Анализ водорода

В абсолютном большинстве случаев анализ водорода выполняют методом теплопроводности.

Измерительная ячейка состоит из двух частей: в одной из них, находится камера, где протекает проба, а в другой - проточная или герметичная камера с газом сравнения. Внутри камер находятся нагревательные элементы (по два в каждой камере), представляющие собой тонкие спирали из проволоки, по которой течет ток, в результате чего спираль нагревается. Сопротивление термоэлементов изменяется в зависимости от их температуры. При протекании газа через камеры происходит изменение температуры термоэлементов, непосредственно зависящее от теплопроводности газа. Термоэлементы соединены проводниками в мостовую схему, в которой элементы играют роль резисторов. Мост имеет контакты питания и измерительные контакты. Если сопротивления на всех плечах моста равны, то между измерительными контактами моста разность потенциалов равна нулю. Поскольку в камере с опорным газом, имеющим постоянный состав, и как следствие, постоянную величину теплопроводности, температура элементов остается постоянной, а в камере с пробой происходит изменение температуры элементов в зависимости от теплопроводности и состава пробы, между измерительными контактами моста возникает разность потенциалов, пропорциональная разности величин теплопроводности пробы и опорного газа.

Данная схема обеспечивает высокую точность измерений в случае, если проба имеет бинарный состав, то есть состоит из двух компонентов, один из которых является измеряемым, например водород и азот. В таком случае, в камере с опорным газом находится азот или воздух, имеющий практически такую же теплопроводность. Теплопроводность водорода примерно в 8 раз выше теплопроводности воздуха, поэтому концентрация водорода легко вычисляется из разности величин теплопроводности пробы и опорного газа. В случаях, когда не требуется высокая чувствительность детектора (когда концентрация измеряемого газа - водорода, больше 1% и меньше 99% от полного объема пробы), используется герметичная камера с опорным газом. Однако, когда требуется контролировать содержание водорода в пробе на уровне менее 1% по объему, или наоборот - контролировать чистоту водорода, требуется непрерывная подача опорного газа (азота или воздуха). Кроме того, скорость потока газа через камеры также влияет на температуру термоэлементов, поэтому расход газов через камеры поддерживается на минимальном уровне - около 50см3/мин.

В случаях, когда проба имеет более сложный состав, например при измерении водорода в водородосодержащем газе (ВСГ), возникает проблема дополнительной погрешности измерений, связанной с тем, что состав пробы постоянно меняется, а теплопроводность пробы изменяется не только в следствие изменения содержания в пробе водорода, но и в следствие изменения концентрации остальных компонентов. Например, ВСГ состоит из водорода (50-100%об.) и углеводородов С1-С5 в различных концентрациях. Опорный газ всегда должен иметь известную и постоянную теплопроводность, поэтому в большинстве случаев в качестве опорного газа используется воздух, а величина теплопроводности остальных газов принимается как относительная к величине теплопроводности воздуха. Если бы ВСГ состоял только из водорода и метана, то теплопроводность ВСГ зависела бы только от концентрации метана и концентрации водорода, которая бы легко вычислялась из величины относительной теплопроводности ВСГ, измеряемой детектором. В реальности, когда ВСГ состоит из водорода и углеводородов С1-С5, концентрация водорода не может быть вычислена с высокой точностью из величины относительной теплопроводности ВСГ, так как она зависит не только от концентрации водорода, но и от концентрации всех остальных углеводородов. В таком случае для достижения необходимой точности измерения водорода в ВСГ в дополнению к детектору теплопроводности добавляют газоразделительную колонку, и получается ни что иное, как, газовый хроматограф. Проба, поступающая на вход хроматографа, многократно разбавляется газом носителем, как правило, азотом и разделяется на компоненты в колонке, в результате чего через детектор компоненты пробы проходят поочередно в смеси с газом носителем, а роль опорного газа также играет газ носитель. Основным недостатком такого метода анализа является время, необходимое для получения результата, связанное с прохождением компонентов пробы через газоразделительную колонку. Зачастую в ВСГ содержатся такие агрессивные вещества, как сероводород, который вызывает коррозию термоэлементов и, как следствие, выход из строя детектора в короткий срок. В случае, когда используется газовый хроматограф, коррозия термоэлементов происходит гораздо медленнее за счет многократного разбавления пробы газом носителем, и период их замены составляет несколько лет. При использовании поточных анализаторов для измерения водорода в ВСГ с содержанием сероводорода на уровне до 200 ppm, термоэлементы покрывают золотым напылением, которое значительно снижает уровень коррозии. Однако при больших концентрациях сероводорода необходимо удалять его из пробы путем использования гидроочистки или с использованием адсорбента на основе перманганата калия.