Анализаторы газов и жидкостей.

В области автоматического анализа состава или физико-химических свойств газов и жидкостей используются следующие основные понятия и определения.

Анализатор – устройство для получения информации о составе или физико-химических свойствах анализируемого вещества. В зависимости от агрегатного состояния анализируемого вещества различают: газоаналитические (газоанализаторы), анализаторы жидкости и анализаторы твердых веществ

Анализируемое вещество –смесь нескольких химических веществ (компонентов), подвергаемая анализу в целях определения ее состава или физико-химических свойств.

Определяемый компонент –компонент анализируемого вещества, концентрация которого определяется анализатором

Концентрация –объемная или весовая доля определяемого компонента в анализируемом веществе, измеряемая по объему или в кг/м³, а также кратных этим единицам.

Между объемными и весовыми единицами измерения концентрации газов существует следующее соотношение (кг/м³):

1% по объему = 21,385 Мр/Т

где М – относительная молекулярная масса газа;

р – давление, Па;

Т – температура, К

Для характеристики содержания пара в газе чаще всего применяют следующие величины.

Абсолютная влажность а равна массеmводяного пара, содержащегося в единице объемаVпарогазовой смеси (г/м³или кг/м³):

a = m/V

Парциальное давление е (упругость) водяного пара в парогазовой смеси характеризует ее абсолютную влажность, с которой оно связано следующим соотношением:

А = 289 е/Т (мм рт.ст./К) = 38,53*10³ е/Т (Па/К)

Где Т– температура газа , К.

Относительная влажность φ равна отношению действительной влажности к максимально возможной для анализируемого газа при данной температуре (%):

φ = 100е / Е

где Е – упругость насыщения водяного пара при температуре Т, Па.

Многообразие анализируемых веществ и весьма широкий диапазон измерения их концентрации обусловили применение многочисленных и чрезвычайно разнообразных методов и средств измерений, основанных на использовании различных физико-химических явлений свойств вещества.

Наиболее широкое применение в промышленности нашли автоматические анализаторы.

Конструктивно автоматический анализатор может быть выполнен в виде единого устройства или в виде набора функциональных блоков. На рис. 2.166 представлена схема автоматического анализатора. Она включает в себя пробоподготовительную станцию 1, первичный преобразователь 2 с чувствительным элементом, измерительный преобразователь 3, регистрирующее устройство 4.

Отличительной особенностью от традиционных схем средств измерения является наличие в рассмотренной схеме специальной пробоподготовительной станции. Она представляет собой комплект вспомогательных устройств для отбора пробы анализируемого вещества из технологического аппарата, трубопровода или окружающей среды, ее обработки в целях приведения параметров к требуемым для анализа значениям, транспортирования до чувствительного элемента анализатора и эвакуации после выполнения анализа.

В зависимости от методов, основанных на использовании различных физико-химических явлений и свойств газов и жидкостей, газоанализаторы подразделяются на

• механические (объемно-поглотительные, объемно-химические, пневматические),

• термокондуктометрические

• термохимические

• магнитные (термомагнитные)

• инфракрасного поглощения (оптико-акустические)

• фотоколориметрические (жидкостные, ленточные)

• гигрометры – влагомеры (точки росы, кулонометрические, психрометрические)

• хромотографы

• масс-спектрометры

Анализаторы жидкостей:

• хромотографы

• кондуктометры

• потенциометрические анализторы

• фотометрические анализаторы

• рефрактометрические анализаторы

• вискозиметры

• плотномеры

Анализаторы газов. Механические газоанализаторы основаны на изменении молекулярно-механических параметров состояния или свойств анализируемой смеси. Величинами, характеризующими концентрацию определенного компонента, в таких приборах являются:

- изменение объема или давления пробы газовой смеси (при постоянном объеме или давлении) в результате химического воздействия на определенный компонент;

- вязкость газовой смеси;

- плотность газовой смеси и некоторых свойств, зависящих от плотности, например скорость распространения звука и ультразвука, скорость диффузии.

К механическим относятся объемно-поглотительные газоанализаторы(рис.2.167), предназначенные для циклического измерения концентрации, например аммиака в газовых смесях, не содержащих компонентов, способных взаимодействовать с серной кислотой.

