آنالایزر گاز رسانایی حرارتی
رسانایی حرارتی گاز
آنالایزر گاز رسانایی حرارتی ابزاری برای تجزیه و تحلیل ترکیب گاز با اندازهگیری رسانایی حرارتی گازهای مخلوط بر اساس رسانایی حرارتی متفاوت مواد مختلف است. به خوبی شناخته شده است که سه روش اساسی انتقال حرارت وجود دارد، یعنی همرفت گرما، تابش گرما و رسانایی گرما. در آنالایزر گاز رسانایی گرما، تبادل گرما که توسط رسانایی گرما ایجاد میشود، به طور کامل مورد استفاده قرار میگیرد و تلفات گرما ناشی از همرفت گرما و تابش گرما تا حد امکان سرکوب میشود.
رسانایی حرارتی، رسانایی حرارتی ماده را نشان میدهد و رابطه بین رسانایی حرارتی ماده را میتوان با قانون فوریه توصیف کرد. همانطور که در شکل 6-1 نشان داده شده است، در یک ماده اختلاف دما وجود دارد و دمای تنظیم به تدریج در امتداد جهت ox کاهش مییابد. دو نقطه a و b را در جهت ox در نظر بگیرید، فاصله بین آنها △x است. Ta و Tb به ترتیب دمای مطلق دو نقطه a و b هستند. نرخ تغییر دما در امتداد جهت ox، گرادیان دمای یک نقطه در امتداد جهت ox نامیده میشود. یک سطح کوچک △s بین a و b در جهت عمودی ox در نظر گرفته شده است. از طریق آزمایش میتوان مشاهده کرد که در زمان △t، انتقال حرارت از یک نقطه در دمای بالا از طریق یک سطح کوچک △s متناسب با زمان △t و گرادیان دمای △T/△x است و همچنین به ماهیت ماده مربوط میشود. معادله به صورت زیر است:
فرمول (6-1) رابطه بین انتقال حرارت و پارامترهای مربوطه را نشان میدهد که قانون فوریه نامیده میشود. علامت منفی در فرمول نشان دهنده انتقال حرارت در جهت کاهش دما است، ضریب متناسب λ، رسانایی حرارتی محیط انتقال حرارت (که به آن رسانایی حرارتی نیز گفته میشود) نامیده میشود.
رسانایی گرمایی یکی از خواص فیزیکی مهم ماده است که توانایی ماده را در هدایت گرما مشخص میکند. رسانایی گرمایی مواد مختلف نیز متفاوت است و با ترکیب، فشار، چگالی، دما و رطوبت تغییر میکند.
در فرمول (6-1) میتوان به دست آورد:
فرمول (6-1) رابطه بین انتقال حرارت و پارامترهای مربوطه را نشان میدهد که قانون فوریه نامیده میشود. علامت منفی در فرمول نشان دهنده انتقال حرارت در جهت کاهش دما است، ضریب متناسب λ، رسانایی حرارتی محیط انتقال حرارت (که به آن رسانایی حرارتی نیز گفته میشود) نامیده میشود.
رسانایی گرمایی یکی از خواص فیزیکی مهم ماده است که توانایی ماده را در هدایت گرما مشخص میکند. رسانایی گرمایی مواد مختلف نیز متفاوت است و با ترکیب، فشار، چگالی، دما و رطوبت تغییر میکند.
در فرمول (6-1) میتوان به دست آورد:
رسانایی حرارتی گاز مخلوط
تمام اجزایی که باید در گاز مخلوط اندازهگیری شوند، به جز اجزایی که باید در گاز مخلوط اندازهگیری شوند، گاز پسزمینه نامیده میشوند و اجزایی که بر آنالیز در گاز پسزمینه تأثیر میگذارند، اجزای تداخلی نامیده میشوند.
