Приборы аналитического контроля загазованности, основанные на физических принципах измерения

Газоанализаторы, основанные на физических принципах измерения – это приборы, измеряющие некоторую физическую величину, зависимость которой от химического состава анализируемого вещества точно определена.

Термокондуктометрические газоанализаторы. Их работа основана на измерении теплопроводности газовой смеси, зависящей от входящих в ее состав компонентов. Измерительная схема термокондуктометрического газоанализатора приведена на рис. 56.

Чувствительные элементы R1 и R3 (рабочие терморезисторы) омываются анализируемой газовоздушной смесью; сравнительные терморезисторы R2 и R4 помещены в герметичные ячейки, заполненные сравнительным газом точно известного состава. С электрической точки зрения схема при отсутствии в атмосфере контролируемого компонента представляет собой уравновешенный мост.

Появление контролируемого газа вызывает изменение теплопроводности газовоздушной смеси, в результате чего изменяется проводимость терморезисторов R1 и R2, что приводит к разбалансу моста и появлению электрического тока в измерительном блоке. Концентрация контролируемого газа в атмосфере помещения будет определять величину тока. Дальнейшая обработка электрического сигнала позволяет вывести значение концентрации контролируемого компонента на экран дисплея (рис. 57).

Термомагнитные газоанализаторы. Термомагнитные газоанализаторы применяют главным образом для определения концентрации кислорода, обладающего большой магнитной восприимчивостью. Кислород характеризуется парамагнетизмом, то есть способностью намагничиваться под действием внешнего магнитного поля. Его магнитная восприимчивость многократно превосходит магнитную восприимчивость остальных компонентов воздуха, которые можно отнести к парамагнитным газам: оксида азота – в 2,7 раза, диоксида азота – более чем в 4,7 раза.

Термомагнитный газоанализатор состоит из кольцевой камеры с горизонтальной трубчатой перемычкой, помещенной между полюсами магнита (рис. 58). На перемычку навита двухсекционная нагреваемая обмотка из платиновой проволоки. Сопротивления двух секции этой обмотки R3 и R4, а также резисторы R1 и R2образуют неуравновешенный мост.

При наличии в газовой смеси кислорода часть потока ответвляется в перемычку, нагревается, и магнитная восприимчивость смеси уменьшается. Ненагретая анализируемая газовая смесь под действием неоднородного магнитного ноля непрерывно поступает в перемычку и проталкивает нагретую газовую смесь вдоль нее (от большей напряженности магнитного поля к меньшей, то есть в нашем случае – слева направо).

Указанное явление называют термомагнитной конвекцией. Образующийся поток газа переносит теплоту от обмотки R3 к R4, вследствие чего изменяются температура секций (R3 охлаждается, а R4 нагревается) и их электрические сопротивления. Разность этих сопротивлений функционально связана с концентрацией кислорода в исследуемой газовой смеси. Разбаланс моста, пропорциональный концентрации кислорода, измеряется измерительным блоком. Конструктивное исполнение термомагнитного газоанализатора показано на рис. 59.

Оптические газоанализаторы. Устройства данной конструкции работают по принципу изменения оптических свойств газовой смеси (оптическая плотность, спектральное излучение, показатель преломления и т.д.). Данные газоанализаторы могут определять как органические (метан СН4, ацетилен С2Н2, этан С2Н6, и т.д.) так и неорганические (хлор, аммиак, сероводород и т.д.) вещества.

Принцип работы инфракрасного газоанализатора основан на известном факте о том, что многие газы поглощают инфракрасные лучи, и каждый из этих газов имеет определенный спектр поглощения. Сенсор газоанализатора состоит из источника ИК-света и датчика, между которыми установлены оптический фильтр и измерительная ячейка (рис. 60).

Поступая в измерительную ячейку, газ поглощает некоторое количество инфракрасного света, а датчик при этом фиксирует снижение интенсивности поступающего ИК-света и на базе известной зависимости (калибровочной кривой) генерирует выходной сигнал. Преимуществом данной технологии измерения являются: быстрый отклик, повторяемость, стабильность при изменении окружающих условий, отсутствие эффектов старения и отравления. Газоанализаторы ультрафиолетового поглощения применяются для измерения концентрации паров ртути, хлора, бензола и других веществ, имеющих характерные линии или полосы поглощения в ультрафиолетовой части спектра. Измерительная ячейка состоит из широкополосного источника излучения, колеса со светофильтрами и приемника излучения (рис. 61).

Излучение от источника направляется через линзу, полосовой фильтр и соответствующий светофильтр в измерительную кювету. После прохождения луча через полосовой фильтр в излучении остаются только те длины волн, которые поглощаются измеряемым веществом и не поглощаются другими компонентами пробы. Такой пучок света проходит через пробу газа и поглощается исследуемым компонентом пропорционально его концентрации. Далее оставшееся излучение попадает через диск со светофильтрами на приемник излучения, при помощи которого оценивается его интенсивность и определяется концентрация исследуемого компонента.

Наличие сигнала сравнения позволяет компенсировать влияние загрязнений, дрейфа источника излучения и других факторов. Принцип работы интерферометрических газоанализаторов основан на измерении коэффициента рефракции газа. Конструктивно интерферометрический сенсор состоит из источника света и оптической системы из зеркал, линз, призмы и светочувствительного датчика (рис. 62).

Свет от источника разделяется плоскопараллельным зеркалом на два луча (1 и 2) и отражается призмой. Луч 1 движется по круговому маршруту через камеру, наполненную измеряемым газом, а луч 2 – через камеру с референсным газом. После этого лучи 1 и 2, проходя через систему зеркал и линз, формируют на светочувствительном датчике картину интерференции. Данная картина сдвигается в пропорции к разнице в коэффициенте рефракции между измеряемым и референсным газами. Датчик измеряет сдвиг, чтобы измерить коэффициент рефракции, и преобразует его в концентрацию газа.

Принцип действия фотометрических газоанализаторов основан на том, что измеряется поглощение оптического излучения исследуемым газом в том участке спектра, где он имеет интенсивную полосу поглощения, не совпадающую с полосами поглощения других газов, присутствие которых возможно в анализируемой газовой смеси. Приборы могут быть однолучевыми и двухлучевыми. В силу ряда преимуществ наиболее перспективными являются двухлучевые спектрофотометрические газоанализаторы (рис. 63).

В двухлучевых фотометрах оптическое излучение от источника 1 разделяется на два одинаковых пучка. Один из них проходит через кювету 2 с измеряемым газом, а другой – через такую же кювету 3, заполненную так называемым «нулевым» газом, не содержащим измеряемой составляющей. Затем каждый пучок оптического излучения направляется в отдельные фотоприемники 4 и 5, сигналы от которых поступают на дифференциальный усилитель 6.

В случае слабого поглощения света в измерительной кювете разность между фототоками обоих фотоприемников оказывается пропорциональной массовой концентрации поглощающего свет вещества; для сильного поглощения пропорциональным концентрации будет логарифм отношения сигналов от фотоприемников. После соответствующей обработки на индикаторе 7 прибора будут отображаться непосредственно значения концентрации определяемого газа.