محلل الغازات ذو الموصلية الحرارية

الموصلية الحرارية للغاز

جهاز تحليل الغازات بالتوصيل الحراري هو أداة لتحليل تركيب الغازات عن طريق قياس التوصيل الحراري للغازات المختلطة وفقًا لاختلاف التوصيل الحراري للمواد المختلفة. من المعروف أن هناك ثلاث طرق أساسية لانتقال الحرارة، وهي الحمل الحراري والإشعاع الحراري والتوصيل الحراري. في جهاز تحليل الغازات بالتوصيل الحراري، يُستغل التبادل الحراري الناتج عن التوصيل الحراري استغلالًا كاملًا، ويُقلل فقد الحرارة الناتج عن الحمل الحراري والإشعاع الحراري قدر الإمكان.

تشير الموصلية الحرارية إلى الموصلية الحرارية للمادة، ويمكن وصف العلاقة بين الموصلية الحرارية للمادة ودرجة حرارتها بقانون فورييه. كما هو موضح في الشكل 6-1، يوجد فرق في درجة الحرارة داخل المادة، حيث تنخفض درجة الحرارة تدريجيًا على طول المحور ox. لنأخذ نقطتين a و b على طول المحور ox، والمسافة بينهما △x. Ta و Tb هما درجتا الحرارة المطلقتان للنقطتين a و b على التوالي. يُطلق على معدل تغير درجة الحرارة على طول المحور ox اسم تدرج درجة الحرارة عند نقطة ما على طول هذا المحور. لنأخذ مساحة صغيرة △s بين a و b في الاتجاه الرأسي للمحور ox. من خلال التجربة، يتضح أنه خلال الفترة الزمنية △t، يكون انتقال الحرارة من نقطة ذات درجة حرارة عالية عبر مساحة صغيرة △s متناسبًا مع الزمن △t وتدرج درجة الحرارة △T/△x، كما أنه مرتبط بطبيعة المادة. المعادلة هي:

تمثل المعادلة (6-1) العلاقة بين انتقال الحرارة والمعاملات ذات الصلة، والتي تُعرف بقانون فورييه. تشير الإشارة السالبة في المعادلة إلى انتقال الحرارة في اتجاه انخفاض درجة الحرارة، ويُسمى معامل التناسب λ الموصلية الحرارية لوسط انتقال الحرارة.

تُعدّ الموصلية الحرارية إحدى الخصائص الفيزيائية المهمة للمادة، والتي تُحدد قدرتها على توصيل الحرارة. وتختلف الموصلية الحرارية للمواد المختلفة باختلاف تركيبها وضغطها وكثافتها ودرجة حرارتها ورطوبتها.

يمكن الحصول على ما يلي من الصيغة (6-1):

تمثل المعادلة (6-1) العلاقة بين انتقال الحرارة والمعاملات ذات الصلة، والتي تُعرف بقانون فورييه. تشير الإشارة السالبة في المعادلة إلى انتقال الحرارة في اتجاه انخفاض درجة الحرارة، ويُسمى معامل التناسب λ الموصلية الحرارية لوسط انتقال الحرارة.

تُعدّ الموصلية الحرارية إحدى الخصائص الفيزيائية المهمة للمادة، والتي تُحدد قدرتها على توصيل الحرارة. وتختلف الموصلية الحرارية للمواد المختلفة باختلاف تركيبها وضغطها وكثافتها ودرجة حرارتها ورطوبتها.

يمكن الحصول على ما يلي من الصيغة (6-1):

الموصلية الحرارية للغاز المختلط

تُسمى جميع المكونات باستثناء المكونات المراد قياسها في الغاز المختلط بالغاز الخلفي، وتسمى المكونات التي تؤثر على التحليل في الغاز الخلفي بالمكونات المتداخلة.

النسبة الحجمية لكل مكون في الغاز المختلط هي C1، C2، C3، ...، Cn، ومعامل التوصيل الحراري هو λ1، λ2، λ3، ...، λn. محتوى المكون المراد قياسه ومعامل التوصيل الحراري له هما C1 وλ1. يجب استيفاء الشرطين التاليين لإجراء القياس باستخدام محلل التوصيل الحراري.

