​Оптические методы определения концентраций газов.

Оптические методы определения концентраций.

Во многих случаях определения концентраций газов в рабочей зоне производиться согласно критериям ГОСТ Р 52716-2007.

Длинна волны видимого света и инфракрасные лучи
Длинна волны видимого света и инфракрасные лучи

Два оптических способа.

Поговорим об оптическом определении..

Существуют, как минимум, оптических 2 типа оптических способа определения концентрациц газов: инфракрасный и ультрафиолетовый.

Разность в длинне волны у этих излучений дают ряд преимуществ при работе с различными спектрами газов, но об этом расскажем ниже..


Две технологии оптического определения


Существуют две технологии проведения таких мероприятий по оптическим замером концентрации: это в разряженой газовой смеси и в эмиссионной ( т.е сжатой, нагретой с приложением энергии к газу ).


Эмиссионный или точнее атомно-эмиссионный спектроскопический метод определения основанн на измерении длины волны светового потока, излучаемого возбужденными атомами в газообразного состояниия.


Оба эти способа имеют прямое отношение к оптическим приборам, измеряющим различные концентрации веществ в воздухе.


Имейте ввиду, что газы и вещества в воздухе это различные вещи, которые характеризуются разными законами существования, но как правило, методы их определения - одинаковы. Одинаковы что для смеси веществ в воздухе, что для смеси газов.

Определение газа по длине волны
Определение газа по длине волны

Инфракрасное оптическое определение газов.

Инфракрасный метод измерения концентрации газа один из удобнейших современных методов.

Он заключён в том, что молекулы газа проходят через ИК ( инфракрасное ) электромагнитное излучение с длинной волны ( 2—10 мкм) а чувствительный датчик улавливает эти изменения между входом и выходом в потоке ИК лучей.

Далее программное обеспечение прибора позволяет вычислить составляющие таких газов как:

  • диоксид азота ( NO²),
  • оксиды азота,
  • спирты и парафины ( С₁₈Н₃₈ до С₃₅Н₇₂)
  • фенолы,
  • различные насыщенные углеводороды.


Это и многое другое способно попасть под регистрацию ИК датчика у оптического газового анализатора.


Чаще всего в более ранних версиях ИК газоанализаторов применялась специальная лампа накаливания и приемник ИК излучения - это более старые аналоговые приборы.

Чем отличаются спектры различных газов ( ИК и УФ)?

Что бы понимать работу оптического газового анализатора обратимся к физике.

Дело в том, что любой газ вне разряженного состояния ( или в сжатом состояние ) имеет свое неповторимое спектральное свечение при пропускание через него света, который попадает потом на призму, раскрывающую этот спектр.


См картинку выше, левая часть фото - непрерывный газовый спектр.


Этот спектр имеет полное свечение во в ем диапазоне.

Газ может быть при нормальном давлении а может быть в разряженос состоянии, когда молекул газа в проверяемом обьеме остаеться очень мало!

При большой степени разряженности и газа в в проверяемом обьеме, последний оставляет узкие спектральные полоски, свойственные только этому газу!

См. картинку выше , правая часть фотографии.


Таким образом в разряженос состоянии не образуется широкого полного спектра газа после оптической дефракции.

Каждому разряженному газу соответствует своя картинка разряженного спектра.


Спектральная картинка волны сравнима с индивидуальной особенностью отпечатка пальцев человека - ровно точно так же, каждому газу соответствует свой спектр полос в разряженном состоянии.

При чем, при пропускании через газовые смеси различных по длине волны световых ( электромагнитного ) излучениий наилучшим образом определяются одни или другие газы.


Газы, состоящие из двух атомов или более, такие как СО, СO², С²Н² имеют спектры поглощения в инфракрасной области.


Газы состоящие из одного атома отличаются линейными спектрами поглощения, которые пренадлежат ультрафиолетовой области светового спектра.


Есть определенный закон, так называемый закон Бугера ( Ламберта—Бера ).

Закон Ламберта—Бера смысл которого заключается в отсутствие зависимости потери световых фотонов от интенсивности света, проходящего через вещество.

То есть какой бы мощности световой поток не проходил через анализируемый газ он потеряет ровно столько фотонов, сколько соответствуют потери для данного вещества.

Потому образуются строго определенные спектральные идентификаторы газов, по которым можно точно сказать какой газ присутствует на анализе..

Разве что, используются различные виды фотонов ( различная длинна фотонов ИК /УФ фотоны ).



Ультрафиолетовое оптическое измерение газов.

Ультрафиолетовый метод измерения концентрации газа основан на принципе фотоионизации.

Он включает в себя фотоэлектрический эффект взаимодействия света и ионизацию газа, что в конечном итоге приводит к появлению тока. Благодаря этому явлению с помощью ультрафиолетового излучения на газы можно определить их концентрацию.


Процесс фотоионизации.

