§ 11.9. Абсорбционные ультрафиолетовые и инфракрасные анализаторы

Большинство газообразных и жидких веществ обладает способ­ностью поглощать ультрафиолетовое излучение (УФ-излучение), однако спектры поглощения этого излучения для многих веществ существенно перекрываются. Это определяет возможность селектив­ного измерения по поглощению УФ-излучения концентрации весьма ограниченного числа веществ. Способностью поглощать УФ-излуче­ние обладают ароматические и гетероциклические соединения. Углеводороды парафинового ряда практически не поглощают УФ-излучение. Абсорбционные ультрафиолетовые анализаторы на хи­мико-технологических процессах применяются в основном для из­мерения концентрации газов и паров, а именно: диоксида азота, озона, ртути, сернистого ангидрида, сероводорода, сероуглерода, формальдегида, фосгена, хлора, четыреххлористого углерода и др. В последнее время абсорбционные ультрафиолетовые анализаторы с миниатюрными (в несколько микролитров) оптическими кювета­ми находят применение в промышленных жидкостных хроматогра­фах (см. гл. 12).

Конструктивно абсорбционные ультрафиолетовые анализаторы, выполняемые однолучевыми и двухлучевыми, реализуют методы прямого или уравновешивающего преобразований, т. е. по схемам они аналогичны анализаторам (см. § 11.7), в работе которых ис­пользуется излучение видимой части спектра. Особенностью аб­сорбционных ультрафиолетовых анализаторов является необходи­мость применения в их оптических системах элементов, изготовлен­ных из кварца. В качестве источника УФ-излучения в этих анализаторах применяются ртутные, ртутно-кадмиевые, кадмиевые, водородные и ртутные газоразрядные лампы, и в качестве лучеприемников — фотоэлементы, фотосопротивления, фотоумножители, чувствительные к УФ-излучению. Обычно используется УФ-излуче­ние с длиной волны 0,254 мкм. Абсорбционные ультрафиолетовые анализаторы позволяют измерять концентрацию в диапазонах от 0 —10^-4 до 0 —100% об. в зависимости от типа определяемого ком­понента и имеют классы точности 2—10.

Способностью поглощать инфракрасное излучение (ИК-излучение) обладают вещества, молекулы которых состоят не менее чем из двух различных атомов. Это определяет возможность примене­ния абсорбционных инфракрасных анализаторов для измерения концентраций самых разнообразных веществ. На рис. 11.9, а при­ведены спектры поглощения ИК-излучения для некоторых газов. На рисунке можно выделить длины волн, на которых имеет место селективное поглощение ИК-излучения, например, для СО₂, СО, СН₄ и С₂Н₆, что определяет возможность селективного измерения их концентраций в многокомпонентных газовых смесях. Такие га­зы, как азот, кислород, водород, гелий, аргон и другие, не погло­щают ИК-излучение.

В последнее время разработано несколько схем инфракрасных анализаторов, в работе которых используется метод прямого или уравновешивающего преобразования. Как правило, эти схемы яв­ляются дифференциальными и двухлучевыми. В качестве источни­ков излучения использу­ются излучатели из хромоникелевой проволоки (нихром) диаметром 0,3 мм, нагретой до 700— 800°С. Приемниками излу­чения служат болометры (от греч. bole — лучи и metreo —мера) с батаре­ей термоэлектрических чувствительных элементов или терморезисторов, фо­торезисторы и так называемые конденсаторные микрофоны.

Рис. 11.9. Спектры поглощения ИК-излучения газами (а) и схема инфракрасного газоанали­затора (б)

Инфракрасные газо­анализаторы, в которых в качестве приемника излучения используется кон­денсаторный микрофон, называют оптико-акустическими по той причине, что Первоначально при их разработке частота коле­баний мембраны конден­сатора составляла 200 Гц, т. е. располагалась в об­ласти звуковых частот. Впоследствии эти частоты были снижены до 6 Гц, однако первоначально принятое название газоанализаторов пока применяется часто.

На рис. 11.9, б показана одна из распространенных схем оптико-акустических газоанализаторов. Здесь инфракрасное излучение (2—8 мкм) от источников 1, расположенных в сферических отра­жателях 2 и нагреваемых током источника питания 3, направляется в измерительный канал через фильтровую кювету 6, измерительную кювету 7 и отражатель 8 к нижней камере лучеприемника 9, а в сравнительном канале — через сравнительную кювету 18 и компенсационную отражающую кювету 16 к верхней камере луче­приемника 9. Обтюратор 5, приводимый в движение синхронным двигателем 4, осуществляет поочередное прерывание потока излу­чения в измерительном и сравнительном каналах. Через измерительную кювету 7 непрерывно прокачивается анализируемый газ. Сравнительная кювета 18 заполняется газовой смесью, в состав которой входят какой-либо не поглощающий ИК-излучение газ и не­определяемые компоненты в концентрациях, соответствующих их средним значениям в анализируемой смеси. Фильтровые кюветы 6 заполняются теми неопределяемыми компонентами анализируемо­го газа, полосы поглощения которых частично перекрываются по­лосами поглощения определяемого компонента, что уменьшает влияние изменений концентраций этих компонентов на результат измерения. Камеры лучеприемника 9 и кюветы 16 заполняются определяемым компонентом.

При поступлении ИК-излучения в камеры лучеприемника 9 за счет энергии излучения, поглощаемой определяемым компонентом, изменяется его температура (изменение температуры обычно состав­ляет 10^-5°С). Это сопровождается появлением колебаний разности давлений в камерах лучеприемника в результате поочередного пре­рывания потоков ИК-излучения обтюратором. Под действием этой разности давлений тонкая (толщина 5—10 мкм) металлическая мембрана 12 совершает периодические колебания. Эта мембрана и неподвижная пластина 11, укрепленная на изоляторе 10, составля­ют конденсаторный микрофон, емкость которого изменяется при колебаниях мембраны. При изменении содержания определяемого компонента в анализируемой смеси колебания мембраны 12, а сле­довательно, и изменения емкости конденсаторного микрофона ста­новятся асимметричными, что воспринимается электронным усили­телем 13, который управляет работой реверсивного двигателя 14. Ротор этого двигателя через механическую передачу перемещает отражающий шток 17, что изменяет толщину поглощающего слоя газа в кювете 16 до тех пор, пока колебания мембраны не станут симметричными. Угол поворота ротора двигателя 14 с помощью реохорда 15 реостатной системы передачи передается вторичному прибору 19. Оптико-акустические газоанализаторы используются для измерения в многокомпонентных смесях концентраций следую­щих газов: СО, СО₂, СН₄, С₂Н₂, NH₃, C₃H₆, С₄Н₈ и др. Диапазоны измерений этих анализаторов от 0—0,1 до 0—100% об. Классы точ­ности 2,5—10 (в зависимости от диапазона измерений).

Инфракрасные газоанализаторы с термоэлектрическими и терморезисторными болометрами используются для решения некото­рых специальных задач аналитического контроля. Эти анализато­ры находят широкое применение для измерения концентрации во­ды в нефтепродуктах, нефтях и растворителях.

Диапазоны измерений от 0—0,0001 до 0—10 % об., расход анализируемой жидкости 0,6 м/ч. Классы точности 2,5—4.