Физические основы действия оптико-абсорбционных

Курсовая работа

по дисциплине: “Оптические и оптико-электронные приборы и системы”

“Проектирование газоанализатора сероводорода”

 

 

Преподаватель: Беляков М. В.

Группа: ОЭС-06

Вариант: 3

Студент: Гарусин С. Н.

 

Смоленск, 2009

Введение.

 

На сегодняшний день проблема контроля примесей в воздухе рабочих и жилых помещений является одной из наиболее важных задач охраны здоровья. В последние годы повысился объем выбросов парниковых газов.

Для того чтобы обеспечить безопасную для жизни и здоровья производственную среду, не наносить вред окружающей среде необходимо осуществлять контроль над загрязнением. С этой целью разработан целый ряд нормативных документов и критериев. Для предупреждения отравлений и профессиональных заболеваний вводится контроль, в основе которого положены величины предельно допустимых концентраций (ПДК).

Под предельно допустимой концентрацией веществ в воздухе рабочей зоны понимаются концентрации, которые при ежедневной работе в течение 8 часов, но не более 40 часов в неделю, в течение всего рабочего стажа не могут вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований, в процессе работы или отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений.

По ГОСТ, по степени воздействия на организм человека, вредные вещества разделяются на четыре класса опасности. Первый класс – вещества чрезвычайно опасные. ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны должна быть менее 0,1 мг/м³. Второй класс – вещества высоко опасные, ПДК равна от 0,1 до 1,0 мг/м³. Третий класс – вещества умеренно опасные, ПДК равна 1,1 – 10,0 мг/м³. Четвертый класс – вещества малоопасные, ПДК более 10,0 мг/м³.

Для гигиенической оценки воздуха необходимо отобрать пробы, определить содержание вредных веществ и сравнить с предельно допустимой концентрацией. Для этих целей используются газоанализаторы.

Одним из наиболее опасных газов является СЕРОВОДОРОД (H₂S) – бесцветный сладковатый газ с запахом тухлых яиц, горюч. Температура воспламенения 270⁰С. Концентрационные пределы воспламенения 4,3-45,5 об.%

Сероводород почти также опасен, как синильная кислота. При сильном отравлении возможны потеря сознания, паралич дыхания и остановка сердца. Низкие концентрации газа приводят к сильному раздражению и воспалению глаз, дыхательных путей и легких, одышке, рвоте, тошноте, поносу, судорогам тела, головным болям, ступору, взволнованности, потере сознания, нарушению ритма сердца. Возможен частичный паралич центральной нервной системы. В большой концентрации особо опасен, так как перестает ощущаться.

Токсикологические характеристики.
Воздух
Класс опасности 2.
ПДК максимально разовая 0,008 мг/м³.
ПДК в рабочей зоне 10 мг/м³.

Летальная концентрация.
0,6 мг/м³.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ ОПТИКО-АБСОРБЦИОННЫХ

(ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ) ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ

Принцип действия таких газоанализаторов основан на том, что измеряется поглощение оптического излучения исследуемым газом в том участке спектра, где он имеет интенсивную полосу поглощения, не совпадающую с полосами поглощения других газов, присутствие которых возможно в анализируемой газовой смеси.

Поток излучения, проходящий через бесконечно тонкий слой dl поглощающей среды, уменьшается в соответствии с законом Ламберта - Бера:

, (1)

где Ф λ ( λ ) – спектральная плотность потока излучения с длиной волны λ,

прошедшего через поглощающую среду; - спектральная плотность потока излучения с данной длиной волны λ в не поглощающей среде;

χ(λ) –массовый показатель поглощения вещества для данной длины волны λ;

χ(λ) = a’(λ)/ρ;

a’(λ) – спектральный натуральный показатель поглощения

вещества;

ρ - массовая концентрация вещества, поглощающего оптическое

излучение.

Для слоя толщиной l, получим:

, (2)

Логарифмируя полученное выражение, получим:

(3)

или

(4)

где D( λ ) - оптическая плотность слоя поглощающей среды на данной длине волны.

Для слабого поглощения можно записать:

 

(5)

 

или

, (6)

где τ ( λ ) - коэффициент пропускания оптического излучения слоем среды

толщиной l.

Видно, что для слабого поглощения прошедший через среду поток излучения линейно зависит от концентрации поглощающего свет вещества. Для

газов, загрязняющих воздух и имеющих низкую концентрацию, это условие,

как правило, выполняется.

Для определения концентрации сероводорода выбрана длина волны 8,45 мкм, примеси, содержащиеся в атмосферном воздухе (Н2О, SO2, NO2 и др.), имеют на этой длине волны сечения поглощения в сотни раз меньшие.

Тогда соотношение (1) можно переписать в виде:

(7)

 

где Ф и Ф0 - непосредственно измеряемые потоки излучения после прохождения через кювету с анализируемой концентрацией газа на длинах волн λ=8,45 мкм и λ₀=8,03 мкм, поглощение излучения на которой примем за эталонное.χ ( λ ) – массовый показатель поглощения сероводородом на длине волны 8,45 мкм; l – длина кюветы, см; ρ – массовая концентрация, г/м³.

