Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Розробка газоаналізатора концентрації кисню в димових газах
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Кафедра АТХП
Інформація про роботу
Рік:
2011
Тип роботи:
Курсовий проект
Предмет:
Технологічні вимірювання і прилади(частина 2)
Група:
АВ-32
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
Кафедра АТХП
КУРСОВИЙ ПРОЕКТ
з дисципліни “Технологічні вимірювання і прилади(частина 2)”
на тему:
«Розробка газоаналізатора концентрації кисню в димових газах »
Зміст
Вступ
1. Огляд методів вимірювання:
- хроматографічний метод.
- масс – спектрометричний метод .
- електрохімічний метод.
- магнітний метод.
2. Обгрунтування обраного методу.
3. Розробка та опис вимірювальної схеми.
4. Розрахунок метрологічних характеристик.
5. Розробка метрологічного забезпечення.
Висновки
Література
Додатки
Вступ
Газоаналізатор - прилад для визначення якісного і кількісного складу сумішей газів. Їх розділяють на 3 види: індикатори, сигналізатори і безпосередньо газоаналізатори. Індикатори дають якісну оцінку газової суміші за наявністю контрольованого компонента і, як правило, відображають інформацію за допомогою лінійки із декількох точкових індикаторів. Сигналізатори також дають приблизну оцінку концентрації контрольованого компоненту, але при цьому мають один або декілька порогів сигналізації. При досягненні концентрацією порогового значення, спрацьовують елементи сигналізації. І безпосередньо газоаналізатори. Робота газоаналізатора ґрунтується на вимірюванні фізичних, фізико-хімічних характеристик газової суміші або її окремих компонентів.
Вимірювання вмісту концентрації кисню, в багатокомпонентних сумішах є дуже важливим у багатьох галузях промисловості.
Опис методів вимірювання:
Для визначення концентрації кисню в димових газах застосовують багато методів. До них належать такі методи:
- хімічні;
-електрохімічні;
- метод використання паливних елементів;
-акустичний метод;
-пневматичний метод;
-іонізаційний метод;
-оптичні методи;
-масс-спектрометричний метод;
-магнітні методи;
-хромотографічний метод;
-використання напівпровідникових чутливих елементів;
1.Хромотографічний метод
Хроматографічний метод аналізу призначений для визначення якісного та кількісного складу сумішей газоподібних та рідких речовин. Метод базується на розділенні досліджуваної суміші на компоненти за рахунок різного ступеня сортування компонентів при русі суміші по слою сорбенту. При цьому компоненти суміші газів під дією потоку рухомої фази переміщуються по слою сорбенту (нерухома фаза) з різними швидкостями. Рухома фаза являє собою газ чи рідину, а нерухома – рідину або тверде тіло.
Метод реалізований в аналітичних приладах, так званих хроматографах. Нерухома фаза в хроматографах розміщена в хроматографічних колонках і являє собою тверду порошкоподібну речовину або рідину, нанесену у вигляді тонкої плівки на твердий носій. В залежності від агрегатного стану рухомої фази (газ або рідина) хроматографи поділяються на газові та рідинні відповідно. Область застосування газових та рідинних хроматографів є різна, проте принцип дії одинаковий.
Рис.1. Схема хроматографічного аналізу.
На рис.1. представлена схема хроматографічного аналізу двокомпонентної суміші, яка ілюструє принцип дії і взаємозв’язок основних пристроїв хроматографа. Доза досліджуваної суміші А+В строго визначеного об’єму вводиться дозатором 1 в потік рухомої фази С и потрапляє в хроматографічну колонку 2 (рис..1:1). в колонці внаслідок взаємодії з нерухомою фазою D компоненти суміші А та В сповільнюють рух та набувають різних швидкостей. Відмінність швидкостей руху компонентів в колонці призводить до утворення зон бінарних сумішей (компонент + рухома фаза), розділених зоною чистої рухомої фази (рис.1:2).
При подальшому переміщенні компонентів по колонці зона чистої рухомої фази між ними буде збільшуватися до тих пір, поки компоненти не вийдуть з потоком рухомої фази з колонки (рис.1; 3,4). Після виходу із колонки компоненти у встановленому порядку поступають на детектор 3 – пристрій, що перетворює зміну складу рухомої фази у вихідний електричний сигнал. Цей сигнал реєструється вторинним приладом 4 у вигляді графіка, що називається хроматограмою.
Хроматографічне розділення базується на сорбції – поглинанні газів, парів чи розведених речовин (сорбатів) твердими чи рідкими поглиначами (сорбентами). В залежності від природи сорбційних процесів їх поділяють на абсорбцію, адсорбцію та хемосорбцію (коли адсорбція супроводжується утворенням на поверхні адсорбента хімічних сполук). Всі ці підвиди можуть відбуватись в хроматографічних установках одночасно, але переважає, як правило, один із процесів. У випадку коли переважну роль відіграє адсорбція, метод розділення називають адсорбційною хроматографією; якщо ж розділення обумовлене абсорбційним процесом, то метод називається розподільчою хроматографією.