کسر حجمی هر جزء در گاز مخلوط C1، C2، C3،…، Cn... است. رسانایی حرارتی λ1، λ2، λ3،…، λn است. محتوا و رسانایی حرارتی جزء مورد نظر برای اندازهگیری C1 و λ1 است. برای اندازهگیری با یک آنالایزر رسانایی حرارتی، دو شرط زیر باید رعایت شود.
①
رسانایی حرارتی هر جزء گاز زمینه باید تقریباً برابر یا بسیار نزدیک به هم باشد. مانند:
λ2≈λ3≈λ4…≈λn
② رسانایی حرارتی جزء مورد اندازهگیری آشکارا با گاز زمینه متفاوت است و هرچه این تفاوت بیشتر باشد، رسانایی حرارتی بهتر است.
λ1》λ2 یا λ1《λ2
وقتی دو شرط بالا برقرار باشد:
λ در فرمول - رسانایی حرارتی گاز مخلوط
رسانایی گرمایی جزء i در یک گاز مخلوط
Ci——کسر حجمی جزء i در گاز مخلوط
فرمول (6-5) نشان میدهد که محتوای جزء C1 را میتوان با اندازهگیری رسانایی حرارتی λ گاز مخلوط بدست آورد.
ترکیب و اصل کار دستگاه
ترکیب آنالایزر گاز رسانای گرما را میتوان به دو بخش تقسیم کرد: آشکارساز رسانای گرما و مدار. آشکارساز رسانایی حرارتی (که معمولاً فرستنده نامیده میشود) از یک سلول رسانایی حرارتی و یک پل اندازهگیری تشکیل شده است، سلول رسانایی حرارتی به عنوان بازوی پل اندازهگیری در پل متصل است، بنابراین این دو از هم جدا نیستند. بخش مدار شامل منبع تغذیه تثبیتکننده ولتاژ، کنترلکننده دمای ثابت، مدار تقویتکننده سیگنال، مدار خطیسازی و مدار خروجی است.
اصل کار سلول هدایت حرارتی
از آنجا که رسانایی حرارتی گاز بسیار کم است، تغییرات آن کمتر است، بنابراین اندازهگیری دقیق آن با روش مستقیم دشوار است. تغییر رسانایی حرارتی گاز مخلوط با روش غیرمستقیم به تغییر مقدار مقاومت عنصر حرارتی تبدیل میشود و تغییر مقدار مقاومت به راحتی و با دقت قابل اندازهگیری است.
شکل 6-2 اصول کار سلول رسانای گرما را نشان میدهد، یک سیم مقاومتی با مقاومت ویژه و ضریب دمایی بزرگتر کشیده شده و در مرکز یک پوسته فلزی استوانهای با عملکرد رسانایی گرمایی خوب آویزان است، دو انتهای پوسته دارای ورودی و خروجی گاز هستند، سیلندر با گازی که باید اندازهگیری شود پر شده است و سیم مقاومتی توسط یک جریان ثابت گرم میشود.
از آنجایی که جریان عبوری از سیم مقاومت ثابت است، گرمای تولید شده در واحد زمان روی مقاومت نیز ثابت است. هنگامی که گاز نمونه مورد آزمایش با سرعت کم از سلول عبور میکند، گرمای روی سیم مقاومت توسط گاز به دیواره سلول به روش رسانش حرارتی منتقل میشود. هنگامی که سرعت انتقال حرارت گاز برابر با سرعت گرمایش جریان روی سیم مقاومت باشد (این حالت تعادل حرارتی نامیده میشود)، دمای سیم مقاومت در یک مقدار مشخص پایدار خواهد بود، این دمای تعادل، مقاومت سیم مقاومت را تعیین میکند. اگر غلظت جزء مورد اندازهگیری در گاز مخلوط تغییر کند، رسانایی حرارتی گاز مخلوط تغییر میکند، نرخ رسانایی حرارتی گاز و دمای تعادل سیم مقاومت نیز تغییر میکند و در نهایت منجر به تغییر متناظر مقاومت سیم مقاومت میشود و در نتیجه تبدیل بین رسانایی حرارتی گاز و مقدار مقاومت سیم مقاومت محقق میشود.
