литература / Sharapov_V._Datchiki

Глава 16. Датчики газоанализаторов

Интерферометрические газоанализаторы

Интерферометрические газоанализаторы (газовые интерферометры) основаны на явлении смещения интерференционных полос вследствие изменения оптической плотности исследуемой газовой смеси на пути одного из двух ко-

рактеристики каналов от источников 1 и 2 до экрана идентичны. На экране наблюдается интерференционная картина, состоящая из чередующихся светлых и темных полос, обусловленная разностью хода двух лучей, сходящихся в разных точках экрана.

При появлении в измерительной камере анализируемого компонента с показателем преломления, отличным от показателя преломления сравнительного газа, происходит фазовое смещение электромагнитной волны, а вся интерференционная картина на экране смещается. По величине смещения, измеряемого по окулярной шкале, которая находится в поле зрения оператора вместе с интерференционной картиной, определяют концентрацию газа.

Обычно пределы измерений таких приборов по СО2 или СН4 от 0—3% до 0—100%.

Газоанализаторы инфракрасного поглощения

Газоанализаторы, основанные на поглощении (абсорбции) инфракрасных лучей, относятся к числу наиболее избирательных и чувствительных [3, 5, 9, 10—14].

Инфракрасную радиацию поглощают газы, молекулы которых состоят из двух или большего числа различных атомов или ионов. Такие газы, как О2 , N 2 , H 2 , Cl2 и все инертные одноатомные газы (He, Ne, Ar и т.д.) являются «прозрачными» в инфракрасном спектре. У сложных по молекулярной структуре газов наблюдаются колебательно-вращательные и чисто вращательные степени свободы.

16.3. Оптические газоанализаторы

В результате этого спектры поглощения имеют сложную структуру, достаточно индивидуальную для каждого газа, что и предопределяет высокую избирательность (селективность) метода.

На рис. 16.10 показаны спектры поглощения инфракрасной радиации для некоторых газов [9].

Рис. 16.10. Кривые поглощения газов в инфракрасной области

Любой оптический абсорбционный газоанализатор, основанный на поглощении излучения, содержит (в простейшем исполнении) источник излучения 1, абсорбционную камеру 2 (кювету), наполненную исследуемым газом, и приемник излучения 3 (рис. 16.11.)

l

Рис. 16.11. Схема абсорбционного оптического газоанализатора

Поглощение лучистой энергии газом определяется известным соотношением

где J0 и J — интенсивности монохроматического потока радиации до и после поглощающего слоя газа, соответственно; — коэффициент поглощения,

Глава 16. Датчики газоанализаторов

характерный для данного газа и длины волны; С — концентрация газа, поглощающего излучение; l — длина поглощающего слоя газа.

Из этого выражения видно, что метрологические характеристики газоанализатора зависят от интенсивности и стабильности источника излучения, спектральной характеристики излучателя и степени его монохроматизма; длины кюветы; давления газа, влияющего на количество поглощающих молекул в единице объема, т.е. на объемную концентрацию; селективности лучеприемника.

В зависимости от того или иного сочетания конструктивных решений, направленных на устранение перечисленных влияющих факторов, газоанализаторы инфракрасного поглощения делятся на несколько групп и носят различные наименования. Наибольшее практическое применение получили так называемые оптико-акустические газоанализаторы, в которых установлен селективный оптико-акустический приемник инфракрасного излучения (рис. 16.12).

Рис. 16.12. Принцип действия оптико-акустического приемника лучистой энергии

Впервые оптико-акустический эффект наблюдали Тиндаль и Рентген. Эффект был обнаружен ими при облучении замкнутого объема с газом прерывистым потоком инфракрасной радиации. Это явление было использовано при создании селективного приемника лучистой энергии [9].

Если в закрытую полость лучеприемника 1 (рис. 16.12, a), заполненную газом, способным абсорбировать инфракрасную радиацию, направить через окно 2 прерывистый поток инфракрасный лучей, то за счет поглощения энергии температура газа будет периодически повышаться на Т и снова охлаждаться за счет теплоотдачи (в период отсутствия потока).

Пульсация температуры приведет к колебанию давления на величину Р (рис. 16.12, б), что воспринимается чувствительным датчиком давления 3. Прерывание потока лучистой энергии от источника радиации 4 производится

спомощью обтюратора 5.

