11 (682880), страница 13

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 13)

Дифференциальный метод обработки аналитического сигнала - метод производной - основан на измерении первой или второй производной от меняющегося по гармоническому закону сигнала приемника. Такая методика обработки аналитического сигнала позволяет выделять слабые линии поглощения на сильном фоне и тем самым улучшать аналитические характеристики метода за счет увеличения отношения полезного сигнала к шуму. Так, в работе [7] показаны сравнительные возможности различных методик обработки регистрируемого сигнала: большие концентрации определяли методом прямого детектирования, средние по первой, а малые до 10^-7-10^-8% (мол.) по второй производным.

Интегральный метод обработки аналитического сигнала метод учета мешающих на­ложений основан на исследовании характера и интенсивности спектров поглощения анали­зируемых газов в некоторой области длин волн и учете их взаимных наложений. Такая методика обработки сигналов весьма трудоемка и практически невозможна без применения ЭВМ. Наиболее простой способ при анализе сложных технологических газов, где наложения учитывали путем решения системы уравнений, характеризующих вклад в поглощение на трех регистрируемых длинах волн от основных компонентов газовой смеси.

Рассмотренные нами методы обработки регистрируемого сигнала, наряду с прямым детектированием изменения интенсивности зондирующего излучения, прошедшего поглощающую газовую среду, широко используют в различных схемах абсорбционных газоанализаторов.

Аппаратура

Важнейшие элементы абсорбционных газоанализа­торов это источники и приемники зондирующего излучения; их мы и рассмот­рим наиболее подробно. Оптические схемы газоанализаторов довольно просты и мы остановимся лишь на общем описании некоторых из них.

Источники зондирующего излучения

Для решения разнообразных задач в аб­сорбционных газоанализаторах используют различные источни­ки зондирующего излучения: газоразрядные, тепловые, когерент­ные. По характеру излучения их можно разделить на источники сплошного, линейчатого и монохроматического излучения в УФ-, видимом и ИК- спектральном диапазонах.

Тепловые источники характеризуются сплошным спектром излучения в ИК диапазоне, высокой стабильностью излучаемой мощности, малым потреблением энергии и большими сроками эксплуатации. Используют несколько разновидностей таких источников:

глобар, представляющий собой стержень из карбида кремния; рабочая температура ≈1300 К;

штифт Нернста, представляющий собой стержень, содержа-* щий смесь оксидов циркония, тория, иттрия; обычная рабочая температура ≈1700 К;

лампы накаливания с вольфрамовой или нихромовой спи­ралью, нагретой до 1000-1100 К, излучающие в видимой и ближней ИК-областях спектра .

Газоразрядные источники характеризуются линейчатым спек­тром излучения в УФ-, видимом и ближнем ИК-диапазоне длин волн, а также сплошным спектром в УФ-области спектра. К источникам этого типа относятся:

водородные или дейтериевые лампы, представляющие собой стеклянные колбы с кварцевыми окошками, заполненные газом при давлении в несколько сотен Па; лампы являются источниками сплошного спектра в видимой и УФ (до200 нм)-областях спектра;

высокочастотные безэлектродные лампы, заполненные инертным газом при давлениях в несколько сотых долей Па и вещест­вом-источником атомных паров; лампы являются источниками линейчатого спектра излучения в видимой и УФ-об­ласти;

ртутные газоразрядные лампы низкого, высокого или сверх­высокого давления, представляющие собой кварцевые трубки с впаянными электродами и заполненные аргоном и ртутью;

лампы являются источниками линейчатого спектра излуче­ния наиболее интенсивные линии которого имеют длины волн: 253,7; 313; 314; 365,5; 404,7; 435,8; 546,1; 577 и 579,1 нм ;

лампы с полным катодом , являющиеся источ­никами линейчатого спектра излучения, характер которого опре­деляется элементами, входящими в состав катода или напылен­ного на его поверхность материала; атомы, образовавшиеся при испарении материала нагретого катода или вследствие распыле­ния его поверхностных слоев под воздействием ионной бомбар­дировки, возбуждаются в тлеющем разряде постоянного тока в буферном газе; эти лампы используют при анализе воздуха на содержание металлических примесей в виде металлоорганических соединений, аэрозолей и паров (например ртути).

