Физические основы магнитных методов анализа газов

Переносные газоанализаторы кислорода

Физические основы магнитных методов анализа газов.

Большинство газов относятся к парамагнитным веществам, то есть веществам, со слабыми магнитными свойствами. Их магнитные свойства характеризуются объемной магнитной восприимчивостью c, которая для парамагнитных газов равна

c = СМР \ ТR

где: С – постоянная Кюри;

М – молекулярная масса;

Р – давление;

Т – температура газа;

R – универсальная газовая постоянная.

Из приведенного выражения видно, что значение объемной магнитной восприимчивости прямо пропорционально окружающему давлению и обратно пропорционально температуре. С ростом температуры значение магнитной восприимчивости падает. Это обстоятельство лежит в основе современных газоанализаторов на кислород.

В практике для характеристики магнитных свойств газов часто используется понятие относительной магнитной восприимчивости по кислороду. Значения относительной магнитной восприимчивости некоторых газов приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Значения относительной магнитной восприимчивости некоторых газов при 20⁰С.

№	Газ	c
	Кислород
	Воздух	0,21
	Окись азота	0,362
	Диоксид азота	0,0616
	Ацетилен	0,0068
	Аммиак	0,0057
	Метан	0,0068
	Углекислый газ	0,0057
	Азот	0,004
	Водород	0,0011
	Гелий	0,00057
	Неон	0,0022
	Пары воды	0,004

Из приведенных данных видно, что только один кислород характеризуется явно выраженной парамагнитной восприимчивостью, которая на два порядка выше, чем у остальных газов. В сжиженном и особенно в твердом состоянии магнитные свойства кислорода проявляются достаточно сильно. Так, твердый кислород притягивается магнитом. Это отличительное свойство кислорода позволило разработать магнитные методы его определения. Для создания газоанализаторов на кислород наиболее широкое применение нашел термомагнитный метод, основанный на явлении термомагнитной конвекции. Под этим явлением подразумевают конвекцию газовой смеси, содержащей кислород и окружающей нагретое тело в неоднородном магнитном поле. Данное явление было известно еще Фарадею. Появление конвекционных потоков в неоднородном магнитном поле получило название "магнитного ветра Фарадея". Парамагнитные молекулы кислорода, находясь в неоднородном магнитном поле, втягиваются в область более сильного поля. Однако магнитная восприимчивость кислорода с увеличением температуры падает, поэтому нагретые от источника тепла молекулы с меньшими магнитными свойствами сразу же выталкиваются более холодными молекулами, имеющими более высокую магнитную восприимчивость. Таким образом, нагревательный элемент, находящийся в неоднородном постоянном магнитном поле, приводит к появлению конвекционных потоков окружающего газа за счет парамагнитных молекул кислорода присутствующего в газе. Изменение концентрации кислорода в смеси приведет к изменению термомагнитной конвекции, а, следовательно, и к изменению температуры нагревательного элемента. Если нагревательный элемент является термосопротивлением, то по его величине можно судить о концентрации кислорода в окружающем газе. Нагревательный элемент изготавливается из материала с большим температурным коэффициентом электрического сопротивления, как правило, из чистой платины. Наиболее распространенной электрической схемой, применяемой для измерения изменения сопротивления, является мостовая схема (Рис.1.).

Работа мостовой схемы аналогична работе мостовых схем при измерении теплопроводности газов. Принципы построения измерительных схем практически те же.

Рис.1. Мостовая схема измерения изменения сопротивления чувствительных элементов при термомагнитной конвекции.

Дата добавления: 2014-01-05