Вдинамическом отношении камера лучеприемника является инерционным звеном с падающей амплитудно-частотной характеристикой. Поэтому частота обтюрации обычно устанавливается в пределах 5—6 Гц. Окно 2 лучеприемника 1 должно быть «прозрачным» для инфракрасной радиации хотя бы в области спектра поглощения газа.

16.3. Оптические газоанализаторы

Как видно из рис. 16.10, спектры поглощения в области 4—5 нм для этих газов частично совпадают. Поэтому изменение концентрации CO приводит к появлению дополнительной погрешности при измерении содержания CO2 .

Применение двухканальной оптической схемы позволяет устранить это явление. Оба канала идентичны. Два источника излучения 1 создают потоки радиации, прерываемые обтюратором 2 в одной и той же фазе.

В правом канале (рис. 16.13) установлена рабочая камера 3, через которую протекает газовая смесь.

Симметрично, в левом канале установлена сравнительная камера 4, заполненная чистым воздухом. Далее на пути потоков излучения расположены фильтровые камеры 5 и 6, заполненные мешающим компонентом. В данном примере — окисью углерода.

Пройдя фильтровые камеры, оба потока попадают в двухкамерный лучеприемник, полости 7 и 8 которого заполнены анализируемым газом, т.е. двуокисью углерода и соединены с полостями дифференциального высокочувствительного манометра 9, сигнал с которого поступает в измерительное устройство.

На рис. 16.13 стрелками условно показаны потоки радиации, соответствующие долям энергии, поглощаемым CO (белые стрелки) и CO2 (черные стрелки). После прохождения потоками инфракрасной радиации фильтровых камер практически полностью устраняется в каждом из них энергетическая составляющая, соответствующая спектрам поглощения в CO.

16.3. Оптические газоанализаторы

1 и 2, заполненные в равной мере анализируемым компонентом. В каждой камере установлена пара акустически согласованных между собой излучателей и приемников ультразвуковых колебаний.

Излучатели 4 и 5 при поступлении импульсов от генератора 7 возбуждают ультразвуковые колебания, распространяющиеся через газовые полости камер 1 и 2 к приемникам 3 и 6. Время прихода акустических колебаний на приемники регистрируется цифровым измерителем 8 временных интервалов с точностью до 1 нс.

Известно, что скорость распространения акустических колебаний в газе зависит, при прочих равных условиях, от температуры (см. разд. 16.9). При изменении содержания анализируемого компонента в газовой смеси, протекающей через рабочую камеру 9, меняется доля лучистой энергии, достигающей камеру 1. В сравнительной камере 10 и, следовательно, в камере 2 условия прохождения инфракрасной радиации при этом не меняются.

Поэтому температура газов в камерах 1 и 2, в общем случае, будет различной, что и преобразуется во временные интервалы, разность которых служит мерой измеряемой концентрации.

Камеры 11 и 12 (как и в схеме на рис. 16.13) — фильтрационные. Прерывания оптических потоков в этом случае не требуется.

Камеры 1 и 2 в динамическом плане представляют собой инерционные звенья, и температурные режимы в них устанавливаются с некоторым запаздыванием.

В качестве высокочувствительных приемников инфракрасной радиации используются также пироэлектрические датчики, которые реагируют именно на изменение температуры [12]. Пироэлектрический эффект наблюдается на кристаллах пироэлектриков и сегнетоэлектриков (турмалин, сегнетова соль и др.), а также на элементах из пьезокерамики (цирконат — титанат свинца и др.).

Окна оптических камер изготавливают из плавленого корунда, рубина, хлористого серебра и других материалов, имеющих удовлетворительные характеристики пропускания в ближнем инфракрасном спектре.

Помимо конденсаторного микрофона применяют также электродинамический.

Пределы измерений оптико-акустических газоанализаторов перекрывают диапазоны как микроконцентраций (0—0,01% 0—0,05% и др.), так и больших содержаний анализируемых компонентов (0—5%, 0—10%, 0—50%, 0—100%). Известны конструкции таких приборов с порогом обнаружения (по СО, СО2 , СН4 и др.), равным 0,0001% [4, 5, 9].

Газоанализаторы, основанные на поглощении излучения в ультрафиолетовом спектре.

Поглощение газами ультрафиолетовой радиации в области от 200 до 400 нм сопровождается явлениями, не имевшими места в инфракрасном спектре.

Одноатомные газы характеризуются линейчатыми или резонансными спектрами, что связано с переходом в атоме электронов с основного энергетического уровня на более высокие дискретные уровни. Например, пары ртути (рис. 16.15) имеют отчетливые резонансные линии, особенно при25367, нм.

Вкачестве источников излучения применяются ртутные газоразрядные лампы (низкого, среднего и высокого давления), имеющие линейчатый спектр излучения, вольфрамовые лампы накаливания с непрерывным спектром и др.

Как правило, источники ультрафиолетового излучения по сравнению с источниками инфракрасной радиации являются более мощными и как следствие — менее долговечны.

Вкачестве фильтров используются цветные стекла, различные растворы,

атакже газы. Например, фильтры УФС-1 с полосой пропускания от 240 до 400 нм; УФС-2 — от 270 до 380 нм и др.

Для изготовления торцевых окон камер обычно применяют кварц.

16.3. Оптические газоанализаторы

В качестве приемников излучения служат фотосопротивления, фотодиоды, вакуумные фотоэлементы, фотоумножители, отвечающие по спектральной чувствительности ультрафиолетовому диапазону.

Газоанализаторы для контроля содержания паров ртути в воздухе обладают наибольшей чувствительностью среди аналогичных приборов для других газов, так как спектр излучения ртутных ламп совпадает с характеристикой спектрального поглощения парами ртути. Это обеспечивает высокую избирательность без применения дополнительных мер.

По аналогии с оптико-акустическими газоанализаторами приборы ультрафиолетового поглощения также выполняются по двухканальной оптической схеме как с непосредственным отсчетом, так и компенсационного типа.

Пределы измерения газоанализаторов достаточно разнообразны и зависят как от природы измеряемого компонента, так и состава газовой смеси. Так, на пары ртути в воздухе порог обнаружения [1] составляет 1 10 7 %, для бензола 2 10 4 %, четыреххлористого углерода — 1,3 10 2 % [9].

Как следует из (16.11), повысить чувствительность оптических абсорбционных газоанализаторов (независимо от спектра поглощения, в ультрафиолетовой или инфракрасной области) можно увеличением длины l газовой кюветы. В [10] предложено оригинальное решение газовая кювета выполнена в виде трубки с внутренними светоотражающими стенками. При этом трубчатая газовая кювета уложена в виде спирали Архимеда, что при значительном увеличении l сохраняет компактность прибора.

Спектрофотометрические газоанализаторы

Спектральный эмиссионный анализ основан на способности вещества и газов в том числе, подвергнутых внешнему энергетическому воздействию, испускать энергию в виде излучения. В зависимости от величины энергии возбуждения молекулы осколки молекул, атомы или ионы излучают на полосах или линиях спектра, соответствующих молекулярным или межатомным переходам энергии. Спектральное положение линии ( ) служит критерием качественного анализа, а по интенсивности линий или полос можно определять количество молекул или их концентрацию.

Возбуждение газовой пробы производят тлеющим разрядом в трубке с внутренними электродами или в безэлектродном промежутке внешним высокочастотным полем [3, 4, 9, 19].

В качестве элементов дисперсии излучаемого потока обычно используют дисперсионные решетки, призмы или светофильтры. Из общего излучения газоразрядной трубки выделяется пара спектральных линий: линия анализируемого компонента и линия основного газа. Выбранные линии должны иметь примерно равную интенсивность при определенной концентрации анализируемого компонента. По отношению интенсивностей указанных линий фотометрическим методом проводят измерение концентрации.

Спектрофотометрический метод количественного анализа многокомпонентных газовых смесей сопровождается появлением значительных трудностей, которые не всегда удается преодолеть. Поэтому его применение обычно ограничивается лабораторной практикой [9].

Глава 16. Датчики газоанализаторов

16.4. Фотоколориметрические газоанализаторы

Фотоколориметрические методы газового анализа основаны на химическом взаимодействии измеряемого компонента газовой смеси с индикаторным веществом, находящемся в растворе или на поверхности ленты или части индикаторного порошка [3, 15, 16]

Химическая реакция сопровождается изменением цвета раствора, поверхности ленты или порошка, что легко поддается измерению фотометрическим методом.

