УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПТИКО-АБСОРБЦИОННОГО АНАЛИЗА ГАЗОВОЙ СМЕСИ Российский патент 1994 года по МПК G01J3/42 

Изобретение относится к газовому анализу, основанному на абсорбционных измерениях, и может быть использовано в бездисперсионных газоанализаторах, применяемых для безынерционного многокомпонентного мониторинга газовой среды.

Современные методы многокомпонентного анализа газов в основном включает в себя приемы непосредственного воздействия на анализируемую пробу: возбуждение в газе электрического разряда или проведение химических реакций - хемилюминесценции [1].

Хемилюминесцентный метод является достаточно точным, но устройство для его реализации громоздко и сложно в эксплуатации.

Известно устройство для оптико-абсорбционного анализа газовой смеси, применяемое для осуществления способа определения двуокиси азота NO₂ [2], работа которого основана на абсорбции излучения газовой смесью и включает в себя источник излучения на полом катоде, измерительную кювету, селективную детекторную систему, а также широкополосный фильтр, исключающий попадание в измерительную кювету УФ-излучения вплоть до волны 423 нм, вызывающего фотолиз молекул NO₂. Источник излучения на полом катоде дает линейчатый спектр, варьируемый материалом катода (Al, Ca, Ti, Cr, Mn, Fe, W, Pb), в частности в известном устройстве использован кальциевый катод.

Известное устройство позволяет определить содержание одного компонента смеси - NO₂ при использовании источника излучения на полом катоде. Недостатком известного устройства является малое количество одновременно регистрируемых компонентов окислов азота.

Целью изобретения является увеличение числа одновременно регистрируемых компонентов окислов азота в газовой смеси.

Цель достигается тем, что в известном устройстве для оптико-абсорбционного анализа газовой смеси, содержащей окислы азота, включающем резонансный газоразрядный ИК-источник излучения с полым катодом и последовательно установленные на оптической оси источника излучения широкополосный фильтр, измерительную кювету для помещения исследуемой газовой смеси, интерференционный фильтр, приемник излучения и анализатор, источник излучения заполнен закисью азота NO₂ при давлении 0,55-0,80 Торр.

Сущность изобретения заключается в использовании среды, дающей при зажигании в ней разряда при определенных условиях резонансные полосы сходных азотных соединений с разрешенной колебательно-вращательной структурой.

При зажигании разряда в молекулярном газе, заполняющем объем источника излучения, определенная часть молекул исходного газа диссоциирует с образованием сходных молекул, участвующих в формировании выходящего из источника излучения в ИК-диапазоне спектра (возбуждение колебательных полос). Причем в оптимальных условиях горения разряда между компонентами образовавшейся газовой смеси поддерживается динамическое равновесие.

В общем виде ряд химико-физических процессов с участием электронов () в 2- и 3-атомных газах протекает, например, таким образом:

При этом колебательно-возбужденные в процессах столкновения молекулы газа переходят затем в нормальное состояние с излучением колебательного кванта, например:
XY*(V) -- XY + h ν_v.

При зажигании разряда в закиси азота из разрядного объема светятся молекулярные ИК-полосы N₂O, NO, NO₂, N₂O₅.

Экспериментально установлено, что мощность колебательного излучения имеет сильную зависимость от давления газа-наполнителя в пределах 0,2÷1,0 Торр, при давлении Р_NO2 > 1 Торр мощность полосы излучения практически не меняется при постоянном разрядном токе. Увеличение давлении Р_N2O ≅ 0,5 Торр к линейной зависимости мощности излучения от тока разряда, а при Р_N2O > 0,5 Торр мощность колебательной полосы слабо зависит от тока через излучатель.

