Термохимические газоанализаторы

Термохимические газоанализаторы

ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ, приборы, измеряющие содержание (концентрацию) одного или нескольких компонентов в газовых смесях.

Термохимические газоанализаторы. В этих приборах измеряют тепловой эффект химической реакции, в которой участвует определяемый компонент. В большинстве случаев используется окисление компонента кислородом воздуха; катализаторы - марганцевомедный (гопкалит) или мелкодисперсная Pt, нанесенная на поверхность пористого носителя. Изменение титры при окислении измеряют с помощью металлического или полупроводникового терморезистора. В ряде случаев поверхность платинового терморезистора используют как катализатор. Величина связана с числом молей М окислившегося компонента и тепловым эффектом соотношением:, где kо коэффициент, учитывающий потери тепла, зависящие от конструкции прибора.

Схема включает измерительный мост с постоянными резисторами (R1 и R4) и двумя терморезисторами, один из которых (R2) находится в атмосфере сравнительного газа, а второй (R3) омывается потоком анализируемого газа. Напряжение Uвых в диагонали моста пропорционально концентрации определяемого компонента. Для устойчивой работы газоанализаторы исключают влияние титры среды (термостатированием или термокомпенсацией), стабилизируют напряжение, поддерживают постоянным расход газа, очищают его от примесей, отравляющих катализатор (С12, НС1, H2S, SO2 и др.).

Рис.. Термохимический газоанализатор: 1 - источник стабилизированного напряжения; 2-вторичный прибор; R1 и R4 - постоянные резисторы; R2 и R3-соотв, сравнительный и рабочий терморезисторы.

Большинство термохимических газоанализаторов используют в качестве газосигнализаторов горючих газов и паров (Н2, углеводороды и др.) в воздухе при содержании 20% от их нижних КПВ, а также при электролизе воды для определения примесей водорода в кислороде (диапазон измерения 0,02-2%) и кислорода в водороде (0,01-1%).

Зачем нужентермокомпенсатор у кондуктометров? Электродная ячейка.

Для компенсации температурной погрешности в автоматических приборах обычно используют автоматические температурные компенсаторы электрического типа с использованием металлических термометров сопротивления. Для температурной компенсации необходимо обеспечить равенство температурных коэффициентов сопротивления измерительной R_x ячейки (т. е. контролируемого раствора) и термометра сопротивленияR_t. Для этого параллельноR_x включают шунтирующий резистор R_ш с низким температурным коэффициентом (например, из манганиновой проволоки). Благодаря этому температурный коэффициент сопротивления параллельной цепи R_x– R_ш значительно снижается по сравнению с температурным коэффициентом раствора и приближается к температурному коэффициенту термометра сопротивления R_t, но имеет противоположный знак. Таком образом, общее сопротивление всей цепи почти не изменяется при колебаниях температуры контролируемого раствора, так как изменение сопротивления цепи R_x– R_ш компенсируется равным по величине и обратным по знаку изменением сопротивления R_t. (нарисовать рисунок)

Электродная ячейка представляет собой стеклянный двустенный сосуд, оканчивающийся внизу конусом и снабженный стеклянной трубкой с краном. Электродная ячейка имеет измерительный и вспомогательный электроды.

Свойства вещества

Каждому веществу присущ набор специфических свойств — объективных характеристик, которые определяют индивидуальность конкретного вещества и тем самым позволяют отличить его от всех других веществ. К наиболее характерным физико-химическим свойствам относятся константы — плотность, температура плавления,температура кипения, термодинамические характеристики, параметры кристаллической структуры. К основным характеристикам вещества принадлежат его химические свойства.

Физическая классификацияАгрегатные состоянияОсновная статья:Агрегатные состояния

Закон Кольрауша (или закон аддитивности электропроводности при бесконечном разбавлении электролитов) гласит, что в бесконечно разбавленном растворе переносэлектричества осуществляется всеми ионами независимо друг от друга; при этом общая молярная электропроводность раствора равна сумме молярных электропроводностей отдельных ионов. Закон был экспериментально установлен в 1879 году В. Кольраушем, позже получил объяснение исходя из теории электролитической диссоциации. При увеличении концентрации растворов увеличивается взаимодействие между ионами и закон Кольрауша не выполняется.Величина предельной электропроводности бесконечно разбавленного раствора электролита представляет собой сумму двух независимых слагаемых, каждая из которых соответствует определенному виду ионов.

Сущность этого закона состоит в следующем: в предельно разбавленном растворе электролита катионы и анионы переносят ток независимо друг от друга.

