АНОТАЦІЯ
В бакалаврській дипломній роботі розроблено інформаційно – вимірювальну систему концентрації димових газів. Прилад призначений для вимірювання концентрації. Проведено огляд методів і засобів вимірювання концентрації димових газів, розроблено структурну та функціональну схему даного приладу, проведено необхідні розрахунки похибок.
Розроблена структурна та функціональна схема ІВС.
ANNOTATION
As a bachelor diploma work the information - measuring system of flue gas concentrations. The instrument is designed to measure concentration. A review of methods and means of measuring the concentration of flue gases, Structural and functional diagram of the device, made the necessary calculations errors.
Structural and functional diagram of the IBC.
ВСТУП
Газоаналізатори за призначенням поділяються на дві основні групи: для керування і контролю технологічними процесами та для охорони навколишнього середовища[1].
Сучасні газоаналізатори безперервного контролю з автоматичним записом свідчень і сигналізацією аварійних значень концентрації дозволяють вимірювати концентрації від декількох десятків відсотків (10-100 %) до мікроконцентрації (
%). У приладах даного типу використовують різні фізичні і хімічні властивості газів, концентрацію яких необхідно визначити[2].Газоаналізатори, прилади, що вимірюють вміст (концентрацію) одного або декількох компонентів в газових сумішах. Кожен газоаналізатор призначений для вимірювання концентрації тільки певних компонентів на фоні конкретної газової суміші в нормованих умовах. Разом з використовуванням окремих газоаналізаторів створюються системи газового контролю, об'єднуючі десятки таких приладів. В більшості випадків робота газоаналізаторів неможлива без ряду допоміжних пристроїв, що забезпечують очищення газової суміші від пилу і смолу, а у ряді випадків і від деяких компонентів, що заважають вимірюванням. Газоаналізатори класифікують за принципом дії на пневматичні, магнітні, електрохімічні, напівпровідникові і інші[3]. За ГОСТ 8.437-81: Інформаційно-вимірювальна система — сукупність функціонально об'єднаних вимірювальних, обчислювальних та інших допоміжних технічних засобів для отримання вимірювальної інформації, її перетворення, обробки з метою представлення споживачу (в тому числі введення в АСУ) в необхідному вигляді або автоматичного здійснення логічних функцій контролю, діагностування, ідентифікації.
1 АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД МЕТОДІВ ТА ЗАСОБІВ ВИМІРЮВАННЯ КОНЦЕНТРАЦІЇ ДИМОВИХ ГАЗІВ
1.1 Основні методи та засоби визначення концентрації димових газів
Термокондуктометричний метод реалізований у термокондуктометричних газоаналізаторах. Їх дія заснована на залежності теплопровідності газової суміші від її складу. Для більшості справедливе рівняння:
, (1.1)де λ – теплопровідність суміші,
λі – теплопровідність i-того компоненту,
Ci – його концентрація,
n – число компонентів.
Термокондуктометричні газоаналізатори не володіють високою вибірковістю і використовуються, якщо компонент який контролюється по теплопровідності істотно відрізняється від інших, наприклад для визначення концентрацій Н2, Аг, СО2 в газових сумішах, що містять N2, О2 і інші. Діапазон вимірювання - від одиниць до десятків відсотків за об'ємом[4].
Зміна складу газової суміші приводить до зміни її теплопровідності і, як наслідок, титри і електричне опори металевого або напівпровідникового терморезистора, що нагрівається струмом, розміщеного в камері, через яку пропускається суміш. При цьому:
, (1.2)де α – конструктивний параметр камери,
R1 і R2–опір терморезистора.
У разі пропускання через нього струму I при теплопровідності газового середовища відповідає температурний коефіцієнт електричного опору терморезистора. Схема термокондуктометричного газоаналізатора представлена на рисунку – 1.1
Рисунок – 1.1 Термокондуктометричний газоаналізатор
На рисунку 1.1 позначено: 1 – джерело стабілізованої напруги, 2 – вторинний прилад, R1 і R3 – робочі терморезистори, R2 і R4 – порівняльні терморезистори, R0 і потенціометри, вхід та вихід газової суміші що аналізується показані стрілками.
