11 (682880), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

I_i,j=K_ijp_i(20)

где I_i,j — значение пика тока ионов i-й массы, образовавшихся в результате иони­зации данного компонента i пробы АГС; K_ij—- коэффициент пропорциональ­ности, который определяется градуировкой масс-спектра по целевым компонентам; p_i — парциальное давление j-того компонента пробы АГС в области ионизации.

Если в масс-спектре i-компонентной газовой смеси находится j-пиков ионного тока различных масс, то

(21)

т. е. имеем j уравнений с i неизвестными и с i,j коэффициентами, которые определяются, как было сказано выше, градуировкой масс-спектрометра по каждому компоненту. Так как обычно число уравнений (j) больше числа компонентов (i) пробы АГС, то систе­ма уравнений может быть решена разными способами.

Масс-спектрометрический анализ газовых смесей (в том числе кислородсодержащих смесей) состоит из следующих последова­тельных операций (стадий): ввода пробы АГС в источник ионов; получения ионов из атомов или молекул пробы АГС и форми­рования их в пучок или пакет; разделения ионного пучка или па­кета по массам; улавливания и регистрации ионов — раздельного измерения интенсивности каждой составляющей ионного пучка; обработки результатов измерений.

Получение ионов из атомов и молекул пробы АГС — наиболее сложная стадия масс-спектрометрического анализа. Выбор спо­соба ионизации и конструкции источника ионов зависит от многих факторов, в том числе от агрегатного состояния исследуемого вещества, смеси веществ или материалов, а также от их физико-химических свойств, требуемой точности анализа и т. д.

При использовании масс-спектрометрии в газовом анализе применяют следующие способы ионизации пробы АГС : электронный удар, фотоионизацию, химическую ионизацию, ионизацию в пламени, полевую ионизацию, поверхностную ионизацию

Образующиеся в области ионизации ионы формируются опти­ческой системой источника в ионный пучок, или сгусток.

Полученные в источнике ионные пучки (сгустки) разделяются в электрических и магнитных полях или по времени пролета.

По способу разделения ионов масс-спектрометры делят на статические и динамические. В статических масс-спектрометрах используются постоянные или медленно изменяющиеся во времени электрические или магнитные поля. В динамических масс-спектро­метрах ионы с различными массами разделяются в пространстве либо по времени пролета, лишенном электрических и магнитных полей, либо с высокочастотными электрическими полями.

Следующая стадия масс-спектрометрического анализа — улавливание и регистрация ионов. Приемные устройства играют важную роль в собирании разделенного продукта и в значитель­ной степени определяют характеристики масс-спектрометра в целом.

По способу регистрации ионов масс-спектрометры делятся на масс-спектрографы, в которых одновременно регистрируются ионы всех или части компонентов пробы АГС фотографическим спосо­бом, и собственно на масс-спектрометры, в которых ионы регистри­руются последовательным измерением ионного тока различных компонентов пробы АГС.

Применение масс-спектрометров при анализе газовых смесей эффективно при анализе многокомпонентных газовых смесей, ког­да контроль ведется по нескольким компонентам.

Общее число определяемых компонентов может достигать 20 и более.

Основные параметры масс-спектрометров — диапазон масс определяемых компонентов и разрешающая способность, которую определяют отношением М/ М (М — максимальное массовое число компонента, регистрируемого раздельно от другого компо­нента, массовое число которого отличается от максимального на M, равного единице).

Основные преимущества масс-спектрометров следующие: не­прерывность и одновременность анализа всех компонентов; малое приборное запаздывание; относительно одинаковое влияние внеш­них условий на погрешность измерения, что сохраняет точность их соотношений; дешевизна изготовления и эксплуатация прибора (при условии достаточно широкого спектра анализов) .

Особым преимуществом масс-спектрометрического метода, на­ряду с достаточно высокой чувствительностью (≈ 10^-12— 10^-15 г ), является небольшой расход пробы АГС.

Масс-спектрометр MX 1215. Предназначен для определения концентраций кислорода, водорода, оксида и диоксида углерода, азота и аргона в отходящих газах кислородного конвертора, а также мартеновского, доменного и химических производств.

Масс-спектрометром определяют одновременно шесть компо­нентов пробы АГС, имеющих молекулярную массу от 2 до 44.

Время реагирования Гэо не превышает 2 с; потребляемая мощность 6,5 кВт; масса 1100 кг.

Масс-спектрометр MX 1215 представляет собой статический масс-спектрометр со 180° магнитным полем, в котором ионы опре­деляемого компонента пробы АГС разделяются по значению отношения массы к заряду и фокусируются по направлению дви­жения.