Різновидами адсорбційної хроматографії, що використовується в газових та рідинних хроматографах є, відповідно, газо - адсорбційний та рідинно-адсорбційний методи.
В обох випадках нерухома фаза являє собою тверду порошкоподібну речовину.
У розподільчій хроматографії розподіл речовин відбувається за рахунок розподілу розділюваних речовин між плівкою рідкої нерухомої фази та рухомої фази, причому розподіл суміші на компоненти обумовлений відмінністю швидкостей розчинення компонентів в рідкій нерухомі фазі. В газових хроматографах застосовують два варіанти розподільчої хроматографії: газо-рідинний та капілярний. У першому випадку рідка нерухома фаза нанесена у вигляді плівки на поверхню порошкоподібного твердого носія, який поміщають у так звані насадкові хроматографічні колонки. У другому – рідка фаза нанесена на внутрішню поверхню капіляра, що називається капілярною хроматографічною колонкою. В рідинних хроматографах метод розподільчої хроматографії називається рідко-рідинним методом. За технікою виконання метод аналогічний до газо-рідинного.
Відповідно теорії Ленгмюра кількість а речовини, що поглинається одиницею маси адсорбента в рівноважному стані:
, де та - сталі, що залежать від властивостей адсорбента та адсорбуючої речовини; - концентрація розчину.
Якщо , то (рівняння прямої, що виходить із початку координат). Цей випадок відповідає рівнянню Генрі:
, де - коефіцієнт Генрі.
Якщо , то (рівняння прямої, що паралельна осі абсцис).
При адсорбції суміші із компонентів рівняння матиме вигляд:
графічна залежність при постійній температурі, що називається ізотермою адсорбції, є основною характеристикою адсорбційної здатності сорбента. Залежність кількості адсорбованої речовини від температури при постійному тиску виражається рівнянням ізобари адсорбції:
, де - константа, - теплота адсорбції, - універсальна газова стала, - абсолютна температура.
Фазова рівновага між розчином газу в рідині і газовою сумішшю в процесі абсорбції газу при температурі нижче критичної системна рідина – насичена пара характеризується законом Рауля:
, де - парціальний тиск компонента в парах над рідиною; - тиск насиченої пари чистого компонента при даній температурі; - мольна доля даного компонента в розчині.
На процес хроматографічного розділення вагомо впливають дифузійні процеси, що протікають одночасно з рухом компонента в колонці. Дифузія в значній мірі визначає характер розподілення маси компоненту в потоці рухомої фази. Якщо прийняти, що коефіцієнт дифузії не залежить від концентрації, то можна визначити розподілення концентрації компоненту вздовж колонки в будь-який момент часу на основі другого закону Фіка:
, де - час; - поздовжня координата; - коефіцієнт дифузії; - концентрація компонента.
Розв’язок цього рівняння за умови, що початковий об’єм компонента в суміші достатньо малий, приводить до рівняння кривої Гаусса:
, де - максимальна концентрація компоненту в потоці рухомої фази ( - маса компоненту); - час перебування компоненту в хроматографічній колонці; - концентрація компоненту в потоці рухомої фази на відстані від координати, що відповідає .
В реальних процесах хроматографічного розподілу при лінійній ізотермі сорбції і незначному об’ємі досліджуваної суміші розподіл концентрацій компонентів в потоці рухомої фази також близький до розподілу по кривій Гауса.
Рис..2. Графік вимірювання концентрації аналізованого компонента в рухомій фазі на виході із колонки.
Рис..3. Хроматограма двокомпонентної суміші.
На рис.2. наведений графік хроматографічного піку на виході із колонки в процесі вимивання компоненту.
В хроматографі хроматографічний пік перетворюється детектором в електричний сигнал і реєструється на діаграмній стрічці вторинного приладу. Якщо детектор та реєструючий прилад не спотворюють форму хроматографічного піку, то зареєстрований на діаграмній стрічці графік відрізняється від зображеного на рис..2 тільки одиницями вимірювання та масштабом.
Площу піку, пропорційну масі речовини , визначають із використанням інтегруючих вимірювальних приладів, спеціальних обчислювальних пристроїв або обчислюють апроксимацією площі піку через площу трикутника.
Характеристика градуювання хроматографа в залежності від того, який параметр прийнятий в якості вихідного сигналу ( чи ), виражаються рівняннями:
Де - чутливість хроматографа; - величина, пропорційна чутливості.
Для оцінки граничних аналітичних можливостей хроматографів за чутливістю і порівняння хроматографів різних типів використовують характеристику, що називається границею виявлення :
, де - рівень флуктуацій шумів нульового сигналу хроматографа (нульовий сигнал – сигнал хроматографа при відсутності в рухомій фазі аналізованих компонентів); - амплітуда максимуму хроматографічного піку, приведена до шкалі, на якій виміряна величина .