①  

يجب أن تكون الموصلية الحرارية لكل مكون من مكونات الغاز المحيط متساوية تقريبًا أو متقاربة جدًا. كما يلي:

λ2≈λ3≈λ4…≈λn

② من الواضح أن الموصلية الحرارية للمكون المراد قياسه تختلف عن تلك الخاصة بالغاز المحيط، وكلما زاد الفرق، كانت الموصلية الحرارية أفضل.

λ1》λ2 أو λ1《λ2

عند تحقق الشرطين المذكورين أعلاه:

λ في الصيغة - الموصلية الحرارية للغاز المختلط

الموصلية الحرارية للمكون i في غاز مختلط

Ci——الكسر الحجمي للمكون i في الغاز المختلط

تُظهر الصيغة (6-5) أنه يمكن الحصول على محتوى المكون C1 عن طريق قياس الموصلية الحرارية λ للغاز المختلط.

تكوين الجهاز ومبدأ عمله

يمكن تقسيم مكونات محلل الغاز الموصل للحرارة إلى جزأين: كاشف التوصيل الحراري والدائرة الكهربائية. يتكون كاشف التوصيل الحراري (المعروف عادةً باسم جهاز الإرسال) من خلية توصيل حراري وجسر قياس، حيث تتصل خلية التوصيل الحراري بجسر القياس، مما يجعلهما جزءًا لا يتجزأ منه. أما الدائرة الكهربائية فتتضمن مصدر طاقة لتثبيت الجهد، ووحدة تحكم في درجة الحرارة، ودائرة تضخيم الإشارة، ودائرة التخطيط الخطي، ودائرة الإخراج.

مبدأ عمل خلية التوصيل الحراري

نظرًا لانخفاض الموصلية الحرارية للغاز، فإن تغيرها يكون طفيفًا، مما يجعل قياسها بدقة بالطريقة المباشرة أمرًا صعبًا. لذا، يتم تحويل تغير الموصلية الحرارية للغاز المختلط إلى تغير في قيمة مقاومة العنصر الحراري باستخدام الطريقة غير المباشرة، مما يسهل قياس هذا التغير بدقة.

الشكل 6-2 هو مبدأ عمل الخلية الموصلة للحرارة، حيث يتم شد سلك مقاومة ذي مقاومة أكبر ومعامل درجة حرارة أكبر وتعليقه في مركز غلاف معدني أسطواني ذي أداء توصيل حراري جيد، ويتم تزويد طرفي الغلاف بمدخل ومخرج للغاز، ويتم ملء الأسطوانة بالغاز المراد قياسه، ويتم تسخين سلك المقاومة بتيار ثابت.

بما أن التيار المار عبر سلك المقاومة ثابت، فإن الحرارة المتولدة عليه في وحدة الزمن ثابتة أيضًا. عندما يمر غاز العينة المراد اختباره عبر الخلية بسرعة منخفضة، تنتقل الحرارة من سلك المقاومة إلى جدار الخلية عبر التوصيل الحراري. عندما يتساوى معدل انتقال الحرارة في الغاز مع معدل تسخين التيار في سلك المقاومة (وتُسمى هذه الحالة بالتوازن الحراري)، تستقر درجة حرارة سلك المقاومة عند قيمة معينة، وتحدد درجة حرارة التوازن هذه مقاومة سلك المقاومة. إذا تغير تركيز المكون المراد قياسه في الغاز المختلط، تتغير الموصلية الحرارية للغاز المختلط، وبالتالي يتغير معدل الموصلية الحرارية للغاز ودرجة حرارة التوازن لسلك المقاومة، مما يؤدي في النهاية إلى تغير مماثل في مقاومة سلك المقاومة، وبذلك يتحقق التحويل بين الموصلية الحرارية للغاز وقيمة مقاومة سلك المقاومة.

