Газоанализаторы

ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ, приборы, измеряющие содержание (концентрацию) одного или неск. компонентов в газовых смесях (см. также Газовый анализ). Каждый Г. предназначен для измерения концентрации только определенных компонентов на фоне конкретной газовой смеси в нормиров. условиях. Наряду с использованием отдельных Г. создаются системы газового контроля, объединяющие десятки таких приборов. В большинстве случаев работа Г. невозможна без ряда вспомогат. устройств, обеспечивающих создание необходимых т-ры и давления, очистку газовой смеси от пыли и смол, а в ряде случаев и от нек-рых мешающих измерениям компонентов и агрессивных в-в. Г. классифицируют по принципу действия на пневматические, магнитные, электрохимические, полупроводниковые и др. Ниже излагаются физ. основы и области применения Наиб. распространенных Г.

Термокондуктометрические газоанализаторы. Их действие основано на зависимости теплопроводности газовой смеси от ее состава. Для большинства практически важных случаев справедливо ур-ние:

где-теплопроводность смеси, - теплопроводность i - того компонента, Ci - eгo концентрация, n-число компонентов.

Термокондуктометрич. Г. не обладают высокой избирательностью и используются, если контролируемый компонент по теплопроводности существенно отличается от остальных, напр. для определения концентраций Н₂, Не, Аг, СО₂ в газовых смесях, содержащих N₂, О₂ и др. Диапазон измерения - от единиц до десятков процентов по объему.

Изменение состава газовой смеси приводит к изменению ее теплопроводности и, как следствие, т-ры и электрич. сопротивления нагреваемого током металлич. или полупроводникового терморезистора, размещенного в камере, через к-рую пропускается смесь. При этом:

где a-конструктивный параметр камеры, R₁ и R₂- сопротивление терморезистора в случае пропускания через него тока I при теплопроводности газовой среды соотв. и,-температурный коэф. электрич. сопротивления терморезистора.

Рис. 1. Термокондуктометрич. газоанализатор: 1 -источник стабилизиров. напряжения; 2-вторичный прибор; R₁ и R₃ - рабочие терморезисторы; R₂ и R₄ -сравнит. терморезисторы; R₀ и потенциометры; вход и выход анализируемой газовой смеси показаны стрелками.

На рис. 1 приведена схема, применяемая во многих Термокондуктометрич. Г. Чувствит. элементы R₁ и R₃ (рабочие терморезисторы) омываются анализируемой смесью; сравнит. терморезисторы R₂ и R₄ помещены в герметичные ячейки, заполненные сравнит. газом точно известного состава. Потенциометры R₀ и предназначены для установки нулевых показаний и регулировки диапазона измерения. Мера концентрации определяемого компонента - электрич. ток, проходящий через, к-рый измеряется вторичным (т.е. показывающим или регистрирующим) прибором. Термокондуктометрич. Г. широко применяют для контроля процессов в произ-ве H₂SO₄, NH₃, HNO₃, в металлургии и др.

Термохимические газоанализаторы. В этих приборах измеряют тепловой эффект хим. р-ции, в к-рой участвует определяемый компонент. В большинстве случаев используется окисление компонента кислородом воздуха; катализаторы - марганцевомедный (гопкалит) или мелкодисперсная Pt, нанесенная на пов-сть пористого носителя. Изменение т-рыпри окислении измеряют с помощью металлич. или полупроводникового терморезистора. В ряде случаев пов-сть платинового терморезистора используют как катализатор. Величинасвязана с числом молей М окислившегося компонента и тепловым эффектомсоотношением: , где k-коэф., учитывающий потери тепла, зависящие от конструкции прибора.

Схема (рис. 2) включает измерит. мост с постоянными резисторами (R₁ и R₄)и двумя терморезисторами, один из к-рых (R₂)находится в атмосфере сравнит. газа, а второй (R₃)омывается потоком анализируемого газа. Напряжение U_вых в диагонали моста пропорционально концентрации определяемого компонента. Для устойчивой работы Г. исключают влияние т-ры среды (термостатированием или термокомпенсацией), стабилизируют напряжение, поддерживают постоянным расход газа, очищают его от примесей, отравляющих катализатор (С1₂, НС1, H₂S, SO₂ и др.).

Рис. 2. Термохим. газоанализатор: 1- источник стабилизиров. напряжения; 2-вторичный прибор; R₁ и R₄ - постоянные резисторы; R₂ и R₃-соотв, сравнительный и рабочий терморезисторы.

Большинство термохим. Г. используют в кач-ве газосигнализаторов горючих газов и паров (Н₂, углеводороды и др.) в воздухе при содержании 20% от их ниж. КПВ, а также при электролизе воды для определения примесей водорода в кислороде (диапазон измерения 0,02-2%) и кислорода в водороде (0,01-1%).