При постійних умовах хроматографічного розподілу (температура в колонці, швидкість рухомої фази, геометричні параметри колонки, властивості і кількість нерухомої фази) кожен компонент аналізованої суміші проходить через колонку на протязі строго визначеного часу, що таким чином являється якісною характеристикою, що дозволяє розпізнавати компоненти аналізованої суміші. Час від моменту введення дози в хроматограф до моменту отримання максимуму хроматографічного піку називається часом утримання . В колонці він складається з двох частин: часу надходження речовини в рухомій фазі та часу на протязі якого речовина знаходиться в сорбенті .
Час утримання залежить від швидкості рухомої фази, тому на практиці застосовують поняття утримуваного об’єму:
, де - об’єм пустот в колонці (в хроматографі складається із вільних об’ємів всіх пристроїв, через які проходить аналізована суміш); - об’ємна витрата рухомої фази.
Сукупність хроматографічних піків, зареєстрованих в процесі розподілу дозі досліджуваної суміші, утворює хроматограму (рис.3). Нульова відповідає нульовому сигналу хроматографа, зареєстрованого на хроматограмі.
Хроматографічний процес складається із двох стадій: розподіл речовин і «розмивання» піків роз поділюваних компонентів.
Розподіл (ціль хроматографічного процесу) – корисний процес, а розмиття завжди приводить до погіршення розподілу. Розмивання залежить від конструкції колонки та умов досліду.
При виборі оптимальних умов хроматографічного розподілу як правило прагнуть отримати максимальне та мінімальне .
Вид хроматограми залежить від характеру зв’язку вихідного сигналу детектора із складом рухомої фази. Детектори за даною ознакою поділяються на два типи – диференціальні та інтегральні. Вихідний сигнал диференціального детектора пропорційний концентрації або масової швидкості компонента; тому хроматограма, отримана за допомогою диференціального детектора, подібна графіку зміни складу рухомої фази в детекторі (рис.3).
Рис.4. Інтегральна хроматограма.
На рис.4 показана хроматограма, отримана за допомогою інтегрального детектора. Вихідний сигнал інтегрального детектора пропорційний масі компонента, що пройшов через детектор. Так, висота ступені хроматограмми пропорційна масі компонента, що пройшов через детектор в інтервал часу .
Незважаючи на очевидні переваги інтегральних детекторів в області обробки хроматограмм, вони не знайшли широкого застосування, і в сучасних хроматографах їх практично не використовують. Причинами цього є мала чутливість, недостатня універсальність, велика інерційність, неможливість визначення часу утримання і, в свою чергу, неможливість використання хроматографа для якісного аналізу. Хроматограмма на рис.3 типова для сучасних хроматографів, але в більшості практичних випадків значно складніше.
Кількість піків на хроматограммі може досягати кількох сотень, ступінь роподілу піків не завжди достатня, нульова лінія в процесі аналізу може зміщуватися, піки можуть бути асиметричними, відрізнятися від кривої Гаусса, із значним рівнем флуктуаційних шумів. Вказані обставини вагомо ускладнюють обробку хроматограмм та отримання надійних кількісних результатів. Тим не менше в більшості практичних випадків сучасні хроматографи забезпечують необхідну якість аналізу.
Газовий хроматограф і його основні елементи
До складу хомотографа (рис.5) разом з основними елементами (хроматографічна колонка, детектор) входить ряд допоміжних пристроїв , які забезпечують потрібні умови роботи (ввід аналізованої суміші в хроматограф, вимірювання і опрацювання вихідного сигналу хроматографа та ін..).
Рухома фаза (газ - носій ) подається в колонку, як правило, із балона з зжатим газом. Зазвичай в якості газу – носія використовують гелій, азот, рідше – кисень. Газ – носій повинен задовольняти наступні потреби : бути інертним по відношенню до аналізованих речовин, нерухомої фази і конструктивним матеріалам, з якими він контактує; мати мінімальну кількість домішків ; не погіршувати роботу детектора.
В більшості випадків від витрат газу – носія залежить чутливість детектора, тобто зміна витрати газу – носія викликає зміну висоти і площі піку. В зв’язку з цим в хроматографах застосовують регулятор витрати, який представляє собою зв’язок стабілізатора витрати і вимірювача витрати газу – носія. Витрата газу –носія складає в хромотографах, як правило, 15 – 200 мл .
Доза досліджуваної речовини вводиться швидко, дозатором в хроматограф у вигляді «пробки». Гази, зазвичай, вводяться герметичними газовими шприцами або кранами – дозаторами. Об’єм газової дози при практичному аналізі складає від 0.1 до 10 мл. Рідини вводять мікрошприцами. В хроматографічному аналізі об’єм доз рідини від 0.5 до 10 мкл. Крани – дозатори і шприци – найбільш розповсюджені типи дозаторів, використовуваних в хроматографах.
