2. Газоанализаторы инфракрасного поглощения

Инфракрасные лучи поглощают все газы, молекулы которых состоят не менее чем из двух различных атомов. В газоанализаторах инфракрасного поглощения (оптико-акустических) прерывистый поток инфракрасного излучения, проходящего через слой анализируемой газовой смеси, теряет в ней часть энергии, пропорциональную содержанию определяемого компонента. Остаток энергии поступает в приемник-преобразователь (лучеприемник) В качестве лучеприемников чаще всего используют оптико-акустические преобразователи, действие которых основано на способ-ности газов поглощать инфракрасные лучи. При облучении потоком инфракрасных лучей газа, заключенного в замкнутый объем лучеприемника, давление газа возрастает. Это объясняется тем, что при поглощении молекулами газа квантов радиации их энергия переходит в энергию теплового движения молекул, т. е, повышает температуру газа, а повышение температуры газа, занимающего постоянный объем, вызывает увеличение его давления.

Если периодически прерывать поток радиации, падающий на оптико-акустический преобразователь, то давление газа в нем будет периодически изменяться. Обычно камеру преобразователя заполняют тем компонентом анализируемой газовой смеси, концентрацию которого измеряют. Благодаря этому оптико-акустический преобразователь избирательно поглощает участок спектра падающего на него излучения, который соответствует максимуму поглощения определяемого компонента. Таким образом, оптико-акустический преобразователь удачно совмещает две функции — приемника ИК-радиации и оптического фильтра, настроенного на полосу поглощения определяемого компонента. Последнее, позволяет исключить из схемы оптико-акустического газоанализатора внешний оптический фильтр с характеристикой . По схемам измерения оптико-акустические газоанализаторы (инфракрасного поглощения) можно разделить на две группы: компенсационные и непосредственного измерения.

На рис. 3 показана принципиальная схема компенсационного оптико-акустического газоанализатора для определения содержания СО₂, СО, СН₄. Измерительная схема газоанализатора построена по принципу электрической компенсации. Источником инфракрасного излучения являются два нихромовых излучателя 4, помещенные в фокусах металлических сферических зеркал 3. Излучатели питаются от источника 1. Потоки радиации, отраженные зеркалами, поступают в два оптических канала. Оба потока излучения одновременно прерываются обтюратором 5 с частотой 6 Гц. Обтюратор приводится во вращение синхронным электродвигателем 2. Правый оптический канал состоит из рабочей камеры (кюветы) 6, через которую непрерывно протекает исследуемый газ, фильтровой камеры (кюветы) 7 и приемной камеры 8. Левый оптический канал состоит из сравнительной камеры 14, фильтровой камеры 13 и приемной камеры 12.

Рис. 3. Принципиальная схема компенсационного оптико-акустического газоанализатора

Сравнительная камера заполнена чистым сухим газом, не поглощающим излучение, например, азотом, фильтровые камеры 7 и 13 — неопределяемыми элементами газовой смеси, а приемные камеры 8 и 12 — определяемым компонентом газа. Например, при определении СО фильтровые камеры заполняют смесью СО₂ + CH₄, а приемные камеры — СО, при определении СО₂ фильтровые камеры содержат смесь СО + СН₄, а приемные камеры — СО₂.

Окна всех камер оптических каналов изготовляют из материала, прозрачного для инфракрасных лучей (флюорит, каменная соль, слюда), При прохождении лучистого потока через рабочую камеру он ослабляется из-за поглощения части энергии (темные стрелки), соответствующей линии поглощения исследуемого газа. Поток инфракрасного излучения в левом оптическом канале, проходя через сравнительную камеру, не ослабляется, При дальнейшем прохождении обоих лучистых потоков в правом и левом каналах через фильтровые камеры из них поглощаются лучи, соответствующие спектральной области поглощения неопределяемыми компонентами (световые стрелки).

В результате в приемные камеры 8 и 12 лучеприемника 9 поступают потоки излучения, разность энергии которых пропорциональна концентрации анализируемого компонента. Возникающие в лучеприемнике пульсации давления воспринимаются конденсаторным микрофоном. Амплитуда колебаний микрофонной мембраны 10 зависит от разности давлений в правой и левой приемных камерах, т. е. от концентрации определяемого компонента в газе.

Конденсаторный микрофон включен на вход электронного усилителя 11. Усиленный сигнал поступает на реверсивный двигатель 15, который перемещает движок компенсирующего переменного резистора (КПР) R_p. КПР, включенный в цепь питания правого излучателя, изменяя его накал, компенсирует поглощение инфракрасных лучей в правом оптическом канале. Таким образом, каждому значению содержания определяемого компонента будет соответствовать определенное положение движка КПР и связанной с ним стрелки вторичного прибора 16.

Газоанализаторы этого типа имеют различные пределы измерения — от сотых долей процента до 100 % анализируемого компонента.

Газоанализаторы, построенные на принципе оптической компенсации, используют для определения содержания: окиси углерода в воздухе производственных помещений; окиси углерода и двуокиси углерода — в азотоводородной смеси и конвертированном газе при получении синтетического аммиака; метана в циркуляционной азотоводородной смеси и конвертированном газе производства синтетического аммиака; аммиака в аммиачно-воздушной смеси производства слабой азотной кислоты; в азотоводородной смеси и конвертированном газе производства синтетического аммиака; ацетилена в этиленовой фракции и в газах пиролиза метана; дивинила в холодном контактном газе; изобутилена в бутан-бутиленовой фракции.

