3. Описание экспериментальной установки
В данной лабораторной работе предлагается измерить концентрацию одного из парниковых газов – метана на лабораторной установке, содержащей макет ИК газоанализатора. Принцип действия ИК газоанализатора основан на измерении поглощения ИК излучения газовой смесью, содержащей метан.
Лабораторная установка состоит из макета ИК-газоанализатора, вольтметра и баллонов с поверочными газовыми смесями. Структурная схема макета газоанализатора представлена на рис. 3.2.1.
Рис. 3.2.1 Блок-схема макета ИК газоанализатора.
Для формирования инфракрасного потока используется излучатель (И), который представляет собой нихромовую спираль. Нагреваясь, она излучает в инфракрасном диапазоне спектра. Для снижения помех в макете газоанализатора используется переменный сигнал. Для этого поток от излучателя (И) периодически перекрывается с помощью обтюратора (2), который открывает/закрывает кювету с частотой 40 Гц при работе двигателя (ДВ).
Световой поток попадает в кювету, имеющую прозрачные для ИК-излучения окна. В кювету подаются из баллонов газовые смеси (Г) азота и метана с различной концентрацией. Если кювета заполнена чистым азотом, не поглощающим ИК излучение, то изменения в величине светового потока не происходит. Такой газ называется нулевым. Если кювета заполнена смесью метана и азота, то происходит поглощение потока ИК излучения в соответствие с (3.1). Чем больше концентрация метана в газовой смеси, тем на большую величину происходит ослабление светового потока на выходе из кюветы.
После кюветы излучение проходит через выбранный с помощью ручки один из интерференционных фильтров (1). Один фильтр является рабочим, пропускающим в полосе поглощения метана на длине волны 3,3 мкм с полосой пропускания Δλ ≈ 0.1 мкм и с пропусканием около 40 %, а другой - эталонным, пропускающим излучение в окне прозрачности на длине волны λ=3,79 мкм (вне полосы поглощения метана).
Затем выделенная фильтром часть светового потока регистрируется пироэлектрическим фотоприемником (ФП), затем уже периодический электрический сигнал усиливается, выпрямляется (ВП) и измеряется стрелочным индикатором и цифровым вольтметром. Измерения во время выполнения лабораторной работы снимаются с цифрового вольтметра и записывают в протокол.
Блок питания (БП) формирует питающие напряжения для всех узлов макета, в схеме БП присутствует генератор Роэра, который предназначен для получения питающего излучатель напряжения.
Величина сигнала пропорциональна концентрации метана в газовой смеси. В соответствии с включенным в данный момент фильтром на приемнике формируется одно из напряжений:
(3.2.1)
(3.2.2)
где: к1 и к2 – коэффициенты передачи оптического электронного блоков газоанализатора на эталонной и рабочей длинах волн соответственно.
4. Порядок выполнения работы
4.1. Подключить макет к источнику тока, выставить на источнике рабочее напряжение +27 В.
4.2. Подключить электрический выход газоанализатора к цифровому вольтметру.
4.3. Включить блок питания в сеть, переключить тумблер «Сеть» на передней панели макета в положение «Вкл».
Прогреть макет в течение 30 мин.
4.4. Газовая схема учебного стенда изображена на рис. 3.2.2 В качестве нулевого газа используется азот, которым заполнен баллон №1. В данной работе предлагается произвести измерения концентрации метана в пробе, предложенной преподавателем. Определение неизвестной концентрации производится путём построения градуировочного графика. По оси абсцисс откладываются значения известной концентрации метана, которая написана на баллонах с газовыми смесями. По оси ординат откладываются средние значения измеряемого напряжения.
Измеряемыми газовыми смесями заполнены баллоны 2, 3, 4, содержащие метан различной концентрации (известной) в азоте. Газовые смеси из выбранного для измерений баллона по очереди подаются через штуцер 5 и редуктор 6 (для понижения высокого давления газовой смеси до одной атмосферы) на вход макета ИК-газоанализатора 14. Расход газовой смеси контролируется с помощью ротаметра 15. Винт 9 (расположен в верхней части редуктора 6), позволяет осуществлять плавную регулировку подачи газовой смеси. 7 и 8 – манометры для регистрации давления в баллонах.
Рис. 3.2.2 Газовая схема установки
4.5. Открывая поочередно вентили 10, 11, 12, 13, пропустить газовые смеси в течение 20-40 сек через газоанализатор и записать установившиеся значения (не менее 10 значений) по показаниям цифрового вольтметра, в соответствии с предлагаемым протоколом измерений. Построить зависимость выходного сигнала газоанализатора от измеряемой концентрации метана по осредненным значениям от баллонов 1, 2, 3, 4 объяснить характер этой зависимости.
4.6. Произвести вычисления неизвестной концентрации метана, предложенной преподавателем.