Физические основы процесса поглощения углекислым газом инфракрасного излучения
В ИК диапазоне спектра есть специфические особенности регистрации поглощения анализируемого газа по сравнению с УФ диапазоном. Для средней части УФ диапазона (250 - 300 нм) характерны достаточно широкие электронные полосы поглощения при возможности использования весьма узкополосных интенсивных источников света за счет выделения отдельных линий спектра паров ртути, прежде всего резонансной линии 254 нм. Благодаря этому, в соотношении, выражающем закон Ламберта-Бера:
-
Ф()= Ф0() e-()l
52
(Ф(), Ф0() - спектральная плотность потока излучения на данной длине волны ; () - массовый показатель поглощения вещества для данной длины волны ; - объемная доля вещества, поглощающего оптическое излучение; l - толщина слоя поглощающей среды), можно не учитывать спектральное распределение потока излучения источника и форму кривой поглощения, т.е. вид функции (). Используют известное значение анализируемого газа для длины волны источника, или, если ширина полосы излучения источника сравнима с шириной полосы поглощения газа, усредненное по спектру излучения источника эффективное значение коэффициента поглощения эфф.. При этом учитывается интегральный по спектру источника поток излучения, который как раз и регистрируется фотоприемниками. Тогда закон Ламберта-Бера выражается так:
-
Ф= Фо e-l ,
53
где и l известны, а измеряется отношение прошедшего через слой l газа потока к входящему потоку Ф / Ф0 или их разность при слабом поглощении.
Схема инфракрасного газоанализатора
Измерения производятся в непрерывном режиме. Схема прибора представлена на рисунок 113.
Рисунок 113. Схема ИК фотометрического газоанализатора.
ИК излучение от источника 1, представляющего собой нихромовую проволоку, нагреваемую электрическим током до температуры около 800 0С, поступает в две расположенные рядом и параллельно друг другу кюветы 2 и 3. Через кювету 2 прокачивается анализируемый газ, а кювета 3 содержит воздух, свободный от двуокиси углерода, и образует канал сравнения. Далее пучки оптического излучения подвергаются модуляции в противофазе друг относительно друга при помощи обтюратора 4, представляющего собой вращающийся диск с прорезями. Затем оптическое излучение проходит через интерференционный светофильтр 5, имеющий максимальное пропускание m = 80% на m = 4,2 мкм при ширине полосы на уровне 0,5 от максимального значения 0,5 = 0,1 мкм. В эту полосу попадает линия поглощения двуокиси углерода. Примерный вид спектра излучения, прошедшего кювету с газом 2 и светофильтр 5, представлен на рис. 114. Далее оба модулированных пучка при помощи концентратора 6 направляются на пироэлектрический фотоприемник 7 марки МГ-30. В фотоприемнике осуществляется преобразование потока излучения в пропорциональный ему по величине переменный электрический сигнал и происходит его предварительное усиление. Затем сигнал усиливается в основном усилителе 8 и разделяется на составляющие, соответствующие потокам излучения через кюветы 2 и 3, в синхронном детекторе 9. Работа детектора синхронизируется с вращением обтюратора при помощи фотодатчика 12. Далее сигналы поступают в блок обработки 10, где они вычитаются и результирующий сигнал измеряется микроамперметром 11, служащим стрелочным индикатором прибора. Для определения содержания двуокиси углерода пользуются градуировочным графиком, где по числу делений, на которое отклоняется стрелка индикатора, находят объемную долю двуокиси углерода в процентах.
Рисунок 114. Спектры ИК излучения, прошедшего через канал сравнения 3 (рис. 29) и выделенного светофильтром 5: пунктирная кривая Ф0 - спектральная плотность потока излучения до прохождения кюветы с газом и фильтра; сплошная кривая Ф - спектральная плотность потока излучения после прохождения кюветы с анализируемым газом и фильтром;
а) в случае среднего поглощения (около 30%); б) при сильном поглощении газом (> 90%).