رابطه بین مقاومت سیم و رسانایی حرارتی مخلوط گاز با فرمول زیر داده میشود (مشتق حذف شده است)
در فرمول، مقاومت Rn، R0 - سیم داغ در دمای tn(°C) (دمای سیم داغ در تعادل حرارتی) و در دمای 0 درجه سانتیگراد بدست میآید.
الف - ضریب دمایی مقاومت سیم داغ
tc——دمای دیواره سلول هوایی سلول رسانایی حرارتی
I——جریان عبوری از سیم گرمایشی
λ——رسانایی حرارتی گاز مخلوط
K——ثابت گیج، که ثابتی مربوط به ساختار سلول رسانش حرارتی است
فرمول (6-6) نشان میدهد که Rn و λ توابع تک مقداری هستند وقتی K، tc و I ثابت باشند.
ماده رشتهای داغ از چندین سیم پلاتین (یا سیمهای پلاتین ایریدیوم) استفاده میکند، سیمهای پلاتین مقاومت در برابر خوردگی قوی، ضریب دمایی مقاومت بالا و پایداری بالایی دارند. سیم پلاتین را میتوان در معرض گاز نمونه قرار داد و مستقیماً با آن تماس گرفت تا سرعت پاسخ آنالیز بهبود یابد. با این حال، سیم پلاتین به راحتی در گاز کاهنده فرسایش مییابد و خراب میشود، که باعث تغییر مقدار مقاومت میشود و در برخی موارد نقش کاتالیزور را نیز ایفا میکند. به همین دلیل، معمولاً از فیلم شیشهای برای پوشاندن سطح سیم پلاتین استفاده میشود. عنصر حساس به گرما که با فیلم شیشهای پوشانده شده است، مزایای مقاومت در برابر خوردگی قوی (هیدروژن موجود در کلر را میتوان اندازهگیری کرد) و تمیز کردن آسان را دارد، اما وجود فیلم شیشهای زمان رسیدن به تعادل حرارتی بین گاز و سیم پلاتین را به تأخیر میاندازد، بنابراین ویژگیهای دینامیکی عنصر کمی ضعیف است.
جنس بدنه مخزن رسانای گرما از مس است. برای جلوگیری از خوردگی گاز، میتوان یک لایه طلا یا نیکل روی دیواره داخلی و مسیر گاز حوضچه رسانای گرما آبکاری کرد و همچنین میتوان از فولاد ضد زنگ برای ساخت آن استفاده کرد.
تشکیل ساختار سلول هدایت حرارتی
ساختار سلول رسانش گرمایی به صورت مستقیم، همرفت، انتشار، انتشار همرفتی و غیره است، همانطور که در شکل 6-3 نشان داده شده است.
(1) مستقیم
محفظه اندازهگیری موازی با مسیر اصلی گاز است و گاز مسیر اصلی گاز به محفظه اندازهگیری توزیع میشود. این ساختار سرعت واکنش سریع و هیسترزیس کمی دارد، اما به راحتی تحت تأثیر نوسانات سرعت جریان گاز قرار میگیرد.
(2) همرفت
محفظه اندازهگیری به صورت موازی به ورودی مسیر اصلی گاز متصل است و بخش کوچکی از گاز مورد اندازهگیری وارد محفظه اندازهگیری (لوله گردشی) میشود. گاز در لوله گردشی گرم میشود که باعث همرفت گرما میشود و گاز را به سمت بازگشت از قسمت پایین لوله گردشی به مسیر اصلی گاز مطابق جهت فلش سوق میدهد. مزیت این است که نوسان جریان گاز تأثیر کمی بر اندازهگیری دارد، اما سرعت واکنش آن کند و تأخیر زیاد است.