Закон Кольрауша помог вычислить значения λ_∞ для многих слабых электролитов, для которых нельзя было определить эти значения из опытных данных экстрополяцией их к нулевой концентрации (или к бесконечному разведению) как это делается в случае сильных (и средних) электролитов. Предельные подвижности ионов, как и эквивалентная электропроводность, увеличиваются с температурой. Их значения, например, при 25 ^оС лежат в интервале от 30 до 80 и от 40 до 80 (см²·Oм ¹·моль-экв^-1) для однозарядных катионов и анионов соответственно.

86 Пло́тность — скалярная физическая величина, определяемая как отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму. Более строгое определение плотности требует уточнение формулировки:

Средняя плотность тела — отношение массы тела к его объёму. Для однородного тела она также называется просто плотностью тела.

Плотность вещества — это плотность тел, состоящих из этого вещества. Отсюда вытекает и короткая формулировка определения плотности вещества: плотность вещества — это масса его единичного объёма.

Плотность тела в точке — это предел отношения массы малой части тела содержащей эту точку, к объёму этой малой частикогда этот объём стремится к нулю^[1], или, записывая кратко, . При таком предельном переходе необходимо помнить, что на атомарном уровне любое тело неоднородно, поэтому необходимо остановиться на объёме, соответствующем используемой физической модели.

Относительной плотностью вещества называют-отношение плотности исследуемого вещества к плотности эталонного вещества. В качестве эталонной жидкости чаще всего используют дистиллированную воду, плотность которой при +20 °C равна 998,203 кг/м³, а при температуре максимальной плотности (+4 °C) составляет 999,973 кг/м³.

Определение относительной плотности для жидкости при +20 °C обычно производят путём деления массы определенного объёма жидкости к массе воды этого же объёма при этой же температуре. При этом получают относительную плотность вещества относительно плотности воды при +20 °C и обозначают эту величину как , где цифра сверху относится к исследуемому веществу, а снизу — к температуре воды. Определяют относительную плотность при помощи пикнометра, взвешивая сначала пустой пикнометр, затем пикнометр с дистиллированной водой, а потом пикнометр с исследуемой жидкостью. Относительную плотность определяют из следующей формулы:

Чтобы определить плотность вещества, необходимо относительную плотность умножить на величину абсолютной плотности воды при температуре измерения. Часто можно встретить величину относительной плотности , которая показывает плотность исследуемого вещества относительно плотности воды при +4 °C. В справочниках также приводится для воды величина 0,99823, которая представляет собой относительную плотность воды , которую часто путают с массой одного см³ воды при +20 °C и, следовательно, ошибочно присваивают в системе СИ значение плотности для воды при +20 °C величину 998,23 кг/м³.

ПЛОТНОМЕ́Р, прибор для непрерывного (или периодического) измерения плотностивеществ в процессе их производства или переработки, устанавливается непосредственно в технологических линиях или производственных агрегатах. По принципу действия плотномеры для измерения плотности жидкостей (они наиболее распространены) делятся на следующие основные группы: поплавковые (например,ареометр), весовые (например, пикнометр), гидростатические, радиоизотопные, вибрационные, ультразвуковые. К плотномерам примыкает группа приборов, предназначенных для измерения концентрации растворов (спиртомеры, сахаромеры, нефтеденсиметры, лактоденсиметры для определения жирности молока и др.).

Весовые плотномеры основаны на непрерывном взвешивании определенного объема жидкости.

ПИКНО́МЕТР (от греч. pyknos — плотный и греч. metron — мера, metreo — измеряю), стеклянный сосуд специальной формы и определенной вместимости для измерений плотности газов, жидкостей и твердых тел. Плотность определяется по массе заключенного в пикнометре вещества (ее находят взвешиванием) и объему вещества, равному объему пикнометра.

87 Определение влажности газа

Влажность газа – это показатель количественного содержания воды, для ее определений могут использоваться различные единицы, в том числе и внесистемные.

Так, под абсолютной влажностью газа понимают массу водяного пара, которая приходится на единицу объема воздуха (или же плотность присутствующего водяного пара), измеряют ее в г/м³. В земной атмосфере, в частности, эта величина способна колебаться от 0.1 г/м³ (над материковыми пространствами зимой при континентальном климате) до более чем 30 г/м³ (в зоне экватора в период дождей).

Соотношение компонентов смеси характеризует соотношение массы водяного пара с массой сухого газа и определяется в граммах на килограмм сухого газа (г/кг). Под точкой росы понимают такую температуру газовой среды, при которой происходит насыщение водяным паром (показатель относительной влажности при этом достигает 100 проц.). Дальнейшее поступление водяного пара или охлаждение смеси вызывают появление конденсата.

При отрицательных температурах выпадения росы, естественно, не происходит, зато образуются иней, изморозь, снег или лед. Также могут определяться относительная и максимальная влажность газа.