Магнитные газоанализаторы. Применяют для определения О₂. Их действие основано на зависимости магн. восприимчивости газовой смеси от концентрации О₂, объемная магн. восприимчивость к-рого на два порядка больше, чем у большинства остальных газов. Такие Г. позволяют избирательно определять О₂ в сложных газовых смесях. Диапазон измеряемых концентраций 10^-2 - 100%. Наиб. распространены магнитомех. и термомагн. Г.

В магнитомеханических Г. (рис. 3) измеряют силы, действующие в неоднородном магн. поле на помещенное в анализируемую смесь тело (обычно ротор). Сила F, выталкивающая тело из магн. поля, определяется выражением:

гдеи-объемная магн. восприимчивость соотв. анализируемой смеси и тела, помещенного в газ, V-объем тела, H-напряженность магн. поля. Обычно мерой концентрации компонента служит вращающий момент, находимый по углу поворота ротора. Показания магнитомех. Г. определяются магн. св-вами анализируемой газовой смеси и зависят от т-ры и давления, поскольку последние влияют на объемную магн. восприимчивость газа.

Более точны Г., выполненные по компенсац. схеме. В них момент вращения ротора, функционально связанный с концентрацией О₂ в анализируемой смеси, уравновешивается известным моментом, для создания к-рого используются магнитоэлектрич. или электростатич. системы. Роторные Г. ненадежны в промышленных условиях, их сложно юстировать.

Рис. 3. Магнитомех. газоанализатор: 1-ротор; 2-полюсы магнита; 3-растяжка; 4-зеркальце; 5-осветитель; 6-шкала вторичного прибора.

Действие термомагнитных Г. основано на термомагн. конвекции газовой смеси, содержащей О₂, в неоднородных магнитном и температурном полях. Часто применяют приборы с кольцевой камерой (рис. 4), к-рая представляет собой полое металлич. кольцо. Вдоль его диаметра установлена тонкостенная стеклянная трубка, на к-рую намотана платиновая спираль, нагреваемая электрич. током. Спираль состоит из двух секций - R₁ и R₂, первая из к-рых помещается между полюсами магнита. При наличии в газовой смеси О₂ часть потока направляется через диаметральный канал, охлаждая первую секцию платиновой спирали и отдавая часть тепла второй. Изменение сопротивлений R₁ и R₂ вызывает изменение выходного напряжения U, пропорциональное содержанию О₂ в анализируемой смеси.

Рис. 4. Термомагн. газоанализатор: 1 -кольцевая камера; 2-стеклянная трубка; 3-постоянный магнит; 4-источник стабилизиров. напряжения; 5-вторичный прибор; R_t и R₂ -соотв. рабочий и сравнит. терморезисторы (секции платиновой спирали); R₃ и R₄ -постояниые резисторы.

Пневматические газоанализаторы. Их действие основано на зависимости плотности и вязкостигазовой смеси от ее состава. Изменения плотности и вязкости определяют измеряя гидромех. параметры потока. Распространены пневматич. Г. трех типов.

Г. с дроссельными преобразователями измеряют гидравлич. сопротивление дросселя (капилляра) при пропускании через него анализируемого газа. При постоянном расходе газа перепад давления на дросселе - ф-ция плотности (турбулентный дроссель), вязкости (ламинарный дроссель) или того и другого параметра одновременно.

Струйные Г. измеряют динамич. напор струи газа, вытекающего из сопла. Содержат два струйных элемента типа "сопло-приемный канал" (рис. 5). Для подачи анализируемого и сравнит. газов служит эжектор 2. Давление на выходе из элементов поддерживается регулятором 4. Равенство давлений газов на входе в элементы обеспечивается соединит. каналом 5 и настройкой вентиля 6. Разница динамич. давлений (напоров), воспринимаемых трубками 1б,- ф-ция отношения и мера концентрации определяемого компонента газовой смеси. Струйные Г. используют, напр., в азотной пром-сти для измерения содержания Н₂ в азоте (диапазон измерения 0-50%), в хлорной пром-сти - для определения С1₂ (0-50 и 50-100%). Время установления показаний этих Г. не превышает неск. секунд, поэтому их применяют также в газосигнализаторах довзрывных концентраций газов и паров нек-рых в-в (напр., дихлорэтана, винилхлорида) в воздухе пром. помещений.

Рис. 5. Пневматический струйный газоанализатор: 1 - элемент "сопло-приемный канал"; 1а-сопло; 1б-приемная трубка; 2-эжсктор; 3-вторичный прибор; 4 -регулятор давления; 5 -соединит, канал; 6-вентиль.

