Газоанализаторы, основанные на поглощении инфракрасных лучей (оптико-акустические)

Оптико-акустический (инфракрасный) газоанилизатор, принцип действия и область применения.

Газоанализаторы, основанные на поглощении инфракрасных лучей, получили широкое применение в различных отраслях промышленности и применяются для определения концентрации окиси углерода (СО), двуокиси углерода (С02), метана (СН4), 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.

Известно, что способностью поглощать инфракрасные лучи обладают все газы, которые содержат в моле-
куле два и более различных атомов, например окись углерода (СО),двуокись углерода (СО2), метан (СН4). Способность к поглощению инфракрасных лучей не проявляется у таких газов, как кислород
, азот, водород, одноатомные газы—гелий,неон, аргон, криптон, ксенон, радон, которые имеют один тип атомов. Основным законом, определяющим интенсивность монохроматического излучения, прошедшего известную толщину поглощающего слоя газа к, является закон Ламберта—Бера.

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 оптико-акустический 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. Колебания давления могут быть преобразованы конденсаторным микрофеном 6 в электрический выходной сигнал, который можно измерить.

Необходимо отметить, что наличие в анализируемой сложной газовой смеси неопределяемых компонентов, спектры поглощения которых могут частично перекрывать спектр поглощения определяемого компонента (например, наличие СО и СН4 при определении С02 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.

Для повышения точности измерения в большинстве отечественных и зарубежных газоанализаторов при-
меняют двухканальную (дифференциальную) оптическую схему.

Рассмотрим принципиальную схему оптико-акустического газоанализатора с газовой компенсацией, показанную на рис. 21-5-3, широко применяемого для определения СО (тип ОА2109), С02
(тип ОА2209) и СИ4 (тип ОА2309) в сложных газовых смесях.
Газоанализатор состоит из приемного преобразователя / и вторич-
ного прибора 2, выполненного на базе автоматического уравнове-
шенного моста типа MC (MCP) или КСМ2. Приемный преобразова-
тель 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 ко торую протекает анализируемая газовая смесь; У—отражающей
пластины; 10 — лучеприемника; // — лучеприемных камер, за-
полненных анализируемым компонентом или газовой смесью, со-
держащей измеряемый компонент и газ, не поглощающий инфра-
красное 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 про-
порции в зависимости от диапазона измерений; 14 —
поршня для изменения толщины поглощающего слоя га-
за (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 сильфом.

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

Потоки инфракрасного излучения 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 сигнал 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 луче приемной 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 пропор циональны разности давлений в лучеприемных камерах, а следовательно, 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 толщину слоя газа можно определить по вспомогательной шкале нанесенной на вращающийся циферблат, жестко соединенный с каркасом реохорда). 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.

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