21-5. Оптические газоанализаторы

Общие сведения. Оптические газоанализаторы основаны на использовании зависимости изменения того или иного оптического свойства анализируемой газовой смеси от изменения концентрации измеряемого компонента. В оптических газоанализаторах

используются такие оптические свойства, как спектральное поглощение, оптическая плотность, показатель, преломления, спектральное излучение газовой смеси и др.

В соответствии с оптическим свойством, положенным в основу принципа работы прибора, оптические газоанализаторы подразделяются на следующие основные три группы (ГОСТ 13320-67):

1. Абсорбционные — основанные на поглощении лучистой энергии в инфракрасной области спектра (в том числе оптико-акустические), ультрафиолетовой и видимой областях спектра (фотоколориметр ические жидкостные и ленточные).

2. Интерферометрические — основанные на использовании явления смещения интерференционных полос вследствие изменения оптической плотности газовой среды на пути одного из двух когерентных лучей.

3. Эмиссионные — основанные на излучении лучистой энергии, например на измерении интенсивности спектральных линий излу чения компонента, зависящей от его концентрации в анализируемой газовой смеси. Этот метод, предложенный С. Эфришем, принято называть методом эмиссионного спектрального анализа газовой смеси.

Газоанализаторы, основанные на поглощении инфракрасных лучей, получили широкое применение в различных отраслях промышленности и применяются для определения концентрации окиси углерода двуокиси углерода метана аммиака в сложных газовых смесях, а также и других газов. Это объясняется тем, что в инфракрасной области спектра газы имеют весьма интенсивные и отличительные друг от друга по положению в спектре полосы поглощения.

Газоанализаторы, основанные на поглощении ультрафиолетовых лучей, применяются в химической, нефтяной и пищевой промышленности. Благодаря высокой чувствительности они широко используются для определения токсических и взрывоопасных концентраций различных газов в воздухе промышленных предприятий. Газоанализаторы этого типа позволяют определять содержание паров ртути, хлора и других газов и паров как в воздушной среде, так и в технологических газовых смесях.

Газоанализаторы фотоколориметр ические, основанные на поглощении лучей в видимой области спектра, подразделяются на жидкостные и ленточные. Жидкостные газоанализаторы являются приборами с непосредственным (прямым) поглощением излучения определяемым компонентом при взаимодействии анализируемого компонента с жидким реактивом. В газоанализаторах второго типа измеряется светопоглощение поверхностью бумажной или текстильной ленты, предварительно пропитанной или смоченной соответствующим реактивом. Фотоколориметрические газоанализаторы широко применяют для измерения микроконцентрации различных газов в воздушной среде и в сложных газовых смесях. Эти газоанализаторы широко используются также для определения в воздухе

промышленных предприятии токсической концентрации различных газов и паров, вредных для человека. Фотоколориметрические газоанализаторы для определения больших концентраций не применяются. Следует отметить, что фотоколориметрический метод находит широкое применение для анализа жидкостей, в частности для анализа воды на

Спектрофотометрические газоанализаторы, основанные на методе эмиссионного спектрального анализа газовой смеси, используются для анализа аргона, гелия, азота, водорода и кислорода на примеси.

Газоанализаторы, основанные на поглощении инфракрасных лучей (оптико-акустические). Известно, что способностью поглощать инфракрасные лучи обладают все газы, которые содержат в молекуле два и более различных атомов, например окись углерода двуокись углерода метан Способность к поглощению инфракрасных лучей не проявляется у таких газов, как кислород азот водород одноатомные газы — гелий (Не), неон аргон криптон ксенон радон которые имеют один тип атомов.

Основным законом, определяющим интенсивность монохроматического излучения, прошедшего известную толщину поглощающего слоя газа х, является закон Ламберта-Бера

где интенсивность монохроматического излучения до и после прохождения поглощающего слоя газа; коэффициент поглощения, характерный для данного газа и определенной длины волны с — объемная концентрация газа, поглощающего излучение (в долях единицы).

Известно, что каждый газ поглощает инфракрасное излучение в свойственных ему участках спектра. Это различие спектров поглощения в инфракрасной области в большинстве случаев позволяет вести избирательный анализ данного компонента в сложной газовой смеси при переменной концентрации неопределяемых компонентов.

В зависимости от принципа действия лучеприемника газоанализатора, а вместе с тем и характера реакции его на поток инфракрасного излучения (селективного и неселективного) существующие газоанализаторы этого типа делятся на несколько групп и имеют различные наименования. Наибольшее распространение имеют газоанализаторы, в которых используется селективный оптикоакустический лучеприемник.

