2.2 Термокондуктометрический метод анализа
Термокондуктометрический метод измерения основан на зависимости теплопроводности анализируемой газовой смеси от концентрации определяемого компонента. В общем случае теплопроводность газов практически не зависит от давления и увеличивается с возрастанием температуры. В узких диапазонах измерений теплопроводность газовых смесей при наличии молекул с относительно малыми дипольными моментами обладает аддитивными свойствами и однозначно зависит от концентрации компонентов:
,
(4)
где Ci — концентрации компонентов в долях единицы; λi — теплопроводности компонентов.
Если газовая смесь бинарная и ее компоненты имеют разные теплопроводности, то измеряя изменения теплопроводности смеси, можно определить концентрацию одного из компонентов.
Для анализа многокомпонентной смеси термокондуктометрический метод может быть применен в случаях, когда теплопроводности неопределяемых компонентов λнк незначительно различаются между собой и резко отличаются от теплопроводности определяемого компонента λ1 или когда объемное соотношение неопределяемых компонентов не изменяется. Подобные смеси относятся к классу квазибинарных, для которых уравнение (4) может быть представлено в виде
,
(5)
где С1 — концентрация определяемого компонента газовой смеси.
Наиболее часто чувствительными элементами термокондуктометрических газоанализаторов служат платиновые терморезисторы в виде проволочных нитей 5, закрепленных в проточных измерительных (рабочих) камерах (рисунок 2).
Рисунок 2 - Принципиальная схема термокондуктометрического
газоанализатора
Терморезисторы измерительных камер 1, 3 нагреваются током питания мостовой схемы и являются одновременно нагревателями и термопреобразователями сопротивления.
Теплообмен между нагретой нитью и стенкой камеры, внутри которой протекает анализируемая газовая смесь, будет определяться ее теплопроводностью. При изменении концентрации измеряемого компонента изменяются теплопроводность смеси и одновременно температура термопреобразователя, т. е. и его сопротивление. Величина изменения последнего и характеризует концентрацию определяемого компонента.
Сравнительные камеры 2, 4 изготавливают непроточными и заполняют определенным газом или газовой смесью известного состава [1]. Терморезисторы рабочих и сравнительных камер образуют плечи моста, напряжение в измерительной диагонали которого пропорционально концентрации измеряемого компонента газовой смеси.
Сила тока в измерительной диагонали моста может быть определена в соответствии с выражением
,
(6)
где Iп — ток питания мостовой схемы; Ro — номинальное значение сопротивления терморезисторов; ΔR = Ro — Rx — изменение сопротивления терморезисторов рабочих камер; Rmb — сопротивление милливольтметра.
Данный метод измерения широко применяется для измерения газов с относительно высокой теплопроводностью (водород, гелий, углекислый газ в бинарных и многокомпонентных смесях).
Основными источниками погрешностей при реализации термокондуктометрического метода анализа газов могут быть: колебания температуры окружающей среды {вызывающие изменение температуры стенки камер), колебания напряжения источника питания измерительного моста, изменения расхода газовой смеси в рабочих камерах, наличие неанализируемых компонентов (в частности, водяных паров) и др. Для устранения влияния отмеченных факторов используют стабилизаторы и регуляторы расхода газовой смеси стабилизаторы напряжения или тока питания моста, системы осушки газовой смеси, специальные способы термокомпенсации и т.п. Компенсация влияния температуры окружающей среды осуществляется термостатированием блока преобразования или применением более совершенного компенсационного метода измерения, принцип которого реализован в исследуемом на лабораторной установке газоанализаторе типа ТП 2220У4 [3].
Использование компенсационного метода измерения с последовательным включением в измерительную цепь трех неравновесных мостов (измерительного, сравнительного и температурной компенсации) исключает погрешности от изменения концентрации неопределяемых компонентов и температуры окружающего воздуха.
В комплект газоанализатора ТП 2220У4 входит побудитель расхода, блок контроля подачи газовой смеси, первичный преобразователь (измерительный блок), блок фильтрации, стабилизатор напряжения и измерительный прибор (КСМ-2).