(3) انتشار
یک محفظه اندازهگیری در قسمت بالایی مسیر اصلی گاز قرار گرفته است و گاز مورد اندازهگیری از طریق عمل انتشار وارد محفظه اندازهگیری میشود. مزایای این ساختار کمتر تحت تأثیر نوسانات سرعت جریان گاز قرار میگیرد، برای گازهایی با جرم سبکتر که به راحتی منتشر میشوند مناسب است، اما برای گازهایی با ضریب انتشار کوچکتر، هیسترزیس بزرگتری دارد.
(4) انتشار همرفتی
یک لوله فرعی برای ایجاد جداسازی جریان بر اساس نوع انتشار اضافه میشود تا تأخیر را کاهش دهد. هنگامی که گاز نمونه از مسیر اصلی گاز جریان مییابد، بخشی از گاز در حالت انتشار وارد محفظه اندازهگیری میشود و توسط سیم مقاومت گرم میشود تا یک جریان گاز صعودی تشکیل شود. به دلیل محدودیت سوراخ دریچه گاز، تنها بخشی از جریان هوا از طریق سوراخ دریچه گاز وارد لوله فرعی میشود، خنک شده و به سمت پایین حرکت میکند و در نهایت به مسیر اصلی هوا تخلیه میشود. قدرت مخزن هدایت جریان گاز فوق گرمایش هم همرفت و هم انتشار را دارد، بنابراین به آن انتشار همرفت میگویند. این ساختار نمیتواند پدیده جریان معکوس گاز را ایجاد کند، بلکه از تجمع گاز در محفظه انتشار نیز جلوگیری میکند و در نتیجه تضمین میکند که گاز نمونه دارای سرعت جریان مشخصی باشد. سلول هدایت حرارتی نسبت به تغییر فشار و سرعت جریان گاز نمونه حساس نیست و زمان تأخیر آن کوتاهتر از انتشار است. به دلیل مزایا، سلول هدایت حرارتی از نوع انتشار همرفت به طور گسترده استفاده میشود.
پل اندازهگیری
از مقدمه بالا، میتوانیم ببینیم که عملکرد سلول رسانایی حرارتی، تغییر غلظت اجزای موجود در گاز مخلوط به مقاومت سیم مقاومت و تغییر مقدار آن است. استفاده از پل برای اندازهگیری مقاومت بسیار راحت است و حساسیت و دقت آن نسبتاً بالا است، بنابراین انواع مختلف آنالایزرهای گاز رسانایی حرارتی تقریباً پل را به عنوان رابط اندازهگیری اتخاذ میکنند.
در پل اندازهگیری، به منظور کاهش نوسان جریان پل یا تأثیر تغییر شرایط خارجی، معمولاً بازوی پل اندازهگیری و بازوی پل مرجع مرتب میشوند، بازوی اندازهگیری سلول رسانای حرارتی جریان گاز نمونه است، بازوی مرجع سلول رسانای حرارتی گاز مرجع بسته (یا گاز مرجع عبوری) است و هر دو ابعاد ساختاری یکسانی دارند. بازوی مرجع روی بازوی پل مجاور بازوی اندازهگیری قرار میگیرد و به شرح زیر عمل میکند.
① اتلاف حرارت بازوی اندازهگیری از طریق جریان و تابش تقریباً برابر با بازوی مرجع است و این دو یکدیگر را جبران میکنند، تغییر مقاومت سیم داغ عمدتاً توسط رسانایی حرارتی، یعنی تغییر توانایی رسانایی حرارتی گاز، تعیین میشود.
② هنگامی که تغییر دمای بازوی سلول رسانش حرارتی ناشی از تغییر دمای محیط باشد، بازوی مرجع و بازوی اندازهگیری در یک جهت تغییر میکنند که این امر به طور متقابل جبران شده و برای تضعیف تأثیر تغییر دما بر نتیجه اندازهگیری مفید است.
③ با تغییر غلظت گاز مرجع، غلظت حد پایین تشخیص پل تغییر میکند که برای تغییر محدوده اندازهگیری دستگاه مناسب است.