На рисунку 1.1 приведена схема, вживана в багатьох термокондуктометричних газоаналізаторах. Чутливі елементи R1 і R3 (робочі терморезистори) омиваються сумішшю яка аналізується; порівняльні терморезистори R2 і R4 поміщені в герметичні осередки, заповнені порівняльним газом точно відомого складу. Потенціометри R0 і призначені для установки нульових свідчень і регулювання діапазону вимірювання. Міра концентрації компоненту – електричний струм який вимірюється вторинним приладом. Термокондуктометричні газоаналізатори широко застосовують для контролю процесів у виробництві (H2SO4, NH3, HNO3).
Термохімічний метод реалізований у термохімічних газоаналізаторах. У цих приладах вимірюють тепловий ефект хімічної реакції, в якій бере участь визначуваний компонент. В більшості випадків використовується окислення компоненту киснем повітря; каталізатори - марганцевомідний (гопкаліт) або мілкодисперсна Pt, нанесена на поверхню пористого носія. Зміну титри при окисленні вимірюють за допомогою металевого або напівпровідникового терморезистора. У ряді випадків поверхню платинового терморезистора використовують як каталізатор[5].
Схема (рисунок 1.2) включає вимірювальний міст з постійними резисторами (R1 і R4) і двома терморезисторами, один з яких (R2) знаходиться в атмосфері порівняльного газу, а другий (R3) омивається потоком газу. Напруга Uвих в діагоналі моста пропорційна концентрації компоненту який визначається. Для стійкої роботи газоаналізатори виключають вплив титри середовища (термокомпенсацією), стабілізують напругу, підтримують постійним витрату газу, очищують її від домішок, що отруюють каталізатор (С12, НС1, H2S, SO2 і інші). Схема термохімічного газоаналізатора представлена на рисунку 1.2.
Рисунок 1.2 – Термохімічний газоаналізатор
На рисунку 1.2 позначено: 1 – джерело стабілізованої напруги, 2 – вторинний прилад, R1 і R4 – постійні резистори, R2 і R3 – відповідно порівняльний і робочий терморезистори.
Більшість термохімічних газоаналізаторів використовують як газосигналізатори горючих газів і пари (Н2, вуглеводні) в повітрі при рівні 20% від їх нижніх КПВ, а також при електролізі води для визначення домішок водню в кисні (діапазон вимірювання 0,02-2%) і кисню у водні (0,01-1%).
Магнітний метод реалізований у магнітних газоаналізаторах. Застосовують для визначення О2. Їх дія заснована на залежності магнітної сприйнятливості газової суміші від концентрації О2, об'ємна магнітна сприйнятливість якого на два порядки більше, ніж у більшості інших газів. Такі газоаналізатори дозволяють вибірково визначати О2 в складних газових сумішах. Діапазон вимірюваних концентрацій 10 - 100%. Найбільш поширені магнітомеханічні і термомагнітні газоаналізатори[6].
У магнітомеханічних газоаналізаторах вимірюють сили, діючі в неоднорідному магнітному полі при поміщені в суміш яка аналізується тіло (зазвичай ротор). Сила F, що виштовхує тіло з магнітного поля, визначається виразом:
, (1.3)де χ – об'ємна магнітна сприйнятливість, яка відповідає суміші що аналізується і тіла, поміщеного в газ,
V – об'єм тіла, H – напруженість магнітного поля.
Звичайно мірою концентрації компоненту служить обертаючий момент, що обраховується по куту повороту ротора. Покази магнітомеханічного газоаналізатора визначаються магнітними властивостями аналізованої газової суміші і залежать від титри і тиску, оскільки останні впливають на об'ємну магнітною сприйнятливість газу.
Більш точні газоаналізатори, виконані по компенсаційній схемі. У них момент обертання ротора, функціонально пов'язаний з концентрацією О2 в суміші, врівноважується відомим моментом, для створення якого використовуються магнітоелектричні або електростатичні системи. Схема магнітного газоаналізатора представлена на рисунку – 1.3.
Рисунок 1.3 – Магнітомеханічний газоаналізатор
На рисунку позначено: 1 – ротор, 2 – полюси магніта, 3 – розтяжка, 4 – люстерко, 5 – освітлювач, 6 – шкала вторинного приладу.
