Контрольная работа: Газоанализаторы
Рис.5. Пневматический струйный газоанализатор: 1 - элемент "сопло - приемный канал"; 1а-сопло; 1б-приемная трубка; 2-эжсктор; 3-вторичный прибор; 4 - регулятор давления; 5 - соединит, канал; 6-вентиль.
Пневмоакустические газоанализаторы содержат два свистка (Рис.6) с близкими частотами (3-5 кГц), через один из которых проходит анализируемый газ, через второй - сравнительный. Частота биений звуковых колебаний в смесителе частот зависит от плотности анализируемого газа. Биения (частота до 120 Гц) усиливаются и преобразуются в пневматические колебания усилителем. Для получения выходного сигнала (давления) служит частотно-аналоговый преобразователь.
Рис.6. Пневмоакустический газоанализатор: 1 - свисток; 2-смеситель частот; 3 - усилитель - преобразователь; 4 - частотно-аналоговый преобразователь; 5-вторичный прибор.
Пневматические газоанализаторы не обладают высокой избирательностью. Они пригодны для анализа смесей, в которых изменяется концентрация только одного из компонентов, а соотношение между концентрациями других остается постоянным. Диапазон измерения - от единиц до десятков процентов. Пневматические газоанализаторы не содержат электрических элементов и поэтому могут использоваться в помещениях любой категории пожаро- и взрывоопасности. Элементы схемы, контактирующие с газами, выполнены из стекла и фторопласта, что позволяет анализировать весьма агрессивные газы (хлор-, серосодержащие и др.).
Инфракрасные газоанализаторы. Их действие основано на избирательном. поглощении молекулами газов и паров ИК - излучения в диапазоне 1-15 мкм. Это излучение поглощают все газы, молекулы которых состоят не менее чем из двух различных атомов. Высокая специфичность молекулярных спектров поглощения различных газов обусловливает высокую избирательность таких газоанализаторов и их широкое применение в лабораториях и промышленности. Диапазон измеряемых концентраций 10-3 - 100%. В дисперсионных газоанализаторах используют излучение одной длины волны, полученное с помощью монохроматоров (призмы, дифракционной решетки). В недисперсионных газоанализаторах, благодаря особенностям оптической схемы прибора (применению светофильтров, специальных приемников излучения и т.д.), используют немонохроматическое излучение. В качестве примера на рис.7 приведена. Наиболее распространенная схема такого газоанализатора. Излучение от источника последовательно проходит через светофильтр и рабочую кювету, в которую подается анализируемая смесь, и попадает в специальный приемник. Если в анализируемой смеси присутствует определяемый компонент, то в зависимости от концентрации он поглощает часть излучения, и регистрируемый сигнал пропорционально изменяется. Источником излучения обычно служит нагретая спираль с широким спектром излучения, реже - ИК-лазер или светодиод, испускающие излучение в узкой области спектра. Если используется источник немонохроматического излучения, избирательность определения достигается с помощью селективного приемника.
Рис.7. Недисперсионный инфракрасный газоанализатор: 1-источник излучения; 2-светофильтр; 3-модулятор; 4 и 4'-соотв. рабочая и сравнит. (внизу) кюветы; 5-приемник излучения; 6-усилитель; 7-вторичный прибор.
Наиболее распространены газоанализаторы с газонаполненным оптико-акустическим приемником. Последний представляет собой герметичную камеру с окном, заполненную именно тем газом, содержание которого нужно измерить. Этот газ, поглощая из потока излучения определенную часть с характерным для данного газа набором спектральных линий, нагревается, вследствие чего давление в камере увеличивается. Посредством механического модулятора поток излучения прерывается с определенной частотой. В результате с этой же частотой пульсирует давление газа в приемнике. Амплитуда пульсации давления - мера интенсивности поглощенного газом излучения, зависящая от того, какая часть характерного излучения поглощается тем же газом в рабочей кювете. Другие компоненты смеси излучение на этих длинах волн не поглощают. Т. обр., амплитуда пульсации давления в приемнике излучения - мера количества определяемого компонента в анализируемой смеси, проходящей через рабочую кювету. Изменение давления измеряют обычно конденсаторным микрофоном или микроанемометром (датчиком расхода газа). Заменяя газ в приемнике излучения оптико - акустического газоанализатора, можно избирательно измерять содержание различных компонентов смесей.
В инфракрасных газоанализаторах используют также неселективные приемники излучения - болометры, термобатареи, полупроводниковые элементы. Тогда в случае источников с широким спектром излучения избирательность определения обеспечивают применением интерференционных и газовых фильтров. Для повышения точности и стабильности измерения часть потока излучения
обычно пропускают через сравнительною кювету, заполненную газом, не поглощающим регистрируемое излучение, и измеряют разность или отношение сигналов, полученных в результате прохождения излучения через рабочую и сравнительную кюветы.
Инфракрасные газоанализаторы широко используют для контроля качества продукции, анализа отходящих газов, воздуха помещений. С их помощью определяют, напр., СО, СО2, NH3, СН4 в технологических газах производства синтетического аммиака, пары ряда растворителей в воздухе промышленных помещений, оксиды азота, SO2, СО и углеводороды в выхлопных газах автомобилей и т.д.
