Термокондуктометрические газоанализаторы. 
Технические измерения и приборы

Одним из методов газового анализа является термокондуктометрический (от греч. тг|ерр? — тепло и …кондуктометрия) метод. Он основан на использовании зависимости между коэффициентом теплопроводности определяемого компонента анализируемой смеси и его концентрацией. Метод основан на зависимости изменения интенсивности теплообмена в системе нагретое тело-анализируемая смесь в результате изменения состава и соответственно теплопроводности анализируемой смеси.

Тсрмокондуктомстричсские анализаторы применяют для определения Н2, Не, СО2, NH₃, Аг, СЬ, НС1 в технологических смесях различного состава.

В табл. 10.2 приведены значения коэффициента теплопроводности ). некоторых газов.

Таблица 10.2.

Теплопроводность некоторых газов и паров при 0 «С и 98,1 кПа.

Теплопроводность есть один из видов переноса теплоты от более нагретых тел к менее нагретым, приводящий к выравниванию температуры.

Перенос теплоты теплопроводностью может происходить только при условии, что в различных точках тела температурное поле неоднородно, т. е. существует определённый ненулевой градиент температуры. Значение плотности теплового потока (или удельного теплового потока) q в произвольной точке тела определяется как количество теплоты dO, проходящее в единицу времени dt через единицу площади изотермической поверхности dS

Аналитическая теория теплопроводности основана на дифференциальном уравнении теплопроводности Фурье (J.B. Fourier — французский математик и физик, 1768 — 1837). Согласно уравнению Фурье тепловой поток через элемент изотермической поверхности пропорционален значению температурного градиента в заданной точке.

где Т — температура.

Коэффициент теплопроводности Л зависит от агрегатного состояния вещества, его атомно-молекулярного строения, температуры, давления, состава и т. д.

Физический смысл уравнения Фурье заключается в том, что зависимость (10.3) связывает пространственное распределение температуры с изменением её по времени. Теплопроводность характеризует интенсивность переноса тепла в теле. Для однородного изотропного тела значение коэффициента теплопроводности Я определяется количеством теплоты, проходящим в единицу времени при перепаде температуры в один градус на единице длины нормали.

Теплопроводность смеси зависит от теплопроводностей входящих в неё газов. Теплопроводность чистого газа согласно кинетической теории при обычных давлениях и температуре определяется переносом кинетической энергии молекулярного движения в результате хаотического движения и столкновения отдельных молекул газа.

При этом коэффициент теплопроводности чистого газа равен.

где 7д — средняя скорость перемещения молекул газа; / - средняя длина свободного пробега молекул газа между соударениями; c_v — теплоёмкость газа при постоянном объёме; р — плотность газа.

Уточнённая теория, учитывающая распределение скоростей, но закону Максвелла (J.C. Maxwell — английский физик, 1831 — 1879), и ещё более строгая теория, учитывающая отклонение функции распределения от максвелловской, нс изменяют структуры формулы. В ней добавляется лишь множитель, равный 2,52.

для одноатомных молекул и ——- для более сложных молекул,.

с

где у=—.С увеличением числа атомов в молекуле он прибли;

^Cv.

жается к единице.

С ростом давления в равной мере увеличивается плотность газа р и уменьшается средняя длина свободного пробега молекул /, так что их произведение / р остаётся постоянным. Поэтому коэффициент теплопроводности практически не зависит от давления в довольно широких пределах (от 2,66−10³ до 210^ч Па).

Зависимость теплопроводности газов от температуры с достаточной для большинства практических расчётов, описывается эмпирической формулой.

где До — теплопроводность при температуре Г, = 273 К; п — температурный коэффициент теплопроводности (у неона п = 0,30, у гексана п = 1,90).

ПИП тсрмокондуктомстричсского преобразователя представляет собой чувствительный элемент (терморезистор), размещённый в измерительной камере, в которую подаётся анализируемая смесь. Терморезистор нагревается проходящим через него электрическим током. При изменении состава газа меняется его теплопроводность, вследствие чего изменяется температура терморезистора и, соответственно, его электрическое сопротивление. Измерительную камеру с расположенным в ней термоэлементом также называют термокондуктометрической ячейкой.

Термокондуктометрические ПИП можно классифицировать по ряду параметров:

• — элементной базе: проволочные тсрморсзисторы, тонкоплёночные (среди которых можно выделить тонкоплёночные мембранные);
• — способу транспортировки пробы к терморезистору: проточные, диффузионные (от лат. diffusio — распространение, растекание), полудиффузионные;
• — схеме включения в измерительную цепь: непосредственное подключение к источнику тока или напряжения, мостовые схемы (равновесный мост — режим постоянной температуры терморезистора, неравновесный мост — режим постоянного тока или напряжения);
• — режиму питания: постоянное, переменное (импульсное, частотное, питание по заданному алгоритму).

Проволочные терморезисторы представляют собой остеклованную нить или спираль из материала, обладающего значительным и стабильным ТКС, например, платины. Они имеют высокую стабильность и воспроизводимость ТКС, что обеспечивает стабильность номинальной статической характеристики. Однако использование проволочных терморезисторов ограничивает их малое быстродействие и сравнительно большие размеры чувствительного элемента. Серьёзным недостатком проволочных тсрморсзисторов при использовании их в качестве термокондуктометрического преобразователя является наличие значительного теплоотвода через элементы конструкции, или, как его ещё называют, — концевых потерь тепла.

Последнее десятилетие наряду с проволочными терморезисторами стали широко применять терморезисторы, изготовленные по микроэлектронной технологии, что, конечно же, значительно повышает технологичность. К этому классу терморезисторов относятся тонкоплёночные тсрморсзисторы. Они представляют собой кремневую подложку с напылённым на неё слоем резистивного сплава в форме меандра (древнегреч. название реки Меандр (Мендерес) в Малой Азии). Тонкоплёночные терморезисторы характеризуются высокой воспроизводимостью параметров за счёт исключения ручных операций при изготовлении и благодаря миниатюризации — быстродействием.

Среди тонкоплёночных тсрморсзисторов следует выделить мембранные (рис. 10.6, а). Увеличенное изображение рабочего резистивного слоя мембранного (от лат. membrana — кожица, перепонка) тонкоплёночного терморезистора, выполненного в форме меандра, показано на рис. 10.6, б. Отличительной особенностью мембранных терморезисторов является наличие вытравленного объёма подложки под слоем резистивного сплава. Благодаря этой особенности концевые потери тепла сведены к минимуму и мембранные терморезисторы не уступают по этому показателю проволочным. А с учётом технологичности тонкоплёночные терморезисторы (в том числе и мембранные) значительно их превосходят.

Рис. 10.6. Мембранный тонкоплёночный тсрморсзистор (а) и его рабочий резистивный слой (б).

а б

В зависимости от требований к динамическим (от греч. 5invarians — неизменяющийся) к изменению расхода анализируемого газа через ячейку, подача газа к тсрморсзистору может осуществляться либо за счёт диффузии, либо за счет вынужденной конвекции (от лат. convection — принесение, доставка). Соответственно существуют два типа термокондуктометрических камер: диффузионная и проточная. Диффузионная камера обладает инвариантностью к расходу, однако при этом существенно большей инерционностью (от лат. iners, род. падеж inertis — бездеятельный) по сравнению с проточной. Последняя имеет хорошие динамические характеристики, однако, учитывая, что часть выделяющейся на терморезисторе энергии уносится потоком газа, изменение расхода влияет на выходной сигнал. Для уменьшения этого влияния необходимо стабилизовать расход. Промежуточным вариантом служит полудиффузионная камера, в которой оптимальным подбором геометрических параметров можно добиться удовлетворительных динамических характеристик при инвариантности к изменению расхода анализируемого газа в довольно широком диапазоне (от греч. 8кх noccrov — через все струны).

