2.3 Оптико-абсорбционный метод анализа

Абсорбционный метод спектрального анализа газов основан на свойстве веществ избирательно поглощать часть проходящего через них электромагнитного излучения. Для газового анализа в настоящее время используют в основном инфракрасный и ультрафиолетовый диапазоны электромагнитного спектра с длинами волн λ_ик = 0,2—0,4 мкм и λ_уф = 2—10 мкм соответственно.

Специфичность спектра поглощения позволяет качественно определять состав газовой смеси, а интенсивность абсорбционного спектра связана с количеством поглощающего энергию вещества. Количественная связь между концентрацией определяемого компонента и изменением интенсивности поглощаемого этим компонентом излучения устанавливается законом Бугера—Ламберат—Бера

, (7)

где Ф_λ — монохроматический поток излучения с длиной волны λ_В , прошедший через слой поглощающей среды толщиной l; Ф_о — монохроматический поток излучения, входящий в слой поглощающей среды; ε_λ — коэффициент поглощения излучения веществом; С — концентрация поглощающего вещества.

Поток излучения A_λ (С), поглощенный анализируемым компонентом, с учетом выражения (7) будет равен

, (8)

где — оптическая плотность вещества на длине волны λ_В; T_λ — пропускание вещества.

Если анализируемое вещество является смесью нескольких компонентов, поглощающих излучение на длине волны λ_Вi, то оптическая плотность D_CM определится по формуле

, (9)

где D_λi, ε_λi — оптическая плотность и коэффициент поглощения i-го компонента.

Таким образом, из приведенных зависимостей видно, что для измерения концентрации искомого компонента достаточно измерить оптическую плотность вещества D_λ или одну из функционально связанных с ней величин А _λ (С) или T _λ (С).

Рисунок 3 - Структурная схема простейшего

абсорбционного газоанализатора

На рисунке 3 приведена структурная схема простейшего абсорбционного анализатора вещества. Селективный оптический фильтр 2 выполняет функцию монохроматора и пропускает излучение Ф_0λ от источника 1 лишь на выбранной длине волны или в узком диапазоне длин волн, соответствующих максимальному коэффициенту поглощения определяемого компонента. Приемник излучения 4 преобразует прошедший через кювету 3 с анализируемым веществом поток Ф_λ в пропорциональный электрический сигнал, который после усиления усилителем 5 измеряется прибором 6. Измеряемый прибором 6 сигнал у(С) определяется из выражения

, (10)

где s_λ — спектральная характеристика оптического фильтра; к_п — коэффициент преобразования приемника излучения; к_у — коэффициент усиления усилителя; .

Из выражения (10) следует, что в общем случае статическая характеристика прибора имеет экспоненциальный характер. Поскольку к промышленным газоанализаторам предъявляется требование наибольшего приближения статической характеристики к линейному виду, то это условие выполняется при

, (11)

где D_λмакс - оптическая плотность, соответствующая максимальному значению концентрации определяемого компонента С_макс.

На основании выражения (11) выбирается оптимальная длина рабочей кюветы газоанализатора

, (12)

Широкая универсальность абсорбционного метода позволяет определять концентрации значительного числа веществ (за исключением кислорода, водорода, азота и ряда других одноэлементных газов) в широком диапазоне концентраций (от микропримесей до 100%). Относительно простое аппаратурное оформление позволяет автоматизировать абсорбционные газоанализаторы и широко использовать их в промышленности для непрерывного контроля технологических процессов.

Наиболее часто для промышленных измерений применяются двухканальные газоанализаторы ИК-поглощения с дифференциальным лучеприемником и компенсационной измерительной схемой. Поскольку в приборах данного типа первоначально использовалось инфракрасное излучение с ча­стотой прерывания около 200 Гц, т. е. в области звуковых частот, то до настоящего времени рассматриваемые газоана­лизаторы носят наименование оптико-акустических, хотя и работают в области более низких частот прерывания излучения.

Прерывание исходного потока ИК-излучения осуществляется с помощью обтюратора, приводимого во вращение синхронным электродвигателем. Выбор частоты прерывания 6—12 Гц обеспечивает хорошую фильтрацию помех промышленной частоты. При двухканальной схеме два потока излучения проходят через измерительную и сравнительную кюветы. Через измерительную кювету прокачивается измеряемая газовая смесь. Сравнительная кювета заполняется смесью определенного состава и чаще всего состоит из неопределяемых компонентов измеряемой смеси.

Остаточные потоки излучения после прохождения через измерительную и сравнительные кюветы поступают в приемные камеры дифференциального лучеприемника. Камеры лучеприемника заполняются определяемым компонентом, что обеспечивает измерение энергии излучения только в спектре поглощения анализируемого газа. При поглощении остаточных потоков излучения разность температур газа, а следова­тельно и разность давлений в камерах лучеприемника, будут пропорциональны концентрации анализируемого компонента.

Когда излучение прерывается обтюратором, газ в камерах частично охлаждается, а давление выравнивается из-за наличия калиброванного отверстия (капиллярного дросселя) между полостями камер лучеприемника. Поэтому в режиме непрерывной работы в камерах возникают периодические пульсации давления от начального нулевого значения разности давлений. Камеры разделены подвижной мембраной из алюминиевой фольги, являющейся одной из обкладок конденсатора, емкость которого будет определяться амплитудой колебаний мембраны, т. е. концентрацией анализируемого компонента в газовой смеси. Конденсатор включается во входную цепь электронного усилителя измерительного блока газоанализатора, в котором вырабатываются соответствующие выходные сигналы, фиксируемые измерительным прибором газоанализатора.

Основным источником погрешностей оптико-акустических газоанализаторов инфракрасного поглощения является дрейф нуля шкалы, обусловливаемый старением излучателей, загрязнением измерительной (рабочей) кюветы, изменением прозрачности стекол и т. п.

В схемах оптико-акустических газоанализаторов используются различные методы компенсации, в соответствии с которыми уравновешивание потоков инфракрасного излучения может осуществляться за счет перемещения заслонки, прикрывающей поток радиации в сравнительном канале (оптическая компенсация) или за счет изменения тока питания его излучателя (электрическая компенсация). Наилучшие условия для получения линейной статической характеристики обеспечивает метод газовой компенсации, при котором под действием обратной связи поток излучения в сравнительном канале изменяется за счет перемещения компенсационной кюветы переменного сечения, заполненной анализируемым газом.

Метод газовой компенсации реализован в исследуемом Оптико-акустическом газоанализаторе типа ОА 2209М, кото­рый предназначен для измерения СО₂ в пределах 0—30%. Приборы данного типа также применяются для измерения СО, СН₄, NH₃, а также водорода (до 20%) в смеси с указанными газами.

В комплект газоанализатора ОА 2209М входит побудитель расхода, блок контроля подачи газовой смеси, измерительный блок и измерительный прибор (КСУ-2).