88 Психрометрический метод измерения относительной влажности воздуха
Одним из основных методов для измерения относительной влажности воздуха является психрометрический. Измерение относительной влажности воздуха этим способом осуществляется по данным с психрометра - прибора, состоящего из двух термометров с интервалом 0,2°С. Ёмкость одного из термометров, плотно обертывается тонкой тканью, конец которой опускается в стаканчик с дистиллированной водой. С поверхности ёмкости "мокрого" термометра происходит испарение воды, на которое расходуется тепло. Сухой термометр показывает температуру окружающего воздуха, а мокрый - температуру поверхности ёмкости, зависящую от интенсивности испарения воды. Чем ниже влажность, тем интенсивнее будет происходить испарение и следовательно, тем ниже будут показания мокрого термометра.

На погрешность измерения при использовании этого метода оказывают влияние атмосферное давление, скорость аспирации, температура воздуха, чистота заливаемой воды, запыление тканевого материала. Кроме всего погрешность, возникающую при изменении свойств тканевого материала (например, тканевый материал запылится и высохнет) и изменении скорости движения воздуха около датчиков, трудно заметить. В итоге, даже поверенный психрометр может иметь недостоверность показаний 20 % и выше, особенно при низких уровнях влажности.

Метод точки росы- основан на измерении температуры t_рос воздуха, охлаждаемого, например, металлической неокисляемой зеркальной поверхностью (в момент начала выпадения капельной влаги на зеркале фиксируется его температура).

Зная t_рос и температуру t_A воздуха, можно в диаграмме, изображенной на рис. 3, поднимаясь из точки B на кривой насы­щения по линии d = const до изотермы t_A, найти точку А их пересечения, а значит, влажность φ_A и другие параметры состоя­ния воздуха.

89. Методы, которые используются в газоанализаторах для определения газов в смесях

Газоанализатор — измерительный прибор для определения качественного и количественного состава смесей газов. Различают газоанализаторы ручного действия и автоматические. Среди первых наиболее распространены абсорбционные газоанализаторы, в которых компоненты газовой смеси последовательно поглощаются различными реагентами. Автоматические газоанализаторы непрерывно измеряют какую-либо физическую или физико-химическую характеристику газовой смеси или её отдельных компонентов. По принципу действия автоматические газоанализаторы могут быть разделены на 3 группы:

1. Приборы, основанные на физических методах анализа, включающих вспомогательные химические реакции. При помощи таких газоанализаторов, называемых объёмно-манометрическими или химическими, определяют изменение объёма или давления газовой смеси в результате химических реакций её отдельных компонентов.

2. Приборы, основанные на физических методах анализа, включающих вспомогательные физико-химические процессы (термохимические, электрохимические, фотоколориметрические, хроматографические и др.). Термохимические, основанные на измерении теплового эффекта реакции каталитического окисления (горения) газа, применяют главным образом для определения концентраций горючих газов (например, опасных концентраций окиси углерода в воздухе). Электрохимические позволяют определять концентрацию газа в смеси по значению электрической проводимости раствора, поглотившего этот газ. Фотоколориметрические, основанные на изменении цвета определённых веществ при их реакции с анализируемым компонентом газовой смеси, применяют главным образом для измерения микроконцентраций токсичных примесей в газовых смесях — сероводорода, окислов азота и др. Хроматографические наиболее широко используют для анализа смесей газообразных углеводородов.

3. Приборы, основанные на чисто физических методах анализа (термокондуктометрические, денсиметрические, магнитные, оптические и др.). Термокондуктометрические, основанные на измерении теплопроводности газов, позволяют анализировать двухкомпонентные смеси (или многокомпонентные при условии изменения концентрации только одного компонента). При помощи денсиметрических газоанализаторов, основанных на измерении плотности газовой смеси, определяют главным образом содержание углекислого газа, плотность которого в 1,5 раза превышает плотность чистого воздуха. Магнитные газоанализаторы применяют главным образом для определения концентрации кислорода, обладающего большой магнитной восприимчивостью. Оптические газоанализаторы основаны на измерении оптической плотности, спектров поглощения или спектров испускания газовой смеси. При помощи ультрафиолетовых газоанализаторов определяют содержание в газовых смесях галогенов, паров ртути, некоторых органических соединений.

90. Кондуктометрические газоанализаторы основаны на измерении электрической проводимости поглотительных растворов, абсорбирующих измеря­емый компонент газовой смеси.

Контактные кондуктометрические методы ха­рактеризуются тем, что поглотительный раствор непосредственно контакти­рует с электродами изме­рительной ячейки. Участие ■ в реакции всего подава­емого вещества обеспечи­вает высокую чувствитель­ность измерений без применения усилителей. Кондуктометрические приборы не требуют сложных устройств, обеспечивают не­посредственный отсчет показаний, просты в изготовлении и эксплуатации.

Газоанализаторы, основанные на измерении электрической проводимости, можно применять для анализа О2, С0₂, H2S, S0₂, NН₃ водяного пара и других компонентов.