Из (7) найдем выражение для концентрации газа ρ:

(8)

или, заменив потоки излучения на соответствующие им электрические сигналы,

(9)

где k – коэффициент преобразования потока излучения в информационный сигнал, обеспечивающий индикацию нулей на цифровом табло анализатора сероводорода при прохождении опорного луча через кювету прибора. Он учитывает различия в спектральной светимости “глобар” на разных длинах волн.

Принципиальная схема газоанализатора сероводорода приведена на рис.1.

 

Рис.1. Принципиальная схема газоанализатора.

 

Излучение от источника 1 проходит через светофильтры 2 и попадает на модулятор 3. Модулированное излучение проходит через кювету 4 и попадает на приемник излучения 5. Сигнал с приемника излучения усиливается предварительным усилителем и попадает на АЦП 7, откуда поступает на центральный процессор 8 и после обработки выводится на цифровое табло 9.

Рис.2. Функциональная схема однолучевого ИК газоанализатора сероводорода

В газоанализаторе (рис.2) ИК излучение от источника 1 коллимируется параболическим зеркалом 2, проходит параллельным пучком света через светофильтры 3, с помощью мотора 4 осуществляется смена светофильтров для выделения опорной и контролируемой длин волн, а так же модуляция излучения с частотой 10 Гц. Далее поток излучения проходит через кювету 5 и попадает на приемник излучения 6. Электрический сигнал с приемника усиливается предварительным усилителем 7, далее подвергается аналого-цифровому преобразованию в АЦП 8 и передается на плату центрального процессора 9, который обрабатывает сигнал и выводит результаты на алфавитно-цифровой дисплей 9’.

Газовая схема, кроме кюветы 3, включает штуцер «вход» 10, утилизатор сероводорода 12, насос 13, штуцер "выход" 14. Поскольку в формулах 8, 9 фигурируют фактически отношения световых потоков или соответствующих им сигналов, то безразлично, в каких единицах они измеряются.

 

Выбор компонентов.

 

Выбор источника.

В качестве источника излучения был выбран силитовый излучатель, называемый “силитом”, или “глобаром”, который представляет собой стержень из карбида кремния, нагреваемый на воздухе электрическим током. Диаметр стержня может быть от 6 мм до 3—5 см, а длина — от нескольких сантиметров до одного метра.

Выбран был “глобар” длиной 5 см и диаметром 1 см.

Рабочая температура стержня 1200—1400° К; при температуре свыше 1400° К уже начинается разложение карбида кремния. Защищая стержень слоем окиси тория, можно кратковременно поднять рабочую температуру до 2200° К.

Спектр излучения “глобар” представлен на рис.3

Рис. 3. Спектральное распределение излучения глобара. [4]

 

Исходя из рис.4, был выбрана опорная длина волны λ₀=8,03 мкм, на которой пропускание составляет 0,8.

Рис.4. Спектр резонансного поглощения сероводорода в ИК области [1]

 

Спектральная плотность излучения, полученная методом линейной аппроксимации для λ =8,45 мкм равен 0,361 , а для λ₀ =8,03 мкм 0,432 [4].

В качестве материала для зеркала было выбрано серебро, обладающее на данных длинах волн 95% коэффициентом отражения, рис.5.

Рис. 5. Спектральные коэффициенты отражения металлов:

1–серебро, 2– золото, 3– родий, 4–платина, 5–вольфрам, 6–молибден, 7-сталь, 8–медь,

9–алюминий, полированный анодным способом, 10–алюминий полированный,

11-никель, 12–цинк,13–хром, 14–сурьма. [4].

 

Исходя из этого потоки излучения от “глобар” будут равны соответственно:

Так как используется параболическое зеркало, то поток от источника будет в 2 раза больше.

Так как спектральная плотность не одинакова, это необходимо учитывать. Именно для этого вводится коэффициент k. Так же это может служить дополнительным источником погрешности.

 

Расчет светофильтров.

В связи с необходимостью выделить узкие спектральные промежутки 8,45 мкм и 8,03 мкм, был проведен расчет интерференционных светофильтров.

Для простоты расчета примем, что интерференционный светофильтр состоит из 2 полупрозрачных зеркал и пластинки диэлектрика. Для такого светофильтра справедлива следующая формула:

,

где n – показатель преломления, d ­­­– толщина слоя диэлектрика, r – угол падения излучения (r=0, т.к. падение нормальное), m – порядок интерференции, ψ – сдвиг фаз (ψ =0,6) [3]. В качестве материала зеркал выбрали платину ρ =0,7. Выбрали в качестве диэлектрика MgF ₂, n =1,37.

Для расчета светофильтра так же необходимо рассчитать ширину полосы половинного пропускания δλ и фактор резкости F, при котором она получается.

Рис. 6. Контур полосы пропускания интерференционного светофильтра.

Расчет светофильтра для λ₀=8,03 мкм:

1. =2,19 мкм.

 

2. При

 

 

3.

 

 

Расчет светофильтра для λ=8,45 мкм:

 

1. =2,48 мкм.

 

2. При

 

3. .

 

 

Из-за простоты методики расчета и упрощений принятых в ходе расчета, выделенный диапазон длин волн довольно широк, что вносит дополнительную погрешность в схему. Так же интерференционный светофильтр требует очень точной установки из-за зависимости центральной длины волны от угла падения излучения.

Потоки излучения, прошедшего через светофильтр с учетом коэффициента пропускания будут равны: