Экологический мониторинг

УДК 681.121

Жужа А.В.

Национальний технический университет Украины «Киевский политехнический институт»,приборостроительный факультет г. Киев, Украина

Экспериментальные данные влияния электрического поля на распределение зарядов в пламенных-ионизационный газоанализаторе.

Введение

        В статье освещены вопросы измерения концентрации углеводородов в атмосфере. Углеводороды сопровождают производственные и технологические процессы в нефтехимии, энергетике, в значительных количествах присутствуют в отработавших газах транспортных средств. В зависимости от условий и задач контроля, применяют различные методы газового анализа, в данной публикации проанализированы наиболее чувствительный - пламенно - ионизационный метод (ПИД) . Рассмотрено влияние электрического поля на распределение зарядов .Постановка задачи

               Измерение концентрации газообразных углеводородов чувствительными, высоко-селективными методами газового анализа является сложная научно- техническая задача. Контроль уровня загрязнения , в первую очередь, осложняется наличием в атмосфере одновременного нахождения большого количества углеводородов различных классов: насыщенных,непредельных, ароматических углеводородов. Таким образом, имеется актуальная проблема оптимального выбора соответствующего метода газового анализа и построенного на его основе газоанализатора для измерения концентрации углеводородных соединений [ 1] .

Механизм ионизации углеводородов объясняет многие экспериментальные данные, полученных для ПИД, в том числе и пропорциональность сигнала детектора числу атомов углерода в молекуле углеводородов.

Источником ионизации пламенно - ионизационного детектора является водородное пламя, в которое подается проба, содержащая органические вещества. В пламени в результате тепловых и химических процессов происходит ионизация газов, т.е. во фронте пламени появляются положительные и отрицательные заряды. Если такое пламя поместить в электрическое поле, то в цепи появится ток. Ток ионизации создается направленным движением частиц обоих знаков. При этом на быстрый хаотическое движение частиц с тепловыми скоростями накладывается скорость, параллельна направлению электрического поля. Постоянный ток в пламени образуется в основном стационарным потоком электронов, в которых сила, что действия со стороны электрического поля, уравновешивается силой трения, обусловленной столкновениями электронов и ионами и нейтральным атомами. Плотность тока обусловлена дрейфом заряженных частиц для ионизации равна:

(1)

Де: Е –напряженность электрического поля;

δ – проводимость ионизационного газа δ= , где

–cтепень ионизации газа( n_e- концентрация электронов; n₀ –концентрация нейтральных частиц),

e – заряд електрона;m_{e –} масса электрона;v_e -тепловая скорость электрона

δ_a– эффективное сечение столкновения электронов с нейтральными частицами.

Таким образом, проводимость ионизационного газа прямо пропорциональна степени ионизации газа и обратно пропорциональна тепловой скорости электронов. Степень ионизации газа зависит от температуры пламени и химического состава газа. Величина тока ионизации зависит от напряженности электрического поля между электродами. [ 1]

Исследование вольт - амперной характеристики

Вольт-амперная характеристика ПИД подобная характеристике любого ионизационного прибора и имеет вид, предоставленный на рис 1 . Баланс числа ионов, образующихся и исчезают в газовом промежутке между электродами , выражается уравнением:

(2)

де S і L - площадь электродов и расстояноие между ними;

- общее число нейтральних частичек в объёме между электродами;

n_e- число электронов в объёме между электродами;

n_i - число позитивних ионов

n_р- число пар ионов, которые взяли участие в рекомбинации;

- число пар ионов, которые розряжаются на электродах

Рис.1 Вольт-амперная характеристика ПИД

OA - пропорциональная область до (5-20) В; АВ - область насыщения до (200-300) В; ВС - область ударной ионизации С - напряжение пробоя промежутка горелка-коллектор ПИД; D - начальный (фоновый) ток ПИД. Баланс числа ионов, образующихся и исчезает в газовом промежутке между электродами, выражается уравнением:

(3)

При равномерной ионизации через определенный промежуток времени устанавливается равновесие между числом возникающих и исчезающих ионов и уравнение принимает вид:

(4)

В слабых электрических полях плотность тока незначительна и количество ионов, разряжаются на электродах, мало по сравнению с числом ионов, рекомбинируют в объеме газа:

(5)

т.е. количество ионов в газе определяется вероятностью ионизации и рекомбинации и практически не зависит от плотности тока.

В этом случае зависимость j=E подчиняется закону Ома с постоянной электропроводностью (участок В-А). В противном, предельном случае сильных полей, плотность тока велика и практически все ионы, образующиеся в объеме газа, идут к электродам, не успевая рекомбинировать.

В этом случае:

та (6)

В постоянном режиме = const (7)

При этом j= KeL = const, т. е с последующим повышением приложенного напряжения ток перестает расти и остается постоянным (участок А-В ).

       В пламенно- ионизационных детекторах, как правило, используется область насыщения напряжения поляризации Е. Напряжение насыщения зависит от формы и расположения электродов и от количества вещества, поступающего в пламя в единицу времени. Напряжение насыщения в пламенно - ионизационных детекторах колеблется в пределах от 20 до 300 В. При дальнейшем повышении напряжения вольт - амперная характеристика снова поднимается. Это связано с тем, что вступает в действие ударная ионизация. При этом количество зарядов может увеличиваться за счет выбивания электронов из электродов. Долгое время считалось, что работа датчика в области ударной ионизации малоперспективна. Однако проведенные исследования показали, что за областью насыщения работа детектора вполне возможна, и работа в этом области имеет ряд преимуществ. Характерно, что при таком методе измерения значительно увеличивается не только сигнал пламенно - ионизационного датчика (по данным работы на два порядка), но и в определенных пределах соотношение "сигнал- шум". Наилучшее соотношение "сигнал- шум " выходит при напряжении, равном около 60 % напряжения пробоя данного промежутка коллектор - горелка. [3]

Чувствительность детектора, определяется как количество заряда Q_i, создаваемого определённым количеством вещества компонента i в 1 сек:

= = , , (8)

Т.е. определяется числом положительных однозарядных ионов, собранных электродами. Оба фактора в дальнейшем будут рассмотрены более подробно.

Проведенное теоретическое исследование ионизации тока ПИД, показало, что в пламенно-ионизационных детекторах, как правило, используется область насыщения поляризующего напряжения. Напряжение насыщения зависит от формы и расположения электродов и от количества вещества, поступающего в пламя в единицу времени, определения ионизационного тока из-за чувствительности детектора, которая определяется числом положительных однозарядных ионов, собранных электродами.

Литература:

1.Лейте В. Визначення забруднення повітря в атмосфері та на робочому місті / В. Левте [пер. з з другого німецького видавництва А.Ф. Дашкевич]. ―Л.: Хімія, 1973. ―287.

2.Примиський В..Ф., Жужа А.В. «Генератор чистого водню для полум’яно-іонізаційних газоаналізаторів»// Східно-Європейський журнал передових технологій. – 2013. -№5.-С. 29-32.

3.Пецев Н. Керівництво по газовій хроматографії / Н.Пецев, Н. Коцнев. ― К.: Видавництво «Мир», 1987. ― 200 с.