Анализируемый газ поступает через реперное устройство 1 на вход дозатора 2, который дискретно отбирает пробу постоянного объема и прокачивает ее с определенной скоростью через реактор 3, где определяемый компонент реагирует с поглотителем и поглощается им. Непоглотившийся газ на выходе из реактора очищается защитным фильтром 4 от паров поглотителя и поступает в преобразователь 5, в котором непоглотившаяся часть пробы преобразуется в давление путем вытеснения непоглощенного газа в емкость известного объема.

В узле масштабирования и запоминания выходного сигнала 6 из преобразователя отбирается часть объема непоглотившейся пробы газа, преобразующейся с определенным коэффициентом в давление выходного сигнала, которое запоминается на время очередного цикла анализа.

Синхронная работа всех узлов газоанализатора обеспечивается устройством 7, формирующим дискретные управляющие сигналы.

Наибольшее распространение из группы объемно-химических газоанализаторов получили переносные газоанализаторы, применяемые для анализа газов на три компонента: СО₂; О₂и СО. Их работа основана на последовательном удалении анализируемых компонентов из взятой на анализ пробы газа при проведении химических реакций

Это удаление осуществляется поглощением определенного компонента соответствующим реактивом.

Конструкция механического переносного газоанализатора химического поглощения типа ГХП-3 представлена на рис.2.168. Прибор состоит из трех поглотительных сосудов 5,6 и 7, измерительной бюретки 3, соединительной гребенки 2 и напорной подвижной банки 4. Измерительная бюретка емкостью 100 см³для повышения точности измерения (выравнивание температуры) помещена в цилиндр, заполненный водой. Для увеличения поверхности соприкосновения между анализируемым газом и реактивом поглотительные сосуды 5,6 и 7 заполнены стеклянными трубками. Трехходовой кран 1, соединяющий гребенку 2 с трубкой для подвода анализируемого газа с помощью резиновой груши 8, соединен также с фильтром 9, служащим для очистки поступающего газа от пыли.

Принцип действия термокондуктометрических газоанализаторов основан на измерении теплопроводности анализируемой газовой смеси, которая зависит от концентрации в ней определяемого компонента. Так как абсолютные значения теплопроводностей газов чрезвычайно малы и их непосредственное измерение вызывает трудности, в термокондуктометрических газоанализаторах производится относительное измерение изменений теплопроводности анализируемых газовых смесей.

Чувствительный элемент кондуктометрического газоанализатора, в котором осуществляется первичное преобразование состава газовой смеси в электрический сигнал (рис.2.169), представляет собой стеклянный корпус 1, обладающий высокой теплопроводностью. По оси цилиндра расположена металлическая нить 2 ( как правило, из платины диаметром 0,02…0,05 мм), по которой протекает электрический ток. Нить одновременно выполняет функции нагревательного элемента и термометра сопротивления ( коэффициент сопротивления платины 3,9* 10^-3С^-1обеспечивает высокую чувствительность при измерении температуры).

Температура нити (при постоянной силе тока) зависит от условий теплоотдачи в окружающую среду. С изменением концентрации определяемого компонента анализируемой газовой среды изменяется ее теплопроводность, сто приводит к изменению температуры нити и , как следствие, к изменению ее сопротивления. Таким образом, изменение сопротивления чувствительного элемента пропорционально изменению концентрации определяемого компонента.

Чувствительные элементы устанавливают в камерах, которые выполняют в виде вертикальных цилиндрических каналов, высверленных в общем массивном корпусе газоанализатора.

Диаметр камер 4…10 мм, а длина не превышает 100 мм.

Камера с установленным в ней чувствительным элементом образует ячейку. По назначения измерительные ячейки делятся на рабочие, через которые проходит анализируемая газовая смесь, и сравнительные, заполненные газом постоянного (известного) состава.

Чувствительные элементы рабочих и сравнительных измерительных ячеек, выполняющие функции термометра сопротивления, включаются в мостовые измерительные схемы. Простейшей является схема неуравновешенного моста постоянного тока (рис.2.170)

Сопротивления R₁иR₃являются чувствительными элементами двух сравнительных измерительных ячеек. Шкала измерительного прибора, который контролирует силу тока в измерительной диагонали моста или напряжение в измерительной диагонали, может быть проградуирована в единицах концентрации определяемого компонента.