Пневмоакустические Г. содержат два свистка (рис. 6) с близкими частотами (3-5 кГц), через один из к-рых проходит анализируемый газ, через второй - сравнительный. Частота биений звуковых колебаний в смесителе частот зависит от плотности анализируемого газа. Биения (частота до 120 Гц) усиливаются и преобразуются в пневматич. колебания усилителем. Для получения выходного сигнала (давления) служит частотно-аналоговый преобразователь.

Рис. 6. Пневмоакустич. газоанализатор: 1 -свисток; 2-смеситель частот; 3 - усилитель - преобразователь ; 4 - частотно-аналоговый преобразователь; 5-вторичный прибор.

Пневматич. Г. не обладают высокой избирательностью. Они пригодны для анализа смесей, в к-рых изменяется концентрация только одного из компонентов, а соотношение между концентрациями других остается постоянным. Диапазон измерения - от единиц до десятков процентов. Пневматич. Г. не содержат электрич. элементов и поэтому могут использоваться в помещениях любой категории пожаро- и взрывоопасности. Элементы схемы, контактирующие с газами, выполнены из стекла и фторопласта, что позволяет анализировать весьма агрессивные газы (хлор-, серосодержащие и др.).

Инфракрасные газоанализаторы. Их действие основано на избйрат. поглощении молекулами газов и паров ИК-излучения в диапазоне 1-15 мкм. Это излучение поглощают все газы, молекулы к-рых состоят не менее чем из двух разл. атомов. Высокая специфичность молекулярных спектров поглощения разл. газов обусловливает высокую избирательность таких Г. и их широкое применение в лабораториях и пром-сти. Диапазон измеряемых концентраций 10^-3 -100%. В дисперсионных Г. используют излучение одной длины волны, полученное с помощью монохроматоров (призмы, дифракц. решетки). В недисперсионных Г., благодаря особенностям оптич. схемы прибора (применению светофильтров, спец. приемников излучения и т.д.), используют немонохроматич. излучение. В кач-ве примера на рис. 7 приведена Наиб. распространенная схема такого Г. Излучение от источника последовательно проходит через светофильтр и рабочую кювету, в к-рую подается анализируемая смесь, и попадает в спец. приемник. Если в анализируемой смеси присутствует определяемый компонент, то в зависимости от концентрации он поглощает часть излучения, и регистрируемый сигнал пропорционально изменяется. Источником излучения обычно служит нагретая спираль с широким спектром излучения, реже - ИК-лазер или светодиод, испускающие излучение в узкой области спектра. Если используется источник немонохроматич. излучения, избирательность определения достигается с помощью селективного приемника.

Рис. 7. Недисперсионный инфракрасный газоанализатор: 1-источник излучения; 2-светофильтр; 3-модулятор; 4 и 4'-соотв. рабочая и сравнит. (внизу) кюветы; 5-приемник излучения; 6-усилитель; 7-вторичный прибор.

Наиб. распространены Г. с газонаполненным оптико-акустическим приемником. Последний представляет собой герметичную камеру с окном, заполненную именно тем газом, содержание к-рого нужно измерить. Этот газ, поглощая из потока излучения определенную часть с характерным для данного газа набором спектральных линий, нагревается, вследствие чего давление в камере увеличивается. Посредством мех. модулятора поток излучения прерывается с определ. частотой. В результате с этой же частотой пульсирует давление газа в приемнике. Амплитуда пульсации давления - мера интенсивности поглощенного газом излучения, зависящая от того, какая часть характерного излучения поглощается тем же газом в рабочей кювете. Др. компоненты смеси излучение на этих длинах волн не поглощают. Т. обр., амплитуда пульсации давления в приемнике излучения - мера кол-ва определяемого компонента в анализируемой смеси, проходящей через рабочую кювету. Изменение давления измеряют обычно конденсаторным микрофоном или микроанемометром (датчиком расхода газа). Заменяя газ в приемнике излучения оптико-акустич. Г., можно избирательно измерять содержание разл. компонентов смесей.

В инфракрасных Г. используют также неселективные приемники излучения - болометры, термобатареи, полупроводниковые элементы. Тогда в случае источников с широким спектром излучения избирательность определения обеспечивают применением интерференционных и газовых фильтров. Для повышения точности и стабильности измерения часть потока излучения обычно пропускают через сравнит. кювету, заполненную газом, не поглощающим регистрируемое излучение, и измеряют разность или отношение сигналов, полученных в результате прохождения излучения через рабочую и сравнит. кюветы.

Инфракрасные Г. широко используют для контроля кач-ва продукции, анализа отходящих газов, воздуха помещений. С их помощью определяют, напр., СО, СО₂, NH₃, СН₄ в технол. газах произ-ва синтетич. аммиака, пары ряда р-рителей в воздухе пром. помещений, оксиды азота, SO₂, СО и углеводороды в выхлопных газах автомобилей и т.д.

