Значения относительной теплопроводности
Таблица 2.
Таблица 1.
Физические основы метода анализа газов по теплопроводности.
Газоанализатор на водород ТП-1123.
Схемы измерения концентраций газов по теплопроводности.
Физические основы метода анализа газов по теплопроводности.
Среди используемых в настоящее время методов измерения концентраций газов в воздухе и технологических смесях метод, в основе которого лежит измерение концентрации газа по его теплопроводности, получил широкое распространение. Под теплопроводностью понимают процесс передачи количества тепла в единицу времени на единицу расстояния. За единицу теплопроводности l принят:
1 ватт \ метрхградус К.
В практике используется также:
1 ккал \ метрхчасхградус С.
Теплопроводность газов практически не зависит от давления. С увеличением температуры теплопроводность газов увеличивается, что связано с увеличением количества соударений молекул газа между собой. Значения теплопроводностей некоторых газов представлены в таблице 1.
Зависимость теплопроводности некоторых газов (ватт\ метрхградус К) от температуры (К).
| № | Газ | 250К | 300К | 400К | 450К |
| Воздух | 22,1 | 26,2 | 30,0 | 33,8 | |
| Азот | 22,2 | 25,9 | 29,3 | 32,7 | |
| Кислород | 22,6 | 26,6 | 29,8 | ||
| Углекислый газ | 16,6 | 20,4 | 24,3 | ||
| Водород |
Теплопроводность газов и паров веществ часто характеризуют в относительных от воздуха величинах (Таблица 2.).
некоторых газов и паров отнесенные к теплопроводности воздуха.
| № | Газ, пары вещества | Относительная теплопроводность (по воздуху) |
| Воздух | 1,0 | |
| Азот | 0,996 | |
| Кислород | 1,015 | |
| Углекислый газ | 0,605 | |
| Водород | 7,15 | |
| Окись углерода | 0,96 | |
| Двуокись азота | 1,978 | |
| Окись азота | 0,952 | |
| Аммиак | 0,897 | |
| Ацетон | 0,776 | |
| Гелий | 5,9 | |
| Метан | 1,25 | |
| Пары воды | 0,62 |
В небольших диапазонах измерения теплопроводность газовой смеси l обладает свойством аддитивности и зависит от концентраций компонентов, составляющих данную смесь:
lсмеси = С1l1 + С2l2+…+ Сnln
где: С1, С2, Сn – концентрации компонентов газовой смеси;
l1, l2, ln – теплопроводности компонентов.
С увеличением значений теплопроводностей компонентов газовой смеси, значение общей теплопроводности смеси имеет сложную зависимость и определяется, как правило, опытным путем.
Теплопроводности газов лежат в широком диапазоне значений, однако среди газов имеются такие, чья теплопроводность резко отличается от остальных. К таким газам относятся водород и гелий. По этой причине газоанализаторы на водород, основанные на его аномально высокой теплопроводности, получили исключительно широкое распространение.
 |
Чувствительными элементами в газоанализаторах, основанных на принципе теплопроводности, являются платиновые или платиново-иридиевые нити диаметром 0,02-0,05 мм изготовленные в виде пружинки и закрепленные в измерительной камере (Рисунок 1).
Рис.1. Конструкция измерительной камеры.
Достаточно широко используются чувствительные элементы, представляющие собой остеклованную спираль, изготовленную из платиновой проволоки длиной 2 см, диаметром 0,02 см, с сопротивлением 40 Ом. Данные элементы имеют несколько большую инерционность, но удобнее в эксплуатации.
Чувствительный элемент в газоанализаторах являются одновременно термометром сопротивления и нагревателем. Теплоотдача от чувствительного элемента к стенкам камеры зависит от теплопроводности газовой смеси в камере. При изменении концентрации измеряемого компонента происходит изменение теплоотдачи и изменяется температура чувствительного элемента, что в свою очередь приводит к изменению электрического сопротивления.
Теплоотдача W платиновой нити за счет теплопроводности газовой смеси выражается уравнением:
W = A lcм (tн – tст)
где: A– тепловая константа камеры;
lcм – теплопроводность газовой смеси;
tн , tст – температуры нити и стенки камеры.
Выходное напряжение U такого чувствительного элемента в общем виде выражается соотношением:
U = K R2 I2 Uпит lсм-1
где: K –конструктивный коэффициент;
R – электрическое сопротивление чувствительного элемента в установившемся режиме;
I – величина тока, проходящего через чувствительный элемент;
Uпит –напряжение питания;
lсм –теплопроводность газовой смеси в установившемся режиме.
В газоанализаторах обычно измерение концентрации осуществляется методом сравнения теплопроводностей исследуемой и сравнительной газовых смесей. Для этого в конструкции газоанализатора предусмотрены две газовые камеры: измерительная и сравнительная. В измерительную газовую камеру подается исследуемая газовая смесь, а в сравнительную газовую камеру стандартный газ. Для обеспечения нормальной работы газоанализатора расходы газов через обе камеры должны быть одинаковыми.
Существуют и широко применяются газоанализаторы, в которых исследуемая газовая среда не прокачивается через камеры, а лишь соприкасается с чувствительными элементами. У таких газоанализаторов чувствительные элементы сравнительной камеры находятся в атмосфере стандартного газа, а камера герметично закрыта. Недостатком газоанализаторов такого типа является их чувствительность к движению воздуха. Поэтому они должны размещаться в местах, где отсутствует движение воздуха и должны иметь на входе в измерительную камеру сетку, обеспечивающую диффузионный заход газовой смеси.
В качестве детектора в газоанализаторах получила исключительно широкое распространение мостовая схема соединения чувствительных элементов (Рис.2.).
 |
Рис. 2. Мостовая схема соединения чувствительных элементов.
Принцип работы данной схемы заключается в следующем. На схему подается постоянное напряжение питания (точки А,Б). При равенстве всех четырех термосопротивлений и одинаковом тепло отводе с них в сравнительной и измерительной камерах, токи, протекающие через резисторы R1, R4 и R2, R3, будут одинаковыми. Поэтому в точках Д и С разности потенциалов не наблюдается. Если в измерительную камеру заходит газ с теплопроводностью, отличающейся от стандартного газа, то величины терморезисторов R1, R3 изменятся, что приведет к разбалансу токов в плечах мостовой схемы и появлению напряжения между точками С, Д. Величина этого напряжения будет тем больше, чем больше будет различие в теплопроводностях газов в измерительной и сравнительной камерах.