Газоанализаторы типа ТП, построенные по рассмотренному принципу, предназначены для измерения концентрации одного из следующих компонентов в бинарных и многокомпонентных газовых смесях: водорода, гелия, азота, метана и двуокиси углерода. Погрешность измерения рассмотренных газоанализаторов составляет 1,5…10% в зависимости от анализируемого компонента и пределов измерения.

Термохимический метод анализа основан на измерении теплового эффекта реакции каталитического окисления, в которой принимает участие определяемый компонент анализируемой смеси. Наибольшее распространение этот метод получил при измерении концентрации горючих газов (водорода, метана и др.) в избытке кислорода, а также при измерении концентрации окиси углерода в присутствии кислорода и концентрации кислорода в избытке горючих газов.

Термохимические газоанализаторы выпускают двух основных видов:

• к первому типу относятся приборы, в которых реакция каталитического окисления происходит на твердом гранулированном катализаторе, причем полезный тепловой эффект реакции измеряется по изменению температуры в слое катализатора термометром сопротивления или другим термочувствительным элементом;

• ко второму типу относятся приборы, в которых реакция каталитического окисления определяемого компонента происходит на поверхности нагретой каталитически активной нити, одновременно являющейся термочувствительным элементом для измерения полезного теплового эффекта реакции.

На примере сигнализатора горючих паров нефти и нефтепродуктов типа СГП –IXЛ4 рассмотрим принцип действия газоанализаторов, построенных на термохимическом методе анализа.

Названный сигнализатор предназначен для сигнализации о наличии в воздухе помещений паров нефти и нефтепродуктов, относящихся к третьей категории взрывоопасных смесей. Он может быть прокалиброван на пары следующих веществ: нефть сырую; керосин; бензины А-76, А-92, А-96 и другие продукты.

Принцип действия сигнализатора основан на измерении теплового эффекта сгорания паров определяемого вещества на каталитически активной платиновой спирали.

Газовая схема прибора представлена на рис.2.171.

Она может работать в одном из следующих режимов: рабочем (кран-переключатель 15 находится в положении «Анализ»), калибровочном (кран-переключатель находится в положении «Калибровка») и проверки нуля (когда электропневматический переключатель режимов 7 подает к чувствительному элементу чистый воздух). В любом режиме движение газа через первичный преобразователь осуществляется за счет разряжения, создаваемого побудителем расхода 5.

В рабочем режиме анализируемая смесь поступает в газовый блок через один из фильтров 1, газовый переключатель 2, кран-переключатель 15, фильтр паров этилированного бензина 14, фильтр тонкой очистки 13, ротаметры 10 и 12 и регулятор расхода 11.

В газовом блоке анализируемый воздух или контрольная смесь (при калибровочном режиме) проходит через взрывозащитные устройства 4 и 9, переключатель режимов 7 и попадает в блок чувствительных элементов 6, откуда через побудитель расхода 5 выходит в атмосферу.

Если в анализируемом воздухе имеется горючий компонент, на измерительном чувствительном элементе (платиновая спираль) происходит его окисление (сгорание). При этом температура возрастает, равновесие измерительного электрического моста, в который включен чувствительный элемент, нарушается и в его диагонали возникает напряжение, пропорциональное концентрации определяемого компонента.

При достижении концентрации паров нефтепродуктов предельной величины (21% НПВ) включается принудительная вентиляция помещения, а при уменьшении ее до 9% НПВ – вентиляция отключается.

По аналогичной схеме построены сигнализаторы взрывоопасных концентраций типа СВК, которые предназначены для автоматической сигнализации о наличии в воздухе закрытых помещений горючих газов, паров и их смесей, например ацетилена, ацетона, бутана, водорода, диоксана, изобутана, метана, толуола и др.

Термомагнитные газоанализаторы построены на магнитных свойствах различных газов, оцениваемых величиной магнитной восприимчивости. Для парамагнитных газов (О₂;NO; воздух) их магнитная восприимчивость – величина положительная (газ способен притягиваться магнитом), а для диамагнитных газов (N₂;H₂; СН₄; СО₂) магнитная восприимчивость – величина отрицательная (газ отталкивается от магнита).