Фотоколориметрические методы газового анализа имеют неоспоримые достоинства по сравнению с другими. К числу таких преимуществ относится высокая избирательность, практически неограниченная чувствительность и универсальность.

Действительно, избирательность метода определяется лишь правильным подбором индикаторного вещества, вступающего в цветную химическую реакцию с анализируемым компонентом. Чувствительность метода или порог обнаружения какого-либо газа определяется минимально заметным изменением оптических свойств индикаторного раствора или индикаторной ленты, что, в свою очередь, зависит при прочих равных условиях от количества молекул газа, вступавших в химическую реакцию. Поэтому при очень малых концентрациях анализируемого компонента можно усилить эффективность реакции увеличением количества пропускаемой через реакционное устройство газовой смеси. Пусть даже в ущерб быстродействию, но задача повышения чувствительности при этом решается.

Универсальность фотоколориметрического метода заключается в возможности применения одного и того же прибора для анализа различных компонентов с заменой лишь состава индикаторного вещества.

Конечно, этот метод неприменим для инертных газов и малопригоден для изменения больших концентраций. Хотя в последнем случае, разбавляя исследуемую газовую смесь чистым воздухом или другим газом (N 2 , Ar, CO2 , и др.) в постоянной пропорции, можно обойти это ограничение.

Особенно эффективно применение фотоколориметрических газоанализаторов для контроля токсичных газов и паров в воздухе производственных помещений и зоны проживания людей.

Фотоколориметрические газоанализаторы по способу размещения индикаторного вещества бывают жидкостными и ленточными [3].

Жидкостные фотоколориметрические газоанализаторы

Оптическая схема фотоколориметрических жидкостных газоанализаторов показана на рис. 16.16.

Вместо газовых камер установлены проточные жидкостные камеры 1 и 2. Камера 2 — сравнительная. Через нее протекает жидкость с индикаторным веществом до взаимодействия с газовой смесью. Камера 1 — рабочая. По этой камере протекает жидкость после химической реакции с анализируемым компонентом в абсорбере 3. От источника света 4 два световых потока с помощью поворотных зеркал 5 и оптических систем проходят через камеры 1 и 2 и поступают на входы фотодетекторов 6 и 7.

16.4. Фотоколориметрические газоанализаторы

Рис. 16.16. Оптическая схема фотоколориметрического жидкостного газоанализатора

Измерительное устройство может быть выполнено как по схеме прямого преобразования, т.е. с непосредственным отсчетом, так и по схемам следящего уравновешивания. Например, за счет перемещения по цепи обратной связи оптического клина 8, по положению которого судят о концентрации анализируемого компонента.

Ослабление потоков лучистой энергии, проходящих через камеры 1 и 2, подчиняется известному соотношению (16.11). Только в этом случае вместо концентрации газа в расчет принимается концентрация окрашенных комплексов в растворе. Очевидно, в сравнительной камере 2 эта концентрация равна нулю.

С помощью светофильтров 9 (рис. 16.16) стремятся убрать неинформационную часть спектра широкополосного излучателя 4. При использовании монохроматического излучателя необходимость в светофильтрах 9 отпадает.

Чувствительность фотоколориметрического метода при непрерывной подаче раствора с индикаторным веществом зависит от степени абсорбции анализируемого компонента, которая, в свою очередь, определяется соотношением расхода газа и раствора через абсорбер 3. Установлено [1], что для каждого варианта — газ—индикатор существует оптимальное значение этого соотношения, учитывающее чувствительность и запаздывание.

Пределы измерения фотоколориметрических газоанализаторов охватывают область микроконцентраций. Так, например, на хлор выпускаются приборы со шкалой от 0 до 8 частей на миллион [3, 9, 15, 16].

Фотоколориметрические ленточные газоанализаторы

На рис. 16.17 представлена упрощенная оптическая схема ленточного газоанализатора [3, 15].

От источника 1 формируются два световых потока Ф0 и Ф1 .

Поток Ф0 проходит диафрагму 2, светофильтр 3 и попадает на фотоприемник 4. Этот поток является сравнительным. Поток Ф1 поступает через оптиче-