العلاقة بين مقاومة السلك والتوصيل الحراري لخليط الغازات معطاة بالصيغة التالية (تم حذف الاشتقاق).

في الصيغة، يتم الحصول على مقاومة السلك الساخن Rn و R0 عند درجة حرارة tn (°C) (درجة حرارة السلك الساخن في حالة التوازن الحراري) وعند 0 درجة مئوية.

أ- معامل مقاومة درجة حرارة السلك الساخن

tc——درجة حرارة جدار خلية الهواء في خلية التوصيل الحراري

أنا——تيار كهربائي يمر عبر سلك التسخين

λ——التوصيل الحراري للغاز المختلط

K——ثابت القياس، وهو ثابت مرتبط ببنية خلية التوصيل الحراري

تُظهر الصيغة (6-6) أن Rn و λ دالتان أحاديتان القيمة عندما تكون K و tc و I ثابتة.

تستخدم مادة الفتيل الساخن عدة أسلاك من البلاتين (أو أسلاك البلاتين والإيريديوم)، وتتميز هذه الأسلاك بمقاومتها العالية للتآكل، ومعامل مقاومتها الحرارية الكبير، وثباتها العالي. يمكن تعريض سلك البلاتين مباشرةً لغاز العينة لتحسين سرعة استجابة التحليل. مع ذلك، فإن سلك البلاتين عرضة للتآكل والتلف في الغاز المختزل، مما يؤدي إلى تغير قيمة المقاومة، وفي بعض الحالات يعمل أيضاً كمحفز. لهذا السبب، يُستخدم عادةً غشاء زجاجي لتغطية سطح سلك البلاتين. يتميز العنصر الحساس للحرارة المغطى بالغشاء الزجاجي بمقاومته العالية للتآكل (حيث يمكن قياس الهيدروجين في الكلور) وسهولة تنظيفه، لكن وجود الغشاء الزجاجي يؤخر الوصول إلى التوازن الحراري بين الغاز وسلك البلاتين، مما يؤدي إلى ضعف طفيف في الخصائص الديناميكية للعنصر.

المادة المستخدمة في تصنيع جسم خزان نقل الحرارة هي النحاس. ولمنع تآكل الغاز، يمكن طلاء الجدار الداخلي ومسار الغاز في حوض نقل الحرارة بطبقة من الذهب أو النيكل، كما يمكن استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ في التصنيع.

تكوين بنية خلية التوصيل الحراري

يتكون هيكل خلية التوصيل الحراري من ثلاثة أنواع: التوصيل المباشر، والحمل الحراري، والانتشار، والحمل الحراري والانتشار، وما إلى ذلك، كما هو موضح في الشكل 6-3.

(1) مستقيم

تقع حجرة القياس بالتوازي مع مسار الغاز الرئيسي، ويتم توزيع الغاز من مسار الغاز الرئيسي إلى حجرة القياس. يتميز هذا التصميم بسرعة استجابة عالية وتخلف منخفض، ولكنه يتأثر بسهولة بتقلبات معدل تدفق الغاز.

(2) الحمل الحراري

تتصل حجرة القياس بمدخل مسار الغاز الرئيسي بالتوازي، ويدخل جزء صغير من الغاز المراد قياسه إلى حجرة القياس (أنبوب التدوير). يُسخّن الغاز في أنبوب التدوير، مما يُحدث حملاً حرارياً، ويدفع الغاز عائدًا من الجزء السفلي لأنبوب التدوير إلى مسار الغاز الرئيسي وفقًا لاتجاه السهم. تكمن الميزة في أن تقلبات تدفق الغاز لا تؤثر بشكل كبير على القياس، إلا أن سرعة الاستجابة بطيئة والتأخير كبير.

(3) الانتشار

تُوضع حجرة قياس في الجزء العلوي من مسار الغاز الرئيسي، ويدخل الغاز المراد قياسه إلى هذه الحجرة عبر الانتشار. تتميز هذه البنية بأنها أقل تأثراً بتقلبات معدل تدفق الغاز، ومناسبة للغازات ذات الكتلة الخفيفة سهلة الانتشار، ولكنها تُظهر تخلفاً أكبر في الاستجابة للغازات ذات معامل الانتشار المنخفض.

(4) الانتشار بالحمل الحراري

يُضاف أنبوب فرعي لتشكيل فصل تدفق يعتمد على الانتشار لتقليل التأخير. عندما يتدفق غاز العينة من مسار الغاز الرئيسي، يدخل جزء منه إلى حجرة القياس في وضع الانتشار، ويُسخّن بواسطة سلك المقاومة لتشكيل تدفق غاز صاعد. نظرًا لتقييد فتحة الخانق، يدخل جزء فقط من تدفق الهواء إلى الأنبوب الفرعي عبر فتحة الخانق، حيث يبرد ويتحرك لأسفل، ثم يُصرّف في النهاية إلى مسار الهواء الرئيسي. يتميز خزان توجيه التسخين الفائق لتدفق الغاز بخاصيتي الحمل الحراري والانتشار، ولذلك يُسمى بالحمل الحراري الانتشار. لا يُولّد هذا الهيكل ظاهرة التدفق العكسي للغاز، كما يمنع تراكم الغاز في حجرة الانتشار، مما يضمن معدل تدفق معين لغاز العينة. خلية التوصيل الحراري غير حساسة لتغيرات الضغط ومعدل تدفق غاز العينة، ويكون زمن التأخير أقصر من زمن التأخير في حالة الانتشار. نظراً للمزايا، يتم تطبيق خلية التوصيل الحراري من نوع الانتشار الحراري على نطاق واسع.

جسر القياس

من المقدمة أعلاه، يمكننا أن نرى أن وظيفة خلية التوصيل الحراري هي تغيير تركيز المكونات في الغاز المختلط إلى تغيير قيمة مقاومة سلك المقاومة، واستخدام الجسر لقياس المقاومة أمر مريح للغاية، والحساسية والدقة عالية نسبيًا، لذلك فإن الأنواع المختلفة من محللات الغاز ذات التوصيل الحراري تعتمد تقريبًا على الجسر كحلقة قياس.

في جسر القياس، ولتقليل تذبذب التيار أو تأثير تغير الظروف الخارجية، يُرتب عادةً ذراع جسر القياس وذراع جسر المرجع. ذراع القياس هو خلية موصلة حراريًا لتدفق غاز العينة، وذراع المرجع هو خلية موصلة حراريًا لغاز المرجع (أو غاز المرجع المار). يتمتع الذراعان بأبعاد هيكلية متطابقة. يوضع ذراع المرجع على ذراع جسر القياس بجوار ذراع القياس، ويعمل على النحو التالي.

① إن فقدان الحرارة لذراع القياس من خلال التدفق والإشعاع هو نفسه تقريبًا مثل ذراع المرجع، وهما يعوضان بعضهما البعض، ويتم تحديد تغير مقاومة السلك الساخن بشكل أساسي عن طريق التوصيل الحراري، أي تغير قدرة الغاز على توصيل الحرارة.

② عندما يكون تغير درجة حرارة ذراع خلية التوصيل الحراري ناتجًا عن تغير درجة حرارة البيئة، فإن ذراع المرجع وذراع القياس يتغيران في نفس الاتجاه، مما يؤدي إلى تعويض متبادل ومفيد لإضعاف تأثير تغير درجة الحرارة على نتيجة القياس.

③ من خلال تغيير تركيز الغاز المرجعي، يتم تغيير الحد الأدنى لتركيز الكشف الجسري، مما يسهل تغيير نطاق قياس الجهاز.