Основной узел термомагнитного газоанализатора – измерительная ячейка. В зависимости от способа теплообмена различают ячейки с внутренней и внешней конвекцией.

На рис.2.172 изображена схема измерительной цепи и кольцевой камеры с внутренней конвекцией термомагнитного газоанализатора. Камера 2 представляет собой полое металлическое кольцо с диаметральным каналом 1 в виде тонкостенной трубки, в которой рассоложены термоэлементы R₁иR₂из тонкой платиновой проволоки, включенные в мостовую измерительную схему и нагреваемые электрическим током. ТермоэлементR₁расположен в поле постоянного магнита 3. Через кольцевую камеру прокачивается анализируемый газ, причем его расход поддерживается постоянным ротаметром 4.

Благодаря парамагнитным свойствам кислорода, находящегося в анализируемой газовой смеси, газ под действием магнитного поля втягивается в поперечную трубку. Попадая в область левого подогреваемого термоэлемента, кислород нагревается и его магнитные свойства уменьшаются. В результате этого частицы нагретого газа непрерывно выталкиваются из магнитного поля холодным газом, и в поперечной трубке образуется поток газа слева направо. Возникает так называемая термомагнитная конвекция. В зависимости от содержания кислорода в анализируемой смеси изменяется скорость движения газа в поперечной трубке, следовательно, изменяется и теплообмен между термоэлементами и газом. Левый термоэлемент R₁охлаждается, а правый термоэлементR₂нагревается. Изменение температуры термоэлементов приводит к нарушению равновесия моста, степень которого зависит от концентрации кислорода в анализируемой газовой смеси. Измерительный прибор регистрирует величину разбаланса.

При отсутствии кислорода в анализируемом газе поток газа в поперечной трубке отсутствует и мост, состоящий из сопротивлений термоэлементов R₁иR₂, постоянных сопротивленийR₃иR₄, сопротивления установки величины токаR₀и сопротивления установки нуляR, находится в равновесии.

Измерительные ячейки с внешней конвенцией делятся на три группы в зависимости от направления потоков тепловой и термомагнитной индукции. К первой группе относятся ячейки, в которых направления этих потоков совпадают (рис.2.173,а).

У измерительных ячеек второй группы направления потоков взаимно перпендикулярны, а у третьей группы – поток термомагнитной индукции направлен навстречу потоку температурной конвекции.

Конструкция измерительных ячеек представляет собой цилиндрическую полость, в которой расположены полюсные наконечники постоянного магнита, между которыми устанавливается чувствительный элемент.

Для ячеек первой группы чувствительный элемент (рис.2.173, б) представляет собой спираль из платиновой проволоки 1 диаметром 20 мкм, которая намотана на стеклянный капилляр 2 с двумя впаянными токоподводами 3 и сверху покрыта тонким слоем стекла 4. Газообмен в таких ячейках происходит за счет диффузии через отверстие в верхней части камеры

У измерительных ячеек второй (рис.2.174) и третьей (рис.2.175) групп поток анализируемого газа проходит по щелевым отверстиям, образованным между полюсами магнита 1 и между ложными полюсами 3. Чувствительные элементы 2 расположены вдоль образующей цилиндра: один – вблизи от полюсов магнита, а другой – около ложных полюсов. Анализируемый газ, содержащий кислород, затягивается в щель между полюсами и нагревается, соприкасаясь с чувствительным элементом, расположенным здесь же. В результате возникает поток термомагнитной конвекции, который вызывает перенос тепла от одного чувствительного элемента к другому.

В автоматических газоанализаторах промышленного назначения измерения, как правило, производят дифференциальным методом. Для этого измерительную систему газоанализатора комплектуют из двух пар ячеек: рабочей ячейки, через которую проходит анализируемая газовая смесь, и сравнительной ячейки, через которую пропускают воздух. Измерительная схема термомагнитного газоанализатора с ячейками второй группы представлена на рис.2.176.

Диапазон измерения содержания кислорода магнитными газоанализаторами типа МН весьма широк: от 0…0,5; 0…10 и до 98…100%. Погрешность измерения составляет 2…10% в зависимости от пределов измерения.