Масс - спектрометричний метод
При вимірюванні масс – спектрометрами використовують основний фізичний параметр речовини – масу молекули або атома. Це дозволяє визначити склад речовин незалежно від його хімічних і фізичних властивостей. Перевагою масс – спектрометричного метода – швидкий і повний аналіз багатокомпонентних газових сумішей. При цьому для аналізу потребується дуже мала кількість речовин.
В умовах глибокого вакууму молекули або атоми аналізованої речовини іонізуються з утворенням позитивно заряджених іонів. Іони, які получили прискорення в електричному полі, розділяються за своїми масами в магнітному полі. Сума електричних зарядів рухомих іонів утворює струм . Виміряна сила іонного струму, який створюється частинками тої чи іншої маси, дозволяє судити про концентрацію частин в загальному складі аналізованої речовини. В масс – спектрометрі будь – якої конструкції основною частиною є масс – аналізатор, в якому проходить іонізація, формування іонного променя, розділення його на взаємодіючі іонні промені, відповідаючі строго визначеним масам, і послідовно роздільне збирання іонних променів на колекторі. Відповідно вказаним процесам масс – аналізатор будь – якого масс – спектрометра складається із джерела іонів, аналізатора і приймача іонів.
По конфігурації і взаємної орієнтації магнітних і електричних полів, а також за характером зміни цих полів в часі масс – спектрометри діляться на чотири групи :
з розділенням іонів в однорідному магнітному полі;
з розділенням іонів в неоднорідному магнітному полі;
з розділенням іонів за часом прольоту;
радіочастотні.
Найбільш застосовуються масс – спектрометри з розділенням іонів в однорідному магнітному полі за часом прольоту.
Масс – спектрометр з розділенням іонів в магнітному полі
Магнітні поля, з допомогою яких іони розділяються за масами, можуть мати різні конфігурації. Найчастіше застосовують поля з кутом розгортки 180 градусів і секторні з кутом 90 и 60 градусів.
Принципова схема масс – спектрометра для аналізу газу з розділенням іонів однорідним магнітним полем (180 градусів) приведена на рис.6. В іонізаційну камеру 1, де створений глибокий вакуум, системою запуску вводиться аналізована газова суміш. Молекули газу бомбардуються пучком електронів, які випускаються РАСКАЛЕНИМ катодом. Отримані в результаті бомбардування позитивні іони, які мають однаковий позитивний заряд е ,але різну масу m (для різних компонентів), мають незначну початкову енергію. Під дією електричного поля,зумовленого приставленим до стінок іонізаційної камери різницею потенціалів U , іони получають прискорення і вилітають з певною швидкістю через щілину іонізаційної камери.
Далі іони попадають в камеру 2 аналізатора, де діє однорідне магнітне поле з вектором напруги H , перпендикулярним площині креслення. В залежності від величини H , швидкості входу іонів (велечина U ), а також відношення m/ е різні іони опишуть траєкторію різних радіусів r1, r2, r3 і.т.д. При постійних U ,H і е у вихідну щілину камери 2 і далі і на колектор 3 попадають тільки іони з певним значенням m . Попадаючи на заземлення через резистор R колектор, іони віддають йому свої заряди. Іонний струм створює на резисторі R падіння напруги, яка підсилюється підсилювачем постійного струму 4 і передається на вторинний вимірювальний прилад 5.
Змінюючи напругу H магнітного поля або різницю потенціалів U або обидві величини одночасно, можна направити на колектор іони різних мас (різних компонентів газу) і записати на діаграмі вторинного приладу криву з піками, відповідну іонам певної маси . Висота окремих піків , пропорційна силі іонного струму , який проходить через резистор R ,характеризує концентрацію компонентів в газовій суміші.
Радіус r траєкторії іонів ,які рухаються в іонному полі, визначають з умови рівності центральної сипи F1 і сили F2, які діють на заряджену частинку зі сторони магнітного поля (рис 6): F=mv2/r, F2= Hev, де v- швидкість іонів. Сили F1 і F2 рівні і ПРОТИВОПОЛОЖНІ за знаком, тому :
Mv2/r=Hev або mv=Her . (1.1)
Із цього рівняння видно, що при не змінній кількості руху mv радіус траєкторії постійний, тобто траєкторія є колом.
В масс – спектрометрі іони, набувають свою швидкість під дією електричного поля з потенціалом U , мають потенціальну енергію eU. Потенціальна енергія, получена іоном, має бути рівна його кінетичній енергії(eU=mv2/2),звідки:
v=sqrt(2Ue/m) (1.2)
r=1/Hsqrt(2Ue/m) (1.3)
З цього рівняння виходить,що змінюючи напругу магнітного поля або потенціал, можна виділити із газової сумуші лишень іони з певним відношенням m/e,які описують траєкторію певного радіусу.
