Электрофизические методы

Электрофизические методы основаны на использовании зависи­мостей физических свойств веществ от их состава и концентрации отдельных компонентов или воздействий анализируемых компонен­тов на измеряемый физический параметр чувствительного элемента. Для измерения концентраций веществ наиболее широкое примене­ние получили методы и приборы, основанные на использовании тепловых, магнитных, диэлектрических свойств веществ. Для ана­лиза используются также такие параметры веществ или чувстви­тельных элементов датчиков, как плотность, вязкость, упругость, масса, частота собственных колебаний и др.

Тепловые методы анализа основаны на измерении тепловых свойств вещества или на определении температурных изменений при различных физико-химических и фазовых превращениях вещества. Они применяются для анализа газов, измерения вакуума и влаж­ности газов. Наиболее широкое применение получил метод анализа, основанный на различии в теплопроводности компонентов, входя­щих в анализируемую газовую смесь. Термокондуктометрические газоанализаторы, или катарометры, особенно пригодны для анализа газов Н₂, Не, С0₂, S02, С1₂, которые значительно отличаются по теплопроводности от других газов, а также для измерения вакуума, т. е. абсолютной концентрации газов безотносительно к их составу.

В качестве чувствительных элементов в термокондуктометрических газоанализаторах и вакуумметрах обычно используются нагрева­емые электрическим током платиновые или полупроводниковые терморезисторы. Изменение концентрации измеряемого компонента газовой смеси, пропускаемой через камеру, где помещен терморезистор, приводит к изменению теплоотдачи и температуры терморезистора, что вызывает изменение его электрического сопро­тивления. Измерительная цепь таких газоанализаторов обычно представляет собой автоматическую мостовую или компенсаци­онную цепь.

Рис.8-5

На рис. 8-5 показана электрическая схема термокондуктометри­ческих газоанализаторов типа ТП. Для уменьшения погрешностей от изменения температуры и напряжения питания датчик газоана­лизатора содержит восемь терморезисторов, четыре из которых образуют измерительный мост I, а остальные — сравнительный мост II. Мосты конструктивно выполнены в одном металлическом блоке и питаются от двух вторичных обмоток одного и того же транс­форматора. Терморезисторы, образующие плечи R2, R4, R6 и R8, запаяны в ампулы с газовой смесью, соответствующей началу шкалы прибора, a R5 и R7 — со смесью, соответствующей концу шкалы; R1 и R3 — плечи моста, в которых терморезисторы омываются анализируемой газовой смесью. Напряжение на выходной диаго­нали измерительного моста, пропорциональное концентрации измеряемого газа, компенсируется напряжением на верхнем участке реохорда Rp, питаемого от выходной диагонали сравнительного моста II. Поскольку основные причины нестабильности напряжений на диагоналях мостов (изменения напряжения питания и темпера­туры окружающей среды) влияют одинаково на оба моста, то при­менение такой измерительной цепи существенно уменьшает погреш­ности газоанализатора во всем диапазоне измерений.

Теплопроводность газовых смесей подчиняется закону аддитив­ности, поэтому термокондуктометрические газоанализаторы в основ­ном пригодны для анализа бинарных и псевдобинарных смесей. Для повышения избирательности метода и его применения для ана­лиза газов в многокомпонентных смесях используются искусствен­ные способы. Так, для анализа трехкомпонентных газовых смесей используется различие температурных коэффициентов теплопро­водности отдельных компонентов. Применяя два измерительных моста, находящихся в средах с различными температурами, можно получить два напряжения, по которым можно одновременно опреде­лить концентрации двух компонентов трехкомпонентной смеси. Повысить избирательность газоанализаторов по теплопроводности можно также путем использования специальных преобразователей, в которых существенную роль в теплообмене играет конвекция, также применяя метод сравнения теплопроводности анализируемой смеси с теплопроводностью сравнительной газовой смеси с опре­деленными свойствами.

Для измерения концентрации окиси углерода, водорода, метана, этилена, паров бензина и других горючих веществ, применяются термохимические газоанализаторы, основанные на измерении с помощью термопреобразователей повышения температуры за счет окисления (горения) анализируемого вещества.

На тепловом методе основаны электрические психрометры и гигрометры точки росы, применяемые для измерения влажности газов. Измерение влажности газа по точке росы заключается в определении температуры поверхности воды, при которой устанавли­вается динамическое равновесие между количеством влаги, испаря­ющейся с поверхности, и осаждаемой обратно из газа.

