Оптические абсорбционные в ИК-области спектра газоанализаторы

Действие оптико-акустических газоанализаторов основано на способности определяемого газа поглощать инфракрасное излучение. Этой способностью обладают все газы, за исключением одноатомных, а также водорода, кислорода, азота и хлора. Каждый газ поглощает инфракрасное излучение только в своих, характерных для него участках спектра. Интенсивность монохроматического излучения, прошедшего слой поглощающего газа, определяется законом Бугера—Ламберта—Бера:

где — интенсивность монохроматического излучения до и после прохождения слоя поглощающего газа; — коэффициент поглощения, характерный для данного газа и определенной длины волны ;  — объемная концентрация газа, поглощающего излучение; — толщина слоя поглощающего газа.

Для измерения интенсивности излучения, прошедшего слой анализируемого газа, используют оптико-акустический эффект: газ, способный поглощать ИК-лучи, в замкнутом объеме подвергается прерывистому воздействию инфракрасного излучения, при этом смесь периодически нагревается (в результате поглощения излучения) и охлаждается (при прекращении излучения). Колебания температуры вызывают колебания давления газа, воспринимаемые звуковым приемником.

Принципиальная схема двухканального оптико-акустического газоанализатора показана на рисунок 7.4. От двух источников (излучателей) 3 с отражателями 2 потоки инфракрасного излучения, практически одновременно прерываемые обтюратором 4 (вращается электродвигателем У) с определенной частотой, проходят две камеры 5 и 6, затем фильтровые камеры 7 и попадают в лучеприемник 8. Сравнительная непроточная камера 6 заполнена азотом, а в рабочую Камеру 5 поступает анализируемый газ. Окна рабочей, сравнительной и фильтровых камер, а также лучеприемника выполнены из материала, пропускающего ИК-излучение. Фильтровые камеры заполняются неопределяемыми мешающими газами, спектры поглощения которых могут частично перекрывать спектр поглощения определяемого компонента. Таким образом присутствие в анализируемой смеси мешающих газов не будет приводить к увеличению погрешности измерения, так как они будут поглощать ИК-излучение в характерных для них участках спектра в обоих каналах — как измерительном, так и сравнительном, и разность интенсивности потоков ИК-излучения, поступающего в левую и правую камеры лучеприемника, будет зависеть от концентрацией в анализируемой смеси только определяемого компонента. Лучеприемник 8 состоит из двух камер, разделенных конденсаторным микрофоном 9 и заполненных смесью азота с определяемым компонентом. Периодически газ в лучеприемнике 8 нагревается (за счет поглощения энергии) и охлаждается, что приводит к возникновению в замкнутом объеме лучеприемника периодических колебаний температуры, вызывающих периодические колебания давления газа. При равенстве интенсивностей инфракрасного излучения в правой и левой частях лучеприемника 8 мембрана конденсаторного микрофона неподвижна. Если интенсивность поступающего инфракрасного излучения в левую лучеприемную камеру будет меньше, чем в правую, то и амплитуда периодического колебания давлений в левой лучеприемной камере будет меньше, чем в правой. При этом разность давлений, действующая на мембрану конденсаторного микрофона, будет тем больше, чем больше будет концентрация определяемого компонента в анализируемой газовой смеси. Амплитуда колебаний мембраны и связанное с ней изменение выходного сигнала пропорциональны концентрации определяемого компонента в газовой смеси, которые могут быть преобразованы конденсаторным микрофоном 9 в измеряемый электрический выходной сигнал. Выходной сигнал после преобразования в напряжение и прохождения усилителя 10 подается на реверсивный двигатель 11, перемещающий одновременно стрелку прибора и компенсирующую заслонку 12 котораяи уравнивает потоки инфракрасного излучения на выходе из камер 5 и 6.

Рисунок 7.4. Схема оптико-акустического газоанализатора.

Селективность оптико-акустических анализаторов повышают, применяя набор светофильтров с узким диапазоном длин волн пропускаемых лучей.

Достоинствами оптико-акустических газоанализаторов являются высокая чувствительность, хорошая избирательность, высокое быстродействие, широкий диапазон измерений, высокая точность и долговечность.

Для измерения интенсивности ИК-излучения в оптических абсорбционных газоанализаторах применяются также светодиоды. Ослабленный поток излучения, прошедшего слой поглощающего газа, попадает на фотоприемник. Отклонение сигналов от рабочего и опорного для свето-диодов зависит от концентрации анализируемого газа. Полученные сигналы пересчитываются микропроцессором в объемную концентрацию анализируемого газа с учетом температурной коррекции.