Одним из важнейших направлений в области масс-спектрометрического приборостроения является разработка унифициро­ванного комплекса масс-спектрометрических приборов (УКМСП), включающего масс-спектрометры первого, второго и третьего классов с предельной разрешающей способностью соответственно 10⁵, 10⁴ и 500. Приборы УКМСП в зависимости от решаемой задачи комплектуются различными системами ввода пробы АГС, источниками и приемниками ионов, системами регистрации и об­работки информации, вспомогательными устройствами

Магнитные методы.

Кислород обладает наибольшей магнитной восприимчивостью по сравнению с другими газами. В табл. 1 приведены объемная и относительная (относительно кислорода) магнитная воспри­имчивость некоторых газов (при 7 = 0 °С).

Таблица 1. Магнитные свойства некоторых газов.

Из табл. 3 видно, что большинство газов обладает ничтожно малой по сравнению с кислородом магнитной восприимчивостью, что обеспечивает возможность избирательного определения кон­центрации кислорода во многих газовых смесях. Только два газа — моноокисд и диоксид азота — имеют относительно боль­шую магнитную восприимчивость, но они встречаются весьма редко в смесях промышленных газов, к тому же монооксид азота в присутствии кислорода вступает с ним в реакцию и переходит в диоксид азота.

Для определения концентрации молекулярного кислорода наибольшее распространение получили следующие методы: термо­магнитный, магнитомеханический, магнитопневматический.

Термомагнитный метод.

Парамагнитные газы характеризуются положительным значением магнитной восприимчивости. Это зна­чит, что, если ввести парамагнитный газ в зону неоднородного магнитного поля, газ будет ориентироваться в направлении поля. Иными словами, парамагнитный газ втягивается в неоднородное магнитное поле, а диамагнитный газ выталкивается.

Силу, действующую на объем газа V в неоднородном магнит­ном поле, характеризующемся напряженностью H и градиентом напряженности в направлении оси абсцисс , определяют по формуле :

(22)

Объемная магнитная восприимчивость смеси веществ, не всту­пающих в химическое взаимодействие, равна сумме парциальных восприимчивостей отдельных компонентов, т. е. определяется по закону аддитивности:

(23)

где и Сi — объемная магнитная восприимчивость и объемная доля i-ro компо­нента газовой смеси.

Магнитная восприимчивость сложной смеси, содержащей как парамагнитные, так и диамагнитные составляющие, определяется соотношением:

(24)

где —объемная магнитная восприимчивость соответственно парамагнит­ной и диамагнитной составляющей сложной смеси.

Объемная магнитная восприимчивость веществ (диамагнети-ков и парамагнетиков) зависит как от давления, так и от темпера­туры, поскольку они влияют на плотность р.

Согласно закону Бойля — Мариотта для газов

p = pM/RT, (25)

где М — молекулярная масса; R — газовая постоянная.

С учетом плотности (25) получим (при поправке Д = 0): для диамагнитных газов

(26)

для парамагнитных газов (кислорода)

(27)

где — удельная магнитная восприимчивость.

Подставляя (26) и (27) в (24), получим:

(28)

где индексы п и д означают принадлежность газа к парамагнетикам и диамаг-нетикам соответственно.

Учитывая (22), выражение для силы F можно записать в виде:

(29)

Если на неоднородное магнитное поле наложить неоднородное тепловое поле, то в зоне, соответствующей максимуму темпера­туры, объем газа dV наряду с ориентирующим действием магнит­ного поля будет испытывать дезориентирующее действие тепло­вого поля в соотношении, обратно пропорциональном квадрату температуры.

На объем газа dV₁, находящийся в зоне с температурой Т\, действует сила

(30)

На объем газа dV₂, находящийся в зоне с температурой Г₂ действует сила

(31)

При Т₁> Т₂ возникает перепад давлений, вызывающий переме­щение более холодных элементов объема газа в область более вы­соких температур и вытеснение оттуда нагретых элементов объема газа, испытывающих меньшее ориентирующее действие магнит­ного поля:

(32)

Это перемещение элементов объема газа, или так называемая магнитная конвекция, тем сильнее, чем выше парциальное давление парамагнитной составляющей смеси, т. е. чем выше абсолютное значение удельной магнитной восприимчивости.

Непосредственно измерить перепад давлений трудно, поэтому термомагнитную конвекцию измеряют, в частности, тер­моанемометрами. В простейшем виде это может быть осущест­влено установкой вблизи полюсов магнитной системы нагрева­тельного элемента, выполняющего одновременно и функции анемометра. Термоанемометр представляет- собой стеклянную трубку, на наружной поверхности которой намотана спираль, состоящая из двух секций. При протекании тока через спираль последняя нагревается, образуя по длине трубки перепад температур с мак­симумом, соответствующим середине трубки. Такой градиент температур соответствует положению, при котором газовая смесь, содержащаяся в воздушном зазоре магнитной системы, является бескислородной.

Характеристики

Список файлов реферата