Технические измерения и приборы

Для повышения точности измерения нижняя часть бюретки объемом 20% сильно сужена и имеет шкалу с ценой деления 0,2 мл.

Верхняя расширенная  часть бюретки имеет деления  от 0 до 100. Для уменьшения влияния  температуры окружающей среды бюретка  помещена в наполненный водой  стеклянный цилиндр 2. Стеклянные поглотительные сосуды 3,4,5 содержат по 200мл. реактива каждый и представляют собой сообщающиеся цилиндрические баллоны. Один предназначен для приема анализируемого газа и поглощение его реактивом. Второй- для приема реактива, вытесненного во время поглощения. Баллоны заполнены тонкостенными стеклянными трубочками для увеличения поверхности контакта анализируемой газовой смеси и реактива. Поглотительный сосуд 3 заполнен водным раствором гидроксида калия. Сосуд 4 заполнен насыщенной бромной водой. Сосуд 5 заполнен щелочным раствором пирогаллола. Резиновый мешочек 12 предназначен для изоляции реактивов от атмосферного воздуха. Газовый фильтр 6 предназначен для очистки газа, поступающего на измерение, от твердых примесей.

Измерительная бюретка 1 и уравнительный сосуд 13 заполнены насыщенным раствором хлорида натрия, окрашенного метиловым оранжевым. Перед началом работы газоанализатор проверяется на герметичность. Для этого открывается трехходовой кран 7, и бюретка соединяется с атмосферой. Поднимая вверх уравнительный сосуд, частично заполняют бюретку запирающей жидкостью; отключают распределительную гребенку краном 7 от атмосферы и открывают кран 8,который соединяет бюретку с поглотительным сосудом 5.

Изменяя высоту расположения уравнительного сосуда с запирающей жидкостью устанавливают уровень поглотительного раствора на контрольной отметке, находящейся на капиллярной трубке ниже запорного крана 8. Затем кран 8 закрывают. Аналогично устанавливают уровни растворов в остальных поглотительных сосудах.

Чтобы установить уровень запорной жидкости в бюретке её снова соединяют с атмосферой, поднимают уравнительный сосуд до тех пор, пока жидкость не заполнит бюретку до верхней отметки. Затем гребенку отключают от атмосферы. Перед тем как набрать в измерительную бюретку порцию анализируемого газа, необходимо промыть им систему, чтобы исключить влияние содержащегося в системе воздуха.

Соединяя гребенку с  газоподводящей линией и отпуская уравнительный сосуд бюретку заполняют анализируемым газом, вытесняя затем его смесь с воздухом через трехходовой кран 7 в атмосферу. Повторив продувку системы несколько раз, в бюретку набирают пробу газа, медленно опуская уравнительный сосуд. Установив уровень жидкости в бюретке несколько ниже отметки 0 прибор отключают. Объём газа, набранный в бюретку приводится к атмосферному давлению. Для этого уравнительный сосуд устанавливают таким образом, чтобы уровни запорной жидкости в нем и в бюретке были одинаковыми. Для вытеснения излишка набранного в прибор газа гребенку соединяют с атмосферой и медленно поднимают уравнительный сосуд вверх до тех пор, пока уровни запорной жидкости в уравнительном сосуде и в бюретке не совпадут с отметкой 0. Прикрывая гребенку краном 7 отсекают в бюретке 100 мл. анализируемого газа при атмосферном давлении. При анализе сложной газовой смеси, например содержащей CO₂, C_nH_2n, O₂, N₂ последовательность анализа следующая:

1. Поглощение CO₂ водным раствором KOH
2. Поглощение C_nH_2n бромной водой (поскольку газ при этом насыщается парами брома, то перед тем, как замерить его объем поглощают пары брома водным раствором KOH)
3. Поглощение кислорода щелочным раствором пирогаллола
4. Содержание азота вычисляют по количеству оставшегося в приборе газа.

Поглощение каждого  компонента начинается с того, что  соединяют между собой бюретку  и соответствующий поглотительный сосуд. Медленно поднимая уравнительный сосуд, перегоняют всю газовую смесь из бюретки в поглотительный сосуд, доводя уровень затворной жидкости в бюретке до её капиллярной трубки.

Под давлением газа реактив  из баллона для приема газа вытесняется в баллон для приема реактива, оголяя при этом смоченные раствором стеклянный трубочки, затем газовую смесь возвращают обратно в бюретку, опуская уравнительный сосуд до тех пор, пока реактив в поглотительном сосуде не достигнет контрольной отметки на своей капиллярной трубке от одноходового крана.

Попадание реактива в  гребенку недопустимо. Для полного поглощения определяемого компонента перемещают пробы газа из бюретки в поглотительный сосуд и обратно- повторяют 5- 6 раз. После этого поднимают уровень реактива до контрольной отметки на капилляре поглотительного сосуда, закрывают одноходовой кран и, совмещая уровни жидкости в уравнительном сосуде и в бюретке находят по шкале, нанесенной на бюретке уменьшение объема газа, обусловленное поглощением определяемого компонента реактивом. Для проверки производят еще одно контрольное перемещение остатка газа из бюретки в поглотительный сосуд и обратно и снова находят оставшийся объем газовой пробы. При совпадении результатов определение содержания компонента в анализируемой газовой смеси заканчивают.

7 ФИЗИЧЕСКИЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

В физических газоанализаторах для анализа газовой смеси  используется какое- либо физическое свойство смеси, изменяющееся в зависимости от содержания определенного компонента (теплопроводности, поглотительной способности газов или магнитная проницаемость). К физическим газоанализаторам относятся термокондуктометрические, магнитные и оптико- акустические.

7.1 Термокондуктометрические газоанализаторы

Термокондуктометрические  газоанализаторы основаны на зависимостях теплопроводности анализируемой газовой смеси от концентрации определяемого компонента. При этом теплопроводность газовой смеси сравнивается с теплопроводностью воздуха или другого газа и выражается в абсолютных или относительных единицах. Теплопроводность большинства газовых смесей с достаточной для практических целей точностью можно рассчитать по следующей формуле:

                                                     (7.1)

P₁,P₂,…,P_n- содержание компонентов, имеющих теплопроводности λ₁, λ₂,…, λ_n при условии что P₁+P₂+…+P_n=100%.

Если теплопроводность одного из компонентов газовой смеси  значительно больше теплопроводности остальных компонентов, то изменение теплопроводности газовой смеси может служить мерой изменения содержания в газе этого компонента. Для определения теплопроводности газовой смеси в камеру, через которую при постоянном расходе продувается данная смесь, помещается металлическая нить с большим температурным коэффициентом сопротивления, через который пропускается электрический ток. Температура и, следовательно, электрическое сопротивление, нагреваемое током нити зависят от теплопроводности среды, окружающей нагретый проводник, от которого в свою очередь зависти теплоотдача в окружающую газовую среду.

Таким образом, по изменению  электрического сопротивления нити можно судить о концентрации анализируемого компонента.

7.2 Термокондуктометрический газоанализатор ТП-5501

Предназначен для определения  объемного содержания водорода, диоксида углерода или метана во взрывоопасных бинарных смесях. Газоанализаторы являются автоматическим прибором непрерывного действия и состоят из датчика, через который продувается анализируемая газовая смесь и вторичного прибора. Анализируемый газ проходит регулятор расхода, в котором постоянство расхода обеспечивается отбором газа с постоянным давлением (под поплавком ротаметра) через постоянное сопротивление- диафрагму и далее с постоянной скоростью газ направляется в датчик газоанализатора, где теплопроводность исследуемого газа сравнивается с теплопроводностью воздуха при неизменной температуре стенок блока датчика и при постоянном давлении анализируемой смеси в нем.

Рисунок 20 - Термокондуктометрический газоанализатор ТП-5501

 

1. Измерительные камеры
2. Рабочие камеры
3. Блок питания

ВП- вторичный прибор

Теплопроводности анализируемой  газовой смеси и воздуха сравнивается по схеме измерительного неравновесного моста постоянного тока. Все плечи моста изготовлены из тонкой платиновой проволоки. Плечи моста R1 и R3 помещены в рабочие камеры, через которые непрерывно протекает анализируемая газовая смесь. Два других плеча R2 и R4 помещены в глухие сравнительные камеры, заполненные воздухом. Плечи моста нагреваются проходящим через них постоянным электрическим током до определенной температуры. Проходя по входному каналу датчика, газовая смесь нагревается до температуры блока датчика и поступает в рабочие камеры. Если содержание анализируемого компонента в смеси газов отличается от начального, то теплопроводность этой смеси будет отличаться от теплопроводности начальной смеси. При этом изменятся условия теплоотдачи от нитей плечевых элементов в рабочих камерах к их стенкам. В результате этого изменится температура R1 и R3, а, следовательно, и их сопротивление. В измерительной диагонали моста возникает разность потенциалов, пропорциональная содержанию анализируемого компонента в газовой смеси. Разбаланс моста измеряется вторичным самопишущим прибором, шкала которого проградуирована в % измеряемого компонента.

Для стабилизации работы газоанализатора, питание его измерительной схемы осуществляют от стабилизатора напряжения, а блок датчиков термостатируется. Кроме того, для устранения влияния внешних факторов (изменение температуры окружающей среды и колебаний напряжения питания) на результат измерения, измерительная схема газоанализатора выполняется из двух мостов (измерительного и сравнительного). При этом сигнал измерительного моста компенсируется долей сигнала моста сравнения.

Такая схема позволяет  повысить точность измерения, так как  изменение указанных внешних факторов одновременно влияет на сигнал обоих мостов. Предел измерения водорода от 0 до 1% и от 0 до 100% объемных единиц. Диоксида углерода: от 0 до 10 % и от 50 до 100 %. Метана: от 0 до 100%.