Основними характеристиками будь – якого масс –спектрометра є діапазон мас і вирішуючи можливість. Діапазон мас – це інтервал атомних мас (масових чисел), в межах якого здійснюється аналіз речовин на даному масс – спектрометра. Діапазон мас залежить від меж регулювання напруги H магнітного поля аналізатора і різниці потенціалів U.
Масс – спектрометр з розділенням іонів за часом прольоту
Цей масс – спектрометр заснований на принципі розділення іонів за часом їх прольоту в просторі, в якому не має магнітних чи електричних полів. Іони направляються на збираючий колектор, який фокусується і пришвидшується системами. Кожному масовому числу відповідає відповідна швидкість і іони з різним відношенням маси до заряду досягають збираючого колектора через різні проміжки часу.
Час прольоту певного простору визначають так:
Швидкісссть іонів : v=l0/t , (1.4)
де lo – довжина шляху від джерела іонів до збираючого колектора; t – час прольоту іонів.
Із рівнянь (1.2) і (1.4):
t=losqrt(1/2U*m/e).
На рис 7 приведена принципова схема масс – спектрометра з розділенням іонів за часом прольоту, який призначений для промислового аналізу складних газових сумішей. Масс – спектрометр складається із чотирьох основних частин: джерело іонів, камера дрейфа, приймача іонів, додаткового. Аналізована газова суміш подається в джерело 4 іонів з колектором 1, де іонізується потоком електронів, які вилітають із розжареного катода 2. В результаті утворюється «хмара» А іонів різних мас.
Іонізація створюється напругою Uі, дія якого може проявитися при наявності імпульсу напруги U0 тривалістю близько 1мкс, який подається на сітку 3.Для закриття електродного потоку при відсутності імпульсів на сітку подається замикаюча напруга Uс. Після іонізації на сітку 5, регулюючу потік іонів, подається імпульс негативної напруги Uу іони набувають додаткову енергію і вилітають в камеру дрейфу 6, в якій роз приділяються за швидкістю (часом) прольоту, залежно від маси. В результаті іони різної маси досягають приймача 7 іонів в різні моменти часу.
Приймач іонів складається із колектора 8 іонів і системи сіток а,б,в,г. Сітка а захищає простір дрейфу від впливу електричного поля зі сторони приймача. На сітку б подається імпульс напруги Uвен. Цей імпульс забезпечує короткочасний вентильний ефект, без якого іони заданої маси не можуть пройти через гальмуюче поле, яке утворюється між сітками б і в під дією позитивного затримуючого потенціалу Uа на сітці в. Сітка г затримує вторинні електрони, для чого на неї подається подавляюча напруга Uп.
Зміна моменту часу подачі вентильного імпульсу на сітку б дозволяє пропустити на колектор 8 іони різної маси і виміряти силу іонного струму, яка є мірою концентрації. Час прольоту іонів в камері дрейфу 5 рівна періоду між виштовхуючим імпульсом в джерелі іонів і вентильним імпульсом в приймачі.
Масс – спектрометри з розділенням за часом прольоту іонів простіші, чим масс – спектрометри з однорідним магнітним полем, тому придатні для аналізу перемінних за часом концентрації, що особливо важливо при неперервному хімічному аналізі.
3.Електрохімічний метод аналізу
Електрохімічні методи використовують для неперервного автоматичного аналізу газів і випаровувань. Особливо широко ці методи застосовують для визначення мікроконцентрації сумішей в токсичних речовинах в атмосфері. В той же час використання полімерних плівок в якості дифузійних барєрів дозволило розширити область застосування електрохімічних методів на великі концентрації речовин. Ці газоаналізатори застосовують також для визначення концентрації газів, розчинених в рідинах. Нижче будуть розглянуті прилади, які найбільш розповсюджені. До них належать:
кулонометричні газоаналізатори
кулонометричні газоаналізатори ;
кондуктометричні газоаналізатори;
полярографічні газоаналізатори ;
Відповідно розгляним три методи аналізу:
1.Кондуктометричний метод;
2.Кулонометричний метод:
а) метод кулонометричного титруванняж
б)метод кулонометрії при контрольованому потенціалі.
3.Полярографічний метод.
1. Кондуктометричний метод
Контактні кондуктометричні методи харктерезуються тим, що поглинаючий розчин безпосередньо контактує з електродом вимірювальної комірки. Участь в реакції всієї речовини забезпечує високу чутливість вимірювань без застосування підсилювачів. Кондуктометричні прилади не потребують складних пристроїв, забезпечують безпосередній відлік показів, прості в виробництві і експлуатації.
В якості поглинаючого зазвичай підбирають такий розчин, який взаємодіє з аналізованим компонентом по незворотній реакції.