Ультрафиолетовые газоанализаторы. Принцип их действия основан на избират. поглощении молекулами газов и паров излучения в диапазоне 200-450 нм. Избирательность определения одноатомных газов весьма велика. Двух- и многоатомные газы имеют в УФ-области сплошной спектр поглощения, что снижает избирательность их определения. Однако отсутствие УФ-спектра поглощения у N₂, O₂, СО₂ и паров воды позволяет во многих практически важных случаях проводить достаточно селективные измерения в присут. этих компонентов. Диапазон определяемых концентраций обычно 10^-2-100% (для паров Hg ниж. граница диапазона 2,5-10^-6%).

Схема ультрафиолетового Г. аналогична схеме, приведенной на рис. 7. Имеются также приборы с двумя детекторами излучения без модулятора, в к-рых световые потоки не прерываются. В кач-ве источников излучения обычно применяют ртутные лампы низкого (= 253,7 нм) и высокого (спектр с большим набором линий) давлений, газоразрядные лампы с парами др. металлов (=280, 310 и 360 нм), лампы накаливания с вольфрамовой нитью, водородные и дейтериевые газоразрядные лампы. Приемники излучения - фотоэлементы и фотоумножители. При использовании неселективного источника излучения избирательность измерения в большинстве приборов обеспечивают с помощью оптич. фильтров (стеклянных или интерференционных).

Ультрафиолетовые Г. применяют гл. обр. для автоматич. контроля содержания С1₂, О₃, SO₂, NO₂, H₂S, C1O₂, дихлорэтана, в частности в выбросах пром. предприятий, а также для обнаружения паров Hg, реже Ni (СО)₄, в воздухе пром. помещений.

Люминесцентные газоанализаторы. В хемилюминесцентных Г. измеряют интенсивность люминесценции, возбужденной благодаря хим. р-ции контролируемого компонента с реагентом в твердой, жидкой или газообразной фазе. Пример - взаимод. NO с О₃, используемое для определения оксидов азота:

N0 + 0₃ -> N0₂⁺ + 0₂ -> N0₂ + hv + 0₂

Схема хемилюминесцентного Г. с газообразным реагентом представлена на рис. 8. Анализируемая смесь и реагент через дроссели поступают в реакц. камеру. Побудитель расхода (насос) обеспечивает необходимое давление в камере. При наличии в смеси определяемого компонента излучение, сопровождающее хемилюминесцентную р-цию, через светофильтр подается на катод фотоумножителя, к-рый расположен в непосредств. близости к реакц. камере. Электрич. сигнал с фотоумножителя, пропорциональный концентрации контролируемого компонента, после усиления поступает на вторичный прибор. При измерении слабых световых потоков, возникающих при малых концентрациях определяемого компонента, фотокатод охлаждают электрич. микрохолодильниками с целью уменьшения темнового (фонового) тока.

Рис. 8. Хемилюминесцентный газоанализатор: 1-рсакц. камера; 2-светофильтр; 3 - фотоумножитель; 4-вторичный прибор; 5-побудитель расхода газа; 6-дроссели.

Для измерения содержания NO₂ в приборе предусмотрен конвертер, где NO₂ превращается в NO, после чего анализируемая смесь направляется в реакц. камеру. При этом выходной сигнал пропорционален суммарному содержанию NO и NO₂. Если же смесь поступает, минуя конвертер, то по выходному сигналу находят концентрацию только NO. По разности этих сигналов судят о содержании NO ₂ в смеси.

Высокая избирательность хемилюминесцентных Г. обусловлена специфичностью выбранной р-ции, однако сопутствующие компоненты в смеси могут изменять чувствительность прибора. Такие Г. применяют для определения NO, NO₂, NH₃, O₃ в воздухе в диапазоне 10^-7-1%.

В флуоресцентных Г. измеряют интенсивность флуоресценции (длина волны), возникающей при воздействии на контролируемый компонент УФ-излучения (с частотой v₁). В кач-ве примера на рис. 9 представлена схема такого Г. для определения SO₂ в воздухе. Анализируемая смесь поступает в детекторную камеру, к-рая отделена от импульсного источника УФ-излучения и от фотоумножителя светофильтрами 3 и 4, пропускающими излучение с длинами волн соотв. и. Фотоумножитель, расположенный под углом 90° к источнику излучения, регистрирует импульсы флуоресценции, амплитуда к-рых пропорциональна концентрации определяемого компонента в камере. Электрич. сигнал с фотоумножителя после усиления и обработки поступает на вторичный прибор. Г. для определения SO₂ характеризуются высокой чувствительностью и избирательностью. Они используются в автоматич. станциях контроля окружающей среды.

Рис. 9. Флуоресцентный газоанализатор: 1 -детекторная камера; 2-источник УФ-излучения; 3-светофильтр возбуждающего излучения; 4 -светофильтр люминесценции; 5-зеркало; 6-фотоумножитель; 7-вторичный прибор.

