2. Пламенно-ионизационные газоанализаторы

Пламенно-ионизационный метод анализа применяют как для определения органических микропримесей на уровне токсических концентрации, так и для контроля взрывоопасности газовых смесей.

Пламенно-ионизационные газоанализаторы основаны на явлении ионизации органических веществ в водородном пламени. Пламенно-ионизационный преобразователь представляет собой водородную горелку, помещенную в электрическое поле. При горении чистого водорода почти не образуется ионов поэтому электрическая проводимость чистого водородного пламени чрезвычайно низкая. При появлении в пламени органических веществ происходит их ионизация и электрическая проводимость пламени резко возрастает. Механизм ионизации окончательно не выяснен. Из гипотез, объясняющих механизм ионизации органических веществ в пламени, наиболее обоснована гипотеза хемиионизации, согласно которой на первом этапе молекулы органических веществ распадаются на радикалы типа СН, содержащие по одному атому углерода. Затем последовательно протекают:

а) первичная реакция ионообразования СН + О → СНО⁺ + е^- при которой атомарный кислород присутствует в плазме пламени;

б) реакция протонного обмена с молекулами воды, в изобилии присутствующей в пламени водорода; СНО⁺ + Н₂О → Н₃О + СО;

в) реакции рекомбинации заряженных частиц Н₃О⁺ + е^- →ОH + Н₂ или Н₃О⁺ + е^- → ОН + Н₂

Принципиальная схема пламенно-ионизационного преобразователя приведена на рис. 3. Одним из измерительных электродов является горелка 1, на которую от источника 4 подается постоянное напряжение 60-300 В; горелка изготовлена из металла (коррозионностоикая сталь, титан). Вторым (так называемым «коллекторным») электродом служит тонкостенный цилиндр 2 соосный с горелкой 1 и изготовленный из благородного металла (платина, золото, титан).

Помимо основных потоков (водорода и контролируемой среды), поступающих в горелку, в ионизационную камеру 3 преобразователя поступает также поток воздуха для поддержания горения и предотвращения конденсации воды, являющейся продуктом сгорания водорода.

В пламенно-ионизационном преобразователе появление в цепи коллекторный электрод — горелка так называемого «ионизационного» тока обусловлено разрядом на электродах положительных и отрицательных носителей заряда, образовавшихся в ходе реакций а и б. Рекомбинации заряженных частиц не происходит. Более того, основная метрологическая характеристика преобразователя (линейность) связана с полнотой сбора носителей заряда на электродах при практически полном исключении рекомбинации.

Сила ионизационного тока даже при контроле макроконцентраций, каковыми являются довзрывные концентрации, не превышает 10^-7—10^-8 А. В связи с этим токовый сигнал преобразователя поступает в усилитель постоянного тока 5, обладающий входным сопротивлением порядка 10⁷—10⁸ Ом. Усиленный сигнал поступает на вторичный прибор 6 (например, автоматический потенциометр) или на устройство сигнализации, выдающее сигнал при превышении концентрации заданного значения.

Универсальность пламенно-ионизационного преобразователя при контроле довзрывных концентраций обусловлена тем, что его чувствительность пропорциональна теплоте условной реакции типа . Теплота этой реакции меньше теплоты сгорания, причем разность соответствует теплоте образования одного из продуктов сгорания — воды. Для большей части органических веществ теплота условной реакции пропорциональна теплоте сгорания и следовательно, чувствительность прибора связана с НПВ. Для небольшого количества простейших органических веществ таких, как НСНО, . НСООН), а также для ряда практически важных неорганических горючих веществ (Н_2> NH₃, H_aS, CO) чувствительность прибора равна нулю. Для контроля довзрывных концентраций этих веществ пламенно-ионизационный преобразователь неприменим. Тем не менее, число контролируемых органических веществ превышает 110.

Рис. 3. Схема пламенно-ионизационного преобразователя

Быстродействие пламенно-ионизационного преобразователя определяется временем прохождения контролируемого воздуха по газовым коммуникациям, поскольку время ионизации и сбора ионов на электродах очень мало. Время запаздывания пламенно-ионизационных сигнализаторов 5—20 с.