеспечивает одинаковые условия их работы. Блок для чувствительных элементов в зависимости от агрессивных свойств анализируемой газовой смеси изготовляют из латуни, нержавеющей стали и других материалов.

На рис. 21-3-4 показана схема камеры приемного преобразователя термокондуктометрического газоанализатора, в которой установлен чувствительный элемент с остеклованной платиновой спиралью. Как видно из схемы, анализируемый газ протекает через горизонтальный канал, перпендикулярный каналу камеры. Газ поступает в камеру, омывая чувствительный элемент, только за счет диффузии. Чувствительный элемент может быть также установлен в вертикальном прямоточном канале. В этом случае

чувствительный элемент непосредственно омывается потоком анализируемого газа.

При диффузионном подводе газа в камеру показания газоанализатора в значительно меньшей степени зависят от расхода газовой пробы. При установке чувствительных элементов в прямоточных каналах приемный преобразователь будет иметь меньшую инерционность, но в этом случае на показания газоанализатора будет значительно влиять изменение расхода анализируемого газа.

Рис. 21-3-4. Схема камеры приемного преобразователя газоанализатора с диффузионным подводом анализируемого газа.

Термохимические газоанализаторы. Из числа термохимических газоанализаторов наибольшее распространение получили газоанализаторы, основанные на измерении полезного теплового эффекта реакции каталитического окисления (горения) определяемого компонента анализируемой газовой смеси. азоанализаторы этого типа находят применение для определения или в продуктах горения и в других газовых смесях, а также в рудничной атмосфере.

Имеются две модификации термохимических газоанализаторов, в которых используется реакция каталитического окисления. К первой модификации относятся газоанализаторы, в которых реакция каталитического горения определяемого компонента осуществляегся на поверхности на гретой каталитически активной тонкой проволоки (например, платиновой). Эта проволока является одновременно чувствительным элементом.

Ко второй модификации относятся газоанализаторы, в которых каталитическое окисление определяемого компонента осуществляется на твердом гранулированном катализаторе при протекании через него анализируемой газовой смеси. В этом случае полезный тепловой эффект каталитического горения измеряют в рабочей камере с помощью чувствительного элемента, выполненного из тонкой платиновой проволоки или термобатареи. В переносном газоанализаторе для определения в рудничной атмосфере каталитическое горение осуществляется на твердом шарообразном катализаторе, выполненном из окиси алюминия, с нанесенной на его пористую поверхность платинопалладиевого катализатора. Внутри шарообразного катализатора находится платиновая спираль, которая выполняет функции чувствительного элемента. Такое выполнение чувствительного элемента обеспечивает более высокую. надежность и стабильность характеристик прибора по сравнению с газоанализаторами первой модификации.

Мостовая измерительная схема термохимического газоанализатора показана на рис, 21-3-5, Газоанализатор состоит из приемного

преобразователя, линии связи резистор для подгонки сопротивления линии связи до заданного значения), вторичного измерительного прибора (милливольтметра) и источника стабилизированного питания (ИПС).

Плечи неуравновешенного моста приемного преобразователя являющиеся соответственно рабочим и сравнительным чувствительными элементами, изготовлены из тонкой платиновой проволоки. Рабочий чувствительный элемент на поверхности которого происходит каталитическое горение определяемого компонента, помещен в камеру. Через эту камеру непрерывно протекает анализируемый газ. Сравнительный чувствительный элемент аналогичный по устройству рабочему, помещен в герметически закрытую камеру, заполненную воздухом. Плечи моста выполнены из манганиновой проволоки.

Рис. 21-3-5. Принципиальная измерительная мостовая схема термохимического газоанализатора.

Рабочий и сравнительный чувствительные элементы нагреваются до определенной температуры (не менее 200—400° С в зависимости от катализатора и определяемого компонента) постоянным током. Небольшие колебания напряжения питания и температуры воздуха, окружающего приемный преобразователь, практически не вызывают изменения показаний газоанализатора.

В рабочей камере горение в присутствии катализатора происходит за счет свободного кислорода в анализируемом газе или за счет дополнительно поступающего через специальное сопло камеры воздуха в количестве около 30% общего объема анализируемого газа. Благодаря выделению тепла при сгорании определяемого компонента возрастает температура чувствительного элемента а следовательно, и его сопротивление, вследствие чего равновесие моста нарушается. Разность потенциалов, возникшая при этом на вершинах моста, будет пропорциональна количеству выделившегося тепла, а следовательно, и содержанию определяемого компонента в анализируемом газе. Это дает возможность градуировать шкалу милливольтметра непосредственно в процентах по объему или

Для коррекции нуля газоанализатора служит регулируемый резистор В момент проверки нуля чувствительные элементы омываются воздухом.