Ультрафиолетовые газоанализаторы. Принцип их действия основан на избирательном поглощении молекулами газов и паров излучения в диапазоне 200-450 нм. Избирательность определения одноатомных газов весьма велика. Двух - и многоатомные газы имеют в УФ - области сплошной спектр поглощения, что снижает избирательность их определения. Однако отсутствие УФ - спектра поглощения у N2, O2, СО2 и паров воды позволяет во многих практически важных случаях проводить достаточно селективные измерения в присутствии этих компонентов. Диапазон определяемых концентраций обычно 10-2-100% (для паров Hg нижняя граница диапазона 2,5-10-6%).
Схема ультрафиолетового газоанализатора аналогична схеме, приведенной на рис.7. Имеются также приборы с двумя детекторами излучения без модулятора, в которых световые потоки не прерываются. В качестве источников излучения обычно применяют ртутные лампы низкого (= 253,7 нм) и высокого (спектр с большим набором линий) давлений, газоразрядные лампы с парами других металлов (=280, 310 и 360 нм), лампы накаливания с вольфрамовой нитью, водородные и дейтериевые газоразрядные лампы. Приемники излучения - фотоэлементы и фотоумножитель. При использовании неселективного источника излучения избирательность измерения в большинстве приборов обеспечивают с помощью оптических фильтров (стеклянных или интерференционных).
Ультрафиолетовые газоанализаторы применяют главным образом для автоматического контроля содержания С12, О3, SO2, NO2, H2S, C1O2, дихлорэтана, в частности в выбросах промышленных предприятий, а также для обнаружения паров Hg, реже Ni (СО) 4, в воздухе промышленных помещений.
Люминесцентные газоанализаторы. В хемилюминесцентных газоанализаторах измеряют интенсивность люминесценции, возбужденной благодаря химической реакции контролируемого компонента с реагентом в твердой, жидкой или газообразной фазе. Пример - взаимодействия NO с О3, используемое для определения оксидов азота:
N0 + 03 - > N02+ + 02 - > N02 + hv + 02
Схема хемилюминесцентного газоанализатора с газообразным реагентом представлена на рис.8. Анализируемая смесь и реагент через дроссели поступают в реакционную камеру. Побудитель расхода (насос) обеспечивает необходимое давление в камере. При наличии в смеси определяемого компонента излучение, сопровождающее хемилюминесцентную реакцию, через светофильтр подается на катод фотоумножителя, который расположен в непосредственной близости к реакционной камере. Электрический сигнал с фотоумножителя, пропорциональный концентрации контролируемого компонента, после усиления поступает на вторичный прибор. При измерении слабых световых потоков, возникающих при малых концентрациях определяемого компонента, фотокатод охлаждают электрическими микрохолодильниками с целью уменьшения темнового (фонового) тока.
Рис.8. Хемилюминесцентный газоанализатор: 1-рсакц. камера; 2-светофильтр; 3 - фотоумножитель; 4-вторичный прибор; 5-побудитель расхода газа; 6-дроссели.
Для измерения содержания NO2 в приборе предусмотрен конвертер, где NO2 превращается в NO, после чего анализируемая смесь направляется в реакционную камеру. При этом выходной сигнал пропорционален суммарному содержанию NO и NO2. Если же смесь поступает, минуя конвертер, то по выходному сигналу находят концентрацию только NO. По разности этих сигналов судят о содержании NO 2 в смеси.
Высокая избирательность хемилюминесцентных газоанализаторов обусловлена специфичностью выбранной реакции, однако сопутствующие компоненты в смеси могут изменять чувствительность прибора. Такие газоанализаторы применяют для определения NO, NO2, NH3, O3 в воздухе в диапазоне 10-7-1%.
Во флуоресцентных газоанализаторах измеряют интенсивность флуоресценции (длина волны), возникающей при воздействии на контролируемый компонент УФ - излучения (с частотой v1). В качестве примера на рис.9 представлена схема такого газоанализатора для определения SO2 в воздухе. Анализируемая смесь поступает в детекторную камеру, которая отделена от импульсного источника УФ - излучения и от фотоумножителя светофильтрами 3 и 4, пропускающими излучение с длинами волн соответствующими импульсами. Фотоумножитель, расположенный под углом 90° к источнику излучения, регистрирует импульсы флуоресценции, амплитуда которых пропорциональна концентрации определяемого компонента в камере. Электрический сигнал с фотоумножителя после усиления и обработки поступает на вторичный прибор. Газоанализаторы для определения SO2 характеризуются высокой чувствительностью и избирательностью. Они используются в автоматических станциях контроля окружающей среды.
Рис.9. Флуоресцентный газоанализатор: 1 - детекторная камера; 2-источник УФ - излучения; 3-светофильтр возбуждающего излучения; 4 - светофильтр люминесценции; 5-зеркало; 6-фотоумножитель; 7-вторичный прибор.
Для удаления паров воды, влияющих на показания люминесцентных газоанализаторов, применяют специальные фильтры (типа молекулярного сита) на входе потока газа в камеру.
Фотоколориметрические газоанализаторы. Эти приборы измеряют интенсивность окраски продуктов избирательной реакции между определяемым компонентом и специально подобранным реагентом. Реакцию осуществляют, как правило, в растворе (жидкостные газоанализаторы) или на твердом носителе в виде ленты, таблетки, порошка (соответственно ленточные, таблеточные, порошковые газоанализаторы).
Рис.10. Жидкостной фотоколориметрический газоанализатор: 1 - источник излучения; 2-светофильтр; 3 и 3'-рабочая и сравнит. кюветы; 4-абсорбер; 5 и 5'-приемники излучения; б - усилитель; 7-вторичный прибор.