Теория анализа состава псевдобинарных сред.[27]

Псевдобинарные среды – многокомпонентные среды, которые по какому-либо физико-химическому свойству могут рассматриваться как бинарные. Измеряя физико-химическое свойство псевдобинарной среды можно записать следующую систему уравнений: (1): Uсм = Кп*Псм. (2): 1 = С + Сумм(от i=1 до n-1)Сi. Рассмотрим, только случай, когда псевдобинарная среда является аддитивной. Здесь помимо определяемого компонента содержится (n-1), неопределяемых компонентов. Известно 3 случая когда псевдобинарную среду можно рассмотреть как бинарную. Случай 1: когда значения физико-химических свойств неопределяемых компонентов близки по значению и можно принять для них некоторое значение ПН. П1=П2=…Пi=…Пn-1=Пн. Тогда уравнение (1) можно преобразовать к виду: Uсм = Kп(ПАСВ + П1С1 + … + Пn-1Сn-1) = Kн(ПнСн + Сумм(от i=1 до n-1)Ci). Из (2): Сумм(от i=1 до n-1)Сi = Cн => Kн = 1 – С0. Таким образом, рассматриваемая система сводится к рассмотренной ранее системе уравнений для бинарной среды. Требование: П0 ≠ Пн. Случай 2: когда соотношение между концентрацией определяемого компонента, для анализируемой среды, всегда постоянно: C1/Cn-1; C2/Cn-1; C3/Cn-1. В этом случае можно неопределенные компоненты рассматривать как некий компонент, обладающий физико-химическим свойством ПН и концентрацией СН. Случай 3: когда физико-химические свойства всех неопределяемых компонентов существенно меньше, чем физико-химические свойства определяемого компонента. Тогда для уравнения (1) можно записать: Пi << П0iПi << П0….Пn-1 << П0. Uсм = Кn(П0П0 + ПП… + П1С1…ПiСi) = KnП0C0. Из полученного уравнения видно, что сигнал анализатора однозначно определятся только концентрацией определяемого компонента.

Термокондуктометрические газоанализаторы.(Рис. 21)[28]

Принцип действия их основан на измерении теплового сопротивления слоя газа постоянной толщины. Анализатор по теплопроводности (теплопроводность влияние обратное сопротивлению). UК = Kr(r – r0) = k2(1/λ – 1/λ0). (1). В данном газоанализаторе используется 2 терморезистора, один из которых (Rи) является измерительным, а другой (Rс) – сравнительным. В работе такого анализатора используется так называемый метод инвариантности для повышения точности измерений. Терморезисторы размещены в измерительной 4 и сравнительной 5 проточных камерах. Через них прокачивается непрерывно (с постоянным объемным расходом) анализируемый и сравнительный газ. Для стабилизации расхода используются стабилизаторы 1 и 2. Терморезисторы включены в схему неуравновешенного электрического моста с плечами R1 и R2 и переменный резистор R0 для балансировки моста. Терморезисторы нагреваются током моста, который создается источником стабилизированного напряжения 7. Когда через измерительную камеру 4 протекает газ, теплопроводность которого равна теплопроводности сравнительного газа (напр. воздуха), с помощью резистора R0 для измерительной диагонали ab создается разбаланс, равный 0. Когда через камеру 4 протекает газ, теплопроводность кот. например больше, чем теплопроводность сравнительного газа, повышается тепловое сопротивление постоянного по толщие слоя газа в камере 4, т.к. отвод тепла от резистора к стенкам камеры увеличивается. Это вызывает уменьшение температуры резистора Rи, а следовательно и уменьшение его сопротивления. Это приводит к возникновению разбаланса электрического неуравновешенного моста, которое регистрируется потенциометром 8. Этот разбаланс описывается уравнением (1), где: Кr – коэффициент передачи по физико-химическому свойству; r – удельное тепловое сопротивление измерительного газа; r0 – удельное тепловое сопротивление сравнительного газа; соответственно λ и λ0 – теплопроводности газов. Используя теорию анализа состава бинарных сред, можно показать, что показания газоанализатора однозначно определяются концентрацией определяемого компонента бинарной смеси. Терморезисторы нагреваются до 80-100С больше, чем стенки камеры 3. Для уменьшения влияния изменений внешней температуры на результат измерения, помимо включения сравнительного чувствительного элемента, еще используется термостатирование данного анализатора: его корпус 3 размешается в термостате 9. Используются такие анализаторы для измерения концентрации бинарных сред таких газов как H2, He, дейтерий, окиси углерода, аммиака, хлора. Класс точности 2-3. Также применяются в качестве детекторов для газовой хроматографии.