В результаті зменшення числа молекул, які дисоціюють, електрична провідність розчину зменшується пропорційно кількістю поглинаючого компонента. В результаті незворотніх реакцій поглинаючих розчинів з аналізованим компонентом утворюється осадок на стінках комунікацій приладу і вимірювальних електродах, що значно спотворює результати вимірювань і обмежує застосування газоаналізаторів для визначення мікроконцентрації компонентів. На рис 8 приведена схема газоаналізатора, який працює за принципом кондуктометрії. Аналізований газ проходить через капілярну трубку 1 і подається в реакційну ємність 2 і змієвик 3, де визначуваний компонент абсорбується розчином електроліту, який подається з певною швидкістю. Дальше розчин електроліту проходить через вимірювальну комірку 4 з парою електродів 5, а газова фаза виводиться із ганалізатора через трубку 6. Порівнювальні електроди 7 знаходяться в трубці, по якій подається свіжий розчин електроліту.
Таким чином в газоаналізаторі вимірюється електрична провідність розчину електроліту до і після абсорбції вимірюваного компоненту. Різниця значень провідності пропорційна концентрації визначуваного компонента, фіксується вторинним приладом 8. Для запобігання при електролізі відкладання осаду на електроди комірок подається застосування напруги, яка потім вирівнюється. Прилад градуюють з використанням газу відомої концентрації. Ці газоаналізатори засновані на вимірюванні електричної провідності поглинаючих розчинів, який абсорбує вимірювальний компонент газової суміші.
2.Кулонометричений метод
(а)метод кулонометричного титрування):
Метод полягає в електрохімічному досягненні деякого проміжкового компонента (титранту), який може швидко і у відповідності із стехіометричним співвідношенням реагувати з аналізованим компонентом газової суміші. По силі струму генерування титранта судять про концентрацію. Такі газоаналізатори призначені для визначення малих концентрацій сіркових з’єднань в аналізованій суміші або в повітрі виробничих приміщень. Їх робота заснована на методі неперервного кулонометричного титрування сірко-вмісні з’єднання галогеном, який генерується із водного розчину галогено-вмісного з’єднання (зазвичай KJ або KBr) в підкисленому розчині, який абсорбує визначуваний компонент.
Електрична частина газоаналізатора забезпечує зміну сили струму генерації в колі електролізу таким чином, щоб на інертному електроді значення окисно – відновного потенціалу підтримувалось постійним, приблизно еквівалентній точці на кривій потенціометричного титрування даним галогеном визначуваного сірко-вмісного компонента. При цьому галоген виділяється в кількостях, еквівалентних кількості сірко-вмісного компонента, який надходить в електрохімічну комірку за одиницю часу.
На рис.9 дана схема електрохімічної комірки ганалізатора для неперервного визначення малих концентрацій SO2 в газових сумішах. Аналізований газ неперервно барботує через комірку 1 газоаналізатора, заповнену підкисленим розчином KJ. В розчин опущені дві пари індетичних електродів : індикаторний платиновий 5 і каломельний порівнюючий 6. Електроди слугують для вимірювання окисно –відновного потенціалі, за велечиною якого контролюють процес титрування. Два однакових платинові електроди 2, установлені в нижній частині ячейки, підключені до джерела постійного струму і слугують для електролізу розчину KJ. В результаті електролізу виділяється титрант – молекулярний йод, який окислює SO2 з утворенням сірчаної кислоти. Якщо кількість SO2, яка надходить з потоком проби в комірку за одиницю часу, еквівалентна кількістю J2,який получає від електролізу, то окисно –відновний потенціал системи відповідає кінцевій точці титрування. При цьому сила струму електролізу пропорційна концентрації SO2. Для вимірювання сили струму
Призначений стандартний автоматичний електронний потенціометр. При порушенні еквівалентності поступившого SO2 і виділеного J2 змінюється окисно – відновний потенціал системи і по сигналу потенціометричного датчика 4 регулюючий пристрій 3 змінитиc силу струму.
б) Метод кулонометрії при контрольованому потенціалі:
він полягає в вимірюванні сили струму під час електролізу речовини, яка вміщує в собі визначувану речовину, причому потенціал вимірюваного електроду під час електролізу підтримують в таких межах,що визначуваний компонент реагує повністю. На базі цього методу розроблені газоаналізатори для визначення озону,cірководня,сірчаного і інші. Одним із приладів подібного типу, який працює в неперервному режимі є газоаналізатор для аналізу мікроконцентрації сірчаного газу. Комірка аналізатора (рис.10) вміщає вимірювальний електрод 1 і два допоміжних електрода 6.допоміжні електроди відділені іонообмінними мембранами 5 від вимірювального електрода і від камери 2 з запасним електролітом, в якій знаходяться електрод очищення 3. З’єднувальні канали а і б забезпечують підтримку рівня електроліту в камері вимірювального електрода. Аналізована суміш подається в камеру вимірюваного електроду через отвору ,яке радіально розміщене в нижній частині трубки 4. На дні камери під електродом завжди знаходяться кілька кусочків елементарного йоду, де вони повільно розчиняються. При проходженні газової суміші через електроліт сірчаний газ відновлюється йод до йодиду, який потім окислюється на вимірювальному електроді. В якості електроліту використовують 5%-ий розчин сірчаної кислоти.