در حالت پیکربندی ساختار پل و بازوی پل، اشکال مختلفی مانند پل نامتعادل تک بازویی سری متصل، پل نامتعادل تک بازویی موازی متصل و پل نامتعادل دو بازویی سری-موازی وجود دارد. شکل 6-4 ساختار پل نامتعادل دو بازویی سری-موازی را نشان میدهد که در حال حاضر معمولاً مورد استفاده قرار میگیرد. این پل از دو سلول رسانای گرمای اندازهگیری و دو سلول رسانای گرمای مرجع استفاده میکند. در شکل، Rm مقاومت بازوی اندازهگیری و Rs مقاومت بازوی مرجع است. دو بازوی اندازهگیری و دو بازوی مرجع در فواصلی قرار گرفتهاند تا یک ساختار سری دو بازویی تشکیل دهند و گاز نمونه به نوبت از دو حوضچه رسانای گرما به صورت سری عبور میکند.
خروجی پل در حالت اولیه عبارت است از:
فرمول بالا رابطه بین △Rm و △Uo است و همچنین بیان حساسیت اندازهگیری این نوع پل است. در مقایسه با پل تک بازویی با ساختار مشابه، حساسیت اندازهگیری دو برابر شده است.
شکل 6-5 یک سلول هدایت حرارتی ترکیبی است که در یک پل نامتعادل از نوع سری-موازی با دو بازو استفاده میشود، دو سلول هدایت حرارتی اندازهگیری و دو سلول هدایت حرارتی مرجع که پایههای آنها به ترتیب به چهار بازوی پل اندازهگیری متصل شدهاند و هر سلول هدایت حرارتی از ساختار نوع انتشار همرفتی استفاده میکند.
چهار حوضچه رسانای گرما از جنس فلزی با عملکرد رسانایی گرمایی خوب ساخته شدهاند، به طوری که دمای حوضچه اندازهگیری و حوضچه مرجع میتواند در یک دما باشد و هنگامی که دمای محیط تغییر میکند، تأثیر آن بر روی چهار دیواره حوضچه برابر است و در نتیجه خطای اندازهگیری کاهش مییابد. دستگاه کنترل دما میتواند برای ثابت نگه داشتن دمای کل حوضچه رسانایی گرما در شرایط دقت اندازهگیری بالا استفاده شود.
پیشرفتها در آشکارسازهای رسانایی حرارتی
حجم داخلی سلول رسانایی حرارتی در حدود میلیلیتر است و حد پایین اندازهگیری در حدود 100ppm است. با پیشرفت فناوری حسگر، آشکارساز رسانایی حرارتی میکرو در آنالایزر گاز رسانایی حرارتی و کروماتوگراف گازی رسانایی حرارتی تولید شده در خارج از کشور استفاده شده است، حجم سلول رسانایی حرارتی در حد میکرو ارتقا یافته است، عنصر حرارتی نیز در حد میکرو است، بنابراین حساسیت بازرسی تا حد زیادی بهبود یافته است، حد پایین اندازهگیری میتواند به حدود 10ppm یا حتی حدود 1ppm برسد، همانطور که در شکل 6-6 نشان داده شده است، این نوع مقاومت لایه نازک با استفاده از لیتوگرافی فناوری فوق میکرو از سیم پلاتین بسیار نازک روی ویفر سیلیکونی ساخته میشود، از شکل میتوان دید که ساختار سلول رسانایی حرارتی از نوع انتشار است.
مدار کامل دستگاه
مدار آنالایزر هیدروژن از نوع رسانش حرارتی CI2000-RQD در بسیاری از کتابها و منابع آموزشی معرفی شده است. آنالایزر هیدروژن از نوع رسانش حرارتی CI2000-RQD تولید شده توسط شرکت Chang Ai Electronics به عنوان نمونهای برای معرفی مختصر کل مدار آنالایزر گاز از نوع رسانش حرارتی در نظر گرفته شده است.
