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:
