Структурные схемы фотометрических газоанализаторов

Фотометрический (оптико-абсорбционный) газоанализатор

Основные типы газоанализаторов

Принцип действия таких газоанализаторов основан на том, что измеряется поглощение оптического излучения исследуемым газом в том участке спектра, где он имеет интенсивную полосу поглощения, не совпадающую с полосами поглощения других газов, присутствие которых возможно в анализируемой газовой смеси.

Газоанализаторы, реализующие оптико-абсорбционный метод, представляют собой высокочувствительные фотометры с фиксированной рабочей спектральной полосой, соответствующей полосе поглощения определяемого газа.

Фотометры могут быть однолучевыми и двухлучевыми. В силу ряда преимуществ наиболее перспективными являются двухлучевые фотометры.

Рисунок 109. Схема двухлучевого фотометра с двумя фотоприемниками:1 - источник, 2 - рабочая кювета, 3 - кювета с “нулевым” газом, 4, 5 - приемники оптического излучения, 6 - дифференциальный усилитель-преобразователь, 7 - регистратор.

В двухлучевых фотометрах оптическое излучение от источника 1 (рис.109) разделяется на два одинаковых пучка. Один из них проходит через кювету 2 с измеряемым газом, а другой - через такую же кювету 3, заполненную так называемым "нулевым" газом, не содержащим измеряемой составляющей. Затем каждый пучок оптического излучения направляется в отдельные фотоприемники 4 и 5, сигналы от которых поступают на дифференциальный усилитель 6. В случае слабого поглощения света в измерительной кювете разность между фототоками обоих фотоприемников оказывается пропорциональной массовой концентрации поглощающего свет вещества; для сильного поглощения пропорциональным концентрации будет логарифм отношения сигналов от фотоприемников. Для того, чтобы на индикаторе 7 прибора иметь непосредственно значения концентрации определяемого газа, сигналы от обоих каналов должны обрабатываться соответствующим образом, что при современных средствах электроники большой сложности не представляет. В простых стрелочных приборах от функциональной обработки сигналов отказываются и заменяют ее применением соответствующих нелинейных шкал стрелочных индикаторов концентрации. В двухлучевых схемах оптическое излучение в пучках может подвергаться модуляции по интенсивности модулятором 5 (рис.110) в противофазе в одном пучке относительно другого, и тогда оба потока направляются на один приемник оптического излучения 4, а затем, на усилитель-преобразователь 6.

Рисунок 110. Схема двухлучевого фотометра. с модулятором: 1 – источник излучения; 2 - рабочая кювета; 3 - кювета с “нулевым” газом; 4 - приемник оптического излучения; 5 – модулятор; 6 - усилитель-преобразователь; 7 - регистратор.

В случае слабого поглощения излучения для модулированных пучков амплитуда переменной составляющей фототока приемника будет пропорциональной концентрации; для сильного же поглощения концентрации пропорционален логарифм отношения максимального и минимального уровня сигнала от фотоприемника за период модуляции. Для слабого поглощения, как правило, можно пренебречь нелинейной зависимостью фототока приемника от падающего на него потока, если таковая имеется, так как в этом случае полезная составляющая сигнала составит лишь малую долю от фона. Необходимо только, чтобы фотоприемник и первичный усилитель не находились в режиме насыщения. Требование к идентичности характеристик обоих фотоприемников также оказывается не слишком жестким, и разброс в их чувствительности может быть скомпенсирован изменением параметров электрических цепей (например, ослаблением сигнала от одного из фотоприемников с помощью делителя напряжения), либо оптическим методом - диафрагмированием одного из пучков.

Можно заметить, что сигнал от фотоприемника, воспринимающего поток излучения, прошедший через кювету с "нулевым" газом, зависит только от потока излучения источника и при неизменном потоке излучения остается постоянным. Тогда весь канал сравнения фотометра может быть заменен источником постоянного напряжения или тока, соответствующего по величине сигналу от фотоприемника, когда измерительная кювета заполнена "нулевым" газом. Это значительно упрощает конструкцию прибора и удешевляет его. Такой фотометр становится однолучевым.

Работа однолучевого газоанализатора строится следующим образом: в его единственную кювету подают "нулевой" газ и усиленный предварительным усилителем сигнал от фотоприемника запоминается; например, устанавливается такая величина опорного напряжения, чтобы индикатор, показывающий концентрацию измеряемого газа, давал ее нулевое значение. После этого через кювету пропускают исследуемый газ и производят измерения. Если поглощение оптического излучения газом мало, то величина полезного сигнала составит лишь малую часть от фона, и даже незначительное изменение потока излучения от источника может сильно исказить результат. В этом случае требования к стабильности параметров источника оптического излучения и фотоприемника оказываются очень высокими, что не всегда может быть выполнено. В результате эта схема чаще всего применяется для определения газов, имеющих сравнительно высокую концентрацию и поглощение.