في بنية الجسر وتكوين أذرعه، توجد عدة أشكال، منها الجسر غير المتوازن أحادي الذراع الموصول على التوالي، والجسر غير المتوازن أحادي الذراع الموصول على التوازي، والجسر غير المتوازن ثنائي الذراع الموصول على التوالي والتوازي. يوضح الشكل 6-4 بنية الجسر غير المتوازن ثنائي الذراع الموصول على التوالي والتوازي، وهو الأكثر شيوعًا حاليًا. يتكون هذا الجسر من خليتين موصلتين للحرارة للقياس وخليتين موصلتين للحرارة للمقارنة. في الشكل، Rm هي مقاومة ذراع القياس، وRs هي مقاومة ذراع المقارنة. تُرتّب أذرع القياس وأذرع المقارنة على مسافات منتظمة لتشكيل بنية ثنائية الذراع موصولة على التوالي، ويتدفق غاز العينة عبر خليتي التوصيل الحراري بالتتابع.

يكون ناتج الجسر في الحالة الابتدائية كما يلي:

الصيغة المذكورة أعلاه هي العلاقة بين △Rm و △Uo، وهي أيضاً تعبير عن حساسية القياس لهذا النوع من الجسور. وبالمقارنة مع الجسر ذي الذراع الواحد ذي البنية نفسها، فقد تضاعفت حساسية القياس.

الشكل 6-5 عبارة عن خلية توصيل حراري مشتركة تستخدم في جسر غير متوازن من النوع المتسلسل المتوازي ذو الذراعين، وخليتي توصيل حراري للقياس وخليتي توصيل حراري مرجعيتين، حيث يتم توصيل أطرافها على التوالي بالأذرع الأربعة لجسر القياس، وتعتمد كل خلية توصيل حراري على بنية من نوع الحمل الحراري والانتشار.

تُصنع أحواض التوصيل الحراري الأربعة من معدن ذي أداء ممتاز في توصيل الحرارة، مما يضمن تساوي درجة حرارة حوض القياس وحوض المقارنة. وعند تغير درجة الحرارة المحيطة، يكون تأثير ذلك متساوياً على جدران الأحواض الأربعة، وبالتالي تقليل خطأ القياس. ويمكن استخدام جهاز التحكم في درجة الحرارة للحفاظ على ثبات درجة حرارة حوض التوصيل الحراري بأكمله في ظروف القياس عالية الدقة.

تطورات في أجهزة الكشف عن التوصيل الحراري

يبلغ الحجم الداخلي لخلية التوصيل الحراري بضعة ملليلترات، والحد الأدنى للقياس حوالي 100 جزء في المليون. مع تطور تكنولوجيا أجهزة الاستشعار، استُخدم كاشف التوصيل الحراري الدقيق في محللات غازات التوصيل الحراري وأجهزة كروماتوغرافيا غازات التوصيل الحراري المصنعة في الخارج. تم تحسين حجم خلية التوصيل الحراري بشكل دقيق، كما تم تصغير العنصر الحراري، مما أدى إلى تحسين حساسية الفحص بشكل كبير، حيث يمكن أن يصل الحد الأدنى للقياس إلى حوالي 10 أجزاء في المليون، بل وحتى جزء واحد في المليون، كما هو موضح في الشكل 6-6. صُنعت هذه المقاومة ذات الطبقة الرقيقة على رقاقة سيليكون باستخدام تقنية الطباعة الحجرية فائقة الدقة لسلك بلاتيني رفيع للغاية. من الشكل، نلاحظ أن بنية خلية التوصيل الحراري هي بنية انتشارية.

دائرة الآلة الكاملة

تم شرح دائرة محلل الهيدروجين من نوع التوصيل الحراري CI2000-RQD في العديد من الكتب والمواد التعليمية. ويُستخدم محلل الهيدروجين من نوع التوصيل الحراري CI2000-RQD، الذي تنتجه شركة Chang Ai Electronics، كمثال لشرح دائرة محلل الغازات من نوع التوصيل الحراري بإيجاز.