На фиг. 2 приведена зависимость мощности излучения Ф_о от давления при разрядном токе i = 15 мА. Из полученной зависимости видно, что слишком низкое давление в излучателе ведет к сильной зависимости Ф_о от условий разряда, а слишком высокое давление может сильно исказить форму допплеровского контура линий полосы излучения. Оптимальным является диапазон давлений Р = 0,55-0,80 Торр.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 приведена зависимость мощности излучения от давления; на фиг. 3 - временная зависимость мощности излучения.

Устройство содержит газоразрядный ИК-источник 1 резонансного излучения, который представляет собой систему цилиндрических коаксиальных электродов 2, заключенных в герметичную емкость, заполненную закисью азота NO, с окном для выходящего излучения 3, расположенным на оптической оси излучателя параллельно торцовым срезам электродов. За выходным окном установлен первый интерференционный фильтр 4, выделяющий нужную спектральную область и тем самым отсекающий УФ- и видимую часть спектра излучения источника 1, приводящую к вероятному фотолизу NO₂ (некоторой части) в измерительной кювете 5. Кювета 5 представляет собой емкость для помещения исследуемого газа и имеет два прозрачных в ИК-диапазоне окна 6, расположенных на оптической оси источника. На оптической оси источника расположен второй узкополосный интерференционный фильтр 7 и фотоэлектрический приемник ИК-излучения 8, сопряженный с устройством 9 для обработки и усиления электрического сигнала приемника. Напряжение на электроды 2 подается от источника 10 питания, приемник 8 излучения питается от низковольтного источника 11 питания.

Устройство работает следующим образом.

На электроды 2 источника излучения подается модулированное напряжение питания в виде прямоугольных импульсов, что позволяет отсечь тепловую составляющую излучения разрядной трубки. При этом во внутреннем катодном объеме зажигается газовый разряд, который при оптимальном выборе разрядных характеристик целиком заполняет внутрикатодный объем за исключением узкой приповерхностной области, на которую приходится основное падение потенциала электрического поля разряда. Электроны, эмиттируемые внутренней поверхностью катодного цилиндра, проходят эту область без соударений и приобретают энергию ε_о, образуя поток многоэнергетических электронов, которые затем в процессе релаксации по энергиям участвуют в соударениях различного рода. Часть молекул исходного газа при этом диссоциирует с образованием различных радикалов, участвующих затем в столкновениях с электронами, молекулами и радикалами, что приводит к образованию сходных молекул, часть из которых находится в колебательно-возбужденных состояниях. Это приводит к образованию потоков резонансного ИК-излучения из разрядной области, отвечающих различным сходным газовым компонентам разряда.

Выйдя из источника излучения через прозрачное в ИК-области спектра окно 3, поток излучения проходит через первый интерференционный фильтр 4, отсекающий УФ-часть излучения, которая в незначительном количестве пропускается выходным окном 3 и приводит к фотолизу NO₂ в исследуемом объеме.

После прохождения фильтра 4 излучение попадает в измерительную кювету 5 с окнами 6, заполненную исследуемым газом, где частично поглощается. Второй интерференционный фильтр 7, расположенный на оптической оси источника за измерительной кюветой и идентичный первому, выделяет интересующий участок спектра в прошедшем излучении, которое затем попадает на чувствительную площадку фотоприемника, преобразующего оптический сигнал в электрический с последующей регистрацией в системе 9 обработки и усиления сигнала.

Регистрация различных компонентов смеси N_xO_y осуществляется путем смены интерференционных фильтров 4,5, которая может производится как вручную, так и автоматически, в заданном режиме. Скорость регистрации различных компонент и их смены ограничивается только временем механической смены фильтров и устройством радиоэлектронного блока, поскольку оптическая часть предлагаемого устройства практически безынерционна.

