Оптические абсорбционные газоанализаторы

Такие газы, как водород, оксид и диоксид углерода, аммиак, метан поглощают инфракрасное излучение, а хлор, озон, пары ртути — ультрафиолетовое излучение. Принцип действия оптико-абсорбционных газоанализаторов основан на способности перечисленных выше газов селективно поглощать либо инфракрасное излучение, либо ультрафиолетовое излучение. Оптические абсорбционные в инфракрасной области спектра (оптико-акустические) газоанализаторы на СО, СO₂, СH₄, С₂H₂.

Принцип действия этих приборов основан на определении количества энергии, теряемой прерывистым потоком инфракрасного излучения при прохождении через слой анализируемой газовой смеси, т.е. на способности определяемых газов поглощать инфракрасные лучи. Этой способностью обладают все газы, за исключением одноатомных, а также водорода, кислорода, азота и хлора.

 

1 – нихромовый излучатель; 2 – параболическое зеркало; 3 – синхронный двигатель; 4 – обтюратор; 5 – светопровод; 6 – рабочая кювета;

7 – лучеприёмник; 8 – мембрана конденсаторного микрофона; 9 – усилитель;

10 – вторичный прибор; 11 – нулевая заслонка.

Рис. 7. Принципиальная схема одноканального дифференциального

оптико-акустического газоанализатора

 

Каждый газ поглощает инфракрасное излучение только в своих, свойственных ему участках спектра. Измерение содержания газа производят на основании оптико-акустического эффекта, который заключается в том, что газ, способный поглощать инфракрасные лучи, при прерывистом облучении в замкнутом объеме (лучеприемнике) периодически нагревается и охлаждается, в результате чего происходят колебания давления газовой смеси. Колебания давления воспринимаются чувствительным элементом-мембраной, которая является одной из обкладок конденсаторного микрофона.

В качестве источника инфракрасного (ИК) излучения используется хромоникелевая проволока, нагретая до 700…800 ⁰С. Инфракрасное излучение в анализируемую смесь попадает через окна, изготовленные из синтетического корунда или других материалов, пропускающих это излучение. Прерывание потока излучения производится с частотой 5…6 Гц.

Изменение емкости конденсатора при действии на лучеприемник полного потока инфракрасного излучения в среднем составляет 0,3 пФ при смещении мембраны на 1 мкм. Одноканальная схема оптико-акустического газоанализатора показана на рис. 7 и работает следующим образом:

Поток от нихромового излучателя 1, нагретого электрическим током, отражается от параболического зеркала 2. Прямой и отраженный потоки прерываются обтюратором 4, который вращается синхронным двигателем 3.

Поток ИК излучения проходит через светопровод 5, рабочую кювету 6 и попадают в приемные камеры оптико-акустического лучеприемника 7, расположенные в оптической последовательности.

Приемные камеры заполнены определяемым газом в смеси с азотом или аргоном. В первой камере (по ходу потока) происходит поглощение инфракрасного излучения, соответствующего преимущественно центральной полосе спектра, во второй — началу и концу полосы. Повышение давления дают лишь наиболее сильные линии поглощения центральной полосы спектра, вследствие чего создается перепад давлений в камерах, воздействующий на мембрану 8.

На выходе микрофона появляется электрический сигнал переменного тока с частотой 12,5 Гц, амплитуда которого пропорциональна содержанию определяемого компонента анализируемой смеси. Сигнал усиливается, выпрямляется усилителем 9 и подается на вторичный прибор 10. При отсутствии анализируемого газа в рабочей кювете пульсации давлений в камерах лучеприемника выравниваются нулевой заслонкой 11.

Газовые хроматографы

Все рассмотренные типы газоанализаторов позволяют определять концентрацию только одного компонента газовой смеси. В отличие от них хроматографические газоанализаторы (хроматографы) способны производить полный анализ газовой смеси, т. е. определять концентрации всех газов, составляющих эту смесь.

Процесс измерения в хроматографе происходит в две стадии: сначала смесь разделяется на отдельные компоненты, а затем измеряется содержание каждого компонента смеси.

Качественный и количественный анализ сложных газо­вых смесей осуществляется методами хроматографии. В их основу поло­жено разделение смеси на компоненты под воздействием одновременно протекающих массообменных процессов — сорбции (поглощения газа сорбентом) и десорбции (выделения) с последующим анализом разделен­ных компонентов. Для этого анализируемую смесь пропускают через сорбент, перемещая ее потоком газа-носителя, химически нейтрального по отношению как к компонентам смеси, так и к сорбенту. Из ряда методов можно выделить газо-адсорбционную хроматографию (сорбент — твердое пористое вещество) и газо-жидкостную (сорбент — жидкий нелетучий растворитель). Приборы, на которых реализуются хроматографические методы анализа, называются хроматографами. Упрощенно схема хроматографа показана на рис. 3.4.

 

 

Рис. 3.4. Блок-схема хроматографа: 1 — дозатор; 2 — колонка; 3 — детектор; 4 — регистратор; 5 — дроссель; 6 — ротаметр

 

Через дозатор 1 отбирается калиброванный объем анализируемой смеси, который захваты­вается потоком газа-носителя и переносится в разделительную колонку 2, заполненную сорбентом. Колонка — это трубка диаметром 4 - 6 мм из нержавеющей стали, длиной до нескольких метров.

 

 

 

Рис. 3.5. Схема, поясняющая процесс разделения смеси в колонке

 

Работу колонки можно пояснить на примере разделения условной трехкомпонентной газо­вой смеси А+B+С (см. рис. 3.5). Колонка показана также условно в разные моменты времени: в момент, ввода пробы (1), на стадии разделения (2)и в момент выхода первого компонента (3). Вследствие различной степени поглощения сорбентом компоненты перемещаются вдоль колонки газом-носителем с разными скоростями и в результате разделяются. Они обра­зуют с газом-носителем бинарные смеси и выходят из колонки в определен­ной последовательности — сначала «легкие», т. е. менее сорбируемые (компонент А), а затем более «тяжелые» (В и С). Бинарные смеси разде­ляются зонами чистого газа-носителя. Чем больше различаются компонен­ты по сорбируемости, тем меньшей длины потребуется колонка для их разделения.

Эффективность работы колонки зависит также от ее температуры, типа сорбента, газа-носителя и его расхода. Компоненты анализируемой смеси обнаруживаются детектором 3 (см. рис. 3.4), в который они пооче­редно поступают из колонки.