Оптико-акустические газоанализаторы. 
Экологический мониторинг

Абсорбционный метод анализа (см. параграф 6.2) газов основан на свойстве веществ избирательно поглощать часть проходящего через них электромагнитного излучения. Если доля поглощенной таким образцом лучистой энергии мала, более удобна непосредственная регистрация ее оптико-акустическим (ОА) методом. Специфичность спектра поглощения позволяет качественно определять состав газовых смесей, а интенсивность абсорбционного спектра связана с концентрацией компонента.

Разная зависимость коэффициента поглощения от частоты (см. параграф 6.2) жидкостей и газов приводит к отличию схем оптико-абсорбционных анализаторов жидкостей и газов.

В основе ОА метода лежит оптико-акустический эффект, открытый Рентгеном (W. Rontgen — немецкий физик-экспериментатор, 1845—1923) и Тиндалем: при облучении газа, находящегося в замкнутом объеме, модулированным потоком ИК-излучения в нем возникают пульсации давления (акустические колебания) с частотой модуляции.

Оптико-акустический анализ газов основан на измерении акустических колебаний, возникающих при селективном поглощении слоем газа модулированного ИК-излучения. Средняя и дальняя области ИК-спектра выбраны в связи с их высокой избирательностью. Так, ацетилен поглощает излучение с длиной волны 3,05, метан — 3,3, углекислый газ — 4,3, оксид углерода — 4,6, диоксид серы — 4 и 7,3 мкм. Молекулы анализируемого газа возбуждаются, резонансно поглощая квант электромагнитного излучения, затем за счет соударений переводят эту энергию в тепловую энергию кинетического движения молекул, а повышение температуры при постоянном объеме приводит к увеличению давления.

Оптико-акустический анализ является селективным количественным методом.

Сила света, поглощенная веществом, определяется основным законом поглощения и равна.

при условии, что 2,303ЫС 1.

Оптико-акустический метод по существу является методом абсорбционной спектроскопии, поскольку основан на измерении поглощенной лучистой энергии, поэтому ОА спектры подобны абсорбционным спектрам. Уравнение (8.1) является математическим основанием количественного анализа по ОА спектрам. Градуировочные графики в этом методе сохраняют линейность в пределах 3—4 порядков концентраций.

Характерной особенностью ОА метода является зависимость ОА спектра как от абсорбционных свойств, так и от термодинамических параметров вещества. ОА метод анализа характеризуется широким диапазоном применения, высокой точностью, избирательностью, быстродействием. Универсальность метода определяется широким набором определяемых компонентов, имеющих полосы поглощения в ИК-диапазоне. Сюда относится большинство технологических газов, кроме инертных Не, Ne, Аг и одноэлементных вроде Н₂, 0₂, N₂. Наибольшее применение метод получил при избирательном анализе смесей, содержащих оксиды углерода (СО, С0₂), азота (N₂0, NO, N0₂), серы (S0₂), углеводороды С_ПН_Ш, гидриды серы, азота (H₂S, NH₃) и т. д. О, А метод перекрывает широкий диапазон определяемых концентраций от 1(Н до 100%.

Чувствительность метода весьма велика, во всяком случае, достаточна для того, чтобы использовать его для определения следов газов, ПДК токсических примесей в ОС.

Оитико-акустические газоанализаторы имеют основную погрешность на уровне 2—4% от верхнего значения диапазона измерений. Время сохранения этих характеристик без ручной корректировки составляет 7—30 сут.

Оптико-акустический селективный приемник представляет собой герметичную камеру, заполненную смесью поглощающего компонента с инертным газом (рис. 8.1), он фактически является микрофоном.

Внутри ОЛ приемника можно выделить активный объем, где происходит поглощение потока излучения, и пассивный объем, в котором расположен конденсаторный микрофон для преобразования акустических колебаний в электрический сигнал. Поток излучения попадает в активный объем через И К прозрачное окно, перед которым может находиться регулируемая диафрагма или заслонка, изменяющая величину светового потока, поступающего в лучеприемник.

Рис. 8.1. Устройство оптико-акустического приемника:

1 — нижняя часть корпуса; 2 — верхняя часть корпуса; 3 — окно из И К прозрачного материала; 4 — камера поглощения И К света, (активный) объем; 5 — подвижная мембрана конденсаторного микрофона; в — нижний (пассивный) объем; 7 — изолирующая пластина; 8 — дюза (тонкий канал, соединяющий верхний и нижний объемы) — фильтр НЧ Процессы прохождения аналитического сигнала через ОА лучеприемник можно представить в виде цепи последовательных преобразований:

• • поглощение модулированного потока ИК-излучения слоем газа в активном объеме;
• • нагревание объема поглощенной энергией;
• • переход колебаний температуры в колебания давления (акустические колебания);
• • изменение емкости конденсатора и преобразование акустических колебаний в электрический сигнал, т. е. лучеприемник, фактически является конденсаторным микрофоном;
• • усиление электрического сигнала.

Простейший О, А анализатор показан на рис. 8.2.

Рис. 8.2. Однолучевой одноканальный ОА газоанализатор:

1 — излучатель; 2 — фильтр; 3 — измерительная кювета; 4 — фотоприемник; 5 — ИП Оптический фильтр 2 выполняет функцию монохроматора и пропускает излучение от излучателя 1 на выбранной длине волны, соответствующей, как правило, максимальному коэффициенту поглощения определяемого компонента. Фотоприемник 4 преобразует прошедший через кювету 3 световой поток в электрический сигнал, который обрабатывает ИП 5. Рассмотренная одноканальная однолучевая схема проста, но на ее основе трудно реализовать анализатор с высокими метрологическими характеристиками. Поэтому современные ОА газоанализаторы реализуют на базе более сложных и структурно-избыточных схем.

Из разнообразных схем ОА газоанализаторов выделяют главным образом двухлучевую и двухканальную.

Принцип работы промышленного ОА газоанализатора основан на избирательном поглощении ИК-излучения определяемым компонентом анализируемой газовой смеси (рис. 8.3).

Рис. 8.3. ОА газоанализатор ИК-излучения.

Прибор выпускают в нескольких модификациях, каждая из которых имеет следующий диапазон измерений одного из компонентов (об. доля, %):

С0₂: 0−0,05; 0−0,1; 0−0,2; 0−0,5; 0−1; 0−2; 0−5; 0−10; 0−20;

СО: 0−0,2; 0−0,5; 0−1; 0−2; 0−5; 0−10; 0−20; 0−50; 0−100;

СН₄: 0−0,05; 0−1; 0−2; 0−5; 0−10; 0−20;

С₂Н₂: 0−0,5; 0−10.

Предел допускаемой основной приведенной погрешности газоанализатора составляет 4—10% от верхнего предела диапазона измерений.

Оптико-акустические газоанализаторы УФ-излучения используют в основном для измерения концентрации паров ртути в воздухе, так как ртуть имеет характерные линии поглощения именно в УФ-диапазоне. Кроме того, их применяют для измерения концентрации хлора, сероводорода, диоксида азота и других веществ.