Акустические (пневматические) газоанализаторы

Акустика (от феч. акиатг/ост — слуховой, слушающийся) — раздел физики, исследующий упругие колебания и волны от самых низких (условно от 0 Гц) до предельно высоких частот (10^м — 10¹³ Гц), их взаимодействие с веществом и различные области применения.

Упругость — это свойство твёрдых тел восстанавливать свою форму и объём (а жидкостей и газов — только объём) после прекращения действия внешних сил. Среду, обладающую упругостью, называюг упругой средой. Упругие или акустические волны — механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде. Частный случай акустических волн — слышимый человеком звук, отсюда происходит термин «акустика» в широком смысле слова — учение об упругих волнах, а в узком — учение о звуке. Различают следующие диапазоны частот упругих колебаний (табл. 10.4).

Таблица 10.4.

Диапазоны частот упругих колебаний_.

Упругие колебания и акустические волны, особенно ультразвукового диапазона, широко используют в технике для контроля и измерений. Сюда относят звуковую и ультразвуковую локацию, ультразвуковую медицинскую диагностику, контроль уровня жидкости, скорости потока, давления, температуры в сосудах и трубопроводах, а также использование акустических колебаний и волн для неразрушающего контроля.

Для контроля применяют колебания частотой от 50 Гц (Н. Hertz — немецкий физик, 1857 — 1894) до 50 МГц. Интенсивность колебаний при этом невелика, нс более 1 Вт/см". Существуют разные типы акустических волн, отличающихся скоростью распространения, направлением колебания частиц и другими признаками. Их называют модами (от лат. modus — образец, способ).

Пневматика (от греч. nv? U|aa — дыхание, дуновение, дух) — раздел физики, изучающий равновесие и движение газов, а также механизмы и устройства, использующие разность давления газа для своей работы.

Акустический анализатор (ГОСТ 19 892−74) — это измерительная установка или система для определения физикохимических свойств и состава веществ по их акустическим свойствам.

Различают акустические анализатора состава, структуры и свойств веществ.

Акустический анализатор по скорости распространении акустических волн — определяет акустические параметры вещества путём измерения в нём скорости распространения акустических волн.

Акустический анализатор по затуханию акустических волн — определяет акустические параметры путём измерения затухания акустических волн в веществе. Под затуханием акустических волн понимают уменьшение потока энергии распространения в веществе акустических волн в результате поглощения, рассеяния и других физических процессов.

Многопараметрический акустический анализатор — прибор, в котором анализ осуществляется по совокупности акустических параметров вещества.

Спектральный акустический анализатор — прибор, в котором акустические параметры определяют измерением спектра акустических колебаний, прошедших через вещество.

Принцип действия пневматических газоанализаторов основан на использовании таких гидродинамических процессов, как дросселирование потоков, взаимодействие струй, вихреобразование, преобразование ламинарного течения в турбулентное и некоторых других.

Пневматические газоанализаторы не содержат электрических элементов и поэтому могут устанавливаться в помещениях любой категории пожарои взрывоопасности. Помимо этого они обладают и другими преимуществами: простота конструкции и эксплуатации, высокая надежность работы, длительность срока службы. Элементы схемы, контактирующие с газами, выполняют из стекла и фторопласта, что позволяет анализировать весьма агрессивные газы (хлор-, серосодержащие и др.).

К наиболее распространённым пневматическим газоанализаторам относятся дроссельные, струйные и пневмоакустические.

В дроссельных газоанализаторах измеряют гидравлическое сопротивление дросселя при пропускании через него анализируемого газа.

Расходная характеристика ламинарного (от лат. lamina — пластинка, полоска) дросселя (нем. Drossel) имеет вид.

где d и / - диаметр и длина цилиндрического канала дросселя; р w ц — плотность и динамическая вязкость газа.

Если одну из величин — расход Q или перепад давления Ар поддерживать постоянным, то другая однозначно определяет состав газовой смеси, от которой зависят р и р.