در مدار CI2000-RQD از ریزپردازنده و فناوری پردازش دیجیتال استفاده شده است. کل مدار در شکل 6-7 نشان داده شده است. ساختار حوضچه هدایت حرارتی در شکل متعلق به نوع انتشار همرفتی است، منبع تغذیه پل اندازهگیری از مدار منبع جریان استفاده میکند. سیگنال اندازهگیری پل وتستون به یک تقویتکننده ارسال میشود که میتواند توسط نرمافزار کنترل شود تا توسط یک فیلتر پایینگذر باترورث تقویت و فیلتر شود، سپس تبدیل A/D توسط یک ریزپردازنده کنترل میشود، سپس دادههای تبدیل شده توسط نرمافزاری که قرار است دیجیتالی شود، پردازش میشوند، از جمله فیلتر کردن، پردازش خطی، تبدیل مقیاس، محاسبه خطا و جبران تأثیر دما و فشار و غیره، و در نهایت سیگنال خروجی ارائه میشود.
کاربردها
آنالایزر گاز رسانایی حرارتی روشی مؤثر برای اندازهگیری یک جزء در دو گاز مخلوط (با تفاوت بسیار زیاد در رسانایی حرارتی) است. این اختراع عمدتاً برای اندازهگیری H2 استفاده میشود و همچنین معمولاً برای اندازهگیری محتوای CO2، SO2 و Ar نیز مورد استفاده قرار میگیرد و طیف وسیعی از کاربردها را دارد. در اینجا برخی از کاربردهای معمول آن آورده شده است:
اندازهگیری محتوای H2 در گاز سنتز از واحد آمونیاک
اندازهگیری خلوص H2 در کارخانه هیدروژناسیون
اندازهگیری میزان CO2 در گاز دودکش کوره
اندازهگیری میزان SO2 در فرآیند تولید اسید سولفوریک و کود فسفات
اندازهگیری محتوای آرگون در دستگاه جداسازی هوا
اندازهگیری O2 در H2 خالص و H2 در O2 خالص در طول فرآیند تولید هیدروژن و الکترولیز اکسیژن
اندازهگیری H2 در Cl2 در فرآیند تولید کلر
اندازهگیری محتوای H2 در گاز هیدروکربنی
پایش محتوای H2 و CO2 در ژنراتورهای خنکشونده با هیدروژن
نظارت بر تولید گازهای خالص، مانند He در N2، Ar در O2 و غیره
تحلیل خطای اندازهگیری
آنالایزر گاز رسانای حرارتی نوعی ابزار آنالیز با گزینشپذیری ضعیف است. اگرچه اقدامات مختلفی در طراحی و ساخت این ابزار انجام شده است، شرایط عملیاتی مشخص شده است و تأثیر برخی از عوامل تداخل تا حدی سرکوب یا تضعیف شده است، اما خطای اساسی آنالایزر عموماً در محدوده ±2٪ است. دلیل اصلی آن تأثیر ترکیب گاز پسزمینه بر نتایج آنالیز است.
آشکارساز رسانایی حرارتی کروماتوگراف گازی صنعتی و آشکارساز آنالایزر گاز رسانایی حرارتی یکسان هستند، اما عنصر دقت اندازهگیری آن بالاتر از دومی است. دلیل این امر این است که پس از جداسازی نمونه توسط ستون کروماتوگرافی، فقط گاز مخلوط دوتایی از یک جزء و یک گاز حامل وارد مخزن رسانایی حرارتی میشود، اما انجام این کار در آنالایزر گاز رسانایی حرارتی دشوار است. گاز پسزمینه اغلب مخلوطی از چندین گاز است که درجات مختلفی از تأثیر بر رسانایی حرارتی گاز نمونه خواهند داشت، وقتی ترکیب گاز پسزمینه تغییر میکند، این تأثیر بیشتر میشود.