Основная погрешность  ±2,5; ±4; ±10% в зависимости от вида анализируемого газа и пределов измерений. Объемный расход газовой смеси 12см³/с, давление от 70 до 130кПа. Время установки показаний от 30 до 110 с; выходные сигналы от 0 до 5мА; от 0 до 100мВ; от 0 до 10В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8 МАГНИТНЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

Магнитные газоанализаторы используются для определения содержания кислорода в анализируемой газовой смеси. Кислород в отличии от других газов обладает ярко выраженными парамагнитными свойствами.

Его молекулы при наличии  внешнего магнитного поля стремятся переместиться в область более интенсивного поля. Магнитные свойства газов (слабомагнитных веществ) характеризуются интенсивностью намагничивания отнесенной к напряженности магнитного поля.

                                                                                          (8.1)

- объемный коэффициент магнитной восприимчивости.

Величина  для кислорода в десятки и сотни раз выше, чем для азота, водорода , диоксида углерода и других. Поэтому, если имеется газовая смесь, состоящая из кислорода и диамагнитных газов, то величина магнитной восприимчивости этой смеси однозначно определяется содержанием в ей кислорода. Однако непосредственное измерение магнитной восприимчивости газовой смеси вследствие ее малой величины довольно сложно, поэтому применяются методы, основанные на использовании косвенных явлений, связанных с магнитными свойствами. Большинство магнитных газоанализаторов используют принцип термомагнитной конвекции.

Известно, что при повышении  температуры, магнитная восприимчивость газов уменьшается; следовательно, если в проточную камеру с неоднородным магнитным полем, в котором находится парамагнитный газ, поместить нагретое тело, то при нагреве, магнитная восприимчивость газа будет уменьшаться.

Тогда более холодный газ, обладающий большей магнитной  восприимчивостью будет перемещаться в более сильное магнитное поле, вытесняя из него нагретый газ, т.е. появится термомагнитный конвективный поток. Интенсивность этого потока зависит от магнитной восприимчивости газа, значение которой, зависит от содержания кислорода в анализируемой газовой смеси.

1. Термомагнитный газоанализатор МН-5130

Предназначен для непрерывного измерения концентрации (объемной доли) кислорода в двух или трех компонентных газовых смесях. Снабжен устройством сигнализации. Для показания и записи результатов измерения в комплекте с газоанализатором используется вторичный самопишущий прибор. Пределы измерения кислорода от 0 до 100 %.

Основная погрешность: ±2%, объемный расход газовой смеси 12см³/с, давление 90-105кПа, время установки показаний 120 с; выходные сигналы от 0 до 5мА и от 0 до 100мВ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 21 - Термомагнитный газоанализатор МН-5130

 

1. Игольчатый вентиль
2. Ротаметр
3. Диафрагма
4. Теплообменник
5. Газовая камера датчика

Анализируемая газовая  смесь проходит через игольчатый вентиль 1 и поступает в ротаметр 2, где обеспечивается постоянный расход, так как на диафрагме 3 поддерживается постоянный перепад давления. Затем  газ направляется в газовую камеру датчика 5. Для поддержания постоянной температуры газа его пропускают через теплообменник 4.

Газовая камера датчика  выполнена в виде полого кольца из диамагнитного материала с наклоненным каналом, около верхнего конца, которого размещены полюсные наконечники постоянного магнита N и S, создающие на этом конце более интенсивное магнитное поле. На канал навита двухсекционная обмотка из тонкой платиновой проволоки, которая нагревается проходящим через нее током до 200- 250 ºС. Линия выхода ротаметра и газовой камеры объединяют для обеспечения постоянного давления.

Секции обмотки R₁ и R₂ являются смежными рабочими плечами неравновесного измерительного моста. Двумя его другими плечами служат постоянные резисторы R₃ и R₄, расположенные вне камеры.

Сопротивление резисторов  R₁ и R₂ подгоняется резисторами R_ш1 и R_ш2. Измерительный мост питается постоянным током от стабилизируемого источника. Резистор R₅ служит для установки диапазона измерения по шкале прибора. Резистор R₆ предназначен для установки прибора на 0. Резистор R₇ служит для обеспечения тока питания постоянной величины. Разбаланс измерительного моста измеряется вторичным прибором (потенциометром), шкала которого проградуирована в процентах объемного содержания кислорода. При увеличении концентрации кислорода в анализируемой газовой смеси возрастает термомагнитный конвективный поток в направлении от большей объемной магнитной напряженности к меньшей, что связано со снижением парамагнитных свойств кислорода при его нагревании от обмотки R₁. При этом тепло от обмотки R₁ переносится к обмотке R₂, поэтому обмотка R₁ охлаждается интенсивнее обмотки R₂. Изменение температуры обмоток R₁ и R₂ вызывает изменение их сопротивлений и, следовательно, разбаланс измерительного моста, который определяется вторичным прибором.