Реферат: Оптические датчики газового состава

Вступление

В данном реферате обсуждаются датчики газового состава, то есть речь идет об обработке информации о составе газовой смеси. Важность анализа газового состава сегодня не вызывает сомнений, поскольку она напрямую связана с основными проблемами современной цивилизации: экономией энергии, сырья, контролем качества, оптимизацией промышленных процессов, охраной окружающей среды, совершенствованием медико-биологических методов и т.д.

Датчики газового состава

Датчики, предназначенные для определения химического состава газовой смеси, получили широкое распространение, связанное прежде всего с контролем за процессами горения в целях экономии энергии и сокращения загрязнения атмосферы. Многие из новых датчиков газового состава предназначены для анализа газового состава горючих смесей или продуктов сгорания; O₂ , СО, СО₂ , Н₂ О, SO₂ , SO₃ , NO_x , CH_x , и т. д.

Характеристики датчиков газового состава также претерпевают заметную эволюцию: появляются новые датчики с более высокой селективностью, происходит их миниатюризация, приспособление к измерению непосредственно в рабочем объеме; некоторые из них способны заменить сложные и громоздкие анализаторы.

Кислород в качестве объекта газового анализа занимает особое место: возможности точного и быстрого анализа этого газа, предоставляемые сегодня некоторыми датчиками и, прежде всего, датчиками на основе твердых электролитов, находят многочисленные применения в таких весьма различных областях человеческой деятельности, как химическая промышленность, металлургия, сельское хозяйство, пищевая промышленность, медицина, биология, системы кондиционирования и контроля атмосферы в лаборатории. Применение таких датчиков все расширяется, стимулируя разработку новых специальных зондов для таких газов, как Cl₂ , SO₂ , HCl, H₂ S, H₂ и т. п.

Граница между "датчиками" и "анализаторами" в случае анализа газа является расплывчатой. При ее определении используются три критерия:

* возможность оперативного использования в непрерывном или квазинепрерывном режиме для контроля газовой среды либо определения ее физических параметров (температуры, давления, скорости циркуляции, содержания пыли и т.п.);

* отсутствие необходимости в использовании химических реагентов;

* невмешательство оператора в каждое измерение (для отбора проб, поверки и т. д.).

Это определение датчиков специально дается нестрого. Анализаторы, которые не рассматриваются как датчики газового состава, — это масс-спектрометры, анализаторы на основе хемолюминесценции (ионизация газа под действием высокоэнергетического ультрафиолетового излучения) и приборы ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Возможна следующая классификация датчиков газового состава

* электрохимические датчики на основе твердых электролитов;

* электрические датчики;

* катарометры;

* парамагнитные датчики;

* оптические датчики.

Далее, следуя теме реферата, будет рассмотрен только один тип датчиков.

Оптические датчики

Физические принципы

Поглощение электромагнитного излучения молекулой газа может привести не только к возбуждению электрона, но также к изменениям колебательной энергии (колебания атомов относительно каждой химической связи) и вращательной энергии (вращение всей молекулы или ее части). Все эти изменения энергии являются квантованными. Возможны только определенные значения кинетического момента вращения или энергии колебаний, характеризующие так называемые колебательные и вращательные энергетические уровни.

Поглощение видимого, ультрафиолетового и рентгеновского излучений вызывает изменение электронной энергии молекул. Поглощение инфракрасного излучения приводит к изменениям колебательных и вращательных состояний молекул.

Эти эффекты используются в абсорбционной спектроскопии, которая является, следовательно, методом определения химического состава газа, поскольку получаемые спектры поглощения однозначно характеризуют его. Измерение интенсивности электромагнитного излучения, поглощаемого газовой смесью, зависит от природы газа и позволяет, таким образом, определить концентрацию данного газа в смеси. Согласно закону Бугера — Ламберта — Бера, доля (I/I₀ ) интенсивности излучения, поглощенного кюветой с газом, изменяется экспоненциально с длиной кюветы l , концентрацией c газа и коэффициентом поглощения а :

lg(I/I₀ )=alc.

Применимость закона Бугера — Ламберта — Бера. Некорректное применение этого закона может привести к существенным ошибкам. Закон справедлив только в том случае, если излучение является монохроматическим, что не выполняется в случае бездисперсионных приборов. Кроме того, коэффициент удельного поглощения а изменяется с используемой шириной полосы, а изменение температуры анализируемого газа приводит к смещению полосы поглощения. Закон также не учитывает общего давления и влияния непоглощающих газов, присутствующих в смеси.

Для того чтобы устранить или учесть эти источники ошибок, наряду с другими неконтролируемыми факторами, такими, как изменение интенсивности излучения, изменение чувствительности детектора или загрязнение окон датчика, обычно используются приборы, работающие по двухлучевой схеме.

Модели

Газы, анализ которых в промышленности осуществляется с использованием методов абсорбционной спектроскопии, перечислены в табл. 1.

Таблица 1. Основные газы, анализируемые с помощью оптических излучений
Длина волны, нм		Рентгенов­ское излучение 10-2 ¸ 10	УФ 10 ¸ 5×102	Видимое 5×102 ¸ 8×102	ИК 8×102 ¸ 106
Основные анализируемые газы		H2 S, газообразные кислоты	O2 , O3 , SO2 , NH3 , Hg	Cl2 , ClO2 , NOx , H2 O	H2 O, CO, CO2 , NO, N2 O, NH3 , SO2 , SO3 , алканы, алкены
Следовые количества	—	NH3 , SO2 , O3 , Hg	+	+
концентра­ций	Высокие концентра­ции	+	O3 , SO2	+	+

Анализаторы с использованием видимого и ультрафиолетового излучения. Пучок света, испускаемый лампой (обычно ртутной), монохроматизируется с помощью соответствующих фильтров.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--