3. Аэрозольно-ионизационные газоанализаторы

Аэрозольно-ионизационные газоанализаторы относятся к радиоизотопным приборам газового анализа, в которых измеряется физический параметр газовой среды — электрическая проводимость газов, подвергнутых воздействию ионизирующего излучения. Чувствительным элементом этих приборов является проточная токовая ионизационная камера, имеющая внутренний источник ионизации газа в виде α- или β-активного изотопа. Мерой концентрации контролируемого компонента среды служит сила ионизационного тока, возникающего между электродами камеры под действием приложенного к ним напряжения.

Особенность аэрозольно-ионизационных газоанализаторов состоит в том, что в них контролируемый компонент предварительно избирательно переводится в аэрозольное состояние. При этом число образующихся аэрозольных частиц, пропорциональное концентрации контролируемого компонента, определяет изменение измеряемой силы ионизационного тока. Избирательный перевод контролируемого компонента в аэрозольное состояние обеспечивает его избирательное определение на фоне других компонентов смеси.

Высокая чувствительность ионизационной камеры к появлению в ней аэрозолей определяет преимущественное использовавание аэрозольно-ионизационных газоанализаторов для контроля микропримесей.

Механизм влияния аэрозолей на силу тока ионизационной камеры связан с тем, что появление в ионизационной газовой среде твердых или жидких аэрозольных частиц диаметром от 10^-7 до 10^-4 см сопровождается интенсивной адсорбцией этими частицами газовых ионов. Образующиеся при этом тяжелые ионы имеют большие размеры по сравнению с размерами газовых ионов и, как следствие этого, малую подвижность. Появление тяжелых ионов способствует ускорению процессов рекомбинации при тепловом движении ионов и их дрейфе к электродам ионизационной камеры. Этот процесс приводит к значительному снижению силы ионизационного тока камеры.

Измерение силы ионизационного тока I камеры под действием аэрозольных частиц описывается следующим приближенным соотношением:

(2)

где I₀ — начальная сила тока в камере в отсутствие аэрозольных частиц; N — постоянная Брикарда, определяемая вероятностью осаждения газовых ионов на аэрозольных частицах; С — концентрация аэрозольных частиц в газе; — время «жизни» газовых ионов внутри камеры, определяемое конструкцией ионизационной камеры и напряженностью электрического поля;r — средний радиус аэрозольных частиц.

Переходя к массовой концентрации аэрозольных частиц G, можно преобразовать выражение (2) к виду

(3)

где а — коэффициент, зависящий от плотности и формы аэрозольных частиц.

Выражение (3) показывает, что чувствительность ионизационной камеры к аэрозолям максимальна при малых размерах частиц. Однако это справедливо лишь до некоторого нижнего предела размеров, поскольку по мере их уменьшения снижается и вероятность адсорбции газовых ионов.

Чувствительность ионизационной камеры к аэрозолям весьма высокая. С помощью ионизационной камеры можно обнаруживать аэрозольные частицы с массовой концентрацией до 10^-6— 10^-7 мг/л. Это свойство ионизационной камеры используют также в анализаторах запыленности воздуха — ионизационных пылемерах и противопожарных ионизационных дымомерах.

С точки зрения использования в аэрозольно-ионизационных газоанализаторах, наиболее пригодны следующие способы избирательного перевода газовых примесей в аэрозоли.

1. Химическая реакция газообразных веществ в некотором объеме. При этом газовую смесь, содержащую контролируемый газ или пар, смешивают с другим специально подобранным газом (химическим реагентом), создавая новое вещество, обладающее более низким давлением насыщенного пара, чем исходные вещества. При определенных концентрациях реагирующих веществ, продукт реакции в результате конденсации пересыщенного пара переходит в состояние аэрозоля. Например, в результате реакции аммиака с парами соляной кислоты образуется белый дым — хлористый аммоний: NH₃ + HC1 → NH₄C1 ↓.

2. Пиролиз анализируемого газового компонента. В результате пиролиза некоторые сложные химические соединения разлагаются на вещества, которые при определенных условиях конденсируются в аэрозоли. Например, в результате паров тетраэтилсвинца или карбонила никеля в газах образуются мелкодисперсные частицы соответствующих металлов: Рb(С₂Н₅)₄ → СО₂ + Н₂О + Рb ↓.

3. Сочетание пиролиза или каталитической конверсии с последующей химической реакцией. При пиролизе галогенопроизводных углеводородов образуются галогеноводородные соединения, которые с помощью химической реакции переводятся в аэрозоли. Например, при пиролизе трихлорэтана получается хлористый водород, который при реакции с аммиаком образует аэрозоль: С₂Н₃С1 → НС1 NH₄Cl ↓. При пропускании хлорорганического соединения над нагретой окисью меди образуется хлористый водород, который также взаимодействует с окисью меди. Образующийся хлорид меди конденсируется в аэрозоль C_nH_mCl_pHClCuCl ↓.

Возможны и другие, менее распространенные, способы образования аэрозолей.

Рис. 4. Принципиальная схема аэрозольно-ионизационного газоанализатора

На рис. 4 приведена принципиальная схема аэрозольно-ионизационного газоанализатора. В проточную ионизационную камеру 2, где находятся источник излучения 1 и коллектор ионов 3, побудителем расхода газа засасывается анализируемый воздух. Одновременно внутрь камеры вводятся пары соответствующего химического реагента. Внутри камеры происходит химическая реакция, в результате которой определяемый компонент переходит в аэрозоль. Ионизационный ток создает на высокоомном нагрузочном резисторе R падение напряжения, которое усиливается усилителем 4 постоянного тока; сила ионизационного тока, изменяющаяся в соответствии с концентрацией аэрозольных частиц, является мерой концентрации определяемого компонента. Прибор можно использовать для контроля в воздухе ряда вредных веществ, в том числе окислов азота, хлористого водорода, аммиака, аминов. В зависимости от назначения верхний предел шкалы газоанализатора устанавливают от 0,5 до 50 мг/м³ определяемого компонента; основная погрешность 10—15 % диапазона шкалы.

Обслуживание прибора заключается в периодической смене химического реагента и промывке смесительной насадки ионизационной камеры. Предусмотрена возможность периодической проверки и подстройки шкалы газоанализатора по реперным точкам. При этом проверяют и восстанавливают ход вольт-амперной характеристики ионизационной камеры, изменяя напряжение U на электродах и регистрируя силу ионизационного тока вторичным прибором 5.

Наряду с высокой избирательной чувствительностью к микроконцентрациям различных газовых примесей газоанализатор обладает высоким быстродействием благодаря отсутствию у ионизационной камеры сорбционной памяти. Это является результатом того, что контролируемый компонент попадает в камере в среду, насыщенную парами химического реагента, и, сразу трансформируясь в аэрозольное состояние, выносится из камеры потоком воздуха.