В газоанализаторе (рис. 4) потоки инфракрасного излучения от двух нихромовых излучателей 3, нагреваемых от источника питания 7, одновременно прерываемые обтюратором 4 (вращается от электродвигателя 5), проходят через две кюветы и заслонки 1 и 8 в лучеприемник 9. Кювета 2 (сравнительная камера) заполнена азотом, а кювета 6 (измерительная камера) — исследуемым газом. Лучеприемник 9 состоит из двух камер, разделенных конденсаторным микрофоном и заполненных смесью азота с определяемым компонентом. Выходной сигнал микрофона после прохождения усилителя 10 подается на реверсивный двигатель 11, перемещающий стрелку вторичного прибора 12 и заслонку 1, расположенную между сравнительной камерой и камерой лучеприемника 9. Перемещение заслонки уравнивает потоки инфракрасного излучения в обеих камерах лучеприемника.

Описанные газоанализаторы являются дифференциальными (даухлучевыми, двухканальными) компенсационными приборами. Основной их недостаток — наличие дрейфа нуля шкалы вследствие старения излучателей, загрязнения рабочей кюветы, изменения прозрачности стекол и т. д.

Существенно более высокую стабильность нуля имеет однолучевой газоанализатор (рис. 5). Особенность прибора заключается в применении специального дифференциального лучеприемника, приемные камеры 4 и 6 которого расположены в оптической последовательности. Лучеприемник, как обычно, заполнен смесью анализируемого компонента с инертным газом. Первая приемная камера лучеприемника является фильтром по отношению ко второй, поэтому спектральные характеристики камер существенно различаются. Максимальная чувствительность первой камеры приходится на центр полосы поглощения, второй — на ее края. При отсутствии в смеси анализируемого компонента амплитуды колебаний давления, возникающих в приемных камерах под воздействием пульсаций излучения, выравниваются при помощи заслонки 5, расположенной между приемными камерами. Эта заслонка ослабляет поток излучения, поступающий во вторую камеру. Если в рабочей кювете 3 находится анализируемый компонент, то в ней происходит ослабление той части инфракрасного излучения, которая соответствует центру полосы поглощения. Величина разбаланса давлений преобразуется конденсаторным микрофоном 8 в электрический сигнал, который затем поступает в усилитель 9 и на вторичный прибор 10.

Рис. 4. Схема газоанализатора с оптической компенсацией

Рис. 5. Схема однолучевого оптико-акустического газоанализатора

Прибор имеет один источник инфракрасной радиации — излучатель 1. Излучение, которое поглощается в обеих приемных камерах лучеприемника, прерывается обтюратором 2 и проходит через одну и ту же рабочую кювету. В связи с этим изменение интенсивности источника излучения и пропускания кюветы одинаково отражается на поглощении светового потока в обеих камерах и практически не сказывается на положении нулевой точки прибора. Например, при изменении интенсивности источника на 1 % нуль газоанализатора остается прежним, а шкала изменяется также на 1 %. Такое же изменение интенсивности одного из источников излучения в двухлучевом приборе вызывает смещение нуля на 10 %.

Однолучевой прибор отличается более высокой избирательностью по сравнению с дифференциальными приборами. Например, при анализе метана влияние СО₂, СО и влаги для однолучевого прибора сказывается в 3—5 раз меньше, чем для двухлучевого. Высокая избирательность однолучевого прибора с лучеприемником, приемные камеры которого расположены в оптической последовательности, обусловлена тем, что в результирующем повышении давления участвуют лишь центральная часть полосы поглощения и, таким образом, активная часть полосы сужается.

Для устранения разбаланса фаз колебаний давления в приемных камерах лучеприемника вторая приемная камера выполнена в виде двойного цилиндра. Внутренний цилиндр 7 уменьшает постоянную времени камеры. Для более точного выравнивания фаз канал, соединяющий камеру 4 с микрофоном 8, снабжен калиброванным капилляром. Газоанализатор ГОА работает по схеме непосредственного измерения и предназначен для определения небольших концентраций СН₄ (0—1 %; 0—3 %). Для устранения температурной зависимости прибор термостатирован.

Наибольшее применение, особенно в последнее время, нашли схемы непосредственного измерения, в частности, двухлучевые схемы, несколько уступающие компенсационным в отношении стабильности шкалы, но отличающиеся существенно более простым аппаратурным оформлением и более высокой надежностью. По двухлучевой схеме непосредственного измерения построены газоанализаторы, предназначенные для анализа микропримесей окиси и двуокиси углерода в технологических смесях и окиси углерода в воздухе производственных помещений химических производств. В отличие от газоанализатора на рис. 5 они содержат обтюратор, осуществляющий попеременную модуляцию потоков излучения, и камеры лучеприемника, расположенные по одну сторону от конденсаторного микрофона. В газоанализаторах нет элементов компенсационной схемы (реверсивный двигатель и компенсационная заслонка), а выпрямленный сигнал с усилителя поступает непосредственно на вторичный прибор. Диапазон измерения газоанализатора 0—0,005 % по объему (для СО или СО₂). Наличие в конструкции этих анализаторов двух излучателей и двухкамерного лучеприемника снижает их стабильность.

Газоанализатор ГОА-4, реализованный по схеме непосредственного измерения, содержит один излучатель и лучеприемник с одной камерой, воспринимающей потоки инфракрасного излучения, потоки попеременно проходят рабочую и сравнительную кюветы. Кюветы газоанализатора образованы разделением одной трубы продольной перегородкой. Газоанализатор имеет 17 модификаций, предназначенных для анализа макроконцентраций СО, С0₂, СН₄ и С₂Н₂ в технологических смесях химических производств. Основная приведенная погрешность газоанализатора ±4 %. Применение данной схемы для газоанализатора микропримесей затруднено в связи с большой сложностью изготовления так называемой «разрезной» кюветы большой длины.