Для удаления паров воды, влияющих на показания люминесцентных Г., применяют спец. фильтры (типа молекулярного сита) на входе потока газа в камеру.

Фотоколориметрические газоанализаторы. Эти приборы измеряют интенсивность окраски продуктов избират. р-ции между определяемым компонентом и специально подобранным реагентом. Р-цию осуществляют, как правило, в р-ре (жидкостные Г.) или на твердом носителе в виде ленты, таблетки, порошка (соотв. ленточные, таблеточные, порошковые Г.).

Рис. 10. Жидкостной фотоколориметрич. газоанализатор: 1 -источник излучения; 2-светофильтр; 3 и 3'-рабочая и сравнит. кюветы; 4-абсорбер; 5 и 5'-приемники излучения; б-усилитель; 7-вторичный прибор.

Принципиальная схема жидкостного Г. представлена на рис. 10. Излучение от источника проходит через рабочую и сравнит. кюветы и поступает на соответствующие приемники излучения. Индикаторный р-р протекает с постоянной скоростью через обе кюветы и абсорбер. Навстречу потоку р-ра через абсорбер барботирует анализируемый газ. Определяемый компонент, присутствующий в газе, взаимод. с реагентом в р-ре, вызывая изменение оптич. плотности в рабочей кювете, пропорциональное концентрации компонента. В результате интенсивность излучения через одну из кювет изменяется, а через другую-нет. Разность (или отношение) сигналов рабочего и сравнит. каналов - мера концентрации определяемого компонента в анализируемой смеси.

Подача р-ра может быть как непрерывной, так и периодической. При периодич. подаче анализируемый газ пропускают в течение нек-рого времени через одну и ту же порцию р-ра, что позволяет повысить чувствительность определения. Такие Г. дают возможность измерить среднюю концентрацию определяемого компонента за заданный промежуток времени, напр. при установлении среднесменных или среднесуточных концентраций токсичных примесей в воздухе.

В ленточных Г. (рис. 11) анализируемый газ поступает в газовую камеру, через к-рую непрерывно или с заданной периодичностью протягивается лента с нанесенным на нее реактивом. В результате р-ции с определяемым компонентом на ленте образуется цветовое пятно, интенсивность окраски к-рого пропорциональна концентрации компонента. Разность (или отношение) световых потоков, отраженных от окраш. и неокраш. участков ленты, - мера концентрации контролируемого компонента в смеси. Иногда используют индикаторную ленту с жидким реактивом. В этом случае реактив наносится на ленту из капельницы непосредственно перед ее контактом с газом.

Рис. 11. Ленточный фотоколориметрич. газоанализатор: 1 -источник излучения; 2-индикаторная лента; 3-светофильтр; 4 и 4'-приемники излучения; 5-газовая камера; 6-усилитель; 7-вторичный прибор.

Принцип действия таблеточных и порошковых Г. такой же, как у ленточных, но эти приборы, как правило, циклич. действия. Для получения чистой пов-сти перед каждым циклом измерения срезается верх. окраш. слой таблетки или заменяется порция порошка.

Время работы ленточных и таблеточных Г. без замены ленты или таблетки достигает 30 сут и более. Источники излучения в фотоколориметрич. Г.-обычно лампы накаливания и полупроводниковые светодиоды, фотоприемники — фотоумножители, фотоэлементы, фотодиоды и фототранзисторы. Эти приборы позволяют с высокой избирательностью определять разл. газообразные (парообразные) в-ва в диапазоне концентраций 10^-5-1%. Особенно высока чувствительность у Г. периодич. действия; их недостаток - некрое запаздывание показаний.

Фотоколориметрич. Г. применяют гл. обр. для измерения концентраций токсичных примесей (напр., оксидов азота, О₂, С1₂, CS₂, O₃, H₂S, NH₃, HF, фосгена, ряда орг. соед.) в атмосфере пром. зон и в воздухе пром. помещений. При контроле загрязнений воздуха широко используют переносные приборы периодич. действия. Значит. число фотоколориметрич. Г. применяют в качестве газосигнализаторов.

Электрохимические газоанализаторы. Их действие основано на зависимости между параметром электрохим. системы и составом анализируемой смеси, поступающей в эту систему.

В кондуктометрических Г. измеряется электропроводность р-ра при селективном поглощении им определяемого компонента. Обычно схема прибора включает элек-трич. мост постоянного или переменного тока с двумя кондуктометрич. ячейками, через к-рые протекает электролит. В одну из ячеек электролит поступает после контакта с потоком анализируемого газа. Выходной сигнал пропорционален разности электропроводностей р-ра до и после контакта с контролируемой смесью. Эта разность зависит от концентрации растворенного в электролите определяемого компонента. Изменяя расходы электролита и анализируемой смеси, можно в широких пределах изменять диапазон определяемых концентрации. Недостатки этих Г.-низкая избирательность и длительность установления показаний при измерении малых концентраций. Кондуктометрич. Г. широко применяют для определения О₂, СО, SO₂, H₂S, NH₃ и др.

