Газоанализаторы на основе оптико-акустического эффекта

Схема инфракрасного газоанализатора

Измерения производятся в непрерывном режиме. Схема прибора представлена на рисунок 113.

Рисунок 113. Схема ИК фотометрического газоанализатора.

ИК излучение от источника 1, представляющего собой нихромовую проволоку, нагреваемую электрическим током до температуры около 800 ⁰С, поступает в две расположенные рядом и параллельно друг другу кюветы 2 и 3. Через кювету 2 прокачивается анализируемый газ, а кювета 3 содержит воздух, свободный от двуокиси углерода, и образует канал сравнения. Далее пучки оптического излучения подвергаются модуляции в противофазе друг относительно друга при помощи обтюратора 4, представляющего собой вращающийся диск с прорезями. Затем оптическое излучение проходит через интерференционный светофильтр 5, имеющий максимальное пропускание t_m = 80% на l_m = 4,2 мкм при ширине полосы на уровне 0,5 от максимального значения dl _0,5 = 0,1 мкм. В эту полосу попадает линия поглощения двуокиси углерода. Примерный вид спектра излучения, прошедшего кювету с газом 2 и светофильтр 5, представлен на рис. 114. Далее оба модулированных пучка при помощи концентратора 6 направляются на пироэлектрический фотоприемник 7 марки МГ-30. В фотоприемнике осуществляется преобразование потока излучения в пропорциональный ему по величине переменный электрический сигнал и происходит его предварительное усиление. Затем сигнал усиливается в основном усилителе 8 и разделяется на составляющие, соответствующие потокам излучения через кюветы 2 и 3, в синхронном детекторе 9. Работа детектора синхронизируется с вращением обтюратора при помощи фотодатчика 12. Далее сигналы поступают в блок обработки 10, где они вычитаются и результирующий сигнал измеряется микроамперметром 11, служащим стрелочным индикатором прибора. Для определения содержания двуокиси углерода пользуются градуировочным графиком, где по числу делений, на которое отклоняется стрелка индикатора, находят объемную долю двуокиси углерода в процентах.

Рисунок 114. Спектры ИК излучения, прошедшего через канал сравнения 3 (рис. 29) и выделенного светофильтром 5: пунктирная кривая Ф _l0 - спектральная плотность потока излучения до прохождения кюветы с газом и фильтра; сплошная кривая Ф _l - спектральная плотность потока излучения после прохождения кюветы с анализируемым газом и фильтром;

а) в случае среднего поглощения (около 30%); б) при сильном поглощении газом (> 90%).

Оптические методы газового анализа принадлежат к числу наиболее избирательных и чувствительных. Одно из первых мест среди них в этом отношении занимает оптико-акустический метод, избирательность которого, в противоположность обычным спектроскопическим методам, достигается без спектрального разложения, за счет применения селективных оптико-акустических приемников, использующих специфичность инфракрасных спектров поглощения газообразных, парообразных и жидких веществ.

Оптико-акустический эффект был открыт в 1880 году Беллом, Тинделем и Рентгеном. Этот эффект состоит в следующем. Если в сосуд, содержащий газ, способный поглощать инфракрасное излучение, направлять прерываемый с некоторой частотой поток излучения, то в газе возникает пульсация давления, субъективно воспринимаемая как звук, если частота прерывания имеет соответствующую величину. Пульсация давления происходит из-за того, что молекулы газа, поглощая кванты падающего излучения, приходят в возбужденное состояние, а затем энергия возбуждения их колебательно-вращательных степеней свободы переходит, в результате неупругих ударений между молекулами, в энергию поступательного движения последних, т.е. в тепло, соответствующее повышению давления.

Оптико-акустический метод весьма универсален: он позволяет анализировать все газообразные вещества, за исключением одноэлементных.

Оптико-акустический метод и первый лабораторный образец оптико-акустического газоанализатора были разработаны в СССР М.Л. Вейнгеровым.

Оптико-акустический метод основывается на нескольких явлениях, главными из которых являются процессы поглощения прерывистого инфракрасного излучения и процессы преобразования энергии акустических колебаний в электрическое напряжение.

В основу разработки оптико-акустических газоанализаторов была положена оптическая схема измерения, основанная на дифференциальном методе. Сущность всякого дифференциального метода измерения сводится к определению разности значений измеряемой величины и величины известной, служащей мерой сравнения.