Магнитный анализатор. (Рис. 22) [29]

Принцип действия основан на явлении втягивания парамагнитных газов в неоднородное магнитное поле. Существует много различных схем магнитных газоанализаторов. Наиболее часто применяемой является схема термомагнитного газоанализатора, в его работе используется так называемое явление магнитного ветра. Известно, что парамагнитные газы, к которым относится кислород и некоторые окислы азота, способен втягиваться в магнитное поле, а диамагнитные газы выталкивается из этого поля. Причем способность втягиваться в магнитное поле кислорода в 140 и более раз превосходит способность диамагнитных газов выталкиваться из этого поля. В данном приборе, с помощью регулятора газа 1 газ подается в тороидальную камеру 2 и разветвляется по двум её каналам. По диаметру камеры её каналы соединены поперечной трубкой 3 из тонкостенного стекла. На внешней поверхности трубки 3 намотаны проволочные терморезисторы Rт’ и Rт’’ – одинаковые по сопротивлению. Если, по левому и правому каналу протекает газ, не содержащий O2, то по трубке 3, расход газа отсутствует. Если в газе появляется О2, то по правому каналу течение газа не изменяется, а по левому происходит следующее: около неоднородного магнитного поля, создаваемого магнитом 4, на кислород действует втягивающее усилие, в результате которого, молекулы О2 втягиваются во внутреннюю полость трубки 3. Здесь поступающая порция нагревается, а при нагревании парамагнитные свойства О2, резко уменьшаются, в результате, при поступлении следующих холодных порций, нагретые проталкиваются по каналу слева на право, т.е. по трубке 3 возникает поток газа, который принято называть «магнитным ветром». Терморезистор Rт’ охлаждается, а Rт’’ нагревается, т.к. теплота переносится от Rт’ к Rт’’. Эти резисторы вместе с неравновесным мостом, составляют колориметрический расходомер. Разбаланс моста непрерывно измеряется автоматическим потенциометром 6. Для увеличения точности измерения все элементы магнитного газоанализатора размещаются в термостате 7 при t=40-45C. Диапазон измерений: минимальный: 0-3% об. О2, максимальный: 0-100% об. О2. Класс точности: 2-5.

Сорбционный анализатор. (Рис. 23) [30]

Принцип действия этих приборов основан на явлении сорбции, которое в свою очередь сопровождается рядом физических эффектов. Само явление сорбции связано с поглощением или растворением молекул газов и паров в различных слоях сорбентов. Для получения измерительной информации используются следующие эффекты: 1) Расширение слоя сорбента; 2) Изменение его массы и электрического сопротивления. Рис. б). Основан на измерении массы адсорбированного газа. Основным элементом является пьезоэлектрическая пластина 2 (изготовлена из кварца или пьезокерамики), которая размещена в проточной камере 1. С двух сторон на пластину нанесены электроды 3, в виде тонких пленок. Пластина включена в обратную связь электронного усилителя 6 и образует с ним вместе генератор незатухающих колебаний. С двух сторон поверх электродов нанесены слои адсорбента 4. Эти слои способны селективно поглощать (например, из воздуха) определяемый компонент. Отбор материала адсорбента, способного к селективному поглощению - является сложной задачей. Кроме измерительной камеры 1, имеется сравнительная камера 5, где размещается идентичная по параметрам пьезоэлектрическая пластина, подключенная к электронному усилителю 7. Таким образом образуется сравнительный канал измерений. Причем камера 5 заполнена газом, который не сорбируется в данном абсорбенте. Сигналы с усилителей 6 и 7 поступают в смеситель 8, где определяется разность их частот. Причем частота колебаний на выходе усилителя 7 будет оставаться практически постоянной, а на выходе усилителя 6 будет изменятся в зависимости от массы определяемого компонента, которая абсорбировалась в слоях 4. Разность частот колебаний на выходе смесителя определяется формулой (1): Δf = f02/(NρS)*m. (1), где: f0 – начальная частота колебания генератора; N – коэффициент, определяющий свойства пьезоэлектрической пластины; p – Плотность поглощаемого компонента в газообразном состоянии; S - площадь адсорбента; m – масса компонента. Обычно, частота колебаний 5-15 МГц. Такие анализаторы применяется для измерения концентрации таких веществ как H2S – сероводород, HCL, SO2, аммиак NH3. Наибольшее применение они имеют в качестве гигрометров – устройств для измерения влажности. Диапазон измерений 0-10-5 % об. Δ = 3.