Действие потенциометрических Г. основано на зависимости потенциала Е индикаторного электрода от активности а электрохимически активных ионов, образовавшихся при растворении определяемого компонента:

где E°-стандартный электродный потенциал, R- универсальная газовая постоянная, Т - абс. т-ра, F- число Фарадея, n-число электронов, участвующих в электрохим. р-ции. Измеряемое значение Е пропорционально концентрации контролируемого компонента, растворенного в электролите. Эти Г. применяют для определения СО₂, H₂S, HF, NH₃, SO₂ и др.

Большое распространение получили потенциометрич. Г. с твердым электролитом для измерения содержания О₂. Керамич. пластина на основе СаО и ZrO₂ при высокой т-ре начинает проводить ионы кислорода, т.е. ведет себя как электролит. На пов-сть такой пластины с обеих сторон наносят тонкие слои пористой платины (платиновые электроды). С одной стороны пластины подают анализируемую газовую смесь, с другой - сравнительный газ. Разность потенциалов между электродами - мера содержания О₂. Термостат поддерживает т-ру электрохим. ячейки в нужном диапазоне. С помощью таких Г. определяют О₂ в широком диапазоне концентраций (10^-4-100% по объему). Присутствие углеводородов в анализируемой смеси приводит к искажению результатов из-за их окисления при высокой т-ре.

Действие амперометрических Г. основано на зависимости между электрич. током и кол-вом определяемого компонента, прореагировавшим на индикаторном электроде. Если контролируемый компонент полностью вступает в электрохим. р-цию, то выполняется закон Фарадея: I = = nFQC, где I-ток, Q- расход газа, С-концентрация определяемого компонента, F-число Фарадея, n-число электронов, участвующих в р-ции.

Электрохим. превращение данного компонента газовой смеси со 100%-ным выходом по току (т.е. отсутствие побочных электродных р-ций) обеспечивается выбором индикаторного электрода и его потенциала. Необходимое постоянное значение разности потенциалов поддерживается благодаря тому, что сравнит. и индикаторный электроды выполняют из двух разных специально подобранных металлов, напр. из Аи и Zn, Au и Pb, Ni и Cd (ячейки гальванич. типа). Разность потенциалов можно стабилизировать и посредством электронной системы с использованием третьего вспомогат. электрода (ячейки потенциостатич. типа).

Рис. 12. Амперометрич. газоанализатор: 1-электрохим. ячейка; 2-вспомогат. электрод; 3-измерит, электрод; 4-потенциостат; 5 -электрод сравнения; 6-усилитель; 7-вторичный прибор; 8-побудитель расхода газа; 9-камера с запасным электролитом.

Амперометрич. Г. применяют для определения газов, обладающих окислит.-восстановит. св-вами, напр. SO₂, NO₂, H₂S, О₂, С1₂, О₃. В Г. для измерения содержания SO₂ в воздухе (рис. 12) анализируемый газ поступает на измерит. электрод 3 электрохим. ячейки и по газовому каналу - в камеру с запасным электролитом 9, в к-рый помещен электрод сравнения 5. Вспомогат. электрод 2 расположен в отдельной камере, к-рая, как и камера 9, соединена с камерой измерит. электрода электролитич. каналом. Достоинства амперометрич. Г.-высокая чувствительность и избирательность.

Кроме рассмотренной выше конструкции электрохим. ячейки барботажного типа (с непосредств. продуванием смеси через электролит) широкое применение находят ячейки с т. наз. газодиффузионными электродами, где газ отделен от электролита пористой газопроницаемой полимерной мембраной. Со стороны, контактирующей с электролитом, на мембрану наносят мелкодисперсный электродный материал (Pt, Pd, Au). Такие системы отличаются более высокой чувствительностью и стабильностью характеристик.

В основе кулонометрических Г. компенсац. типа лежит метод кулонометрич. титрования, к-рый заключается в электрохим. получении (генерировании) реагента-титранта, способного быстро взаимод. с определяемым компонентом газовой смеси, растворенным в электролите. Этот Г. включает цепи генерирования и индикации. Электрохим. ячейка содержит соотв. две пары электродев - катод и анод, на к-рых идет электролиз и генерируется титрант, а также индикаторный электрод и электрод сравнения. Ток электролиза автоматически поддерживается постоянным. После того как все контролируемое в-во полностью прореагирует с электрогенерированным титрантом, окислит.-восстановит. потенциал системы резко изменяется, что обнаруживается по скачку потенциала индикаторного электрода. Кол-во электричества, прошедшее через ячейку до завершения р-ции, эквивалентно концентрации определяемого компонента.

