Thermo Scientific™ Модель 60i Принцип действия Принцип
advertisement
Thermo Scientific™ Модель 60i Принцип действия Анализатор Модель 60i выполняет измерения концентраций с использованием технологии недисперсионной инфракрасной спектроскопии (NDIR). Модель 60i объединяет в себе проверенную технологию измерения, простое в использовании программное обеспечение и расширенные функции диагностики для достижения непревзойденной гибкости и надежности в работе. Принцип действия Анализатор Модель 60i измеряет концентрации веществ, образующихся в результате процессов окисления с использованием одного из методов инфракрасной абсорбирующей спектроскопии. Данный метод основан на измерении концентрации отдельных загрязняющих веществ в анализируемой пробе в зависимости от способности соединений поглощать инфракрасную энергию с определенной длиной волны. Модель 60i является недисперсионным инфракрасным (NDIR) анализатором, что означает использование полосовых фильтров вместо дифракционных решеток или призм для получения ИК-излучения с определенной длиной волны. Схема однолучевого NDIR-анализатора, который может быть использован для измерения одного компонента, представлена на рис. 1. Как показано на схеме, инфракрасный луч с широким диапазоном волн генерируется путем накаливания металлической нити до температуры в несколько сотен градусов Цельсия. Излучение пропускается через вращающиеся лопасти или "чоппер", которые прерывают излучение и синхронизируют луч таким образом, чтобы интенсивность излучения, достигающего детектора, оказалась модулированной. Если луч не прерывается чоппером, то детектор переходит в насыщение и становится нечувствительным. Модулированный луч затем проходит через оптический фильтр с узкой полосой пропускания. Фильтр подобран таким образом, чтобы пропускать излучение с длиной волны, поглощаемой определенным компонентом. Если измеряемый компонент имеет пики поглощения с разными длинами волн, то обычно выбирается длина волны, соответствующая пику поглощения, уникальному для данного вещества. После оптического фильтра излучение поступает в ячейку с пробой, содержащую анализируемую газовую смесь. В зависимости от концентрации определенного газа в ячейке, будет поглощена определенная доля инфракрасной энергии. Излучение, которое не было поглощено, покидает ячейку и воздействует на детектор, преобразующий ИК-энергию в электрический сигнал. Чем выше концентрация компонента в ячейке, тем меньше величина сигнала детектора. Рис. 1. Схема однолучевого NDIR-анализатора Поскольку большинство соединений поглощают ИК-излучение только с определенной длиной волны, зависящей от молекулярной структуры, проводить измерения отдельных компонентов возможно и в составе газовой смеси. Например, на рис. 2 представлены спектры поглощения для окиси углерода и двуокиси углерода. Основываясь на данных спектрах поглощения, концентрация окиси углерода (CO) может быть определена путем измерения степени поглощения ИК-энергии с длиной волны порядка 4.6 мкм, а концентрация двуокиси углерода (CO2) - с длиной волны порядка 4.2 мкм. Анализатор Модель 60i измеряет концентрации отдельных компонент в составе газовой смеси с использованием базового метода, представленного на рис. 1. Однако, конструкция анализатора включает в себя ряд уникальных решений, которые значительно расширяют функциональность прибора по сравнению с большинством аналогов. Как показано на рис. 3, в конструкции анализатора Модель 60i чоппер и неподвижный оптический фильтр заменены на вращающийся диск, содержащий набор тщательно подобранных оптических фильтров. Фильтры на диске разделены металлическими лопастями таким образом, что диск может выполнять как функцию чоппера, модулирующего ИК-излучение, так и механизма быстрой смены оптических фильтров. Кроме того, ячейка с анализируемой пробой в Модели 60i имеет "многопроходную" конструкцию. Такая конструкция ячейки включает в себя набор зеркал, которые обеспечивают многократное отражение ИК-луча, что приводит к множественным проходам луча через пробу перед выходом из ячейки. Таким образом, за счет множественных проходов луча через пробу, увеличивается эффективная длина пути луча, в результате чего увеличивается возможность взаимодействия ИК-излучения с пробой и повышается чувствительность анализатора. Рис. 2. Спектры поглощения окиси углерода и двуокиси углерода Рис. 3. Схема вращающегося диска с оптическими фильтрами NDIR Оптические фильтры, используемые в каждом варианте исполнения анализатора, выбираются исходя из предположения, что известны спектры поглощения каждого измеряемого компонента, а также параметры поглощения ИК-энергии всех остальных компонентов, которые могут присутствовать в анализируемых пробах при использовании анализатора. Зная параметры поглощения ИК-энергии каждого газа, которые проявляются при использовании фильтров для определенных длин волн, а также параметры эталонного фильтра, программное обеспечение прибора вычисляет концентрации компонентов с учетом влияния посторонних газов и любых проявляющихся с течением времени изменений характеристик узлов анализатора. Кроме того, при измерении концентрации веществ, образующихся в результате процессов окисления, анализатор Модель 60i может отображать концентрацию кислорода в анализируемой пробе. В зависимости от конфигурации прибора, кислород измеряется при помощи дополнительных датчиков кислорода - электрохимического либо парамагнитного. Дополнительный электрохимический датчик кислорода. показанный на рис. 4, определяет концентрацию кислорода путем измерения скорости окислительно-восстановительной реакции, протекающей в закрытой ячейке, через которую пропускается анализируемая проба. По конструкции ячейка похожа на батарею и состоит из корпуса с двумя электродами. Отрицательно заряженный катод, называемый также рабочим электродом, изготовлен из фторопластовой ленты, покрытой активным катализатором. Положительно заряженный анод состоит из блока проводящих элементов. Вся ячейка защищена от контакта с атмосферой и заполнена проводящим электролитом, который обеспечивает перенос ионизированных частиц между двумя электродами. Оба электрода подсоединены к клеммам, выходящими из корпуса ячейки для электрического подключения к анализатору. Рис. 4. Схема кислорода дополнительного электрохимического датчика Кислород, проходя через капилляр или мембрану, расположенную поверх работающего катода, вступает с последним в реакцию с образованием отрицательно заряженного гидроксид-иона (OH-), что задается уравнением 1. Эти ионы проходят через электролит к положительно заряженному электроду. Ионы (OH-) вступают в реакцию с проводящим элементом и освобождают электроны, как показано в уравнении 2. Поток электронов проходит через материал с известным сопротивлением и может быть измерен как перепад напряжения. уравнение 1: O2 + 2H2O + 4e- → 4OHуравнение 2: 2Pb + 4OH- → 2PbO + 2H2O + 4eПоскольку данные реакции протекают очень быстро, то формирующийся в результате ток пропорционален скорости, с которой кислород достигает рабочего электрода. Измеренный ток может быть математически преобразован в величину концентрации кислорода на входе диффузионного барьера, представляющий из себя капилляр или мембрану. Следует отметить, что проводящий анод окисляется в соответствии с уравнением 2 и имеет ограниченный срок службы. Как только анод полностью окислился, датчик перестает работать. Обычно датчики кислорода такой конструкции работают от 6 до 12 месяцев. Однако, реальный срок службы зависит от конкретных условий эксплуатации. Дополнительный парамагнитный датчик кислорода выполняет те же функции, что и электрохимический. Однако, парамагнитный датчик имеет принципиально иную конструкцию и может работать неограниченно долго без замены. Помимо увеличенного срока службы, парамагнитный датчик обеспечивает лучшие характеристики, в том числе время отклика, точность и отсутствия дрейфа. Парамагнитный датчик использует то, что кислород является парамагнитным веществом и притягивается магнитным полем. Другие газы, присутствующие в анализируемой пробе в значительных концентрациях, являются диамагнетиками и либо отталкиваются магнитными полем, либо существенно с ним не взаимодействуют. Внутри такого датчика находится постоянный магнит, в поле которого подвешено тело, имеющее форму гантели, обладающее слабыми диамагнитными свойствами и отталкивающееся магнитным полем. Когда кислород проходит через датчик, его молекулы притягиваются магнитным полем и слегка изменяют характеристики поля, что приводит к смещению положения гантели. Изменения в ее положении измеряются оптическим датчиком и могут быть соотнесены с концентрацией кислорода в пробе. Схемы потоков, иллюстрирующие общие принципы конструкции прибора и взаимодействие между различными узлами, представлены на рис. 5 и 6. Измеренные значения выводятся на дисплей анализатора Модель 60i, а также доступны через подключения RS232 и Ethernet. Рис 5. Стандартная схема потоков в анализаторе Модель 60i Рис. 6. Схема потоков с использованием дополнительного датчика кислорода