Газоанализаторы инфракрасного поглощения относятся к группе абсорбционных оптических анализаторов. Их принцип действия основан на измерении степени поглощения энергии электромагнитного излучения, проходящего через слой анализируемого вещества. Каждый газ поглощает инфракрасное излучение в определенной, свойственной только ему, области спектра.

Например, окись углерода поглощает лучистую энергию в инфракрасной области спектра с длиной волны 4,7 мкм; метан – 3,3 и 7,6 мкм.

На рис. 2.177. представлена измерительная схема автоматического газоанализатора инфракрасного поглощения непосредственного измерения.

Потоки инфракрасного излучения от излучателей 2 (открытая нихромовая, хромоникелевая спираль, нагретая до температуры 700…1000С), периодически прерываемые с частотой 5 Гц обтюратором 3, поступают в рабочий и сравнительный оптические каналы. В рабочем канале находится рабочая камера 4, через которую проходит поток анализируемого газа, и герметично закрытая фильтровая камер 5. В сравнительном канале расположены сравнительная 10 и фильтровая 9 камеры. Состав газа в сравнительной камере 10 соответствует среднему содержанию неопределяемых компонентов в анализируемом газе, а фильтровые камеры 5 и 9 заполнены теми неопределяемыми компонентами газа, полосы поглощения которых частично перекрываются полосами поглощения определяемого компонента.

Мощность потока излучения на выходе рабочего оптического канала изменяется в зависимости от концентрации определяемого компонента в анализируемом газа, а мощность потока излучения на выходе сравнительного канала остается постоянной. Их разность преобразуется оптико-акустическим преобразователем 6 в электрический сигнал, который является мерой концентрации определяемого компонента. После усиления и выпрямления в усилителе 8 сигнал поступает на вторичный прибор 7, которым может быть миллиамперметр и потенциометр. Питание электрической схемы производится от стабилизатора напряжения 12.

Промышленностью выпускаются газоанализаторы инфракрасного поглощения типов ОА и ГИП для анализа газов на составляющие СО₂, СО, СН₄, N₂H₂ и NH₃ для диапазонов от 0…0,01 до 0…100% с погрешностью 2,5…5%.

Принцип действия фотоколориметрических газоанализаторов основан на избирательной реакции между определяемым компонентом анализируемой газовой смеси и специальным реагентом-индикатором. В результате образуется окрашенное соединение, концентрация которого определяется по степени светопоглощения. Анализаторы делятся на жидкостные и ленточные.

В фотоколориметрических жидкостных газоанализаторах анализируемый газ барботирует через слой индикаторного раствора в течение определенного времени. Оптическая плотность окрашенного раствора будет являться мерой концентрации определяемого компонента. Она определяется с помощью дифференциальных оптических схем с использованием фотосопротивлений в качестве фотоэлектрических чувствительных элементов.

Принцип действия фотоколориметрических ленточных газоанализаторов состоит в следующем. Бумажная или текстильная лента, пропитанная индикаторным раствором, соприкасается с анализируемым газом, определяемый компонент которого образует с индикатором окрашенное соединение. Интенсивность окраски ленты, которая зависит от концентрации определяемого компонента, измеряется по степени ослабления светового потока, отраженного от ее поверхности с помощью фотоэлектрического чувствительного элемента.

Фотоколориметрические газоанализаторы типа ФЛ предназначены для измерения микроконцентраций озона, двуокиси азота, сернистого газа, сероводорода, аммиака или хлора в технологических газах и в воздухе производственных помещений.

Гигрометры – анализаторы газов, которые предназначены для измерения содержания паров воды.

Принцип действия кулонометрических гигрометров (влагомеров) основан на непрерывном поглощении влаги анализируемого газа пленкой гидрофильного вещества (пятиокиси фосфора) из точно дозируемого объема газа и на одновременном электролизе обращающегося раствора фосфорной кислоты. Мерой влажности служит сила тока электролиза, которая регистрируется вторичным прибором.

Главным узлом влагомеров является кулонометрический чувствительный элемент (рис.2.178).