Ионизационные газоанализаторы. Их действие основано на зависимости электрич. проводимости ионизов. газов от их состава. Появление в газе примесей оказывает дополнит. воздействие на процесс образования ионов или на их подвижность и, следовательно, рекомбинацию. Возникающее при этом изменение проводимости пропорционально содержанию примесей.

Все ионизац. Г. содержат проточную ионизац. камеру (как на рис. 13), на электроды к-рой налагают определенную разность потенциалов. Эти приборы широко применяют для контроля микропримесей в воздухе, а также в кач-ве детекторов в газовых хроматографах. Ниже рассмотрены Наиб. распространенные типы ионизац. Г., используемые без предварительного хроматографич. разделения пробы.

Рис. 13. Радиоизотопный ионизац. газоанализатор: 1 -ионизац. камера; 2-источник ионизации; 3-электроды; 4-источник напряжения; 5-усилитель; 6-вторичный прибор.

К радиоизотопным Г. (рис. 13), в к-рых ионизацию газов осуществляют радиоактивным излучением, относятся приборы на основе сечения ионизации, электронно-захватные и аэрозольно-ионизационные. В первых используют разницу в сечениях (вероятности) ионизации компонентов смеси. Ионизацию осуществляют обычноизлучением ⁹⁰Sr, ³H, ⁶³Ni, ¹⁴⁷Pm. Эти Г. не избирательны, их применяют для анализа смесей H₂-N₂, N₂-CO₂, Н₂ - этилен, Н₂-СН₄, H₂-CH₃SiCl₃, H₂-BC1₃ и т.п.; диапазон измерения 0,01-100%; время установления показаний - до 0,1 с.

Действие электронно-захватных Г. основано на способности молекул ряда в-в (О₂, Н₂О, галогены, галогенсодержащие орг. соед., ароматич. углеводороды, спирты, карбонильные соед. и др.) захватывать своб. электроны, возникающие при ионизации газов, и превращаться при этом в ионы. Последние имеют меньшую подвижность, чем электроны, в результате чего ионизац. ток падает пропорционально концентрации в-ва. Электронно-захватные Г. применяют для контроля примесей (в частности, галогенов при их концентрации 10^-3-10⁴%) в чистых газах и воздухе. При определении примесей в воздухе на входе в Г. обычно помещают полимерные мембраны, задерживающие О₂.

В основе действия аэрозольно-ионизационных Г. лежит зависимость ионизац. тока от концентрации аэрозольных частиц, образующихся после предварительного избират. перевода определяемого компонента смеси в аэрозоль. Этот перевод осуществляют обычно хим. р-цией с соответствующим реагентом или фотохим. р-цией в газовой фазе, пиролизом исследуемого в-ва, а также сочетанием пиролиза с послед. хим. р-цией с реагентом. Напр., при определении NH₃ в кач-ве реагента можно использовать пары соляной к-ты; в результате образуется аэрозоль NH₄C1. Размер аэрозольных частиц 10^-7-10^-4 см. Концентрации анализируемых компонентов 10^-5-10^-3%. Аэрозольно-иониза-ционный Г. используют, в частности, для определения микропримесей NH₃, аминов, НС1, HF, NO₂, паров HNO₃, карбонилов Ni и Со, фосгена и ряда др. соед. в воздухе пром. помещений.

В пламенно-ионизационных Г. анализируемые орг. соед. ионизуют в водородном пламени. Эффективность ионизации пропорциональна числу атомов С, поступающих в пламя в единицу времени, но зависит также от наличия в молекуле в-ва атомов др. элементов. Схема такого прибора представлена на рис. 14. Горелка служит одним из электродов ионизац. камеры. Второй электрод ("коллекторный") - тонкостенный цилиндр или кольцо. Эти Г. используют для определения орг. в-в в воздухе и технол. газах. При совместном присутствии ряда орг. компонентов находят либо их сумму, либо концентрацию компонентов со значительно большей эффективностью ионизации. С помощью пламенно-ионизационных Г. контролируют изменения суммарного содержания углеводородов в атмосфере и токсичные примеси в воздухе пром. помещений, чистоту выхлопных газов автомобилей, утечки газов из трубопроводов и подземных коммуникаций. Диапазон измеряемых концентраций 10^-5-1%. Имеется непосредств. взаимосвязь между эффективностью ионизации орг. газов и паров и степенью взрывоопасности их смесей с воздухом. Это позволяет контролировать довзрывные концентрации орг. в-в в пром. помещениях, шахтах, туннелях.

Рис. 14. Пламенно-ионизац. газоанализатор: 1-ионизац. камера; 2-горелка; 3-коллекторный электрод; 4-источник напряжения; 5-усилитель; 6-вторичный прибор.