Психрометрические гигрометры основаны на измерении разности температур двух термопреобразователей (терморезисторы, термо­пары): сухого, находящегося в исследуемой газовой среде, и мокрого, который смачивается водой и находится в термодинамическом равновесии с газовой средой. Чем меньше влажность этой среды, тем сильнее испаряется влага с поверхности мокрого термопреобразователя и тем ниже его температура. Поэтому часто при­меняется принудительная вентиляция с постоянной скоростью.

Магнитный метод получил широкое применение для измерения концентрации кислорода в газовых средах, поскольку из всех газов кислород обладает наибольшей магнитной восприимчивостью. Магнитные методы применяются также для поисков полезных ископаемых, определения магнитных включений в немагнитных материалах, в дефектоскопии и магнитном структурном анализе.

На рис. 8-6, а, б показана конструкция датчика и схема измерительной цепи термомагнитного кислородомера. Датчик представ­ляет собой кольцевую камеру с горизонтальной трубкой, на кото­рую намотана нагревающая платиновая обмотка, разделенная на две секции r1 и r2. У одного из концов горизонтальной трубки расположены полюсные наконечники постоянного магнита. Парамагнитный газ всасывается из левой вертикальной трубки в гори­зонтальную трубку и в ней подогревается. Так как при нагревании газа его магнитная восприимчивость падает, то холодный газ, втя­гиваясь в магнитное поле, будет выталкивать нагретый газ. В результате в горизонтальной трубке газ движется слева направо со ско­ростью, пропорциональной концентрации кислорода в испытуемой газовой смеси.

Рис. 8-6

Нагревательные секции обмотки одновременно служат термо­анемометрами. Левая секция r1 охлаждается холодной смесью, поступающей из камеры. В правую половину горизонтальной трубки газовая смесь поступает уже нагретой, благодаря чему охлаждение правой секции обмотки r2 значительно меньше, чем левой. Обе секции обмотки включены в два соседних плеча моста.

Для исключения погрешностей от влияния неизмеряемых компо­нентов, изменения температуры и напряжения питания в магнитных кислородомерах используются компенсационно-мостовые измерительные цепи, состоящие из измерительного и сравнительного мостов. Через чувствительные элементы измерительного моста пропускается ана­лизируемая газовая смесь, а через элементы сравнительного мос­та — газовая смесь известной концентрации (например, воздух).

Магнитные кислородомеры применяются для измерения отно­сительно больших концентраций кислорода в различных газовых смесях с основной погрешностью 0,2—5%. Время запаздывания 10—90 с.

Емкостный, или диэлектрический, метод основан на зависимости диэлектрических свойств веществ от их состава и концентрации отдельных компонентов. Измерение концентрации при использо­вании этого метода обычно сводится к определению емкости конден­сатора, между обкладками которого помещается испытуемое веще­ство, выполняющее роль диэлектрика. Метод широко применяется для измерения влажности в твердых, жидких и газообразных сре­дах, так как вода имеет резко отличную от других веществ диэлект­рическую проницаемость, а также для измерения кон­центраций полярных жидкостей, таких, как ацетон, спирт, глицерин, вода и другие, в неполярных и наобо­рот. В качестве измерительных цепей в емкостных влагомерах наиболее часто применяются чувствительные мосто­вые и резонансные измерительные цепи.

Высокими метрологическими свойствами отличается емкостный влагомер на основе трансформаторного моста с тесно связанными индуктивными плечами.

Для измерения влажности газов применяются емкостные гигро­метры, основанные на измерении диэлектрических свойств пленки сорбента. Диапазон измерения таких гигрометров по точке росы от +20 до —150 °С. Высокая чувствительность методов измерений емкости способствует тому, что емкостный метод находит также применение для измерения концентрации газов, несмотря на то, что диэлектрические проницаемости различных газов отличаются по значению всего лишь на 0,1—1%.

Емкостные датчики находят применение в хроматографии. Их достоинствами являются малая инерционность и линей­ность характеристики в широком диапазоне измерений. Высокой чувствительностью обладают пьезосорбционные гигрометры, основанные на изменении собственной частоты кварцевой пластинки, покрытой тонким слоем гигроскопического вещества, в зависи­мости от влажности окружающей среды.