В качестве ламинарных дросселей применяют стеклянные или металлические капилляры (от лат. capillaris — волосяной).

Расходная характеристика турбулентного (от лат. turbulentus — бурный, беспорядочный) дросселя с докритическим режимом истечения газа имеет вид.

где к — показатель адиабаты газа; а и S — коэффициент расхода и площадь проходного сечения дросселя.

В качестве турбулентных дросселей обычно применяют тонкостенные диафрагмы.

На рис. 10.22 показана схема дифференциального дроссельного газоанализатора.

Рис. 10.22. Дифференциальный дроссельный газоанализатор.

Оба его делителя выполнены ламинарно-турбулентными. Через рабочий делитель I газоанализатора проходит анализируемый газ, при этом давления газа р на входе делителя и pi на его выходе должны быть постоянными. Сравнительный делитель II питается сравнительным газом постоянного состава (например, воздухом), также имеющим постоянные давления питания р} и /;₄. При изменении состава анализируемой газовой смеси меняются значения её параметров р, //, к и, следовательно, междроссельное давление /л" регистрируемое дифманометром 5. Применение сравнительного делителя (дроссели 3 и 4) позволяет повысить чувствительность и уменьшить влияние неинформативных параметров (температура, барометрическое давление и пр.).

Работа струйных газоанализаторов основана на использовании различных свойств газовой струи, из которых наиболее часто используют зависимость динамического напора струи газа, вытекающего из дроссельного элемента, от параметров газа. Для измерения напора применяют струйный элемент типа «сопло-приёмный канал» (рис. 10.23, а).

Рис. 10.23. Пневматический струйный газоанализатор: а — элемент «сопло-приёмный канал»: 1 — питающая трубка (капилляр); 2 — приёмная труба; 3 — корпус; б — газонанализатор: 1,2 — элемент «сопло-приёмный канал»; 3 — эжектор;

4 — вторичный прибор; 5 — регулятор Этот струйный элемент сконструирован таким образом, что питающая трубка (капилляр) 1 расположена в корпусе 3 соосно с приёмной трубкой 2 на небольшом расстоянии 6. Математическая модель элемента «сопло-приемный канал» имеет вид.

где /л,_д, р — избыточное давление на входе и выходе элемента; к — коэффициент, определяемый геометрическими размерами трубок.

В табл. 10.5 приведены значения относительной величины.

?_ JL JL.

«² = (rj² W («²)"ou для некоторых газов.

Таблица 10.5.

Значения i ⁼ (q² W (^^!)_вотл некоторых газов.

Пневматический струйный газоанализатор (рис. 10.23, б) работает следующим образом. На вход элемента / подаётся анализируемый газ, а на вход элемента 5 — сравнительный. Мерой концентрации служат показания дифманометра 3. Влияние температуры и атмосферного давления снижают введением в схему регулятора 4 и эжектора 2 (франц. ejecteur, от ejecter — выбрасывать). Струйные газоанализаторы используют, например, в азотной промышленности для измерения содержания водорода в азоте (диапазон измерений 0 — 50%), для измерения концентрации хлора (0 — 50 и 50 — 100%) с погрешностью ±2,5%. Время установления показаний этих газоанализаторов не превышает нескольких секунд, поэтому их применяют также в качестве сигнализаторов довзрывных концентраций газов и паров некоторых веществ (например, дихлорэтана, винилхлорида) в воздухе производственных помещений.

Пневмоакустические газоанализаторы содержат два свистка (рис. 10.24) с близкими частотами (3−5 кГц), через один из которых проходит анализируемый газ, а через другой — сравнительный. Частота биений звуковых колебаний в смесителе частот зависит от плотности анализируемого газа. Биения (частота до 120 Гц) усиливаются и преобразуются в пневматические колебания усилителем. Для получения выходного сигнала (давления) служит частотно-аналоговый преобразователь.

Рис. 10.24. Пневмоакустический газоанализатор: 1 - свисток; 2 — смеситель частот;

3 — усилитель; 4 — частотно-аналоговый преобразователь; 5 — вторичный прибор