Монохроматические источники - оптические квантовые гене­раторы, излучающие отдельные линии в видимой и ИК- областях спектра в режиме импульсной или непрерывной генерации. Ис­точники такого типа позволяют перестраивать частоту излучения либо непрерывно в некотором диапазоне длин волн, либо дис­кретно на нескольких фиксированных частотах:

газоразрядный СО-лазер с генерацией излучения в области 5-6 мкм мощностью несколько мВт ;

газоразрядный He-Ne-лазер с генерацией излучения, перестра­иваемого дискретно на длинах волн 3,39; 4,22; 5,4 мкм, мощ­ностью 0,5-5 мВт ;

лазеры на красителе (ЛК), излучающие на длинах волн от 0,4 до 0,6 мкм ;

светодиоды на основе твердых растворов полупроводниковых соединений типа InGaAs и InAsSbP, излучающие в диапазоне 2,6-4,7 мкм;, мощность непрерывного излучения порядка сотен мкВт, а импульсного-нескольких мВт ;

полупроводниковые диодные лазеры типа PbS_1-xSe_x и Pb_1-xSn_xSe, генерирующие в диапазоне 3-30 мкм; лазеры обеспе­чивают непрерывную перестройку узкой линии генерации ( ) 3a счет изменения тока питания и температуры полупроводникового элемента в диапазоне до 1000см^-1 .

В заключение упомянем о специфическом источнике излуче­ния - СВЧ- генераторе (клистроне) с частотой 10-25 ГГц, исполь­зуемом в некоторых газоаналитических задачах .

Таким образом, применяемые в абсорбционных газоанализа­торах источники зондирующего излучения охватывают широкую область спектра. Наиболее перспективно с нашей точки зрения применение диодных полупроводниковых лазеров, позволяющих сканировать узкую линию излучения в сравнительно большом диапазоне длин волн и генерирующих в области спектра, пере­крывающей колебательно-вращательные полосы поглощения большинства газообразных молекул. Эти характеристики источ­ника зондирующего излучения обеспечивают хорошую основу для достижения высокой селективности и универсальности газо­аналитических методик.

Приемники излучения

Используемые в абсорбционных газоана­лизаторах приемники лучистой энергии можно разделить на две группы: тепловые и фотоэлектрические.

Тепловые приемники служат для детектирования излучения в ИК-области спектра (< 30 мкм). К этой группе приемников относятся термоэлементы, представляющие собой биметалличес­кие устройства, при нагревании которых возникает э. д. с., про­порциональная температуре нагрева, а также болометры, пред­ставляющие собой сопротивления с большим температурным коэффициентом сопротивления. Тепловые приемники малоэф­фективны при измерении малых изменений мощности зондирую­щего излучения и обладают относительно большой инерцион­ностью. В качестве положительных свойств можно указать на слабую зависимость чувствительности от длины волны регистри­руемого излучения в рабочем диапазоне и удобство в эксплуа­тации.

Фотоэлектрические приемники используют для детектирова­ния излучения в УФ-, видимой и ИК- (до 14 мкм) областях спектра. Эту группу приемников можно разделить на фотоэле­менты с внешним и внутренним фотоэффектом.

Первые обычно служат приемниками излучения в УФ- и видимой областях спектра. Принцип действия таких детекторов, называемых фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), основан на эмиссии с фотокатода электронов, приобретающих от фото­нов энергию, превышающую работу выхода c поверхности фото­катода. Образовавшиеся электроны ускоряются в электрическом поле и множатся на системе электродов - ускоряющих динодах. Сигнал ФЭУ, таким образом, пропорционален интенсивности излучения попадающего на фотокатод приемника. Наиболее широкое распространение получили ФЭУ с Sb-Cs-фотокатодом с максимальной чувствительностью в области от 160 до 650 нм; с мультищелочным фотокатодом - от 400 до 870 нм; с Ag - Cs- фотокатодом - от 400 до 1300 нм. Постоянная времени ФЭУ состав­ляет ≈10^-8-10^-10 с, чувствительность ≈10^-14Вт.

Фотоэлектрические приемники с внутренним фотоэффектом обычно используют для регистрации излучения в ИК-области спектра. Принцип действия рассматриваемых детекторов осно­ван на способности полупроводниковых элементов изменять свою проводимость при поглощении фотонов. В качестве таких приемников используют, например, PbS- фотосопротивления с чувствительностью в области <4 мкм или InSb с чувствитель­ностью в области <7,5 мкм, работающие как при комнатной (293 К), так и при пониженных (273 К) температурах. В более широком спектральном диапазоне (<14мкм) могут работать детекторы типа PbSnTe или HgCdTe, но только при криогенных ( ≈77 К) температурах.

Таким образом, применяемые в абсорбционных газоанализа­торах приемники зондирующего излучения охватывают широ­кую область спектра-от 0,2 до 30 мкм. Следует отметить, что все рассмотренные приемники являются неселективными и за исключением тепловых обладают заметной зависимостью чув­ствительности от длины волны регистрируемого излучения.

Схемы абсорбционных газоанализаторов

Простейшая схема абсорбционного га­зоанализатора включает:

источник зондирующего излучения;

оптическую систему формирования пучка излучения;

кювету с анализируемой газовой смесью;

систему фильтров или монохроматор для выделения нужной области спектра излучения;

приемник излучения;

блок формирования и обработки сигнала.