Он представляет собой толстостенную стеклянную трубку 4 небольшого диаметра, на внутренней поверхности которой размещены два спиральных платиновых электрода 3. Электроды и зазор между ними покрыты тонкими пленками фосфорного ангидрида 1 и 2, которые имеют большое сопротивление в сухом виде и малое сопротивление при поглощении влаги.

Анализируемый газ с постоянной скоростью непрерывно пропускают через трубку. При этом непрерывно происходят два процесса:

Ток электролиза, измеряемый микроамперметром, является мерой влаги в анализируемом газе.

Психрометрические гигрометры основаны на измерении температуры газовой среды двумя термометрами, один из которых обернут влажной тканью. Эти два термометра будут иметь разные показания. Понижение температуры влажного термометра происходит в результате затраты тепла на испарение жидкости в окружающую среду. Чем ниже влажность окружающей среды, тем интенсивнее идет испарение влаги с поверхности термометра. Следовательно, разница в показаниях сухого и мокрого термометров будет тем больше, чем ниже влажность в измеряемой точке. По разности температур (t_c - t_вл), называемой психрометрической разностью, и температуре сухого термометра t_c с помощью таблиц (при ручном способе определения влажности) или соответствующих электронных схем (в случае автоматического определения) узнают о влажности анализируемого газа.

На рис. 2.179 представлена пневмогидравлическая схема гигрометра типа АПГ.

Рис. 2.179 Пневмогидравлическая схема гигрометра АПГ-203

1- пробоотборное устройство; 2 – фильтр; 4 – электронагреватель; 4 – измерительная ячейка; 5 – эжектор; 6 – змеевик; 7 - конденсатор

Анализируемый воздух отбирается в точке контроля с помощью пробоотборного устройства 1 за счет разрежения, создаваемого воздушным эжектором 5. Он очищается фильтром 2 от механических примесей и поступает в электронагреватель 3, где приобретает постоянную температуру +80С. Это сделано из-за того, что психрометрический метод не применим при температуре анализируемого воздуха выше +100С и в гигрометре приходится осуществлять сухое охлаждение до указанной температуры. Далее анализируемый воздух попадает в измерительную ячейку 4, в которой установлены «мокрый» и три «сухих» терморезистора. Температура измерительной ячейки стабилизируется. Для смачивания «мокрого» терморезистора используется паровой конденсат, который получается в конденсаторе 7. Распыление конденсата осуществляется потоком анализируемого воздуха с помощью эжектора, установленного в измерительной ячейке.

Хромотографы предназначены для определения количественного состава смесей газов, паров и испаряемых жидкостей. От других анализаторов состава хроматографы отличаются тем, что содержат два преобразователя: один обеспечивает разделение сложной смеси на отдельные компоненты (хромотографическая колонка), а другой – определения количества каждого компонента (система детектирования). Подбирая свойства каждого из этих преобразователей, можно разделить и определить состав многих производственных смесей.

Принцип хромотографического разделения анализируемого газа, состоящего, например, из четырех компонентов A, B, C и D, показан на рис.2.180.

Проба анализируемого газа вводится в хромотографическую колонку 1 и перемещается газом-носителем через слой наполнителя (сорбента) колонки. Если компоненты газовой смеси А, В, С и D обладают различной сорбируемостью (поглощаемостью) по отношению к наполнителю колонки, то скорости передвижения этих компонентов будут различны. С наименьшей скоростью будет двигаться наиболее сорбирующий компонент. Через некоторое время вперед уйдет компонент В как менее сорбирующийся, за ним D и, наконец, более сорбирующиеся и потому медленнее движущиеся компоненты А и С. При дальнейшем их продвижении компоненты окончательно разделяются, в результате из хромотографической колонки будут выходить составляющие компоненты газовой смеси раздельно либо газ-носитель, либо бинарная смесь газ-носитель – компонент.

В качестве газа-носителя применяют инертный по отношению к сорбенту газ (воздух, азот, водород, аргон, гелий).

В качестве сорбента при газоадсорбционной хроматографии применяют пористые вещества: активированный уголь, силикагель, окись алюминия и др.

На выходе колонки устанавливается детектор 2, который определяет разделенные компоненты в порядке их выхода. Регистрирующий прибор 3 записывает сигнал детектора на диаграмме (хроматограмме) 4.