На рис. 21-5-1, а схематично показан оптико-акустический лучеприемник 1, в котором находится газ, способный поглощать инфракрасные лучи. Окно 2 этого лучеприемника выполнено из материала, пропускающего инфракрасное излучение. Через это окно поступает поток инфракрасного излучения от источника 3, прерываемый с определенной частотой обтюратором 4, приводимым в действие

синхронным двигателем 5. Вследствие этого газ будет периодически нагреваться за счет поглощения энергии и охлаждаться и в замкнутом объеме лучеприемника возникнут периодические колебания температуры, вызывающие периодические колебания давления газа (рис. 21-5-1, б).

Рис. 21-5-1. Схема оптико-акустического лучеприемника.

Колебания давления могут быть преобразованы конденсаторным микрофоном 6 в электрический выходной сигнал, который можно измерить. Описанное оптико-акустическое явление известно как явление Тиндаля-Рентгена, которое ими наблюдалось при звуковых частотах модуляции излучения.

Рассмотренный лучеприемник, заполненный данным газом, является селективным (избирательным), так как процесс поглощения модулированного инфракрасного излучения и связанные с ним периодические колебания температуры и давления возникают только при определенных длинах волн, соответствующих спектру поглощения газа, находящегося в лучеприемнике (рис. 21-5-2).

Рис. 21-5-2. Спектры поглощения в инфракрасной области.

Предположим, что перед оптико-акустическим лучеприемником установлена дополнительная (рабочая) камера с двумя окнами из материала, пропускающего инфракрасное излучение. Если через эту камеру пропускать газовую смесь, содержащую также и анализируемый газ, которым наполнен лучеприемник, то при прохождении потока инфракрасного излучения часть его поглотится газом, находящимся в рабочей камере. Поэтому в лучеприемник будет поступать ослабленный поток излучения, степень ослабления которого будет зависеть от концентрации определяемого компонента в газовой смеси. Это приводит к изменению амплитуды

колебаний температуры и давления в замкнутом объеме лучеприемника. Таким образом, амплитуда будет определять концентрацию определяемого компонента в газовой смеси, пропускаемой через рабочую камеру.

Необходимо отметить, что наличие в анализируемой сложной газовой смеси неопределяемых компонентов, спектры поглощения которых могут частично перекрывать спектр поглощения определяемого компонента (например, наличие и при определении в газовой смеси), приведет к увеличению погрешности измерения. Это обусловливается тем, что в данном случае степень ослабления потока инфракрасного излучения в рабочей камере будет определяться и концентрацией мешающих неопределяемых компонентов. Значение погрешности измерения будет зависеть от соотношения удельных коэффициентов (показателей) поглощения определяемого и неопределяемого компонентов, от выбранной схемы и конструкции газоанализатора, а также от концентрации неопределяемого мешающего компонента. Для уменьшения влияния неопределяемых компонентов на точность измерения в оптическом канале газоанализатора устанавливают фильтровую камеру, наполняемую неопределяемыми мешающими компонентами в смеси с газом, не поглощающим инфракрасное излучение в требуемой пропорции.

Рассмотренная одноканальная оптическая схема газоанализатора, состоящая из источника инфракрасного излучения, обтюратора, рабочей камеры и лучеприемника, не может обеспечить необходимую точность измерения. Для повышения точности измерения в большинстве отечественных и зарубежных газоанализаторов применяют двухканальную (дифференциальную) оптическую схему.

Первые типы газоанализаторов, использующие оптико-акустическое явление Тиндаля-Рентгена, были созданы в СССР М. Л. Вейнгеровым. Они работали на звуковых частотах модуляции инфракрасного излучения и поэтому получили наименование оптико-акустических газоанализаторов. Выпускаемые же в настоящее время газоанализаторы этого типа работают с частотой модуляции 5—6 Гц, но наименование их осталось прежним.

Рассмотрим принципиальную схему оптико-акустического газоанализатора с газовой компенсацией, показанную на рис. 21-5-3, широко применяемого для определения (тип ) в сложных газовых смесях. Газоанализатор состоит из приемного преобразователя 1 и вторичного прибора 2, выполненного на базе автоматического уравновешенного моста типа МС (МСР) или КСМ2. Приемный преобразователь состоит из следующих элементов и узлов: 3 — излучателя из нихромовой проволоки; 4 — отражателя; 5 — обтюратора; 6 — синхронного двигателя, приводящего в действие обтюратор; 7 — фильтровых камер, заполненных неопределяемыми мешающими компонентами в смеси с газом, не поглощающим инфракрасное излучение в требуемой пропорции; 8 — рабочей камеры, через

