Оптические газоанализаторы. Физические явленияпри взаимодействии излучений с анализируемой газовой средой.ЗаконБугера-Ламберта. Интенсивность излучения при поглощении, отражении и рассеянии света.

ИК, видимая и УФ - области спектра электромагнитных колебаний широко используются в газоанализе. Физические явления, которые фиксируются при взаимодействии излучения с газами и другими средами:

1. Поглощение

2. Отражение

3. Рассеяние

I. Поглощение электромагнитного излучения связано с электронной структурой вещества, при этом квант электромагнитной энергии взаимодействует с электроном, передавая ему энергию. За счёт этой дополнительной энергии может меняться спектральная характеристика вещества. Оно может полностью поглотить входящее излучение и передать эту энергию на нагрев вещества или переизлучить входящее излучение.

 

р=66∙10^-34

Закон поглощения (Бугера-Ламберта):

 

I_0λ– интенсивность входящего излучения

I_λ– интенсивность выходящего излучения

K – показатель поглощения на длине волны λ

δ – толщина слоя

с – концентрация поглощающего компонента

ε_λ – коэффициент зависящий от λ.

В практике спектрального анализа используют другую форму записи:

= D_λ- оптическая плотность.

Обратное отношение называется прозрачностью (пропускание):

с - концентрация поглощающего компонента

Если I_0λ=const, ε_λи δ=const, то I_0λопределена

Для смеси эти свойства аддитивны:

Определением I_λ занимается область физики называемая спектральной. Спектры могут быть электронными (т.е. линии) и молекулярными (полосы). Если поглощается видимая часть спектра, то такие анализаторы называются фотоколориметрами, а вообще просто колориметрами.

Отражение света связано с длиной волны излучения, если она меньше частицы, то происходит либо преломление, либо отражение.

I _отр = а∙I ₀∙ с, где

а — коэффициент, включающий длину световой волны, плотность вещества частиц, объем, показатель преломления, угол падения луча, размер слоя.

Рассеяние света описывается аналогично закону Бугера:

,

где k _p— показатель рассеяния излучения (зависящий от концентрации частиц, их размера и формы, коэффициента преломления).

Величина I характеризует в жидкостях и газах мутность среды. А сами газы и жидкости содержащие частицы называют дисперсными.

Анализаторы дисперсных сред основанные на измерении отраженного потока называют нефелометрами (nephele - облако). А основанные на измерении рассеяния проходящего потока излучения – турбидиметрами (turbineus - вихреобразный).

 

83. Колорометрический газовый анализатор.Схема.Принцип измерения концентрации.

Колориметрический анализатор имеет один источник (лампа 1) и два приемника (фотоэлементы 6 и 9) излучения и является двухлучевым. Излучение, выходящее из источника 1, пройдя через фильтр 2, разделяется на два луча, которые через зеркала 4 поступают в измерительную 5 и сравнительную 10 кюветы. Через измерительную кювету прокачивается анализируемое вещество, а сравнительная обычно заполняется образцовым веществом (вещество с известной или равной нулю концентрацией опре­деляемого компонента). Фотоэлементы 6 и 9 включены на вход усилителя 7 встречно, поэтому разность их сигналов, преобразованная в этом усилителе в унифицированный сигнал, однозначно зависит от концентрации определяемого компонента в анализируемом веществе. Выходной сигнал усилителя 7 измеряется и регистрируется вторичным прибором 8.

Показатели качества продукции как концентрация, газовый анализ оценивается с помощью методов анализа, которые делятся на три группы:

1. Физические методы анализа основаны на измерении физических величин, присущих анализируемому веществу, например измерение плотности, вязкости анализируемого вещества и др.

2. Физико-химические методы анализа основаны на химических превращениях анализируемого вещества и измерении физических величин, сопровождающих эти превращения, например температу­ры или излучения в процессе окисления анализируемого веще­ства.

3. Химические методы анализа основаны на химических превра­щениях и измерении количества продуктов этих превращений.

Подразделе­ние методов анализа на физико-химические и химические весьма условно.

Предварительные методы анализа могут быть реализованы с преобра­зованием анализируемого вещества и без преобразовани­я. При этом исполь­зуются физические и химические методы преобразования анализи­руемого вещества.

Физическими – методы, при которых изменя­ются физические свойства анализируемого вещества, а состав остается неизменным (например, изменение агрегатного состояния вещества).

Химическими - такие преобразования, при которых изменяет­ся состав анализируемого вещества.

Методы анализа подразделяют на избиратель­ные (селективными) и интегральные по одному компоненту или всей смеси.

В СИ, измерительный прибор, предназначенные для анализа соста­ва или свойств анализируемого вещества называется а нализатором.

В общем случае, измерение концентрации определяемого компонента в бинарной смеси осуществляется путем измерения какого-либо физико-химического свойства этой смеси и вычисления этой зависимости в системе уравнений:

,где

U — сигнал анализатора, используемого для измерения физи­ко-химического свойства смеси; k _п— коэффициент преобразования анализатора по физико-химическому свойству; с ₀и с_н — концент­рации определяемого и неопределяемого компонентов, П_см – параметр смеси (физико-химическое свойство).

с_н = 1 - с ₀

.

Т.е. однозначная зависимость.

Учитывая аддитивность физико-химических свойств можно записать:

сгруппируем относительно c_o:

где П _ои П _н— физико-химические свойства определяемого и неоп­ределяемого компонентов, аналогичные свойству смеси;

К = k _п (П _о— П _н) — коэффициент преобразования анализатора по концентрации;

U _о = k _п П _н — начальный уровень сигнала.

Ранее в лекциях рассматривая методы измерения, говорили что для получения высокоточных результатов в случае наличия факторов помех используют дифференциальный метод. В газоанализе, для бинарных и псевдобинарных смесей, используют этот метод наиболее часто. В случае термокондуктометрического анализатора этот метод реализуется с помощью конструкции ПИП на терморезисторах включенных в неравновесный мост