خطای اندازهگیری آنالایزر گاز رسانای گرما از دو بخش تشکیل شده است: خطای پایه و خطای اضافی. خطای پایه توسط اصل اندازهگیری، مشخصه ساختاری، دقت تبدیل سیگنال هر لینک و دقت دستگاه نمایشگر تعیین میشود. یعنی خطای آنالایزر هنگام کار تحت شرایط مشخص شده. خطای اضافی به دلیل تنظیم دستگاه، استفاده نادرست یا تغییر شرایط خارجی است. عوامل اصلی خطای اضافی آنالایزر گاز رسانای گرما عبارتند از: ترکیب و دقت گاز استاندارد؛ تداخل وجود اجزا، گرد و غبار و قطرات؛ فشار، سرعت جریان و دمای گاز نمونه؛ تغییرات جریان پل.
تأثیر ترکیب و دقت گاز استاندارد
آنالایزر گاز رسانای حرارتی، مانند سایر ابزارهای تحلیلی، نیاز به کالیبراسیون منظم با گاز استاندارد دارد، اما تفاوت در این است که آنالایزر گاز رسانای حرارتی به گاز استاندارد بیشتری نیاز دارد. در اصل، ترکیب و محتوای گاز زمینه در گاز استاندارد باید با گاز اندازهگیری شده یکسان باشد، که در واقع دستیابی به آن دشوار است، اما رسانایی حرارتی گاز زمینه در گاز استاندارد باید با گاز اندازهگیری شده سازگار باشد، در غیر این صورت نتایج کالیبراسیون باید اصلاح شود. علاوه بر این، برای اطمینان از دقت گاز استاندارد، خطا نباید بیش از نیمی از خطای اساسی دستگاه باشد.
اثرات حضور اجزای مزاحم در گاز نمونه
وجود اجزای تداخلی در گاز نمونه، عامل مهمی برای ایجاد خطاهای اضافی است. به عنوان مثال، هنگامی که محتوای CO2 در گاز دودکش توسط آنالیزور رسانایی حرارتی CO2 تجزیه و تحلیل میشود، SO2 در گاز دودکش جزء تداخلی است و رسانایی حرارتی آن 1/2 رسانایی حرارتی CO2 است. اگر محتوای SO2 در گاز دودکش 1٪ باشد، خطای نتیجه تجزیه و تحلیل تقریباً 2٪ خواهد بود. درک اجزای تداخلی در گاز زمینه و تأثیر آنها بر اندازهگیری ضروری است. جدول 6-2 تأثیر اجزای تداخلی در گاز اندازهگیری شده را بر نقطه صفر اندازهگیری محتوای هیدروژن نشان میدهد.
کاربردها
آنالایزر گاز رسانایی حرارتی روشی مؤثر برای اندازهگیری یک جزء در دو گاز مخلوط (با تفاوت بسیار زیاد در رسانایی حرارتی) است. این اختراع عمدتاً برای اندازهگیری H2 استفاده میشود و همچنین معمولاً برای اندازهگیری محتوای CO2، SO2 و Ar نیز مورد استفاده قرار میگیرد و طیف وسیعی از کاربردها را دارد. در اینجا برخی از کاربردهای معمول آن آورده شده است:
اندازهگیری محتوای H2 در گاز سنتز از واحد آمونیاک
اندازهگیری خلوص H2 در کارخانه هیدروژناسیون
اندازهگیری میزان CO2 در گاز دودکش کوره
اندازهگیری میزان SO2 در فرآیند تولید اسید سولفوریک و کود فسفات
اندازهگیری محتوای آرگون در دستگاه جداسازی هوا
اندازهگیری O2 در H2 خالص و H2 در O2 خالص در طول فرآیند تولید هیدروژن و الکترولیز اکسیژن
اندازهگیری H2 در Cl2 در فرآیند تولید کلر
اندازهگیری محتوای H2 در گاز هیدروکربنی
پایش محتوای H2 و CO2 در ژنراتورهای خنکشونده با هیدروژن
نظارت بر تولید گازهای خالص، مانند He در N2، Ar در O2 و غیره
تحلیل خطای اندازهگیری
آنالایزر گاز رسانای حرارتی نوعی ابزار آنالیز با گزینشپذیری ضعیف است. اگرچه اقدامات مختلفی در طراحی و ساخت این ابزار انجام شده است، شرایط عملیاتی مشخص شده است و تأثیر برخی از عوامل تداخل تا حدی سرکوب یا تضعیف شده است، اما خطای اساسی آنالایزر عموماً در محدوده ±2٪ است. دلیل اصلی آن تأثیر ترکیب گاز پسزمینه بر نتایج آنالیز است.