Комірка працює в режимі гальванічного елемента. Для цього в якості допоміжного електрода використовують електрод на основі двоокису марганцю. Комірка не потребує калібровки і періодичної перевірки, так як визначувану концентрацію завжди можна розрахувати, виходячи із закону Фарадея. Для цього необхідно лише знати силу струму і витрати аналізованого газу. При витраті газу через комірку 50 л/год. і концентрації сірчаного газу 1мг/ - вихідний сигнал становить 41,8 мкА, якого вистачає для його запису на виготовлених промисловістю потенціометрах без зусиль.
Для зменшення сили фонового струму, який виникає внаслідок побічних хімічних реакцій, а також із-за вмісту домішків в електроліті, який відновлюється йод, в електролітну комірку введена друга пара електродів. Вона аналогічна вимірювальній парі,але вона коротко замкнута. Ця пара електродів забезпечує очищення електроліту в камері з запасним електролітом перед його переходом в вимірювальну камеру.
Комірка газоаналізатора вмонтована в тепло ізолюючому корпусі з обігріванням і може працювати при температурі навколишнього середовища від +40 до -40 . Аналізований газ попадає в комірку через фільтр очистки від механічних домішків. Оскільки, газ після комірки несе пари(випаровування) йоду і бризги сірчаної кислоти, то після комірки встановлений фільтр для очистки газу. Вихідний сигнал датчика лінійно залежить від витрати. В приладі застосовується двопозиційна схема підтримування витрати, яка забезпечує необхідну точність.
Газоаналізатори мають чотири діапазони вимірювання концентрації сірчаного газу:
0-1 мг/;
0-2 мг/;
0-5 мг/;
0-10 мг/;
Основна похибка 6% діапазону вимірювання.
Високоточні вимірювання мікроконцентрації кисню в інертних газах можна реалізувати на базі метода, в якому використовується твердо електролітний чутливий елемент,який працює в кулонометричному
режимі. Метод заснований на властивостях твердо електролітної кераміки,яка при достатньо високих температурах проводить струм зумовлений переносом через неї кисню із аналізованого газу під дією приставленої напруги. При цьому сила струму перенесення кисню являється мірою концентрації кисню в аналізованому газі.
Чутливий елемент приладу (рис.11) представляє собою трубку 1 із твердого електроліту (склад 0,85Zr+0,15). На зовнішній і внутрішній поверхнях трубки розміщені гозопроникач платинові електроди 2. Частина елемента, обмежена електродами, розігрівається електро піччю 3 до температури 850-1000, при якій забезпечується достатня іонна провідність електроліта. До електролітів чутливого елемента підключене джерело постійного струму 4.
Різниця потенціалів на електродах повинна бути менша термодинамічно рівносильного потенціала, зумовленого дисоціацією електроліту, але більша ЕРС, яка визначається іонним потоком кисню.
Для встановленого режиму при умові повного переносу кисню із потоку аналізованого газу і відсутністю других механізмів провідності, крім кислородно-іонної, залежність між силою струму перенесення і концентрацією кисню можна виразити так:
С = 0,7 * IM/(QnF) ,
де С- концентрація кисню;
I-струм; M-молекулярна маса кисню;
Q- витрати газу;
n-число електронів, затрачених на утворення двох іонів кисню;
F-число Фарадея.
Як видно із вище приведеного співвідношення, покази приладу визначаються тільки концентрацією і витратами газу і не залежать від напруги живлення і температури електроліту. Таким чином, при постійній витраті аналізованого газу через чутливий елемент сила струму переносу кисню, визначувана приладом 5, однозначно визначає концентрацію кисню. Це дозволяє віднести розглянутий метод вимірювання мікроконцентрації кисню до категорії абсолютних методів, які не потребують градуювання по еталонних газових сумішей. Ця причина являється важливим перевагою метода, так як дозволяє виготовляти аналізатори з високими метрологічними характеристиками.
3.Полярографічний метод :
Полярографічний метод газового аналізу заснований на електролізі електролітів, вмістимих електрохімічні активні речовини, кількість яких пропорційно парціальному тиску цих речовин в газі, неперервно продувним (барботувальним) через електроліт.
