Лекция № Переносные приборы контроля газовоздушной среды по водороду

Вопросы:

1. Физические основы метода анализа газов по теплопроводности.

2. Схемы измерения концентраций газов по теплопроводности.

3. Газоанализатор на водород тп-1123.

1. Физические основы метода анализа газов по теплопроводности.

Среди используемых в настоящее время методов измерения концентраций газов в воздухе и технологических смесях метод, в основе которого лежит измерение концентрации газа по его теплопроводности, получил широкое распространение. Под теплопроводностью понимают процесс передачи количества тепла в единицу времени на единицу расстояния. За единицу теплопроводности  принят:

1 ватт \ метр х градус К.

В практике используется также:

1 ккал \ метр х час х градус С.

Теплопроводность газов практически не зависит от давления. С увеличением температуры теплопроводность газов увеличивается, что связано с увеличением количества соударений молекул газа между собой. Значения теплопроводностей некоторых газов представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Зависимость теплопроводности некоторых газов (ватт\ метр х градус К) от температуры (К).

№	Газ	250К	300К	400К	450К
1	Воздух	22,1	26,2	30,0	33,8
2	Азот	22,2	25,9	29,3	32,7
3	Кислород	22,6	26,6	29,8	33
4	Углекислый газ	13	16,6	20,4	24,3
5	Водород	157	183	204	226

Теплопроводность газов и паров веществ часто характеризуют в относительных от воздуха величинах (Таблица 2.).

Таблица 2.

Значения относительной теплопроводности

некоторых газов и паров отнесенные к теплопроводности воздуха.

№	Газ, пары вещества	Относительная теплопроводность (по воздуху)
1	Воздух	1,0
2	Азот	0,996
3	Кислород	1,015
4	Углекислый газ	0,605
5	Водород	7,15
6	Окись углерода	0,96
7	Двуокись азота	1,978
8	Окись азота	0,952
9	Аммиак	0,897
10	Ацетон	0,776
11	Гелий	5,9
12	Метан	1,25
13	Пары воды	0,62

В небольших диапазонах измерения теплопроводность газовой смеси  обладает свойством аддитивности и зависит от концентраций компонентов, составляющих данную смесь:

смеси = С11 + С22+…+ Сnn

где: С1, С2, Сn – концентрации компонентов газовой смеси;

1, 2, n – теплопроводности компонентов.

С увеличением значений теплопроводностей компонентов газовой смеси, значение общей теплопроводности смеси имеет сложную зависимость и определяется, как правило, опытным путем.

Теплопроводности газов лежат в широком диапазоне значений, однако среди газов имеются такие, чья теплопроводность резко отличается от остальных. К таким газам относятся водород и гелий. По этой причине газоанализаторы на водород, основанные на его аномально высокой теплопроводности, получили исключительно широкое распространение.

Ч увствительными элементами в газоанализаторах, основанных на принципе теплопроводности, являются платиновые или платиново-иридиевые нити диаметром 0,02-0,05 мм изготовленные в виде пружинки и закрепленные в измерительной камере (Рисунок 1).

Рис.1. Конструкция измерительной камеры.

Достаточно широко используются чувствительные элементы, представляющие собой остеклованную спираль, изготовленную из платиновой проволоки длиной 2 см, диаметром 0,02 см, с сопротивлением 40 Ом. Данные элементы имеют несколько большую инерционность, но удобнее в эксплуатации.

Чувствительный элемент в газоанализаторах являются одновременно термометром сопротивления и нагревателем. Теплоотдача от чувствительного элемента к стенкам камеры зависит от теплопроводности газовой смеси в камере. При изменении концентрации измеряемого компонента происходит изменение теплоотдачи и изменяется температура чувствительного элемента, что в свою очередь приводит к изменению электрического сопротивления.

Теплоотдача W платиновой нити за счет теплопроводности газовой смеси выражается уравнением:

W = A cм (tн – tст)

где: A – тепловая константа камеры;

cм – теплопроводность газовой смеси;

tн , tст – температуры нити и стенки камеры.

Выходное напряжение U такого чувствительного элемента в общем виде выражается соотношением:

U = K R² I² U_пит _см^-1

где: K – конструктивный коэффициент;

R – электрическое сопротивление чувствительного элемента в установившемся режиме;

I – величина тока, проходящего через чувствительный элемент;

U_пит – напряжение питания;

_см – теплопроводность газовой смеси в установившемся режиме.

В газоанализаторах обычно измерение концентрации осуществляется методом сравнения теплопроводностей исследуемой и сравнительной газовых смесей. Для этого в конструкции газоанализатора предусмотрены две газовые камеры: измерительная и сравнительная. В измерительную газовую камеру подается исследуемая газовая смесь, а в сравнительную газовую камеру стандартный газ. Для обеспечения нормальной работы газоанализатора расходы газов через обе камеры должны быть одинаковыми.

Существуют и широко применяются газоанализаторы, в которых исследуемая газовая среда не прокачивается через камеры, а лишь соприкасается с чувствительными элементами. У таких газоанализаторов чувствительные элементы сравнительной камеры находятся в атмосфере стандартного газа, а камера герметично закрыта. Недостатком газоанализаторов такого типа является их чувствительность к движению воздуха. Поэтому они должны размещаться в местах, где отсутствует движение воздуха и должны иметь на входе в измерительную камеру сетку, обеспечивающую диффузионный заход газовой смеси.

В качестве детектора в газоанализаторах получила исключительно широкое распространение мостовая схема соединения чувствительных элементов (Рис.2.).

Рис. 2. Мостовая схема соединения чувствительных элементов.

Принцип работы данной схемы заключается в следующем. На схему подается постоянное напряжение питания (точки А,Б). При равенстве всех четырех термосопротивлений и одинаковом тепло отводе с них в сравнительной и измерительной камерах, токи, протекающие через резисторы R1, R4 и R2, R3, будут одинаковыми. Поэтому в точках Д и С разности потенциалов не наблюдается. Если в измерительную камеру заходит газ с теплопроводностью, отличающейся от стандартного газа, то величины терморезисторов R1, R3 изменятся, что приведет к разбалансу токов в плечах мостовой схемы и появлению напряжения между точками С, Д. Величина этого напряжения будет тем больше, чем больше будет различие в теплопроводностях газов в измерительной и сравнительной камерах.