В качестве примера конкретного выполнения был создан макет заявляемого устройства для анализа содержания окислов азота. Электроды 2 источника 1 излучения выполнены из листового никеля и имеют размеры: длина 120 мм, диаметры 20 мм и 30 мм. Электроды помещены в емкость из молибденового стекла цилиндрической формы, выводы электродов из молибдена вакуумно уплотнены. Выходное окна на одном из торцов емкости выполнено из фторида кальция. Емкость заполнена закисью азота NO₂ под давлением 0,6 Торр. Напряжение питания до 600 В подавалось в импульсном режиме (частота 590 Гц, скважность 2), ток разряда составлял 10, 15, 20 мА. В качестве приемника излучения использован пироприемник МГ-30.

С помощью устройства измерены мощности излучения колебательных полос N₂O c λ = 4500 нм и NO с λ = 5250 нм из разряда в N₂O, которые составили 10^-1÷10^-3 Вт при потребляемой источником излучения мощности питания 10÷15 Вт. КПД резонансного источника излучения в данном случае составил 0,01-0,04%.

Исследования источников излучения на N₂O показали их высокую стабильность как для абсолютных интенсивностей излучения компонент газовой смеси разряда, так и для соотношения интенсивностей этих компонент в течение длительного времени ( ≈ 3 мес) при неоднократных включениях источника излучения. На фиг. 3 приведены результаты испытаний отпаянного газоразрядного источника излучения на N₂O, из которых видно, что величина мощности излучения после нескольких включений источника стабилизируется при определенном значении и не претерпевает заметного изменения в дальнейшем.

В первые часы работы отпаянного оттренированного излучателя низкого давления интенсивность излучения изменяется в 2 раза, однако после 25÷30 ч горения разряда характеристики его стабилизируются независимо от числа включений разряда. Стабилизировавшийся излучатель входит в рабочий режим практически безынерционно, обеспечивая постоянный уровень интенсивности.

Для проверки эффективности использования устройства в целях многокомпонентного анализа окислов азота использовали макет оптико-абсорбционного анализатора NO и N₂O с газоразрядным источником излучения на N₂O и с источником сплошного спектра. Концентрации NO (от 10¹³ см^-3 и выше) измеряли в смесь в N₂O при общем давлении 0,1÷5,0 Торр. Чувствительность макета при замене широкополосного излучателя на резонансный возросла в 10² раз, а селективность оказалась достаточной для того, чтобы, например, полностью исключить влияние N₂O как фонового компонента при измерении концентрации NO в пределах ошибки измерений (~10%).

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства, использующего резонансный газоразрядный ИК-источник излучения для многокомпонентного оптико-абсорбционного анализа, заключается в повышении эффективности контроля загрязнений окружающей среды за счет возможности одновременной регистрации нескольких компонентов газовой смеси. При этом многофункциональность источника излучения не приводит к значительному усложнению рабочей схемы газоанализатора при сохранении безынерционности, высокой селективности, чувствительности и низкой энергоемкости такого газоанализатора.

Устройство содержит резонансный газоразрядный ИК-источник излучения с полым катодом и последовательно установленные на оптической оси источника излучения широкополосный фильтр, измерительную кювету для помещения исследуемой газовой смеси, интерференционный фильтр, приемник излучения и анализатор. Новым является заполнение приемника излучения закисью азота N₂O при давлении 0,55 - 0,80 Торр. Чувствительность устройства с резонансным излучателем возрастает на два порядка по сравнению с устройством аналогичного назначения с широкополюсным излучателем, величина мощности излучения стабилизируется после нескольких включений источника. 3 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПТИКО-АБСОРБЦИОННОГО АНАЛИЗА ГАЗОВОЙ СМЕСИ, содержащей окислы азота, включающее резонансный газоразрядный инфракрасный источник излучения с полым катодом и последовательно установленные на оптической оси источника излучения измерительную кювету для размещения исследуемой газовой смеси, на входе и выходе которой установлены узкополосные интерференционные фильтры ИК-излучения, приемник излучения и анализатор, отличающееся тем, что, с целью увеличения числа одновременно регистрируемых компонентов окислов азота в газовой смеси, источник излучения заполнен закисью азота N₂O при давлении 0,55 - 0,80 Торр.