Оптико-акустические газоанализаторы. 
Технические измерения и приборы

Абсорбционный метод анализа (см. п. 9.2) газов основан на свойстве веществ избирательно поглощать часть проходящего через них электромагнитного излучения. Если доля поглощённой образцом лучистой энергии мала, более удобной оказывается непосредственная регистрация её оптико-акустическим (ОА) методом. Специфичность спектра поглощения позволяет качественно определять состав газовых смесей, а интенсивность абсорбционного спектра связана с концентрацией вещества.

В основе ОА метода лежит оптико-акустический эффект, открытый Рентгеном (W. Rontgen — немецкий физикэкспериментатор, 1845 — 1923) и Тиндалем в 1880 году: при облучении газа, находящегося в замкнутом объёме, модулированным потоком ИК излучения в нём возникают пульсации давления (акустические колебания) с частотой модуляции.

ОА анализ газов основан на измерении акустических колебаний, возникающих при селективном поглощении слоем газа модулированного ИК излучения. Средняя и дальняя области ИК спектра выбраны с учётом их высокой избирательности. Так, ацетилен поглощает излучение с длиной волны 3,05, метан -3,3, углекислый газ-4,3, окись углерода — 4,6, диоксид серы 4 и 7,3 мкм. Молекулы анализируемого газа возбуждаются, поглощая резонансно квант электромагнитного излучения, а затем за счёт соударений переводят эту энергию в тепловую энергию кинетического движения молекул, а повышение температуры при постоянном объёме приводит к росту давления.

О, А анализ является селективным количественным методом.

Сила света, поглощённая образцом, определяется согласно основному закону поглощения и равна.

при условии, что 2,303klC « 1.

ОА метод по существу относится к методам абсорбционной спектроскопии, поскольку основан на измерении поглощённой лучистой энергии, и поэтому ОА спектры подобны абсорбционным спектрам. Уравнение (10.1) является математическим основанием количественного анализа по ОА спектрам. Градуировочные графики при использовании этого метода сохраняют линейность при изменении концентрации в 1.000 — 10.000 раз.

Характерной особенностью ОА метода является зависимость ОА спектра как от абсорбционных свойств, так и от термодинамических параметров вещества.

С помощью лазеров мощностью 1 Вт удалось достичь следующих пределов обнаружения веществ:

• — в газовой фазе при атмосферном давлении 10 ⁹ % об. доли;
• — в растворе 10^-11 % об. доли;
• — в твёрдой фазе 10^-9 % мае. доли.

ОА метод анализа характеризуется широким диапазоном применения, высокой точностью, избирательностью, быстродействием.

Универсальность метода определяется широким набором определяемых компонентов, имеющих полосы поглощения в ИК диапазоне. Сюда относится большинство технологических газов, кроме инертных Не, Ne, Аг и одноэлементных типа Н₂, 0₂, N₂. Наибольшее применение метод получил при избирательном анализе смесей, содержащих оксиды углерода (СО, С0₂), азота (N₂0, NO, N0₂), серы (S0₂), углеводороды C_nH_m, гидриды серы, азота (H₂S, NH₃) и т. д. Оптико-акустический метод перекрывает широкий диапазон определяемых концентраций от Ю^⁴ до 100%.

Чувствительность метода весьма велика, во всяком случае, достаточна для того, чтобы использовать его для определения следов газов ПДК токсических примесей в окружающей среде.

О, А газоанализаторы имеют основную погрешность на уровне 2 — 4% от верхнего значения диапазона измерений. Время сохранения этих характеристик без ручной корректировки составляет 7−30 суток.

В отличие от других селективных абсорбционных методов в ОА приборах отсутствуют диспергирующие элементы (монохроматоры), не выделяется узкий спектральный диапазон с одной аналитической линией. Слой газа с поглощающим компонентом играет роль селективного детектора, имеющего спектральную характеристику, совпадающую со спектром поглощения данного компонента. При этом поглощающий слой газа можно использовать как анализируемую смесь, детектор излучения и заградительный селективный оптический фильтр. Спектральная характеристика детектора представляет набор нескольких десятков отдельных линий, образующих полосу поглощения, характерную для колебательно-вращательных спектров в ИК области. Это свойство и определило удачное сочетание основных характеристик ОА детектора (избирательность и универсальность), для перехода к анализу другого компонента достаточно сменить поглощающий газ в замкнутом объёме детектора.

ОА селективный приёмник представляет собой герметичную камеру, заполненную смесью поглощающего компонента с инертным газом (рис. 10.1), и фактически является микрофоном.

Рис. 10.1. Устройство оптико-акустического приёмника:

1 — нижняя часть корпуса; 2 — верхняя часть корпуса; 3 — окно из ИК прозрачного материала; 4 — камера поглощения ИК света (активный) объём; 5 — подвижная мембрана конденсаторного микрофона; 6 — нижний (пассивный) объём; 7 — изолирующая платина; 8 — дюза (тонкий канал, соединяющий верхний и нижний объёмы), служащая фильтром НЧ Внутри ОА приёмника можно выделить активный объём, где происходит поглощение потока излучения, и пассивный объём, в котором расположен конденсаторный микрофон для преобразования акустических колебаний в электрический сигнал. Поток излучения попадает в активный объём через ИК прозрачное окно, перед которым может находиться регулируемая диафрагма или заслонка, изменяющая величину светового потока, поступающего в лучеириёмник.

Процессы прохождения аналитического сигнала через ОА лучеприёмник можно представить в виде цепи последовательных преобразований:

• — поглощение модулированного потока ИК излучения слоем газа в активном объеме;
• — нагревание объёма поглощённой энергией;
• — переход колебаний температуры в колебания давления (акустические колебания);
• — изменение ёмкости конденсатора и преобразование акустических колебаний в электрический сигнал, т. е. лучеприёмник фактически является конденсаторным микрофоном;
• -усиление электрического сигнала.

