Термохимические газоанализаторы. 
Экологический мониторинг

Большинство термохимических газоанализаторов используют в качестве газосигнализаторов горючих газов и паров (Н₂, углеводороды и др.) в воздухе, а также при электролизе воды для определения примесей водорода в кислороде (диапазон измерений 0,02—2%) и кислорода в водороде (0,01−1%).

Пожарои взрывоопасность веществ и материалов — совокупность свойств, характеризующих их способность к возникновению и распространению горения. При этом под горением понимают экзотермическую реакцию, протекающую в условиях ее прогрессивного самоускорения.

Взрывоопасная газовая среда (атмосфера) — смесь с воздухом, при нормальных атмосферных условиях, горючих веществ в виде газа или пара, горение в которой после начала воспламенения распространяется на весь объем смеси (ГОСТ Р 52 136−2003).

Рудничный газ — горючий газ, состоящий в основном из метана, скапливающийся естественным образом в шахтах и рудниках. Горючий газ — газ или пар, при смешивании которого с воздухом в определенных пропорциях образуется взрывоопасная газовая среда.

Нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПР, ГОСТ 12.1.044—89) — минимальное содержание горючего вещества в однородной смеси с окислительной средой, при которой возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.

Различают следующие виды газоанализаторов и сигнализаторов горючих газов и паров.

Сигнализатор — прибор, имеющий устройство аварийной сигнализации, но не оснащенный показывающим устройством. Прибор с принудительной подачей газа — прибор, на датчик которого анализируемый газ из ОС поступает путем принудительной подачи, например с помощью ручного или электрического насоса. Прибор непрерывного действия — прибор, включаемый на длительное время, датчики которого могут работать в непрерывном или прерывистом режиме. Прибор с диффузионной подачей газа — прибор, в котором анализируемый газ поступает к датчику из ОС за счет молекулярной диффузии, т. е. без формирования принудительного потока. Все части стационарного прибора устанавливают для длительной эксплуатации в определенном месте. Приборы группы I предназначены для применения в шахтах, опасных по выделению рудничного газа. Приборы группы II используют в местах с потенциально взрывоопасной газовой средой, кроме шахт, опасных по выделению рудничного газа. Портативные приборы — приборы эпизодического или непрерывного действия с автономным питанием, конструкция которых позволяет легко переносить их с места на место и использовать во время передвижения. Прибор эпизодического действия предназначен для работы эпизодически, в течение нескольких минут, с нерегулярными интервалами между отдельными измерениями. Передвижной прибор — прибор, не относящийся к портативным, но относительно легко перемещаемый с одного места на другое.

В термохимических газоанализаторах для определения концентрации компонента используют тепловой эффект реакции каталитического окисления этого компонента.

Наибольшее распространение получили две труппы этих приборов. В приборах первой группы горение происходит на каталитически активной платиновой нити, являющейся одновременно чувствительным элементом — плечом измерительного моста. Анализ основан на измерении повышения температуры нити при сгорании определяемого компонента.

Данные о воспламеняемости некоторых горючих паров и газов (НКПР и ВКПР) приведены в табл. 8.1.

Таблица 8.1

НКПР и ВКПР некоторых горючих газов и паров.

где, а — коэффициент, характеризующий полноту реакции; а — число молей реагирующего компонента; q — удельная теплота горения; р — коэффициент потерь теплоты в ОС; SO — удельное содержание продуктов реакции; At — повышение температуры платиновой нити.

Уравнение теплового баланса при этом имеет вид.

При одних и тех же конструктивных размерах камеры, в которой находится платиновая нить, коэффициент р зависит только от теплопроводности и температуры нити.

Поскольку на практике определяют микроконцентрации компонента в газовоздушной среде, то без особых погрешностей можно принять теплоемкость анализируемой среды равной теплоемкости воздуха.

Выражение S9 для микроконцентраций компонента в воздухе можно считать постоянным, так как в основном оно определяется энтальпией воздуха. Тогда выражение (8.3) можно привести к виду.

где k — постоянная для данного прибора, определяемая экспериментально.

В соответствии с формулой (8.4) повышение температуры At является функцией а, но при этом требуется индивидуальная градуировка газоанализатора для каждого определяемого компонента.

На рис. 8.8 показан термохимический газоанализатор с каталитически активными платиновыми нитями, помещенными в рабочую (слева) и сравнительную (справа) камеры, одинаковые по конструкции и своим параметрам. Постоянные резисторы R_:i и R_A выполнены из манганина. Появление анализируемого компонента вызывает его сгорание на платиновой нити, повышение ее температуры и, следовательно, сопротивления /?,. Измерительный мост выходит из равновесия, которое фиксирует гальванометр Г. Сила тока разбаланса пропорциональна содержанию анализируемого компонента в газовой смеси. Приборы этого типа имеют погрешность ±10%.

В приборах второй группы реакция окисления происходит в слое катализатора, а тепловой эффект реакции измеряется терморезистором или термопарой, помещенной в этот катализатор. Такие газоанализаторы с насыпным катализатором обладают следующими преимуществами:

• • большая избирательность;
• • высокая чувствительность вследствие более развитой поверхности насыпного катализатора;
• • работа при сравнительно низкой температуре и в некоторых случаях без подогрева.

В автоматическом термохимическом газоанализаторе (рис. 8.9) тепловой эффект измеряется двумя терморезисторами, один из которых (рабочий /?_раб) находится в слое катализатора, а другой (сравнительный R_c) —.

в слое инертной массы. Эти терморезисторы включены в смежные плечи автоматического моста.

Рис. 8.8. Термохимический газоанализатор с каталитически активными.

платиновыми нитями.

При появлении в газовой смеси анализируемого компонента на катализаторе происходит экзотермическая реакция, сопротивление R_pa6 возрастает и возникает разбаланс моста, пропорциональный содержанию определяемого компонента. В качестве катализатора обычно используют гопкалит (60% МпО₂ + 40% СиО) и металлическую платину, нанесенную на поверхность пористого носителя. Анализируемый газ не должен содержать пыли, влаги, масла, а также агрессивных газов и паров (Cl₂, H₂S, паров щелочей). Основная погрешность показаний прибора не превышает 5%.

Наиболее трудноучитываемой погрешностью в газоанализаторах с насыпным катализатором является падение активности катализатора. Обычно предусматривают специальную коррекцию при снижении активности катализатора. Для защиты катализатора анализируемую смесь предварительно очищают в химических фильтрах.

Стационарный термохимический сигнализатор (рис. 8.10) предназначен для контроля довзрывоопасных концентраций горючих газов, паров и их совокупности в воздухе; выдачи сигнализации о превышении установленных значений концентрации и коммутации внешних электрических цепей переменного тока.

Сигнализатор состоит из датчика и блока питания.

Диапазон измерений — 0—0% НКПР, предел допустимой основной абсолютной погрешности сигнализатора — 5% НКПР.

Рис. 8.10. Термохимический сигнализатор с датчиком.