 |
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 (О2, 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:
κсм = ∑κiVi, (15)
где Vi – объемная концентрация компонентов смеси.
|
|
|
Усилие, перемещающее объем парамагнитного газ (V) в магнитном поле:
Fv=0∫vκH(dH/dl)dV (16)
С учетом уравнения (14):
Fv=0∫vκ0·(
)·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; Tн – абсолютная температура терморезистора в рабочей камере; Tн0 – абсолютная температура стенки; Tст – абсолютная температура стенкив рабочей камере; Тст0 – абсолютная температура стенки в сравнительной камере.
Условиями точного измерения является:
- равенство температур стенок рабочей и сравнительной камер (Тст – Тст0 = 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
|
|
|