Простейший ОА анализатор показан на рис. 10.2.

Рис. 10.2. Однолучевой одноканальный ОА газоанализатор: 1 — излучатель; 2 — фильтр; 3 — измерительная кювета;

4 — фотоприёмник; 5 — ИП Оптический фильтр 2 выполняет функцию монохроматора и пропускает излучение от излучателя / на выбранной длине волны, соответствующей, как правило, максимальному коэффициенту поглощения определяемого компонента. Фотоприёмник 4 преобразует прошедший через кювету 3 световой поток в электрический сигнал, который обрабатывает ИП 5. Рассмотренная одноканальная и однолучевая схема проста, но на её основе трудно реализовать анализатор с высокими метрологическими характеристиками. Поэтому современные ОА газоанализаторы реализуют на базе более сложных и структурно-избыточных схем.

Выделяют два класса дифференциальных оптических схем ОА газоанализаторов: двухлучевую и двухканальную (рис. 10.3).

Двухлучевая дифференциальная схема ОА газоанализатора (рис. 10.3, а) содержит два источника излучения /, модулятор потока излучения (обтюратор, франц. obturateur, от лат. obturo — закрываю) 2, который прерывает этот поток с определённой частотой. В результате с этой же частотой пульсирует давление газа в лучеприёмнике с конденсаторным микрофоном 5. Схема содержит сравнительную 7 и рабочую 3 кюветы и ИП. Амплитуда пульсации давления является мерой интенсивности поглощённого газом излучения. Сравнительная кювета заполнена инертным газом, не поглощающим ПК излучение. Анализируемая смесь поступает в рабочую кювету. Активный объём лучеприёмника заполнен смесью определяемого компонента с инертным газом. Тогда выходной сигнал равен разности сравнительного и рабочего сигналов.

Двухлучевые схемы имеют следующие свойства:

• — спектральные характеристики рабочего и сравнительного потоков одинаковы, оба потока взаимодействуют с активными объёмами лучеприёмника в одном и том же спектральном интервале;
• — с анализируемым газом взаимодействует только рабочий луч свсга; сравнительный луч, поступающий в лученриёмник, проходит через слой инертного газа, которым заполнена сравнительная кювета.

В двухканапьном ОА газоанализаторе (рис. 10.3, б) анализируемая смесь подаётся в рабочий и сравнительный каналы. Кроме того, в сравнительном канале стоит дополнительная фильтровая кювета, заполненная гем же газом, что и лученриёмник. За счёт этого спектральная характеристика левого сравнительного канала существенно изменяется, в ней вырезается центральная часть полосы поглощения. Наличие регулируемой заслонки в рабочем канале позволяет выравнивать амплитуды рабочего и сравнительного сигналов. В сравнительном (левом) канале перед камерой лучеприёмника с оптической плотностью находится слой анализируемого газа и фильтровая кювета.

Рис. 10.3. Схемы оптико-акустических газоанализаторов: а — двухлучевая; б — двухканальная; 1 — излучатель; 2 — модулятор потока; 3 — рабочая кювета с анализируемым газом; 4, 6 — рабочая и сравнительная камеры лучеприёмника; 5 — конденсаторный микрофон; 7 — сравнительная кювета; 8 — фильтровая кювета в сравнительном канале; 9 — заслонка (диафрагма) в рабочем канале Двухканальные схемы имеют следующие свойства:

• — спектральные характеристики рабочего и сравнительного потоков различны. Это достигается за счёт применения дополнительных газовых слоев, играющих роль оптических фильтров, которые вырезают часть полосы поглощения. В результате рабочий и сравнительный потоки излучения занимают различные спектральные каналы;
• — с анализируемым газом взаимодействуют оба потока и сравнительный, и рабочий, но каждый в своём спектральном интервале.

Принцип работы промышленного ОА газоанализатора основан на избирательном поглощении ИК излучения определяемым компонентом анализируемой газовой смеси (рис. 10.4).

Рис. 10.4. ОА газоанализатор ИК излучения.

Прибор выпускают в виде нескольких модификаций, каждая из которых имеет следующий диапазон измерений одного из компонентов (% об. доля):

С0₂: 0−0,05; 0−0,1; 0−0,2; 0−0,5; 0−1; 0−2; 0−5; 0−10; 0−20.

СО: 0−0,2; 0−0,5; 0−1; 0−2; 0−5; 0−10; 0−20; 0−50; 0−100.

СН₄: 0 — 0,05; 0 — 1; 0 — 2; 0 — 5; 0 — 10; 0 — 20;

С₂Н₂: 0−0,5; 0−10.

Предел допускаемой основной приведённой погрешности газоанализатора составляет 4 — 10% от верхнего предела диапазона измерений.

Прямой путь повышения чувствительности ОА анализатора состоит в увеличении оптической плотности слоя анализируемого газа.

Самый простой способ — удлинение измерительной кюветы, что приводит к увеличению габаритных размеров самого прибора. Другой способ — многократное отражение луча (рис. 10.5). В кюветах подобной конструкции луч, многократно отражаясь от зеркальных стенок, может проходить расстояние в несколько десятков метров при сравнительно небольших габаритах кюветы.

Рис. 10.5. ОА газоанализатор с многоходовой кюветой:

I — источник излучения; 2 — обтюратор; 3 — кювета;

4 — лучеприемник; 5 — ИГ1.

ОА газоанализаторы УФ излучения используют в основном для измерения концентрации паров ртути в воздухе, так как ртуть имеет характерные линии поглощения в УФ диапазоне спектра. Кроме того, их применяютдля измерения концентрации хлора, сероводорода, двуокиси азота и некоторых других веществ.