Дія термомагнітних газоаналізаторів заснована на термомагнітній конвекції газової суміші, що містить О2, в неоднорідних магнітному і температурному полях. Часто застосовують прилади з кільцевою камерою (рисунок 1.4), яка є порожнистим металевим кільцем. Вздовж його діаметру встановлена тонкостінна скляна трубка, на яку намотана платинова спіраль, що нагрівається електричним струмом. Спіраль складається з двох секцій - R1 і R2, перша з яких поміщається між полюсами магніта. За наявності в газовій суміші О2 частина потоку прямує через діаметральний канал, охолоджуючи першу секцію платинової спіралі і віддаючи частину тепла другої. Зміна опорів R1 і R2 викликає зміну вихідної напруги U, яка пропорційна вмісту О2 в суміші яка аналізується. Схема термомагнітного газоаналізатора представлена на рисунку – 1.4.
Рисунок 1.4 – Термомагнітний газоаналізатор
На рисунку позначено: 1 – кільцева камера, 2 – скляна трубка, 3 – постійний магніт, 4 – джерело стабілізованої напруги, 5 – вторинний прилад, Rt і R2 – відповідно робітник і порівняльні терморезистори (секції платинової спіралі), R3 і R4 – постійні резистори.
Пневматичний метод реалізований у пневматичних газоаналізаторах. Їх дія заснована на залежності густини і в'язкості газової суміші від її складу. Зміни густини і в'язкості визначають, вимірюючи гідромеханічні параметри потоку. Поширені пневматичні газоаналізатори трьох типів[7].
Газоаналізатори з дросельними перетворювачами вимірюють гідравлічний опір дроселя (капіляра) при пропусканні через нього газу. При постійній витраті газу перепад тиску на дроселі - функція густини (турбулентний дросель), в'язкості (ламінарний дросель) або того і іншого параметра одночасно.
Струменеві газоаналізатори вимірюють, динамічний натиск струменя газу, що витікає з сопла. Містять два струменеві елементи типу "сопло - приймальний канал" (рисунок 1.5). Для подачі аналізованого і порівняльних газів служить ежектор 2. Тиск на виході з елементів підтримується регулятором 4. Рівність тиску газів на вході в елементи забезпечується, сполучним каналом 5 і настройкою вентиля 6. Різниця динамічного тиску, сприйманого трубками 1б, - функція відношення і міра концентрації компоненту газової суміші який визначається. Струменеві газоаналізатори використовують, наприклад, в азотній промисловості для вимірювання змісту Н2 в азоті (діапазон вимірювання 0-50%), в хлорній промисловості для визначення С12 (0-50 і 50-100%). Час встановлення свідчень цих газоаналізаторів не перевищує декількох секунд, тому їх застосовують також в газосигналізаторах довзривних концентрацій газів і пари деяких речовин (наприклад, діхлоретана, вінілхлоріда) в повітрі промислових приміщень. Схема пневматичного газоаналізатора представлена на рисунку – 1.5.
Рисунок 1.5 – Пневматичний струменевий газоаналізатор
На рисунку позначено: 1 – елемент "сопло - приймальний канал", 1а – сопло; 1б – приймальна трубок, 2 – ежектор, 3 – вторинний прилад, 4 – регулятор тиску, 5 – з'єднувальний канал, 6 – вентиль.
Пневмоакустичний метод реалізований у пневмоакустичних газоаналізаторах. Пневмоакустичні газоаналізатори містять два свистки (Рисунок 1.6) з близькими частотами (3-5 кГц), через один з яких проходить газ який аналізується, через другий – порівняльний. Частота биття звукових коливань в змішувачі частот залежить від густини газу, що аналізується. Биття (частота до 120 Гц) посилюється і перетворяться в пневматичні коливання підсилювачем. Для отримання вихідного сигналу (тиск) служить частотно-аналоговий перетворювач. Схема пневмоакустичного газоаналізатора представлена на рисунку – 1.6
Рисунок 1.6 – Пневмоакустичний газоаналізатор
На рисунку позначено: 1 – свисток, 2 – змішувач частот, 3 – підсилювач- перетворювач, 4 – частотно-аналоговий перетворювач, 5 – вторинний прилад.
Пневматичні газоаналізатори не володіють високою вибірковістю. Вони придатні для аналізу сумішей, в яких змінюється концентрація тільки одного з компонентів, а співвідношення між концентраціями інших залишається постійним. Діапазон вимірювання - від одиниць до десятків відсотків. Пневматичні газоаналізатори не містять електричних елементів і тому можуть використовуватися в приміщеннях будь-якої категорії пожежо і вибухонебезпеки. Елементи схеми, контактуючі з газами, виконані з скла і фторопласту, що дозволяє аналізувати вельми агресивні гази (хлориди)[8].
Оптико-абсорбційного інфрачервоний метод реалізований у інфрачервоних газоаналізаторах. Їх дія заснована на виборчому поглинанні молекулами газів і пари ІЧ-випромінювання в діапазоні 1-15 мкм. Це випромінювання поглинають всі гази, молекули яких складаються не менше ніж з двох різних атомів. Висока специфічність молекулярних спектрів поглинання різних газів обумовлює високу вибірковість таких газоаналізаторів і їх широке застосування в лабораторіях і промисловості. Діапазон вимірюваних концентрацій 0-100%. У дисперсійних газоаналізаторах використовують випромінювання однієї довжини хвилі, одержане за допомогою монохроматоров (призми, дифракційної решітки).
У недисперсійних газоаналізаторах, завдяки особливостям оптичної схеми приладу (застосуванню світлофільтрів, спеціальних приймачів) використовують немонохроматичне випромінювання[9].
Як приклад на рисунку 1.7 приведена найпоширеніша схема такого газоаналізатора. Випромінювання від джерела послідовно проходить через світлофільтр і робочу кювету, в яку подається суміш яка аналізується, і потрапляє в спеціальний приймач. Якщо в суміші присутній компонент що визначається, то залежно від концентрації він поглинає частину випромінювання, і реєстрований сигнал пропорційно змінюється. Джерелом випромінювання зазвичай служить нагріта спіраль з широким спектром випромінювання, ІЧ-лазер або світлодіод, випускаючі випромінювання у вузькій області спектру. Якщо використовується джерело немонохроматичного випромінювання, вибірковість визначення досягається за допомогою селективного приймача. Схема інфрачервоного газоаналізатора представлена на рисунку 1.7.
Рисунок 1.7 – Інфрачервоний газоаналізатор
На рисунку позначено: 1 – джерело випромінювання, 2 – світлофільтр, 3–модулятор, 4 і 4' – відповідно робоча і порівняльна (внизу) кювети, 5 – приймач випромінювання, 6 – підсилювач, 7 – вторинний прилад.
Найбільш поширені газоаналізатори з газонаповненим оптико-акустичним приймачем. Останній є герметичною камерою з вікном, заповнену саме тим газом, концентрацію якого потрібно виміряти. Цей газ, поглинаючи з потоку випромінювання певну частину з характерним для даного газу набором спектральних ліній, нагрівається, внаслідок чого тиск в камері збільшується. За допомогою механічного модулятора потік випромінювання уривається з певною частотою. В результаті з цією ж частотою пульсує тиск газу в приймачі. Амплітуда пульсації тиску – міра інтенсивності поглиненого газом випромінювання, залежна від того, яка частина характерного випромінювання поглинається тим же газом в робочій кюветі. Інші компоненти суміші випромінювання на цих довжинах хвиль не поглинають[10]. Амплітуда пульсації тиску в приймачі випромінювання – міра кількості компоненту який визначається в суміші, що проходить через робочу кювету. Зміну тиску вимірюють звичайно конденсаторним мікрофоном або датчиком витрати газу. Замінюючи газ в приймачі випромінювання оптико - акустичного газоаналізатора, можна вибірково вимірювати зміст різних компонентів сумішей.
У інфрачервоних газоаналізаторах використовують також неселективні приймачі випромінювання - болометри, термобатареї, напівпровідникові елементи. Тоді у разі джерел з широким спектром випромінювання вибірковість визначення забезпечують застосуванням інтерференційних і газових фільтрів. Для підвищення точності і стабільності частина яка вимірюється потоку випромінювання зазвичай пропускають через порівняльною кювету, заповнену газом, не поглинаючим реєстроване випромінювання, і вимірюють різницю або відношення сигналів, одержаних в результаті проходження випромінювання через робочу і порівняльну кювети.
Інфрачервоні газоаналізатори широко використовують для контролю якості продукції, аналізу газів, що відходять у складі димових газів котельних установок. З їх допомогою визначають, наприклад СО2, NH3, СН4 в технологічних газах виробництва синтетичного аміаку, пари ряду розчинників в повітрі промислових приміщень, оксиди азоту, SO2 і вуглеводні у вихлопних газах автомобілів, димових газах котельних установок[11].
Флуоресцентний метод реалізований у флуоресцентних газоаналізаторах. Флуоресцентні газоаналізатори вимірюють інтенсивність флуоресценції (довжина хвилі), що виникає при дії на контрольований компонент УФ - випромінювання. Як приклад на рисунку представлена схема такого газоаналізатора для визначення SO2 в повітрі. Суміш, що аналізується поступає в детекторну камеру, яка відокремлена від імпульсного джерела УФ - випромінювання і від фотопомножувача світлофільтрами 3 і 4, що пропускають випромінювання з довжинами хвиль відповідними імпульсам. Фотопомножувач, розташований під кутом 90° до джерела випромінювання, реєструє імпульси флуоресценції, амплітуда яких пропорційна концентрації компоненту в камері. Електричний сигнал з фотопомножувача після посилення і обробки поступає на вторинний прилад. Газоаналізатори для визначення SO2 характеризуються високою чутливістю і вибірковістю. Вони використовуються в автоматичних станціях контролю навколишнього середовища. Схема флуоресцентного газоаналізатора представлена на рисунку 1.8.
Рисунок 1.8 – Флуоресцентний газоаналізатор
На рисунку позначено: 1 – детекторна камера, 2 – джерело УФ – випромінювання, 3 – світлофільтр випромінювання, 4 – світлофільтр люмінесценції, 5 – дзеркало, 6 – фотопомножувач, 7 – вторинний прилад.
Стрічковий метод реалізований у стрічкових газоаналізаторах. У стрічкових газоаналізаторах газ який аналізується поступає в газову камеру, через яку безперервно або із заданою періодичністю протягується стрічка з нанесеним на неї реактивом. В результаті реакції з компонентом на стрічці утворюється колірна пляма, інтенсивність забарвлення якої пропорційна концентрації компоненту. Різниця (або відношення) світлових потоків, відображених від забарвлені і незабарвлених ділянок стрічки, - міра концентрації контрольованого компоненту в суміші. Іноді використовують індикаторну стрічку з рідким реактивом. В цьому випадку реактив наноситься на стрічку з крапельниці безпосередньо перед її контактом з газом. Схема стрічкового фотоколориметричного газоаналізатора представлена на рисунку 1.9.
Рисунок 1.9 – Стрічковий фотоколориметричний газоаналізатор
На рисунку позначено: 1 – джерело випромінювання, 2 – індикаторна стрічка, 3 – світлофільтр, 4 і 4' – приймачі випромінювань, 5 – газова камера, 6 – підсилювач, 7 – вторинний прилад.
Фотоколориметричні газоаналізатори застосовують для вимірювання концентрацій токсичних домішок (оксидів азоту, О2, С12, CS2, O3, H2S, NH3, HF, фосгену, ряду органічних сполук) в атмосфері промислових зон і в повітрі промислових приміщень. При контролі забруднення повітря широко використовують переносні прилади періодичної дії.
Амперметричний метод реалізований у амперметричних газоаналізаторах. Дія амперметричних газоаналізаторів заснована на залежності між електричним струмом і кількістю компоненту який визначається, що прореагував на індикаторному електроді. Якщо контрольований компонент повністю вступає в електрохімічну реакцію, то виконується закон Фарадея:
(1.4)де I – струм,
Q – витрата газу,
С – концентрація компоненту,
F – число Фарадея,
n – число електронів, що беруть участь в реакції.
Електрохімічне перетворення даного компоненту газової суміші з 100% -вим виходом по струму (тобто відсутність побічних електродних реакцій) забезпечується вибором індикаторного електроду і його потенціалу. Необхідне постійне значення різниці потенціалів підтримується завдяки тому, що порівняльний і індикаторний електроди виконують з двох різних спеціально підібраних металів, наприклад з Zn, Au і Pb, Ni і Cd (осередки гальванічного типу). Різницю потенціалів можна стабілізувати і за допомогою електронної системи з використанням третього допоміжного електроду (осередки потенціостатичного типу). Схема амперметричного газоаналізатора представлена на рисунку 1.10.
Рисунок 1.10 – Амперметричний газоаналізатор
На рисунку позначено: 1 – електрохімічний осередок, 2 – допоміжний електрод, 3 – вимірювальний електрод, 4 – потенціостат, 5 – електрод порівняння, 6 – підсилювач, 7 – вторинний прилад, 8 – спонукач витрати газу, 9 – камера із запасним електролітом.
Амперметричні газоаналізатори застосовують для визначення газів, що володіють окислювально - відновлювальними властивостями (SO2, NO2, H2S, О2, С12, О3). У газоаналізаторі для вимірювання вмісту SO2 в повітрі газ який аналізується поступає на вимірювальний електрод 3 електрохімічні осередки і по газовому каналу - в камеру із запасним електролітом 9, в який розміщеҽий електрод порівняння 5. Допоміжний електрод 2 розташований в окремій камері, яка, як і камера 9, сполучена з камерою вимірювального електроду електролітичним каналом. Перевага амперметричного газоаналізатора - висока чутливість і вибірковість.
Іонізаційний метод реалізований у іонізаційних газоаналізаторах. Їх дія заснована на залежності електричної провідності іонізованих газів від їх складу. Поява в газі домішок приводить до додаткової дії на процес утворення іонів або на їх рухливість і, отже, рекомбінацію. Виникаюча при цьому зміна провідності пропорційна вмісту домішок.
Всі іонізаційні газоаналізатори містять проточну іонізаційну камеру, на електроди якої накладають певну різницю потенціалів. Ці прилади широко застосовують для контролю мікродомішок в повітрі, а також як детектори в газових хроматографах. Нижче розглянуті найбільше поширені типи іонізаційні газоаналізатори, використовувані без попереднього хроматографічного розділення проби. Схема радіоізотопного іонізаційного газоаналізатора представлена на рисунку 1.11.
Рисунок 1.11 – Радіоізотопний іонізаційний газоаналізатор
На рисунку позначено: 1 – іонізаційна камера, 2 – джерело іонізації, 3 – електроди, 4 – джерело напруги, 5 – підсилювач, 6 – вторинний прилад.
До радіоізотопних газоаналізаторів, в яких іонізацію газів здійснюють радіоактивним випромінюванням, відносяться прилади на основі перетину іонізації, електронно-захватні і аерозольно-іонізаційні. По-перше використовують різницю в перетинах іонізації компонентів суміші. Іонізацію здійснюють звичайно випромінюванням 90Sr, 3H, 63Ni, 147Pm. Ці газоаналізатори не вибіркові, їх застосовують для аналізу сумішей H2-N2, N2-CO2, Н2 - етилен, Н2-СН4, H2-CH3SiCl3, H2-BC13; діапазон вимірювання 0,01-100%; час встановлення показань - до 0,1 с.
Напівпровідниковий метод реалізований у напівпровідникових газоаналізаторах. Їх дія заснована на зміні опору напівпровідника (плівки або монокристала) при дії компоненту суміші яка аналізується. У основі роботи напівпровідникових окисних газоаналізаторів лежить зміна провідності чутливості шару (суміші оксидів металів) при хемосорбції на його поверхні молекул хімічно активних газів. Такі газоаналізатори застосовують для визначення горючих газів (Н2, СН4, пропана), а також О2, СО2. Селективність аналізу досягається варіюванням складу чутливості шару і його температури (за допомогою вбудованого нагрівача). Діапазон концентрацій горючих газів які можна виміряти – 0,01-1% від загального об'єму. Схема напівпровідникового газоаналізатора представлена на рисунку 1.12.
Рисунок 1.12 – Напівпровідниковий окисний газоаналізатор
На рисунку позначено: 1 – підкладка, 2 – контакти, 3 – чутливий шар, 4 – нагрівальний елемент, 5 – вторинний прилад, 6 – джерело напруги.
У напівпровідникових газоаналізаторах з кристалічними чутливими елементами вимірюють провідність монокристала або складнішої напівпровідникової структури з р-n-переходами при зміні зарядного стану поверхні, тобто концентрації або розподіли зарядів на ній. Наприклад, для визначення Н2 використовують чутливі елементи у вигляді системи шарів “метал - діелектрик – напівпровідник” (канальні транзистори), причому верхній металевий шар одержують з Pd або його сплавів. Зміна зарядного стану поверхні досягається зміною контактної різниці потенціалів між напівпровідником і Pd при розчиненні в останньому Н2, присутнього в аналізованій суміші. Діапазон концентрацій Н2 в інертних газах 3-10%.
1.2 Фізичне та математичне представлення оптико-абсорбційного інфрачервоного методу
Фізичне представлення поглинання полягає у тому, що при проходженні оптичного випромінювання через газову кювету молекули газу, поглинаючи кванти випромінювання, відповідні визначеним частотам, збуджуються, тобто збільшують запас своєї енергії. Якщо поглинається ультрафіолетове і видиме випромінювання або випромінювання короткохвильової частини інфрачервоного спектру, то підвищується запас енергії електронів, енергії, відповідної коливанню ядер атомів, і енергії обертання молекули навколо центру тяжіння. Якщо поглинаються кванти, які відповідають більш довгохвильової області спектру оптичного випромінювання (від декількох мікрометрів до сотень мікрометрів), то збуджуються коливально-обертальні і, відповідно, чисто обертальні ступені свободи. В результаті цього спектри поглинання молекул складаються з ряду смуг, що мають складну структуру. На рисунку 1.13 показана частина спектру, знятого при товщині шару газу 100 мм, тиску 10000 ppm і температурі 20С° (добре видно смуги коливально-обертального спектру поглинання вуглекислого газу).
Рисунок 1.13 – Коливально-обертальні смуги поглинання вуглекислого газу
Інфрачервону радіацію поглинають всі гази, за винятком О2, N2, H20, Cl2 і одноатомних газів. Спектр поглинання одноатомних газів або пари металів відрізняється від інфрачервоних спектрів поглинання молекул своєю відносною простотою і складається не із смуг, а з окремих ліній, у багатьох випадках розташованих тільки в ультрафіолетовій області спектру.
Як інфрачервоні, так і ультрафіолетові спектри поглинання, в залежності від природи даної речовини, мають індивідуальний характер, що і дозволяє ідентифікувати ці речовини.
У ІЧ діапазоні спектру є специфічні особливості реєстрації поглинання газу який аналізується завдяки наявності коливально-обертальних смуг поглинання. Величина потоку випромінювання , що пройшов через вимірювальну кювету з газом, що аналізується, може бути визначена за законом Ламберта-Бера:
, (1.5)де
- спектральна густина потоку випромінювання на даній довжині хвилі λ, χ(λ) - масовий показник поглинання речовини для даної довжини хвилі λ,
φ - об'ємна частка речовини, що поглинає оптичне випромінювання;
l - товщина шару середовища яке поглинає випромінювання.
Використовують відоме значення χ газу, що аналізується для довжини хвилі джерела, або, якщо ширина смуги джерела порівнянна з шириною смуги поглинання газу, усереднене по спектру випромінювання джерела ефективне значення коефіцієнта поглинання χе. При цьому враховується інтегральний по спектру джерела потік випромінювання, який якраз і реєструється фотоприймачами. Тоді закон Ламберта-Бера виражається так:
, (1.6)де χ і l відомі, а вимірюється відношення минулого через шар l газу потоку до вхідного потоку Ф/Ф0 або їх різниця при слабкому поглинанні.
Для ІЧ діапазону характерні вузькі смуги поглинання газів і порівняно широкі спектральні смуги джерел зондуючого вимпромінювання. Розглянемо, як це позначається на залежності інтенсивності випромінювання, що пройшло через газ від вмісту газу що вимірюється. Фотоприймач реагує на інтегральний минувший через газ потік випромінювання:
, (1.7)де λ1 і λ2 - межі спектру випромінювання джерела. Тоді слоя товщиною l розглянемо результат інтегрування по довжині хвилі:
. (1.8)У цьому виразі не вдається виділити параметр μ, тобто представити функцію у вигляді:
, (1.9)де F1(μ), F2[χ(λ)] - функції з розділеними змінними, і тому залежність:
, (1.10)Так 1.10 не виконується, особливо у разі сильного поглинання. Відзначимо, що тут недоречно говоритипро порушення закону Ламберта-Бера, тому що його використання обмежено випадком монохроматичного випромінювання або випадками, коли немонохроматичністю можна нехтувати, як це було розглянуто вище.