تُستخدم المعالجات الدقيقة وتقنيات المعالجة الرقمية في دائرة CI2000-RQD. يوضح الشكل 6-7 الدائرة كاملةً. ينتمي هيكل حوض التوصيل الحراري الموضح في الشكل إلى نوع الانتشار الحراري، ويستخدم مصدر طاقة جسر القياس دائرة مصدر تيار. تُرسل إشارة قياس جسر ويتستون إلى مُضخِّم يُمكن التحكم به بواسطة برنامج، حيث يتم تضخيمها وترشيحها بواسطة مرشح تمرير منخفض من نوع Butterworth. بعد ذلك، يتم التحكم في عملية التحويل التناظري إلى الرقمي بواسطة معالج دقيق، ثم تُعالَج البيانات المُحوَّلة بواسطة البرنامج لتحويلها إلى بيانات رقمية، بما في ذلك الترشيح والمعالجة الخطية وتحويل المقياس وحساب الخطأ وتعويض تأثير درجة الحرارة والضغط، إلخ، وأخيرًا تُخرَج الإشارة.

التطبيقات

يُعدّ محلل الغازات ذو التوصيل الحراري طريقة فعّالة لقياس أحد مكونات خليط غازين (يختلفان اختلافًا كبيرًا في التوصيل الحراري). يُستخدم هذا الجهاز بشكل أساسي لقياس الهيدروجين (H2)، كما يُستخدم أيضًا لقياس محتوى ثاني أكسيد الكربون (CO2) وثاني أكسيد الكبريت (SO2) والأرجون (Ar)، وله نطاق تطبيقات واسع. فيما يلي بعض التطبيقات النموذجية:

قياس محتوى الهيدروجين في الغاز التخليقي من مصنع الأمونيا

قياس نقاء الهيدروجين في محطة الهدرجة

قياس محتوى ثاني أكسيد الكربون في غازات مداخن الأفران

قياس محتوى ثاني أكسيد الكبريت في عملية إنتاج حمض الكبريتيك والأسمدة الفوسفاتية

قياس محتوى الأرجون في جهاز فصل الهواء

قياس نسبة الأكسجين في الهيدروجين النقي ونسبة الهيدروجين في الأكسجين النقي أثناء عملية إنتاج الهيدروجين والتحليل الكهربائي للأكسجين

قياس الهيدروجين في الكلور في عملية إنتاج الكلور

قياس محتوى الهيدروجين في غاز الهيدروكربون

مراقبة محتوى الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون في مجموعات المولدات المبردة بالهيدروجين

المراقبة في إنتاج الغاز النقي، مثل الهيليوم في النيتروجين، والأرجون في الأكسجين، وما إلى ذلك.

تحليل خطأ القياس

يُعدّ محلل الغازات الحراري الموصل نوعًا من أجهزة التحليل ذات الانتقائية المنخفضة. ورغم اتخاذ تدابير مختلفة في تصميم وتصنيع الجهاز، وتحديد ظروف التشغيل، والحدّ من تأثير بعض عوامل التداخل، إلا أن الخطأ الأساسي للمحلل لا يتجاوز عادةً ±2%. والسبب الرئيسي في ذلك هو تأثير تركيب الغاز المحيط على نتائج التحليل.

يتشابه كاشف التوصيل الحراري في جهاز كروماتوغرافيا الغاز الصناعية مع كاشف التوصيل الحراري في محلل الغاز، إلا أن دقة القياس في الأخير أعلى. والسبب هو أنه بعد فصل العينة بواسطة عمود الكروماتوغرافيا، يدخل إلى خزان التوصيل الحراري خليط ثنائي من غاز واحد وغاز حامل فقط، وهو أمر يصعب تحقيقه في محلل الغاز. غالبًا ما يكون الغاز الخلفي خليطًا من عدة غازات، مما يؤثر بدرجات متفاوتة على التوصيل الحراري لغاز العينة، ويزداد هذا التأثير بتغير تركيبة الغاز الخلفي.

يتكون خطأ القياس في محلل الغازات الموصلة للحرارة من جزأين: الخطأ الأساسي والخطأ الإضافي. يتحدد الخطأ الأساسي بمبدأ القياس، وخصائص البنية، ودقة تحويل الإشارة في كل وصلة، ودقة شاشة العرض. أي أنه خطأ المحلل عند عمله في ظل الظروف المحددة. أما الخطأ الإضافي فينتج عن ضبط الجهاز، أو سوء الاستخدام، أو تغير الظروف الخارجية. ومن أهم عوامل الخطأ الإضافي في محلل الغازات الموصلة للحرارة: تركيب ودقة الغاز القياسي؛ وجود مكونات أو غبار أو قطرات متداخلة؛ ضغط ومعدل تدفق ودرجة حرارة عينة الغاز؛ وتغيرات تيار الجسر.

تأثير التركيب ودقة الغاز القياسي

يحتاج محلل الغازات الموصل حراريًا، كغيره من أجهزة التحليل، إلى معايرة دورية باستخدام غاز معياري، إلا أنه يتطلب كمية أكبر من هذا الغاز. من حيث المبدأ، يجب أن يكون تركيب ومحتوى الغاز الأساسي في الغاز المعياري مطابقًا لتركيب ومحتوى الغاز المقاس، وهو أمر يصعب تحقيقه عمليًا. مع ذلك، يجب أن تتوافق الموصلية الحرارية للغاز الأساسي في الغاز المعياري مع الموصلية الحرارية للغاز المقاس، وإلا يجب تصحيح نتائج المعايرة. إضافةً إلى ذلك، ولضمان دقة الغاز المعياري، يجب ألا يتجاوز الخطأ نصف الخطأ الأساسي للجهاز.

التأثيرات في وجود مكونات متداخلة في غاز العينة

يُعدّ وجود مكونات متداخلة في غاز العينة عاملاً مهماً في توليد أخطاء إضافية. فعلى سبيل المثال، عند تحليل محتوى ثاني أكسيد الكربون في غاز المداخن باستخدام محلل التوصيل الحراري، يُعتبر ثاني أكسيد الكبريت (SO2) في غاز المداخن مكوناً متداخلاً، وتوصيله الحراري يساوي نصف توصيل ثاني أكسيد الكربون. فإذا كان محتوى ثاني أكسيد الكبريت في غاز المداخن 1%، فإن خطأ نتيجة التحليل سيقارب 2%. لذا، من الضروري فهم المكونات المتداخلة في الغاز الأساسي وتأثيرها على القياس. يوضح الجدول 6-2 تأثير المكونات المتداخلة في الغاز المقاس على نقطة الصفر لقياس محتوى الهيدروجين.

التطبيقات

يُعدّ محلل الغازات ذو التوصيل الحراري طريقة فعّالة لقياس أحد مكونات خليط غازين (يختلفان اختلافًا كبيرًا في التوصيل الحراري). يُستخدم هذا الجهاز بشكل أساسي لقياس الهيدروجين (H2)، كما يُستخدم أيضًا لقياس محتوى ثاني أكسيد الكربون (CO2) وثاني أكسيد الكبريت (SO2) والأرجون (Ar)، وله نطاق تطبيقات واسع. فيما يلي بعض التطبيقات النموذجية:

قياس محتوى الهيدروجين في الغاز التخليقي من مصنع الأمونيا

قياس نقاء الهيدروجين في محطة الهدرجة

قياس محتوى ثاني أكسيد الكربون في غازات مداخن الأفران

قياس محتوى ثاني أكسيد الكبريت في عملية إنتاج حمض الكبريتيك والأسمدة الفوسفاتية

قياس محتوى الأرجون في جهاز فصل الهواء

قياس نسبة الأكسجين في الهيدروجين النقي ونسبة الهيدروجين في الأكسجين النقي أثناء عملية إنتاج الهيدروجين والتحليل الكهربائي للأكسجين

قياس الهيدروجين في الكلور في عملية إنتاج الكلور

قياس محتوى الهيدروجين في غاز الهيدروكربون

مراقبة محتوى الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون في مجموعات المولدات المبردة بالهيدروجين

المراقبة في إنتاج الغاز النقي، مثل الهيليوم في النيتروجين، والأرجون في الأكسجين، وما إلى ذلك.

