Термохимические газоанализаторы. 
Технические измерения и приборы

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 её прогрессивного самоускорения.

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

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 определённых пропорциях образуется взрывоопасная газовая среда.

НКПР (нижний концентрационный предел распространения пламени — 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 оснащённый показывающим устройством.

Прибор с принудительной подачей газа — прибор, на датчик которого анализируемый газ из окружающей среды поступает путём принудительной подачи, например при помощи ручного или электрического насоса.

Прибор непрерывного действия — включаемый на длительное время, датчики которого могут работать в непрерывном или прерывистом режиме.

Прибор с диффузионной подачей газа — в котором анализируемый газ поступает к датчику из окружающей среды за счёт молекулярной диффузии, т. е. без формирования принудительного потока.

Стационарный прибор — все его части устанавливают для длительной эксплуатации в определённом месте.

Приборы группы I применяют в шахтах, где возможно выделение рудничного газа.

Приборы группы II используют в местах с потенциально взрывоопасной газовой средой, кроме шахт с выделением 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 определяемого компонента используют тепловой эффект реакции каталитического окисления этого компонента.

Наибольшее распространение получили две группы 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 ВКГ1Р) приведены в табл. 10.3.

НКГ1Р и ВКПР некоторых горючих газов и паров.

Уравнение теплового баланса при горении на нити имеет вид.

где а — коэффициент, характеризующий полноту реакции; а — число молей реагирующего компонента; q — удельная теплота горения; Р — коэффициент потерь теплоты в окружающую среду; 1.0 — удельное содержание продуктов реакции; At — повышение температуры платиновой нити.

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

Так как на практике определяют микроконцентрации компонента в газовоздушной среде, то без особых погрешностей можно принять теплоёмкость анализируемой среды равной теплоёмкости воздуха.

Выражение 1.0 для микроконцентраций компонента в воздухе можно считать постоянным, так как в основном оно определяется энтальпией воздуха. Тогда выражение (10.7) можно привести к виду.

где к — постоянная для данного прибора, определяемая экспериментально.

В соответствии с формулой (10.8) повышение температуры At является функцией а, но при этом требуется индивидуальная градуировка газоанализатора для каждого определяемого компонента.

На рис. 10.14 показан термохимический газоанализатор с каталитически активными платиновыми нитями, помещёнными в рабочую (слева) и сравнительную (справа) камеры, одинаковые по конструкции и своим параметрам. Постоянные резисторы R_} и R₄ выполнены из манганина. Появление анализируемого компонента вызывает его сгорание на платиновой нити, повышение её температуры и, следовательно, сопротивления R_t. Измерительный мост выходит из равновесия, которое фиксирует гальванометр Г. Сила тока разбаланса пропорциональна содержанию анализируемого компонента в газовой смеси.

Рис. 10.14. Термохимический газоанализатор с каталитически активными платиновыми нитями.

Приборы этого типа имеют погрешность ±10%.

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

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

В автоматическом термохимическом газоанализаторе (рис. 10.15) тепловой эффект измеряется двумя терморезисторами, один из которых (рабочий R_pm-) находится в слое катализатора, а другой (сравнительный R_cpae") — в слое инертной массы.

Эти терморезисторы включены в смежные плечи автоматического моста.

При появлении в газовой смеси анализируемого компонента на катализаторе происходит экзотермическая реакция, сопротивление возрастает и возникает разбаланс моста, пропорциональный содержанию определяемого компонента.

Рис. 10.15. Автоматический термохимический газоанализатор.

В качестве катализатора обычно используют гопкалит (60% МпСЬ + 40% СиО) и металлическую платину, нанесённую 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. 10.16) предназначен для контроля довзрывоопасных концентраций горючих газов, паров и их совокупности в воздухе, выдаче сигнализации о превышении установленных значений концентрации и коммутации внешних электрических цепей переменного тока.

а б.

Рис. К). 16. Термохимический сигнализатор с датчиком

Сигнализатор состоит из датчика (рис. 10.16, а) и ИП (б). Диапазон измерений 0−50% НКПР, предел допустимой основной абсолютной погрешности сигнализатора — 5% НКПР.