Мы рассмотрели различные способы формирова­ния аналитического сигнала с использованием различных корре­лирующих элементов, помещаемых за абсорбционной кюветой перед приемником излучения. Кюветы с анализируемой газовой смесью имеют размеры от 1 до 500 см и часто конструируются таким образом, что обеспечивают многократное прохождение зондирующего излучения через анализируемый газ. За счет этого удается значительно увеличить толщину поглощающего слоя (например, до 720 м ).

Чаще всего для решения различных газоаналитических задач используют дифференциальную схему, оптическая часть которой содержит два канала с рабочей и опорной (сравнительной) кюветами. Принципиальная схема газоанализатора представлена на рис. 18, а. Принципиальный вариант газоанализатора с лазерными ис­точниками излучения приведен на рис. 18.б. Излучение с про- тивоположных граней кристалла полупроводникового лазера 7 проходит через рабочую кювету с анализируемым газом 8, опорную кювету 9 с газом известного состава и регистрируется фотоприемниками П. Диспергирующий элемент 10, в качестве которого используется монохроматор, служит для селекции мод лазера и выделения определенных участков спектра излучения. Нами кратко рассмотрены лишь основные принципиальные схемы абсорбционных газоанализаторов. В разд. VI.3 при описа­нии различных газоаналитических методик уделяется внимание и некоторым особенностям аппаратурных схем анализаторов.

Рис. 18 Схема дифференциального абсорбционного газоанализатора с газоразрядным (тепловым) (а) и лазерным (б) источникам! зондирующего излучения:

1-газоразрядный или тепловой источник зондирующего излучения; 2-оптическая система фор­мирования пучков излучения; 3, 5-рабочие кюветы; 4, 9-опорные кюветы; 5~фильтры; (5-приемники излучения; 7-полупроводниковый лазер; 10~диспергирующий элемент; 77-фото-приемники

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого оптического абсорбционного га­зоанализатора; на фиг. 2 - блок-схема реализо­ванного оптического преобразователя газоанали­затора.

Газоанализатор, согласно фиг. 1, содержит первый измерительный источник 1 электромаг­нитного излучения, расположенные по ходу излу­чения кювету 2, первый и третий оптические фильтры 3 и 4, расположенные соответственно перед измерительным и опорным фотоприемниками 5 и б, второй - эталонный источник 7 электромаг­нитного излучения установлен вне газовой кюветы 2 с противоположной стороны фотоприемников 5 и 6 со вторым и четвертым оптическими фильтрами 8 и 9 соответственно и оптически с ними сопряжен, блок 10 обработки сигналов, первый вход которого соединен через первый разделительный усилитель 11с выходом измерительного фотоприемника 5, а второй вход соединен через разделительный усилитель 12 с выходом опорного фотоприемника б, содержит последовательно соединенные коммутатор 13 входных импульсов, усилитель 14, аналого-цифровой преобразователь 15 и микроЭВМ 16, выход которой соединен с блоком 17 регистрации, первый управляющий выход микроЭВМ 16 соединен с управляющим входом коммутатора 13, первый и второй входы которого являются первым и вторым входами блока 10 обработки сигналов соответственно, второй управляющий выход микроЭВМ 16 соединен с управляющим входом схемы 18 управления токами источников электромагнитного излучения, второй вход которой соединен с выходом опорного фотоприемника 6, и одновременно с опорным резистором 19, второй вывод которого соединен с общим проводом прибора, первый и второй выходы схемы 18 управления подключены к источникам 1 и 7 электромагнитного излучения соответственно. Кроме того, последовательно с измерительным фотоприемником 5 соединено сопротивлением 20 нагрузки, второй вывод которого соединен с общим проводом, к коммутатору 13 подключен датчик 21 контроля температуры.[8]

Кроме того, в газоанализаторе, согласно фиг. 2, газовая кювета 2 выполнена в виде полости, нап­ример в форме цилиндра, фокусирующим эле­ментом которой является ее внутренняя поверхность со светоотражающим покрытием, на входном и выходном торцах кюветы 2 установлены оптические окна 22 и 23 соответственно, на наружной по­верхности полости кюветы 2 установлены штуцер 24 для ввода газовой смеси и штуцер 25 для вывода газовой смеси.

Измерительный источник 1 электромагнитного излучения установлен непосредственно перед оп­тическим окном 21 кюветы 2, за оптическим окном 22 которой установлены оптически с ней сопря­женные фотоприемники 5 и б с соответствующими им оптическими фильтрами 3,8 и 4,9, которые, в свою очередь оптически сопряжены с эталонным источником 7 электромагнитного излучения, уста­новленным вне газовой кюветы 2 с противоположной стороны от фотоприемников 5 и б с фильтрами 8,9.

Характеристики

Список файлов реферата