Полярографічний метод використовують при газовому аналізі для визначення O2,CO,SO2,Cl2,H2S, NO і інших газів. На рис 12 приведена схема газоаналізатора для визначення кисню. Газоаналізатор складається із блока 1 підготовки проби, комірки 2, блока живлення 3,потенціометра 4, розміщеного в корпусі 5, із запасним електролітом, і з’єднання з робочим електролітом мостиком 12 із агарової солі. Постійний рівень електроліта індикаторній камері підтримується з допомогою електролітного а і газового б каналів. В індикаторну камеру введені нагріваючий елемент 11 і індикатор температури 9, призначені для термостатування робочого об’єму камери.
Аналізований газ подається в датчик газоаналізатора із технологічної лінії через фільтр 1, який очищає пробу від механічних домішок. Швидкість подачі проби регулюється регулятором витрати 2. Поступивши в комірку, газ розбивається на маленькі потоки на пористій пластині 10. Кисень, який вмісти мий в газі, розтворяється в електроліті пропорційно своєму парціальному тиску. Збираючись над електродом, аналізований газ витісняє електроліт із індикаторної камери до рівня нижнього зрізу каналу ,а потім барботує через камеру з запасним електролітом і скидається в атмосферу.
Мембранні кулонометричні газоаналізатори (з дифузійним бар’єром) дозволяють визначити парціальний тиск і концентрацію різних газів в рідинах і газових сумішах. Найбільш поширені такі газоаналізатори при контролі вмісту кисню, розчиненого в воді. Датчик приладу (рис.13)складається із циліндричного корпусу 5, один із торців якого закритий газопронизувальною полімерною мембраною 7,прикріпленою до корпусу резиновими кільцями 2. Внутрішня порожнина корпуса заповнена електролітом -0.1н. розчином уксуснокислого натрія. В корпусі розміщені : вимірювальний електрод 1 із золотої сітки у вигляді диска, який доторкується з газопроникною мембраною, допоміжний цинковий електрод 3 у виді периферійного циліндричного стакана і анти дифузійний електрод 6 циліндричної форми також із золотої сітки. Виводи від вимірювального і допоміжного електродів загерметизовані і підключені до електричного кабелю 4. Антидифузійний електрод з’днаний з допоміжним електродом.
Датчик працює наступним чином. Розчинений в аналізованому середовищі кисень дифундує через газопроникну мембрану датчика до поверхні вимірювального електрода. Якщо замкнути вимірювальний і допоміжний електроди через внутрішній навантажувальний опір, то вимірювальний золотий електрод в деці нормальному розчині уксуснокислого натрію по відношенню до цинкового електроду прийме потенціал, достатній для протікання на ньому електрохімічної реакції.
4.Магнітний метод:
В основу роботи магнітних газоаналізаторів покладені різні явища, пов'язані із взаємодією обумовленого компоненту аналізованої (у загальному випадку багатокомпонентної) газової суміші з магнітним полем.
Гази, які втягуються в магнітне поле, називають парамагнітними, а ті гази, які виштовхуються з магнітного поля, — діамагнітними. Кількісно магнітні властивості газів визначаються величиною, називаною магнітною сприйнятливістю. Магнітна сприйнятливість парамагнітних газів є позитивною величиною, діамагнітних газів - негативною. Вона має властивість адитивності. Переважна більшість газів і пари є діамагнітними.
Магнітні газоаналізатори використовуються для визначення тільки концентрації кисню в газовій суміші, тому що кисень на відміну від інших газів має сильні магнітні властивості, який є парамагнітною речовиною. Якщо відносну магнітну сприйнятливість кисню прийняти за одиницю, то ця величина для всіх інших газів на два порядки менше, ніж у кисні. Тобто всі гази, крім кисню, є практично немагнітними речовинами. Таким чином, магнітні властивості газової суміші залежать від концентрації кисню в газі, а такі гази як ЫО і Л002, які проявляють магнітні властивості, практично не впливають на магнетизм газової суміші через їхні малі концентрації.
Існує кілька методів вимірювання магнітної сприйнятливості газової суміші, що містить кисень. Найбільше розповсюдження отримав метод, що називається термомагнітна конвекція. У магнітному газоаналізаторі аналізований газ під дією магнітного поля втягується в спеціальну вимірювальну камеру, у якій знаходиться чутливий елемент, що нагрівається електричним струмом. Газ, зіштовхуючись із чутливим елементом, нагрівається і кисень втрачає свої магнітні властивості. Внаслідок цього, нагрітий газ виштовхується з камери, розташованої в магнітному полі, холодним газом і таким чином, виникає безперервний потік газу через вимірювальну камеру.
На рисунку 15 представлена схема магнітного газоаналізатора, у якому використовується схема вимірювання на основі нерівноважного мосту. Мостова схема живиться постійним струмом від батареї Б, підключеної до живильної діагоналі 1-2. Всі плечі мосту Яі, Я2, Яз, Рм, являють собою платинові нагрівачі виконані із проводу діаметром 0,02 мм, які намотані на скляний стрижень.
Рис. 15 Схема магнітного
22.12.2013 21:12-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора