1. Контроль состава газа

В литейных и термических цехах приходится контролировать состав самых разнообразных газов: горючих газов и продуктов их сгорания, защитных атмосфер и газов в воздухе помещений цехов. Контроль состава газа позволяет судить о правильности протекания технологического процесса. Например, по составу защитных атмосфер в термических печах определяют качество процесса химико-термической обработки; по составу дымовых газов судят о полноте сгорания топлива в печах; по составу колошниковых газов в доменной печи ведут процесс плавки и т. д.

Газоанализаторами называют приборы, предназначенные для количественного определения состава газа (одного или нескольких компонентов). Они проградуированы в объемных процентах. По назначению различают переносные и технические газоанализаторы. Первые используют для лабораторных исследований и проверки автоматических газоанализаторов.

Основным элементом каждого прибора является измерительный преобразователь газового анализа, принцип действия которого определяет тип газоанализатора. По принципу действия измерительного преобразователя различают химические, электрохимические, термохимические, термокондуктометрические, магнитные и оптические газоанализаторы.

Принцип работы химических газоанализаторов основан на последовательном удалении анализируемых компонентов из взятой газовой пробы при проведении химических реакций. Наибольшее распространение получил переносной газоанализатор на три компонента: СО, СO₂ и O₂. Для поглощения СО служит раствор двухлористой меди (СиС1₂), нашатырного спирта (NH₄C1) и аммиака (NH₃); для СO₂ – раствор едкого кали (КОН); для O₂ – смесь едкого кали с пирогалловой кислотой (С₆Н₃(ОН)₃). Объем газовой смеси измеряют до начала цикла измерений и после реакции каждого компонента. По разности объемов оценивают процентное содержание компонента в газовой смеси.

Переносные газоанализаторы обладают высокой точностью измерения; недостатком приборов является длительность анализа. Их применяют только для контроля и отладки тепловых процессов.

Электрохимические газоанализаторы предназначены для определения содержания кислорода в газовой смеси. Действие газоанализаторов этого типа основано на электрохимической реакции, вызывающей образование тока в электролите при взаимодействии кислорода с электродом. Сила тока, протекающего по внешней цепи электролита, пропорциональна концентрации кислорода в газовой смеси. Такие газоанализаторы предназначены для определения содержания кислорода в различных газовых смесях, водяном и генераторном газах.

Действие термохимических газоанализаторов основано на измерении теплового эффекта реакции кислорода с другими газами, протекающей в присутствии катализатора. Количество выделившейся теплоты пропорционально количеству содержащегося в смеси анализируемого газа при постоянном расходе смеси. Термохимические газоанализаторы предназначены для определения содержания кислорода или водорода в смеси газов. Измерение количества теплоты производится с помощью термометров сопротивления, включенных в схему электрического моста. Преобразователь прибора имеет две камеры – рабочую и сравнительную, в которых расположены термометры сопротивления. В рабочей камере, заполненной катализатором, сгорает анализируемый компонент, а в сравнительной камере находится неактивная масса. По разности температур определяют содержание анализируемого компонента газовой смеси.

Принцип работы термокондуктометрических газоанализаторов основан на измерении теплопроводности газовой смеси, которая практически однозначно определяется содержанием анализируемого компонента.

Теплопроводности Н₂; СО₂ и SO_a сильно отличаются от теплопроводности воздуха и таких газов, как N_a; O₂; СО; СН₄ и др. В связи с этим рассматриваемые газоанализаторы чувствительны на Н₂; СO₂ и SO₂, и с их помощью можно определить процент содержания указанных составных частей, когда они присутствуют в смеси с другими газами. Чувствительным элементом является нагретая проволока, которая при омывании ее газами различной теплопроводности изменяет свое электрическое сопротивление. В газоанализаторах применяются прямая и дифференциальная измерительные схемы.

Газоанализатор прямого измерения (рис. 87, а) состоит из четырех нагреваемых платиновых проволочных резисторов, заключенных в четыре газовые камеры. Две рабочие камеры 1 и 4 соединяются с исследуемой газовой средой, а две сравнительные камеры 2 и 5 заполнены воздухом или газом постоянного состава.

Рис. 87. Схемы термокондуктометрических газоанализаторов:

а – прямого измерения; б – дифференциальная

По дифференциальной схеме (рис. 87, б) измерения анализируемая газовая смесь проходит сначала через рабочие камеры 1 я 4, а затем, после предварительного удаления из нее контролируемого газа в печи дожигания или в поглотитель 5, поступает в сравнительные камеры 2 и 6, выполняя функции сравнительного газа. Прн изменении концентрации анализируемого газа в диагонали моста как в первой, так и во второй схеме появляется напряжение разбаланса, значение которого пропорционально концентрации газа и измеряется прибором 3.

Из всех газов кислород обладает максимальной магнитной восприимчивостью. Например, его магнитная восприимчивость почти в 60 раз больше магнитной восприимчивости воздуха. Это свойство позволило разработать метод для избирательного определения его концентрации в газовых смесях. Наибольшее распространение получили термомагннтные газоанализаторы, в которых измеряется не сама магнитная восприимчивость кислорода, а ее уменьшение при увеличении температуры газа. Преобразователь такого газоанализатора (рис. 88) выполнен в виде кольцевой камеры 1. В поперечной стеклянной трубке 2 расположены два термоэлемента (резистора): R1 и R2, включенные в мостовую измерительную схему. Когда анализируемый газ проходит через кольцевую камеру, то, благодаря парамагнитным свойствам кислорода, он втягивается в поперечную стеклянную трубку 2. Соприкасаясь с нагретым термоэлементом, газ нагревается, теряет частично свои магнитные свойства и выталкивается из магнитного поля более холодным, создавая явление термомагнитной конвекции. Интенсивность термомагнитной конвекции измеряется по изменению температуры термоэлемента, вызванного конвекцией, и, как следствие этого, по изменению его электрического сопротивления. Последнее приводит к разбалансу моста, что регистрируется измерительным прибором 3.

Рис. 88. Преобразователь термомагнитного газоанализатора

Рис. 89. Преобразователь оптико-акустического газоанализатора

Работа оптических газоанализаторов основана на измерении ослабления интенсивности электромагнитного излучения или поглощения его потока определенным компонентом при прохождении излучения через исследуемую газовую смесь. При этом в оптических газоанализаторах может использоваться весь спектр электромагнитных колебаний – инфракрасная, ультрафиолетовая и видимая области.

Наибольшее распространение получили оптические абсорбционные газоанализаторы, работающие в инфракрасной области спектра, т. е. оптико-акустические газоанализаторы. Их действие основано на способности определенного газа поглощать инфракрасные лучи. Этой способностью обладают все газы, за исключением одноатомных, а также водорода, кислорода, азота и хлора. Измерение концентрации газа проводится на основании оптико-акустического эффекта, который заключается в следующем. Если исследуемый газ в замкнутом объеме (рис. 89) облучать прерывистым (со звуковой частотой) потоком энергии в инфракрасной области, то он будет периодически нагреваться и охлаждаться и в нем возникнут колебания давления с той же частотой. Колебания давления воспринимаются чувствительным элементом – мембраной, которая является одной из обкладок конденсаторного микрофона 2, соединенного с измерительной схемой. В качестве источника инфракрасного излучения используется нагретая до 700–800 °С хромоникелевая проволока 1. Промышленность выпускает несколько типов оптико-акустических газоанализаторов для определения концентрации СО, СO₂, СН₄ в различных газовых смесях.

В измерительный комплекс каждого газоанализатора входит газоотборное устройство, служащее для отбора исследуемого газа и транспортировки его к первичному преобразователю. Схема газоотборного устройства, находящегося под избыточным давлением, представлена на рис. 90. В дымоходе располагают заборное устройство, представляющее собой сосуд (фильтр), 1 с пористыми стенками. Топочные газы, просачиваясь через пористые стенки, поступают в отборочный трубопровод и через трехходовой продувочный кран 2 направляются в фильтр 3 для очистки от сернистых примесей. Фильтр представляет собой цилиндр, заполненный влажной стальной стружкой. Затем газ через контрольный фильтр 4 по трубопроводу 5 попадает в холодильник 6, который, как правило, выполнен по схеме «труба в трубе», где газ протекает по внутренней трубе, а охлаждающая вода – по кольцу, образуемому трубой и корпусом. Очищенный и охлажденный газ подается в рабочую камеру первичного преобразователя газоанализатора.

Рис. 90. Газоотборное устройство