Косвенный метод измерения

Косвенный метод измерения потенциала атмосферы состоит в химическом анализе технологической атмосферы на содержание одного из компонентов. Применение метода возможно в том случае, если анализируемый компонент может находиться в термодинамическом равновесии с поверхностью насыщающего материала.

Рассмотрим косвенные способы контроля потенциала на примере цементационных атмосфер.

Наибольшее применение находят эндотермические атмосферы с небольшими добавками СН₄. Примерный состав такой атмосферы:

- основные компоненты (их количество примерно постоянно) 20 % СО; 40 % Н₂; 40 % N₂;

- примеси (суммарное количество около 1 %) Н₂О; СО₂; О₂;

- метан (до 5 %) добавляют для увеличения π _с и ускорения процесса науглероживания.

Поскольку концентрация основных компонентов практически неизменна, для контроля потенциала эндотермической атмосферы измеряют концентрацию примесей. Кроме того, небольшое изменение концентрации примесей сильно изменяет углеродный потенциал. Например, изменение концентрации основного компонента СО на 0,5 % изменяет π _с на 0,03 %, а изменение количества СО₂ на 0,01 % изменяет π _с на 0,04 %.

1. Измерение концентрации Н ₂ О

Для измерения концентрации Н₂О (влажности или точки росы цементационной атмосферы) используют конденсационные или резистивные гигрометры.

Принцип действия. Отбор пробы газа и ее охлаждение до температуры, при которой происходит конденсация паров воды на поверхности чувствительного элемента. При этом изменяется коэффициент отражения металлической поверхности или сопротивление резистивного датчика.

Рассмотрим схему конденсационного гигрометра.

1 – камера гигрометра;

2 – термоэлектрическая батарея (холодильник);

3 – зеркало;

4 – датчик температуры;

5 – схема управления;

НL – осветительная лампа;

R – фоторезистор;

ИП – источник питания.

Пробу газа пропускают над поверхностью зеркала 3, установленного на термоэлектрическом холодильнике 2. Температурный режим холодильника 2 обеспечивает схема управления 5 по сигналу, поступающему от фоторезистора R. Зеркало 3 охлаждается до температуры, при которой происходит конденсация паров воды и изменение отражательной способности зеркальной поверхности. При этом уменьшается световой поток от осветительной лампы НL, попадающий на фоторезистор R, и изменяется состояние схемы управления. Это обеспечивает температуру зеркала, равную точке росы анализируемой пробы газа. Выходной сигнал гигрометра формирует датчик температуры 4.

Резистивные гигрометры изготавливают на основе хлористо-литиевого датчика. Датчик (пористый эбонит, пропитанный LiCl) изменяет сопротивление от 10¹² до 10⁵ Ом при изменении влажности. Неработоспособен в атмосферах с добавками аммиака.

Свойства гигрометров:

- диапазон измерения точки росы от –85 до +20 °С с погрешностью ±1 °С (например, при t =925 °С изменение точки росы от 0 до –5 °С изменяет потенциал от 0,6 до 0,9 %С);

- необходим отбор пробы газа и ее охлаждение, что может привести к изменению химического состава; это уменьшает достоверность результатов измерения;

- реакции с участием паров воды наименее равновесны, по этой причине рассматриваемый способ наименее достоверный и в настоящее время практически не применяется.

2. Измерение концентрации СО ₂

Наибольшее применение находят инфракрасные (ИК) газоанализаторы.

Принцип действия основан на селективном поглощении ИК излучения в пробе газа, которое зависит от концентрации анализируемого компонента. Многоатомные газы обладают характеристическим спектром поглощения в ИК области. Коэффициент поглощения α _i на длине волны λ _i зависит от парциального давления компонента. Способ применим для измерения концентрации любого многоатомного газа, в том числе СО₂.

В качестве примера рассмотрим конструкцию акустического ИК газоанализатора.

1 – излучатель (нихромовая спираль);

2 – модулятор;

3 – светофильтр;

4 – камера газоанализатора;

5 – конденсаторный микрофон;

λ – непрерывное ИК излучение;

λ _i – излучение, соответствующее полосе поглощения анализируемого компонента.

Излучение от ИК излучателя 1 проходит через модулятор 2, селективный фильтр 3 и поступает в камеру газоанализатора 4. Туда же подается проба анализируемого газа. Фильтр 3 имеет полосу пропускания λ _i на длине волны поглощения анализируемого компонента.

Поглощение ИК излучения вызывает нагрев пробы газа и увеличение давления в камере газоанализатора 4. Поскольку коэффициент поглощения зависит от концентрации анализируемого компонента, то рост давления в камере газоанализатора 4 будет также зависеть от концентрации.

Увеличение давления в камере 4 воспринимает конденсаторный микрофон. Необходимую модуляцию осуществляет вращающийся диск-модулятор 2.

Свойства ИК газоанализаторов:

- быстродействующие, точные и универсальные приборы;

- погрешность измерения концентрации СО₂ может достигать ±0,005 % СО₂, что соответствует погрешности измерения углеродного потенциала ±0,05 % С;

- необходим отбор пробы газа, что может привести к изменению химического состава; это уменьшает достоверность результатов измерения.

3. Кислородные датчики

1 – электролитическая ячейка на основе ZrO₂;

2 – футеровка печи;

3 – термопара для измерения температуры печи;

4 – соединительные провода.

Кислородный датчик представляет собой электролитическую ячейку 1 с твердым электролитом на основе ZrO₂. Ячейка 1 выполнена в виде замкнутой трубки; внутренняя и наружная поверхности трубки покрыты слоем платины для съема ЭДС.

Датчик введен через футеровку 2 в рабочее пространство печи. Внутренний электрод (электрод сравнения) контактирует с окружающей средой, где парциальное давление кислорода постоянно. Наружный электрод контактирует с атмосферой внутри печи. ЭДС, вырабатываемая датчиком, зависит от парциального давления кислорода внутри печи и в окружающей атмосфере :

Е = .

Поскольку парциальное давление О₂ в окружающей атмосфере постоянно, можно утверждать, что ЭДС датчика определяется кислородным потенциалом печной атмосферы.

Для защиты от внешних воздействий датчик размещают в стандартную арматуру, применяемую для термоэлектрических преобразователей. Для обеспечения доступа печной атмосферы к поверхности датчика в арматуре выполняют отверстия.

Свойства кислородных датчиков:

- простая надежная конструкция;

- малые эксплуатационные расходы;

- не требуется отбор пробы газа; измерение осуществляется непосредственно в рабочем пространстве печи, по этой причине – высокая достоверность показаний;

- легко совмещаются с термопарами для измерения температуры печи, что увеличивает точность определения углеродного потенциала;

- погрешность измерения концентрации кислорода ±0,5 %.

Дата добавления: 2014-01-14