В поверхностно-ионизационных Г. образуются положит. ионы при адсорбции газов на нагретых пов-стях металлов или их оксидов. Ионизоваться могут компоненты с достаточно низкими потенциалами ионизации, сравнимыми по величине с работой выхода электронов из нагретой пов-сти (эмиттера). Обычно ионизуются не контролируемые компоненты смеси, а продукты их р-ций на каталитически активной пов-сти. В кач-ве эмиттеров применяют, напр., нагреваемые током спирали из Pt, оксидов Мо или W. Нагретый эмиттер одновременно служит одним из электродов ионизац. камеры. Второй ("коллекторный") электрод выполняют в виде наружного цилиндра. Т-ру нагрева эмиттера изменяют от 350 до 850 °С. С помощью таких Г. определяют фенол, уксусную и муравьиную к-ты, а также (с высокой избирательностью) азотсодержащие орг. соед., в частности анилин, амины, гидразины. Созданы приборы для контроля ряда аминов (диэтиламин, триэтиламин и др.) в воздухе пром. помещений. Диапазон измеряемых концентраций 10^-5-10^-2%.

В т. наз. "галогенных" Г. на пов-сти платины, нагретой до 800-850 °С, ионизуются щелочные металлы (обычно Na и К), добавляемые в виде солей в зону нагрева и ионизации. Эмиссия щелочных ионов зависит от содержания в окружающем воздухе галогенов и их соединений. Эти приборы позволяют определять галогены (С1, Вг) в воздухе пром. помещений, хладоны при контроле герметичности холодильных установок и бытовых аэрозольных баллончиков с пределами обнаружения ок. 10^-4%.

В фотоионизационных Г. молекулы определяемого компонента ионизуются УФ-излучением. Это возможно, если энергия фотонов не ниже потенциала ионизации молекул. В кач-ве источников излучения используют лампы, генерирующие фотоны с энергиями 9,5, 10, 10,2, 10,9 и 11,7 эВ. Осн. компоненты воздуха (О₂, N₂, CO, СО₂, Н₂О), а также СН₄ имеют потенциалы ионизации в диапазоне 12-20 эВ и такими фотонами не ионизуются. Фотоионизац. Г. применяют для контроля примесей ароматич. и непредельных углеводородов, альдегидов, кетонов, спиртов и других орг. соед. в воздухе с пределами обнаружения 10^-5 -10^-4%. Подбирая излучение с подходящей энергией, можно избирательно определять, напр., ароматич. соединения в присут. алканов и кислородсодержащих орг. соед., меркаптаны в присут. H₂S.

Полупроводниковые газоанализаторы. Их действие основано на изменении сопротивления полупроводника (пленки или монокристалла) при воздействии анализируемого компонента смеси. В основе работы полупроводниковых окисных Г. лежит изменение проводимости чувствит. слоя (смеси оксидов металлов) при хемосорбции на его пов-сти молекул химически активных газов (рис. 15). Такие Г. применяют для определения горючих газов (в частности, Н₂, СН₄, пропана), а также О₂, СО₂ и др. Селективность анализа достигается варьированием состава чувствит. слоя и его т-ры (при помощи встроенного нагревателя). Диапазон измеряемых концентраций горючих газов 0,01-1% по объему.

Рис. 15. Полупроводниковый окисный газоанализатор: 1-подложка; 2-контакты; 3-чувствит. слой; 4-нагреват. элемент; 5-вторичный прибор; 6-источник напряжения.

В полупроводниковых Г. с кристаллическими чувствит. элементами измеряют проводимость монокристалла или более сложной полупроводниковой структуры с р-n-переходами при изменении зарядового состояния пов-сти, т.е. концентрации или распределения зарядов на ней. Напр., для определения Н₂ используют чувствит. элементы в виде системы слоев металл - диэлектрик - полупроводник (канальные транзисторы), причем верх. металлич. слой получают из Pd или его сплавов. Изменение зарядового состояния пов-сти достигается изменением контактной разности потенциалов между полупроводником и Pd при растворении в последнем Н₂, присутствующего в анализируемой смеси. Диапазон измеряемых концентраций Н₂ в инертных газах 10^-5-10^-3%.

Для серийного произ-ва полупроводниковых Г. применяют совр. технологию микроэлектроники, что позволяет создавать измерит. преобразователь, включающий чувствит. элемент, систему термостатирования и усилитель электрич. сигнала в виде отдельного микромодуля.

Лит.: Павленко В. А., Газоанализаторы, М.-Л., 1965; Бражников В. В., Дифференциальные детекторы для газовой хроматографии, М., 1974; Кулаков М. В., Технологические измерения и приборы для химических производств, М., 1983. А.М.Дробиз, В.А.Рылов, В.Ю.Рыжнев.