Контроль качества сгорания топлива в методических нагревательных печах (стр. 17 из 20)

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 широкуюобласть 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 cповерхности 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 ( ≈77К) 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.

Измерительный источник 1 электромагнитного излучения предназначен для формирования на фотоприемниках 5 и 6 электрических сигналов, содержащих информацию о концентрации анализируемого газа в кювете 2.

Газовая кювета 2 с принадлежащими ей оптическими окнами 22 и 23 и штуцерами 24 и 25 обеспечивает прохождение излучения через газовую кювету и фокусирование его на фотоприемниках;

Фотоприемник 5 с фильтрами 3 и 8 и фотоприемник 6 с фильтрами 4 и 9 преобразуют излучение в электрические сигналы, пропорциональные соответственно интенсивностям излучения с длинами волны

и . .