- •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.
- •В практике используется также:
- •Значения относительной теплопроводности
- •2. Схемы измерения концентраций газов по теплопроводности.
- •3. Газоанализатор на водород тп-1123.
- •Принцип действия.
- •Работа электрической схемы.
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 = С11 + С22+…+ Сnn
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 Uпит см-1
где: K – конструктивный коэффициент;
R – электрическое сопротивление чувствительного элемента в установившемся режиме;
I – величина тока, проходящего через чувствительный элемент;
Uпит – 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.