На рис. 2.181 представлена схема термокондуктометрического детектора.

Через сравнительную камеру 2 непрерывно проходит чистый газ-носитель I. Через рабочую камеру 4 проходят компоненты газа II после хроматографической колонки. Камеры расположены в металлическом корпусе 3. Терморезисторы R₂ и R₃, расположенные в соответствующих камерах, и постоянные резисторы R₁ и R₄ являются плечами измерительного моста постоянного тока. Когда через обе камеры проходит газ одинакового состава, то условия теплопередачи будут одинаковы, температура терморезисторов будет также одинакова, следовательно, измерительный мост будет сбалансирован. При появлении в газе-носителе компонента, теплопроводность которого отлична от теплопроводности чистого газа-носителя, температура, а следовательно, и сопротивление термоэлемента, находящегося в рабочей камере, изменится. На выходе мостовой схемы появится сигнал, который регистрируется потенциометром 1.

Для изменения масштабов в измерительную диагональ моста включен двигатель Д с переключателем шкал П.

Термоэлементами могут служить платиновые, вольфрамовые или никелевые нити диаметром 5 мкм.

Анализаторы жидкостей.

Для определения количественного состава смесей жидкостей непосредственно на технологических установках широкое применение нашли автоматические хроматографы, принцип действия которых не отличается от газовой хроматографии. Проба жидкости доводится до температуры испарения, и в измененном агрегатном состоянии (газообразном) она потоком газа-носителя вносится в хроматографическую колонку.

Кондуктометры основаны на измерении электрической проводимости (электропроводности) растворов электролитов (анализируемых жидкостей). Они применяются для измерения концентрации или удельной электропроводности агрессивных и неагрессивных жидких сред (обессоленной и дистиллированной воды, растворов соле1, кислот и щелочей, концентрированных и загрязненных электролитов и т.д.).

По типу чувствительного элемента (измерительной ячейки) методы измерения удельной электропроводности делятся на контактные и бесконтактные. Простейшим чувствительным элементом является двухэлектродная ячейка (рис. 2.182, а), которая преобразует измеряемый параметр – удельную электропроводность раствора – в сопротивление:

R=1/(ơk)=U/I

Где R – сопротивление, Ом; ơ – удельная электропроводность, См/м;

k- константа измерительной ячейки, м; U – напряжение, приложенное к электродам, В; I – сила тока в цепи электродов, А.

Константа двухэлектродной ячейки зависит от площади поверхности электродов и расстояния между ними. Для растворов с низкой электропроводностью применяют ячейки с большой константой (большая площадь при малом расстоянии), а для жидкостей с большой электропроводностью – ячейки с малой константой.

В процессе измерений, когда через электроды протекает электрический ток, они поляризуются, и сопротивление ячейки изменяется. Для уменьшения поляризации в автоматических кондуктометрах измерения производят на переменном токе.

В трехэлектродной ячейке (рис. 2.182, б) внешние электроды соединены, поэтому, по существу, она представляет собой двухэлектродные ячейки, включенные параллельно. В такой ячейке меньше сказываются внешние наводки.

В четырехэлектродной ячейке (рис.2.182,в) к двум крайним «токовым» электродам 1 и 4 подводится переменное напряжение и между ними в растворе протекает ток. Два внутренних электрода 2 и 3 служат зондами для измерения падения напряжения, которое создает ток на участке раствора, заключенном между ними.

Бесконтактные методы измерения электропроводности применяются при анализе технологических растворов, содержащих взвеси, коллоиды, а также при анализе растворов, склонных к пленкообразованию, кристаллизации и выпадению осадка.

Принцип действия измерительной ячейки низкочастотного бесконтактного кондуктометра поясняет схема, представленная на рис.2.183. Анализируемый раствор заполняет трубу, на которой установлены два тороидальных трансформатора Тр₁ и Тр₂.

Ток в первичной обмотке I возбуждающего трансформатора Тр₁ создает в его сердечнике магнитный поток, который наводит ЭДС е₁ в замкнутом витке проводящего раствора (жидклстном витке). Для трансформатора Тр₁ жидкостный виток является вторичной обмоткой. Сила тока I, протекающего в растворе, пропорциональна его электропроводности.