Наиболее простой схемой питания является схема непосредственного подключения чувствительного элемента термокондуктометрического преобразователя к источнику постоянного тока или напряжения (рис. 10.7). Такая схема включения имеет ряд существенных недостатков, среди которых следует отметить чувствительность к паразитным помехам, зависимость от дрейфа источника питания.

Широкое распространение получили мостовые схемы, в которых терморезистор входит в состав моста, содержащего помимо него самого ещё три постоянных сопротивления. При этом выделяют питающую и измерительную диагонали моста.

Среди мостовых схем можно выделить неуравновешенные (рис. 10.8) и уравновешенные (рис. 10.9) мосты.

Рис. 10.7. Схема непосредственного подключения термокондукгомефического преобразователя к источнику постоянного тока (напряжения):

R — терморезистор; Яд — добавочное постоянное сопротивление;

I — ток через чувствительный элемент; СЛ/э — напряжение на чувствительном элементе Питание неуравновешенного моста осуществляется от источника постоянного тока или напряжения. При изменении концентрации и соответственно теплопроводности анализируемого газа изменяется температура тсрморсзистора, а следовательно, и его сопротивление. Это вызывает изменение перепада напряжения в измерительной диагонали моста, т. е. разбаланс моста (разность напряжений между точками / и 2) и_вых, что и является мерой концентрации анализируемого газа.

Разбаланс моста (разность напряжений между точками / и 2) U2 подаётся на вход операционного усилителя ОУ. Напряжение, сформированное на выходе ОУ, питает мост. Оно же является и измерительным (входным) напряжением. Система обратной связи на основе ОУ изменяет напряжение питания моста таким образом, чтобы свести разбаланс моста к нулю (U2 = 0). В результате, в равновесном мосту поддерживается постоянное значение сопротивления терморезистора.

Рис. 10.8. Схема неравновесного моста:

R — сопротивление терморезистора; R, Ri, R3 — сопротивления постоянных резисторов; I — ток через тсрморсзистор; U_M — напряжение питания моста; /, — ток питания моста; 11_аых — выходное напряжение (разбаланс моста).

Рис. 10.9. Схема равновесного моста:

R — сопротивление терморезистора; R, Ri, R) — сопротивления постоянных резисторов; I — ток через терморезистор; (/" - напряжение питания моста; /" - ток питания моста; ОУ — операционный усилитель Использование в качестве измерительной схемы равновесного моста позволяет улучшить динамические характеристики нс только по сравнению с другими измерительными схемами, но и с собственной постоянной времени терморезистора. При этом постоянная времени преобразователя будет обратно пропорциональна коэффициенту усиления усилителя обратной связи.

На рис. 10.10 показаны термокондуктометрический газоанализатор, различные модификации которого предназначены для измерения содержания водорода, гелия, аргона, диоксида углерода, диоксида серы, аммиака и некоторых других газов в технологических установках и в воздухе производственных помещений.

Рис. 10.10. Монтажный комплект газоанализатора (диапазон 90 — 100% водорода) в контурах охлаждения электрогенераторов.

Эти газоанализаторы обеспечивают:

• — выдачу информации о концентрации газа на цифровой дисплей;
• — формирование выходного сигнала 4−20 мА постоянного тока, пропорционального концентрации;
• — формирование выходного сигнала 0,5 В в случае неисправности газоанализатора.

Принцип работы газоанализатора водорода (рис. 10.11) основан на выделении водорода из дозы анализируемого газа с последующим определением содержания водорода в газеносителе (азот, воздух) с помощью термокондуктометрического преобразователя. Газоанализатор работает циклически (время цикла составляет 180 с).

Рис. 10.11. Внешний вид тсрмокондуктомстричсского газоанализатора.

Диапазон измерений составляет 0 — 2, 0 — 5 или 0 — 10% об. доли, а приведённая погрешность равна 1 — 5%.