В процессе фотоионизации с помощью ультрафиолетового излучения в оптическом диапазоне измеряемое газообразное вещество подвергается ионизации, что в итоге приводит к возникновению частиц электрического тока. Далее, под воздействием прибора газ начинает терять приобретенные электроны и генерировать положительные ионы, которые в последствии притягиваются к катоду и аноду, подвергая электрический ток воздействию магнитного поля.

Значение возбужденного электрического тока в этой реакции можно считать пропорциональным значению концентрации определяемого газа.

Примечательно, что для процедуры ионизации необходимо наличие фотонов с энергетическими показателями выше тех, которые имеются у измеряемого вещества.

По этой причине приборы в основе с ультрафиолетовым оптическим методом определения применяются главным образом с использованием УФ-ламп на 10.6 эВ и 11.7 эВ. Изготавливаются лампы из фторида магния с наполнением криптона или же из фторида лития с наполнением аргона.

Особенность метода и применение

Среди особенностей данного метода оптического измерения можно выделить точность определения малых доз концентрации газа.

В первую очередь это связано с устройством работы, которое основано на датчике интенсивности ультрафиолетового излучения.

Он позволяет менять ультрафиолетовую область спектра и сосредотачивать ее на крайне малых дозах летучего соединения вещества, например таких, как PPM и PPB.

Также фотоионизация считается одной из самых быстрых мер определения концентрации газа, доступная в диапазоне температур от минус 30 до 50 градусов по Цельсию.


Ультрафиолетовым методом находят:

Среди анализируемых ультрафиолетом соединений встречаются такие, как:

  • алканы;
  • алкены;
  • спирты;
  • арома-углеводороды;
  • альдегиды;
  • кетоны;
  • сероуглероды.


Список включает основные группы соединений, поэтому может быть дополнен.

Благодаря этим особенностям сфера применения ультрафиолетового оптического метода измерения концентрации газа применяется в стационарных и портативных моделях газоанализирующих приборов.

Газовые анализаторы

  • Портативные газовые анализаторы Портативные газовые анализаторы
  • Переносные газовые анализаторы Переносные газовые анализаторы
  • Стационарные газовые анализаторы Стационарные газовые анализаторы
  • Карманные газовые анализаторы Карманные газовые анализаторы

Определение газов по длине волны.

Анализируя длину волны ИК излучения можно подбирать диапазон измеряемых газов, что очень удобно.

Каждому соединению в воздушной среде соответствует своя длинна волны.

Чувствительность датчика на прямую зависит не от мощности лампы а от расстояния между лампой и приемником, то есть от длинны оптического пути.

По этим причинам в ИК газоанализаторах пользуются установкой зеркал.

NDR датчики
NDR датчики

NDIR фотометры.

Самый распространенный вид таких газоанализаторов являются не дисперсионные инфракрасные фотометры.

О работе Инфра-красного датчика цифрового пирометра ( измерителя температуры ) мы рассказывали в свое статье о ИК бесконтактных термометрах.


NDIR это простой спектроскопический сенсор или в оригинале nondispersive infrared sensor.

Далее по тексту обозначим как NDIR фотометры..

Такие устройства снабжены соответствующим NDIR датчиком.


NDIR датчик относится к оптическому виду датчиков, который так же состоит из ИК лампы, специальной камерной трубки и фильтра, подстрающего длину волны ИК излучения.


Так же конечной точкой является детектор ИК излучения, который входит в состав датчика.

NDIR датчик в газовом анализаторе

Ведь перед тем, как излучению попасть на измеряемую газовую составляющую, ИК поток попадает на фильтр, который оставляет именно ту длину волны, которая соответствует измеряемому газу.

А конечный детектор (сенсор ) подаёт результат на простейший микропроцессор, который и обрабатывает всю информацию.

Сенсор имеет ряд свойств.

Одно из которых - это использование золота в напылении сенсора.


В последнее время многие фирмы изготовители прибегают к другим покрытиям, которые дают большую результативность ( чувствительность ) в процессе измерения.

NDIR сенсоры способны различать длинну волны самых обычных газов.

Например:


  • Диоксид углерода CO2 имеет длинны волн— 4,26 мкм.
  • Газ пропан C3H8 — 1,68 мкм; 3,3 мкм.
  • Газ гелий (He) определяется от 402,62 до 728,13 нанометров.


NO или NO² определение концентрации.

Разница в дленне волны между оксидом азотоа и диоксидом азота составляет 5,3 мкм против 6,16 мкм.

Метод оптического определения намного быстрее, чем использование индикаторных трубок на оксид и диоксид азота.

Отсутствие расходных материалов делает оптические газовые анализаторы намного выгоднее чем И.Т.

Но приборы по типу оптического газового анализатора нуждаются в частой поверке, что конечно не удобно. Возможность возникновения ошибки у логического устройства так же больше. По этому а войсках Р.Ф до сих пор пользуются комплектами РХБЗ, куда и входят индикаторные трубки, которые не прихотливы к условиям в которых их используют..