آشکارساز رسانایی حرارتی کروماتوگراف گازی صنعتی و آشکارساز آنالایزر گاز رسانایی حرارتی یکسان هستند، اما عنصر دقت اندازهگیری آن بالاتر از دومی است. دلیل این امر این است که پس از جداسازی نمونه توسط ستون کروماتوگرافی، فقط گاز مخلوط دوتایی از یک جزء و یک گاز حامل وارد مخزن رسانایی حرارتی میشود، اما انجام این کار در آنالایزر گاز رسانایی حرارتی دشوار است. گاز پسزمینه اغلب مخلوطی از چندین گاز است که درجات مختلفی از تأثیر بر رسانایی حرارتی گاز نمونه خواهند داشت، وقتی ترکیب گاز پسزمینه تغییر میکند، این تأثیر بیشتر میشود.
خطای اندازهگیری آنالایزر گاز رسانای گرما از دو بخش تشکیل شده است: خطای پایه و خطای اضافی. خطای پایه توسط اصل اندازهگیری، مشخصه ساختاری، دقت تبدیل سیگنال هر لینک و دقت دستگاه نمایشگر تعیین میشود. یعنی خطای آنالایزر هنگام کار تحت شرایط مشخص شده. خطای اضافی به دلیل تنظیم دستگاه، استفاده نادرست یا تغییر شرایط خارجی است. عوامل اصلی خطای اضافی آنالایزر گاز رسانای گرما عبارتند از: ترکیب و دقت گاز استاندارد؛ تداخل وجود اجزا، گرد و غبار و قطرات؛ فشار، سرعت جریان و دمای گاز نمونه؛ تغییرات جریان پل.
تأثیر ترکیب و دقت گاز استاندارد
آنالایزر گاز رسانای حرارتی، مانند سایر ابزارهای تحلیلی، نیاز به کالیبراسیون منظم با گاز استاندارد دارد، اما تفاوت در این است که آنالایزر گاز رسانای حرارتی به گاز استاندارد بیشتری نیاز دارد. در اصل، ترکیب و محتوای گاز زمینه در گاز استاندارد باید با گاز اندازهگیری شده یکسان باشد، که در واقع دستیابی به آن دشوار است، اما رسانایی حرارتی گاز زمینه در گاز استاندارد باید با گاز اندازهگیری شده سازگار باشد، در غیر این صورت نتایج کالیبراسیون باید اصلاح شود. علاوه بر این، برای اطمینان از دقت گاز استاندارد، خطا نباید بیش از نیمی از خطای اساسی دستگاه باشد.
اثرات حضور اجزای مزاحم در گاز نمونه
وجود اجزای تداخلی در گاز نمونه، عامل مهمی برای ایجاد خطاهای اضافی است. به عنوان مثال، هنگامی که محتوای CO2 در گاز دودکش توسط آنالیزور رسانایی حرارتی CO2 تجزیه و تحلیل میشود، SO2 در گاز دودکش جزء تداخلی است و رسانایی حرارتی آن 1/2 رسانایی حرارتی CO2 است. اگر محتوای SO2 در گاز دودکش 1٪ باشد، خطای نتیجه تجزیه و تحلیل تقریباً 2٪ خواهد بود. درک اجزای تداخلی در گاز زمینه و تأثیر آنها بر اندازهگیری ضروری است. جدول 6-2 تأثیر اجزای تداخلی در گاز اندازهگیری شده را بر نقطه صفر اندازهگیری محتوای هیدروژن نشان میدهد.
