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;

lсмтеплопроводность 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.