07_Sen_gas (Конспект лекций по предмету, преподаватель Ляхова Н.Б.), страница 2

Источник света Х

Исследуемое вещество

Фотоприемник

Усилитель <

к АСУ ТП

Рис. Схема непосредственного измерения светового потока.

И сточник света Х

К оллиматор

О бъем исследуемого Эталон

в ещества

Фотоприемник

Д ифференциальный

усилитель к АСУ ТП

Рис. Схема рефрактометра ( сравнительной оценки ).

Световой поток от источника проходит к коллиматору, где разветвляется на 2 направления: к объемам с исследуемым и эталонным веществами. Каждый из лучей фиксируется своим фотоприемником (фоторезистором), выходные сигналы которых поступают на дифференциальный усилитель. Если коэффициенты преломления n объемов одинаковы, то оба фотоприемника освещены одинаково, следовательно, на выходе усилителя сигнал отсутствует. Если коэффициент n или коэффициент поглощения , исследуемого вещества отличается от эталонного, то луч отклоняется от предварительно отюстированного направления и освещенность фотоприемника уменьшается. На выходе дифференциального усилителя появится сигнал, пропорциональный разбалансу.

Оптоакустическая система использует явление быстрого расширения загрязняющего газа при поглощении лазерного излучения (чистый воздух при этом не расширяется). Переменное излучение вызывает акустические колебания. Длина волны лазерного излучения подбирается в соответствии с линией поглощения газа. Газ помещается в камеру, являющуюся акустическим резонатором. Лазерное излучение поступает через окно в торце камеры. В стенку камеры заделывается микрофон, служащий звукоснимателем. Лазерный луч прерывается механически с помощью ребристого диска, насаженного на ось двигателя. Регулятором скорости вращения можно добиться точного совпадения частоты прерывания с резонансной частотой камеры – резонатора.

Волоконнооптические датчики. Адсорбирующее покрытие (реагентосодержащая фаза - РСФ) может наносится на оптическое волокно, образуя «оптрод» (рис3.). При взаимодействии РСФ со средой изменяется коэффициент затухания α оптического излучения между двумя оптродами. Используется для определения О₂ и рН в том числе и человека. В результате химических реакций реагент малого объема разрушается, поэтому сенсоры недолговечны.

При использовании дешевых полимеров можно изготавливать тонкие одноразовые датчики (необратимые оптроды). Определяемый компонент - О₂ -диффундирует через селективную мембрану (рис.4) в полость, содержащую флуоресцирующий краситель, и гасит его свечение пропорционально парциальному давлению. Фотодетектор фиксирует изменения.

Ультразвуковые методы используют зависимость скорости и коэффициента поглощения звука для определения:

- концентрации водного раствора аммиака (рис.1),

- концентрации поливинилового спирта в воде (рис.2),

- степени полимеризации дивинилстирольного каучука (рис.3).

Термические датчики (газоанализаторы).

Состав газовой смеси может определяться с помощью терморезисторов,

Камера

I

R

Газ

Рис. Схема теплового газоанализатора.

В качестве сопротивления R используется нагретый током I платиновый терморезистор. Конструкция камеры такова, что теплообмен со средой осуществляется в основном за счет теплопроводности газовой среды. Для исключения влияния внешней температуры в мостовую схему включается эталонная камера. Напряжение разбаланса моста служит мерой концентрации искомого компонента смеси газов.

Рис. Газоанализатор на каскаде термопар.

О₂ - Трубка из двуокиси циркония покрывается изнутри и снаружи пористой платиной для формирования электрических контактов. Внутри трубки - газ с известным содержанием кислорода. Нагревательный элемент, намотанный на трубку, поддерживает температуру порядка 400⁰ С. При этом ионы кислорода в двуокиси циркония приобретают подвижность, инициируя проводимость стенки трубки. Сторона трубки, контактирующая с газом, содержащим меньше кислорода, становится отрицательной по сравнению с другой ее стороной. Разность потенциалов пропорциональна разности концентраций кислорода внутри и снаружи трубки. (Появление кислорода в выхлопных газах автомобиля инициирует регулировку параметров работы двигателя.)

О₂ - Термомагнитные газоанализаторы используют поток кислородосодержащего газа (“термомагнитного ветра”), возникающего в неоднородном магнитном поле при градиенте температуры. Через кольцевую камеру (рис.А10-3.29) (полое кольцо с трубчатой перемычкой по диаметру) протекает анализируемый газ. На перемычку намотана спираль из платиновой проволоки. Спираль состоит из 2-х секций-резисторов R₁ и R₂ , нагреваемых до 200-250 ⁰ С. Резисторы включены в мост. При отсутствии кислорода в газовой смеси нет движения газа по перемычке. Поскольку молекулы кислорода взаимодействуют с магнитным полем, то внутри перемычки образуется конвективный поток газа, направленный вдоль ее оси. Этот поток охлаждает секцию R₁ и передает часть тепла секции R₂. Это изменяет температуры резисторов и разбалансирует мост.

Влагомеры окружающей среды.

Для контроля влажности рабочих помещений, а также косвенно уровня осушения при герметизации, фотолитографии, подготовки сырья для прессования или литья пластмасс, используются датчики влажности.

Механический метод использует изменение длины ( l) чувствительного элемента (органические и неорганические нити, кожа,..), которая фиксируется пружинным механизмом (l), изменением положения сердечника магнита ( l  L  U).

В сорбционных электролитических влагомерах влагочувствительным элементом является жидкая или сухая пленка электролита, нанесенная на подложку или полимерную пленку. Поглощение влаги происходит до тех пор, пока не установится динамическое равновесие между давлением водяного пара непосредственно над поверхностью электролита и давлением пара окружающей среды. Сопротивление электролитической пленки изменяется в зависимости от концентрации растворенного вещества и температуры (кондуктометрический метод). В качестве электролитов используют хлорит лития (Li Cl), смесь поваренной и сегнетовой соли. Недостатками этого метода являются гистерезис, временная нестабильность, узкий диапазон измерений.

Резистивный метод использует свойства растворов солей изменять свое сопротивление в зависимости от влажности среды. Проволочный или пленочный резистор покрывается таким гигроскопическим раствором. Используется также полистерин, обработанный серной кислотой.  К  R  I U.

Возможно измерение сопротивления утечки конденсатора из пористого диэлектрика с электродами из окиси рубидия (рис. А60-46).  К  R  I U.

При емкостном методе влагочувствительным элементом может служить тонкий слой керамики на основе Zn O - Cr₂ O₃ (или Al₂ O₃) с пористым электродом (рис.А60-42). Влага изменяет относительную диэлектрическую проницаемость  керамики. При этом изменяется емкость конденсатора с обкладками из пропускающего влагу пористого золота и платины.    C  f.

Кондуктометрический метод используется и для определения влажности ряда твердых веществ (чаще порошкообразных). Для измерения проводимости необходимы мегомметры.

Диэлькометрический метод основан на различии диэлектрической проницаемости материала, воздуха и воды (  81). Поскольку трудно получить тонкий слой материала, метод конденсатора с переменным  не применяется. Используется радиотехнические измерения в диапазоне СВЧ коэффициентов отражения, поглощения (затухания), а также уход частоты резонатора, наполненного материалом. Результаты сравниваются с аналогичными для пустых емкостей волноводов, резонаторов (рис.3, 6, 8).