которую протекает анализируемая газовая смесь; 9 — отражающей пластины; 10 — лучеприемника; 11 — лучеприемных камер, заполненных анализируемым компонентом или газовой смесью, содержащей измеряемый компонент и газ, не поглощающий инфракрасное излучение в определенной пропорции в зависимости от диапазона измерений; 12 — конденсаторного микрофона, предназначенного для преобразования колебания давления в лучеприемнике в электрический выходной сигнал; 13 — компенсационной камеры, заполненной газовой смесью, содержащей измеряемый компонент и газ, не поглощающий инфракрасное излучение в определенной пропорции в зависимости от диапазона измерений; 14 — поршня для изменения толщины поглощающего слоя газа (передняя плоскость поршня одновременно выполняет функции отражателя); 15 — усилителя со вспомогательным блоком питания; 16 — реверсивного двигателя, вал которого через редуктор может перемещать поршень;

17 — реохорда, включенного в мостовую измерительную схему вторичного прибора.

Окна фильтровых, рабочей, компенсационной и лучеприемных камер выполнены из синтетического корунда, пропускающего инфракрасное излучение. Для герметизации компенсационной камеры применен сильфон.

Рис. 21-5-3. Принципиальная схема оптико-акустического газоанализатора с газовой компенсацией.

Питание электрической схемы приемного преобразователя газоанализатора осуществляется от сети напряжением 127 или 220 В, частотой 50 Гц через стабилизатор 18.

Потоки инфракрасного излучения (показаны стрелками на рис. 21-5-3) от двух излучателей, одновременно прерываемые обтюратором, поступают в два оптических канала. В правом канале поток излучения проходит через фильтровую и рабочую камеры и ослабляется в фильтровой камере, а затем в рабочей пропорционально концентрации определяемого компонента в анализируемой газовой смеси. Ослабленный поток излучения поступает через отражатель в правую лучеприемную камеру. В левом сравнительном канале поток излучения проходит через фильтровую и

компенсационную камеры и, отражаясь в последней от передней плоскости поршня, поступает в левую лучеприемную камеру. В этом канале инфракрасное излучение ослабляется в фильтровой камере (на то же значение, что и в фильтровой камере правого канала), а затем в компенсационной камере пропорционально толщине слоя газа в ней.

При равенстве интенсивностей инфракрасного излучения в правой и левой лучеприемных камерах мембрана конденсаторного микрофона остается неподвижной. Периодическое нагревание и охлаждение газа хотя и вызывают в левой и правой лучеприемных камерах колебания давлений, но они возникают одновременно с обеих сторон мембраны и равны по амплитуде. Поэтому выходной сигиал конденсаторного микрофона практически равен нулю.

Если интенсивность поступающего инфракрасного излучения в правую лучеприемную камеру будет меньше, чем в левую, то и амплитуда периодического колебания давлений в правой лучеприемной камере будет меньше, чем в левой. При этом разность давлений, действующая на мембрану конденсаторного микрофона, будет тем больше, чем больше будет концентрация определяемого компонента в анализируемой газовой смеси. Амплитуда колебаний мембраны и связанное с ней изменение выходного сигнала пропорциональны разности давлений в лучеприемных камерах, а следовательно, и концентрации определяемого компонента в газовой смеси.

Выходной сигнал конденсаторного микрофона, пропорциональный амплитуде колебаний его мембраны, подается на вход усилителя. Вал реверсивного двигателя, управляемого усилителем, через редуктор и преобразовательное устройство перемещает поршень компенсационной камеры, заполненной определяемым компонентом, и изменяет тем самым толщину слоя газа в ней до тех пор, пока интенсивность поступающего инфракрасного излучения в левую лучеприемную камеру не будет равна интенсивности излучения, поступающего в правую лучеприемную камеру.

Положение поршня при его перемещении, а следовательно, и толщииу слоя газа можно определить по вспомогательной шкале, нанесенной на вращающийся циферблат, жестко соединенный с каркасом реохорда (шкала на рис. 21-5-3 не показана). Таким образом, в пределах диапазона измерения прибора каждому значению концентрации определяемого компонента в анализируемой газовой смеси соответствует определенная толщина слоя этого же компонента в компенсационной камере, а вместе с тем и сопротивление рабочего участка реохорда, измеряемое вторичным прибором.

В рассмотренном газоанализаторе с газовой компенсацией поглощение инфракрасного излучения в обоих оптических каналах имеет одинаковый спектрально-избирательный характер. Приборы с газовой компенсацией по сравнению с оптико-акустическими газоанализаторами с электрической и оптической компенсацией

обладают более высокой чувствительностью, равномерной шкалой и лучшими метрологическими характеристиками [89].

Пределы допускаемой основной погрешности газоанализаторов составляют ±2,5% диапазона измерения.