Для измерительного трансформатора Тр₂ жидкостный виток служит первичной обмоткой, поэтому ЭДС е₂, наводимая в его вторичной обмотке II, зависит от силы тока I, т.е. от электропроводности анализируемого раствора. Величину е₂ обычно измеряют компенсационным методом с использованием дополнительной обмотки III измерительного трансформатора Тр₂. Эта обмотка создает в его магнитопроводе встречный магнитный поток по отношению к потоку жидкостного витка. При полной компенсации, когда е₂=0, сила тока в обмотке III пропорциональна силе тока I.

Потенциометрические анализаторы основаны на принципе определения активности ионов в растворах электролитов, а также измерения окислительно-восстановительного потенциала различных сред. Они чаще всего применяются для определения кислотности или щелочных свойств водных растворов, а также для контроля очистки сточных вод.

Фотометрические анализаторы основаны на измерении ослабления излучения вследствие избирательного поглощения, определяемого растворенным веществом в некоторой области спектра излучения.

Метод таких анализов носит еще название абсорбционного спектрального анализа. Различают спектрофотометрический (в монохроматическом излучении) и фотометрический (когда излучение ограничено некоторым спектральным интервалом) методы анализа.

Поглощение лучей ультрафиолетовой или видимой областей спектра возбуждает электронную систему молекул. Избыток энергии выделяется в той или иной форме. Например, излучение может привести к химическим превращениям (фотохимические процессы) или вызывать вторичное излучение (люминесценция).

В большинстве случаев энергия возбуждения распределяется по отдельным энергетическим колебательным уровням, превращаясь в тепловое движение. Именно этот процесс является основой для измерения концентрации вещества по величине поглощения света.

Средства измерения концентрации веществ в различных жидких средах, основанные на зависимости оптической плотности раствора от концентрации растворенного вещества, носят название фотометров.

Наряду с фотометрами, предназначенными для определения концентрации растворенного вещества в растворе, важное значение имеют фотометрические приборы для определения концентрации взвешенных веществ (микрочастицы). Помощью анализаторов взвешенных частиц контролируется мутность воды, анализируется чистота топлив, инъекционных растворов, эффективность фильтрационных установок и т.д.

Большая часть методов анализа дисперсных систем основана на оптических явлениях и, в частности, на эффекте рассеяния света на микрочастицах. Интенсивность рассеянного света возрастает с увеличением числа рассеянных частиц.

На рис. 2.184 изображена функциональная схема фотометра, предназначенного для измерения оптической плотности микробиологической суспензии (активный ил) на станциях биологической очистки сточных вод предприятий коммунального хозяйства, нефтехимической, химической и других отраслей промышленности.

Световой поток от лампы просвечивания рабочего канала фокусируется в параллельный пучок при помощи линз 2. Из общего спектра при помощи цветовых фильтров 3 выделяется необходимая спектральная область. Далее световой поток проходит оптический клин 7, измерительную камеру 8 и попадает в интегрирующий фотометрический шар 9, на котором установлен светоприемник 10.

Аналогично световой поток сравнительного канала от лампы 1 проходит через линзы 2 и фильтры 3, отражается при помощи зеркала 4, пройдя через нейтральный светофильтр 5 и оптический клин 6, и попадает на светоприемник 11.

В исходном положении световые потоки, падающие на светоприемники 10 и 11 рабочего и сравнительного каналов, уравновешены.

При изменении оптической плотности измеряемой среды в измерительной камере 8 нарушается равновесие световых потоков и, тем самым меняется освещенность светоприемника 10 рабочего канала. В результате этого возникает электрический сигнал разбаланса измерительной схемы прибора, который поступает на согласующий усилитель 12, обеспечивающий согласование высокоомной измерительной схемы с низкоомным входом реверсивного усилителя 13. Последний приводит во вращение двигатель 17, на валу которого закреплены измерительный оптический клин 7, шкала прибора 18 и реостат 15 источника калибровочного сигнала.

Электродвигатель вращает измерительный оптический клин 7 до тех пор, пока снова не уравновесятся световые потоки рабочего и сравнительного каналов. Угол поворота оптического клина 7 фиксируется по шкале прибора 18 в единицах оптической плотности.