Для слабкого поглинання закон Ламберта-Бера може бути представленийу вигляді:
, (1.11)або:
. (1.12)Проінтегрувавши (1.12) по інтервалу довжин хвиль, отримаємо:
, (1.13) або:
, (1.14)Тобто спостерігається лінійна залежність різниці випромінювань, що пройшли через газ який аналізується і потоків які входять від об'ємної частки речовини незалежно від форми смуг випромінювання джерела і смуги поглинання газу що визначається. Тут функція χ(λ) може бути замінена її ефективним значенням χе, і тоді вираз (1.14) приймає вигляд:
, (1.15)або, якщо вимірюється відношення Ф/Ф0:
. (1.16)Для того, щоб визначити значення величини χе, вимірюють Ф/Ф0 для газу з відомою об'ємною часткою μ, або (Ф -Ф0) для відомої μ і фіксованому значенні Ф0, або відповідні цим величинам вихідні сигнали приладу. В загалом випадку, коли поглинання не можна вважати слабким, тобто співвідношення (1.6.обто співвідношення (2 ) не виконується, будують градіюровні криві, вимірюючи електричний сигнал на виході приладу для ряду еталонних газових сумішей з відомим вмістом газу який визначається.
Величина різницевого сигналу при слабкому поглинанні у відповідності з виразом (1.14) виявляється пропорційній об'ємній частці μ газу що вимірюється. Розглянемо, яка залежність цього сигналу від об'ємної частки при величині поглинання, достатньої, щоб співвідношення (1.12) не виконувалося. Віднімемо з правої і лівої частин рівняння (1.15)
і змінемо знак в обох його частинах:
, (1.17)Проінтегрувавши цей вираз по інтервалу довжин хвиль, одержимо:
. (1.18)Інтервал довжин хвиль може бути обмежений ділянкою, де χ(λ) помітно відрізняється від нуля. При достатньо вузькій лінії поглинання в порівнянні із смугою зондуючого оптичного випромінювання,
на цьому інтервалі довжин хвиль змінюється слабо і, відповідно до теореми середнім, можна винести за знак інтегрування, замінивши її на деяке середнє ефективне значення 
. За тих же умов і не дуже сильним поглинанням χ(λ) також може бути замінена на χе, а функція 
винесена за знак інтеграла. Тоді:
, (1.19)де
.При дуже сильному поглинанні, коли спектр пройшов через кювету з газом ІЧ випромінювання приймає вигляд, зображений на рисунку – 1.14, а у виразі (1.19) величини
і Хе вже не можна вважати постійними параметрами, оскільки вони змінюють своє значення.
Рисунок 1.14 – Спектри ІЧ випромінювання при сильному поглинанні газом (>90%)
Приведене вище являє собою процес перехіду від ідеальної умови монохроматичності оптичного випромінювання, для якого сформульований закон Ламберта-Бера, до реального положення, вельми далекого від ідеалу. Проте, визначений вид залежності і умови, при яких справедливі зроблені допущення. Пряме вирішення задачі вимагало б точне значення функцій
і χ(λ),що привело б до громіздких виразів, які можуть бути розраховані лише чисельними методами інтегрування і позбавлені наочності. Кінцевий результат мав би меншу цінність, оскільки придатний тільки для абсолютно конкретних
і χ(λ). Прийнявши, що перетворення потоків випромінювання у всьому тракті від фотоприймача до індикатора лінійне, замість виразу (1.18) можна написати:
(1.20)де b – константа.
З (1.19) і (1.20) видно що величин ΔФ і
залежать від Ф0, тобто необхідно високостабільне джерело оптичного випромінювання. В цьому випадку рівняння (1.20) можна переписати у вигляді:
, (1.21)де Iвих - вихідний струм;
a - постійна.
1 2 3 4