تحليل خطأ القياس

يُعدّ محلل الغازات الحراري الموصل نوعًا من أجهزة التحليل ذات الانتقائية المنخفضة. ورغم اتخاذ تدابير مختلفة في تصميم وتصنيع الجهاز، وتحديد ظروف التشغيل، والحدّ من تأثير بعض عوامل التداخل، إلا أن الخطأ الأساسي للمحلل لا يتجاوز عادةً ±2%. والسبب الرئيسي في ذلك هو تأثير تركيب الغاز المحيط على نتائج التحليل.

يتشابه كاشف التوصيل الحراري في جهاز كروماتوغرافيا الغاز الصناعية مع كاشف التوصيل الحراري في محلل الغاز، إلا أن دقة القياس في الأخير أعلى. والسبب هو أنه بعد فصل العينة بواسطة عمود الكروماتوغرافيا، يدخل إلى خزان التوصيل الحراري خليط ثنائي من غاز واحد وغاز حامل فقط، وهو أمر يصعب تحقيقه في محلل الغاز. غالبًا ما يكون الغاز الخلفي خليطًا من عدة غازات، مما يؤثر بدرجات متفاوتة على التوصيل الحراري لغاز العينة، ويزداد هذا التأثير بتغير تركيبة الغاز الخلفي.

يتكون خطأ القياس في محلل الغازات الموصلة للحرارة من جزأين: الخطأ الأساسي والخطأ الإضافي. يتحدد الخطأ الأساسي بمبدأ القياس، وخصائص البنية، ودقة تحويل الإشارة في كل وصلة، ودقة شاشة العرض. أي أنه خطأ المحلل عند عمله في ظل الظروف المحددة. أما الخطأ الإضافي فينتج عن ضبط الجهاز، أو سوء الاستخدام، أو تغير الظروف الخارجية. ومن أهم عوامل الخطأ الإضافي في محلل الغازات الموصلة للحرارة: تركيب ودقة الغاز القياسي؛ وجود مكونات أو غبار أو قطرات متداخلة؛ ضغط ومعدل تدفق ودرجة حرارة عينة الغاز؛ وتغيرات تيار الجسر.

تأثير التركيب ودقة الغاز القياسي

يحتاج محلل الغازات الموصل حراريًا، كغيره من أجهزة التحليل، إلى معايرة دورية باستخدام غاز معياري، إلا أنه يتطلب كمية أكبر من هذا الغاز. من حيث المبدأ، يجب أن يكون تركيب ومحتوى الغاز الأساسي في الغاز المعياري مطابقًا لتركيب ومحتوى الغاز المقاس، وهو أمر يصعب تحقيقه عمليًا. مع ذلك، يجب أن تتوافق الموصلية الحرارية للغاز الأساسي في الغاز المعياري مع الموصلية الحرارية للغاز المقاس، وإلا يجب تصحيح نتائج المعايرة. إضافةً إلى ذلك، ولضمان دقة الغاز المعياري، يجب ألا يتجاوز الخطأ نصف الخطأ الأساسي للجهاز.

التأثيرات في وجود مكونات متداخلة في غاز العينة

يُعدّ وجود مكونات متداخلة في غاز العينة عاملاً مهماً في توليد أخطاء إضافية. فعلى سبيل المثال، عند تحليل محتوى ثاني أكسيد الكربون في غاز المداخن باستخدام محلل التوصيل الحراري، يُعتبر ثاني أكسيد الكبريت (SO2) في غاز المداخن مكوناً متداخلاً، وتوصيله الحراري يساوي نصف توصيل ثاني أكسيد الكربون. فإذا كان محتوى ثاني أكسيد الكبريت في غاز المداخن 1%، فإن خطأ نتيجة التحليل سيقارب 2%. لذا، من الضروري فهم المكونات المتداخلة في الغاز الأساسي وتأثيرها على القياس. يوضح الجدول 6-2 تأثير المكونات المتداخلة في الغاز المقاس على نقطة الصفر لقياس محتوى الهيدروجين.