В термохимических газоанализаторах для определения содер­жания анализируемого компонента используют тепловой эффект реакции каталитического окисления этого компонента. Наиболь­шее применение получили две группы приборов.

В приборах первой группы горение происходит на каталити­чески активной платиновой нити, являющейся одновременно чувствительным элементом — плечом измерительного моста. В приборах этой группы анализ основан на измерении повышения температуры при сгорании определяемого компонента.

В термохимических газоанализаторах второй группы реак­ция окисления происходит в слое катализатора, а тепловой эффект реакции измеряется термометром сопротивления или термобата­реей, помещенными в этот катализатор.

Термохимические га­зоанализаторы применяют в качестве индикаторов и сиг­нализаторов довзрывных концентраций горючих газов и паров в воздухе. При этом их выпускают преимущественно переносными и градуируют таким образом, чтобы появился сигнал при кон­центрации, равной 20 % нижнего предела воспламенения (НПВ).

92. Преобразователи сигналов от приборов и датчиков. Типы

Наиболее распространенными преобразователями сигналов от приборов и датчиков являются дифференциально-трансформаторные, ферродинамические, частотные электрические и пневматические преобразователи.

Дифференциально-трансформаторные преобразователи используются для измерения расхода, уровня, давления и других параметров, значение которых может быть преобразовано в перемещение сердечника к катушке первичного прибора. В дифференциально-трансформаторных преобразователях перемещение сердечника первичного прибора уравновешивается известным перемещением сердечника вторичного прибора.

Ферродинамические преобразователи нашли применение в качестве передающих преобразователей при дистанционных передачах показаний от первичного прибора ко вторичному. Они предназначены для преобразования угловых перемещений в пропорциональные унифицированные электрические сигналы переменного тока. Мерой выходного сигнала ферродинамических преобразователей является взаимоиндуктивность. Принцип действия ферродинамических преобразователей основан на использовании явления электромагнитной индукции.

Пневматический преобразователь предназначен для работы в системах автоматического контроля и управления производственными процессами с целью выдачи информации в виде унифицированного пневматического сигнала о перепаде давления, расходе жидкости и газа, а также уровне жидкости. Преобразователи эксплуатируются совместно с вторичными регистраторами и регуляторами. Принцип действия преобразователя основан на пневматической силовой компенсации. Преобразователи широко применяются в химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической промышленностях и ряде других областей.

Частотно-электрический преобразователь – это устройство, которое за счет создания на выходе электрического напряжения заданной частоты служит для плавного регулирования скорости асинхронного электродвигателя. Он состоит из выпрямителя (служит мостом постоянного тока) и инвертора (то есть преобразователя), который преобразует постоянный ток в переменный с необходимой частотой и амплитудой. Выходные транзисторы и тиристоры обеспечивают ток, необходимый для питания электродвигателя.

Термохимические газоанализаторы

ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ, приборы, измеряющие содержание (концентрацию) одного или нескольких компонентов в газовых смесях.

Термохимические газоанализаторы. В этих приборах измеряют тепловой эффект химической реакции, в которой участвует определяемый компонент. В большинстве случаев используется окисление компонента кислородом воздуха; катализаторы - марганцевомедный (гопкалит) или мелкодисперсная Pt, нанесенная на поверхность пористого носителя. Изменение титры при окислении измеряют с помощью металлического или полупроводникового терморезистора. В ряде случаев поверхность платинового терморезистора используют как катализатор. Величина связана с числом молей М окислившегося компонента и тепловым эффектом соотношением:, где kо коэффициент, учитывающий потери тепла, зависящие от конструкции прибора.

Схема включает измерительный мост с постоянными резисторами (R1 и R4) и двумя терморезисторами, один из которых (R2) находится в атмосфере сравнительного газа, а второй (R3) омывается потоком анализируемого газа. Напряжение Uвых в диагонали моста пропорционально концентрации определяемого компонента. Для устойчивой работы газоанализаторы исключают влияние титры среды (термостатированием или термокомпенсацией), стабилизируют напряжение, поддерживают постоянным расход газа, очищают его от примесей, отравляющих катализатор (С12, НС1, H2S, SO2 и др.).

Рис.. Термохимический газоанализатор: 1 - источник стабилизированного напряжения; 2-вторичный прибор; R1 и R4 - постоянные резисторы; R2 и R3-соотв, сравнительный и рабочий терморезисторы.

Большинство термохимических газоанализаторов используют в качестве газосигнализаторов горючих газов и паров (Н2, углеводороды и др.) в воздухе при содержании 20% от их нижних КПВ, а также при электролизе воды для определения примесей водорода в кислороде (диапазон измерения 0,02-2%) и кислорода в водороде (0,01-1%).