Газовий аналіз

Газоаналізатори

Засоби вимірювання, які призначені для визначення концентрації компонентів газів в газових сумішах, називаються газоаналізаторами й газовими хроматографами.

Робота газоаналізаторів заснована на використанні якої-небудь фізико-хімічної властивості вимірюваного газу, що відрізняється від властивостей усіх інших складових газової суміші. На цих фізико-хімічних властивостях, покладених в основу вимірювального методу, ґрунтується істотна класифікація газоаналізаторів: хімічні, термокондуктометричні (теплові), магнітні, оптико-акустичні хроматографи.

Хімічний газоаналізатор

Рис. 1 - Переносний хімічний газоаналізатор ГХП-3МПринцип дії хімічних газоаналізаторів заснований на обліку вимірювання об'єму газової суміші після поглинання одного або декількох компонентів газової суміші відповідними хімічними реактивами.

Ці газоаналізатори служать для вимірювання концентрації СО₂, СО і О₂

Термокондуктометричні (теплові) газоаналізатори

Термокондуктометричні газо-аналізатори використовують залежність теплопровідності аналізованої газової суміші від концентрації в ній вимірюваного компонента. Це можливо в тому випадку, коли теплопровідність вимірюваного компонента різко відрізняється від теплопровідності всіх інших компонентів газової суміші. Ці газоаналізатори можна застосовувати для визначення СО₂, Н₂, SО₂ і ін. Ці прилади є автоматичними промисловими пристроями.

Рис. 2 - Схема термокондуктометричного газоаналізатораПринципова схема термокондуктометричного газоаналізатора показана на рис. У плечі вимірювального неврівноваженого мосту включені однакові опори у вигляді ниток, що нагріваються струмом. Дві з них, включені в протилежні плечі мосту, поміщені в камери, через які проходить досліджуваний газ, а дві інші – у камери, наповнені повітрям.

Якщо теплопровідність вимірюваної газової суміші відрізняється від теплопровідності повітря, то температури ниток будуть різні, і в діагоналі аЬ виникне напруга розбалансу, пропорційне змісту обумовленого компонента в газовій суміші. Ця напруга виміряється потенціометром, шкала якого відградуірована у відсотках обумовленого компонента.

Магнітні газоаналізатори

Принцип дії магнітних газоаналізаторів заснований на тому, що кисень - О₂ на відміну від усіх інших складових димового газу є парамагнітним, тобто втягується в магнітне поле.

Рис. 3 - Зображення: https://www.slideshare.net/egkind/ss-2675357Перетворювач газоаналізатора складається з кільцевої камери з горизонтальною скляною трубчастою перемичкою, поміщеною між полюсами постійного магніту так, що магнітне поле перебуває на одній стороні перемички. На перемичку навита двосекційна обмотка, що нагрівається, з тонкого платинового дроту. Секції обмоток являють собою два плеча неврівноваженого мосту й служать вимірювальними елементами. Двома іншими плечима служать постійні манганінові опори R₁ і R₂.

При наявності в газовій суміші кисню частина потоку надходить в перемичку, де утворюється перебіг газу в напрямку зліва праворуч (від більшої напруженості магнітного поля до меншої). Конвекційний потік газу переносить тепло від обмотки R₃ до R₄, тому температура секцій змінюється (R₃ охолоджується, R₄ нагрівається) і змінюється їхній опір. Величина різниці опорів функціонально пов'язана з концентрацією кисню в досліджуваній газовій суміші.

Розбаланс мосту виміряється вторинним приладом, шкала якого отградуірована у відсотках кисню.

Хроматографи

Хроматографічні газоаналізатори призначені для аналізу багатокомпонентних газів. Вони відрізняються від інших газоаналізаторів тим, що визначають процентний вміст усіх компонентів, що входять в аналізовану газову суміш. Процес вимірювання в цих приладах складається із двох етапів: хроматографічний поділ газової суміші на окремі компоненти, а потім визначення (детектування), які це компоненти й у якій кількості. Принцип поділу газової суміші заснований на відмінність адсорбційних властивостях окремих компонентів суміші, що пропускається через шар нерухливого сорбенту.

Рис. 4 - Блок-схема хроматогрофа

Принципова схема хроматографа і способу поділу суміші газів у колонці представлена на рис. 5 балона газ-носій надходить у хроматограф. Для підтримки постійної швидкості в процесі його роботи використовується регулятор , що містить редуктор, манометр і вимірник витрати газу. У газ-носій дозатором періодично вводиться проба аналізованого газу.

Рис. 5 - Принципова схема хроматогрофа У роздільній колонці, заповненій твердим або рідким сорбентом, аналізована суміш розділяється на компоненти. Уздовж шару сорбенту з більшою швидкістю рухаються гази, які найменше поглинаються сорбентом. Тому в пробі суміші газів, що містить три компоненти А, В і С, першим виноситься газ А, який найменш сорбується, а останнім – газ С, який сорбується найкраще. Після поділу кожен компонент із газом-носієм утворить бінарну суміш, аналіз якої може бути зроблений різними методами, у тому числі розглянутими вище і реалізованими в детекторі 6. Оскільки в процесі вимірювання властивості газу–носія можуть змінюватися, при пропущенні останнього через детектор фіксуються зміни його властивостей, викликані присутністю компонента аналізованої суміші.

На діаграмі самописного приладу, або на екрані монітора вихід кожного з компонентів супроводжується піком, площа якого залежить від концентрації цього газу. Графік, що фіксує вихід компонентів, називають хроматограмою. Використання інтегруючих і цифродрукуючих пристроїв, обчислювальної машини автоматизує обробку хроматограм і дозволяє ввести інформацію про склад газів.

Рис. 6 - ХроматограмаХроматограма є носієм як якісної інформації – про вид компонентів суміші, так і кількісної – про їхні концентрації. Значення останньої визначається площею піка або його висотою. Оскільки поділ газів здійснюється за рахунок їх різних сорбційних властивостей, час виходу того або іншого компонента при постійній швидкості газу–носія визначає вид газу. Ця характеристика називається часом утримання tR. Вона чисельно дорівнює інтервалові часу від моменту введення проби газу до моменту, що відповідає максимумові піку. Більш стійкою характеристикою, що не залежить від коливань швидкості v газу-носія, є утримуваний об’єм газу-носія.

Контрольні запитання

1. Що таке газовий аналіз?

2. Назвіть принцип дії хімічних газоаналізаторів?

3. Коли застосовують магнітні газоаналізатори?

4. Для чого призначені хроматографи?