Ионизационный газоанализатор. (Рис. 29, 30, 31) [35]

Принцип действия: основан на явлении ионизации газов и измерении возникающего при этом ионного тока. Ионизационный анализатор по схеме а) работает следующим образом. Через камеру 1 с постоянным расходом прокачивается газ. Там расположена фольга 2, выполненная в виде цилиндра и содержащая тритий или никель (радиоактивное вещество). За счет радиоактивного распада, например из трития (применяется чаще других) вылетают бета-частицы, т.е. электроны, которые ионизируют газовую смесь, протекающую через камеру. Между корпусом и коллектором 3 приложено напряжение от источника постоянного тока 5. Образовавшиеся при облучении бета-частиц ионы, за счет поля, передвигаются в противоположную сторону. Положительные ионы, при включении питания в источник 2, двигаются к коллектору. Попадая на коллектор, они соединяются электронами, поступающими из внешней среды, и превращаются в нейтральные молекулы, т. о., во внутренней камере протекает ионный ток, а во внешней цепи через резистор R протекает ток электронов. Резистор R имеет сопротивление 0,5 - 20 ГОм и является входным резистором т. н. электрометрического усилителя 6. Изменение напряжения на резисторе с помощью усилителя преобразуется в унифицированный электрический сигнал, измеряемый потенциометром 7. Измеряемые токи составляют от 10-14 А до 10-8 А. Сигнал такого анализатора описывается выражением: U=k(H-Hв), где: k – коэффициент преобразования; Н и Нв – сечение ионизации определяемого вещества и воздуха. Диапазон измерений: 10-5 объемного процента. Класс точности: 1-5. Еще большей чувствительностью обладает анализатор, построенный по схеме б). Здесь сохранены все обозначения как в предыдущем приборе. Кроме того, данный анализатор содержит дополнительно реактор 8, в котором определяемый компонент, благодаря химической реакции, превращается в аэрозоль. Частички аэрозоля попадают в камеру анализатора и на них происходит интенсивная адсорбция ионов воздуха, который образуется в камере под действием ионизатора. Дальнейшая работа данного прибора аналогична предыдущему. Такие приборы применяются для контроля концентрации окислов азота, а также таких веществ как HCl, отравляющих веществ, вредных газов. Диапазон измерений: 0-5 мг/м3, 0-50 мг/м3. Рисунок в). Анализатор концентрации веществ, содержащих галогены, а в частности таких веществ как фреоны, хладоны. Здесь используется явление эмиссии положительных ионов с поверхности нагретого пористого цилиндра, пропитанного KOH (10). Этот цилиндр нагревается платиновой проволокой 11, подключенной к источнику стабилизированного питания 9, до температуры 800-1000С. При этих условиях и возникает термоионная эмиссия щелочно-земельных металлов. Когда вместе с потоком воздуха в камеру попадает вещество, содержащее галогены, значение термоионной эмиссии увеличивается, т. о. ионный ток, протекающий под действием ионного поля между проволокой и платиновым цилиндром, увеличивается. Измерение тока служит мерой концентрации галогенов. Изменение ионного тока, осуществляется также как в предыдущих схемах. Диапазон измерений: 0-10-6. 0-10-7 % об. Класс точности: 5-15. Такие анализаторы известны также как галогеноискатели.

Оптические анализаторы. (Рис. 32, 33) [36]

Используются для получения информации всего диапазона э/м излучений. Ультрафиолетовый, видимое, ИК принято относить к излучениям оптического диапазона, что определяется единообразием аппаратуры, используемой для измерений. При использовании оптического излучения для получения измерительной информации обычно учитываются свойства анализируемой среды. Для случая, если среда однородная, гомогенная, при ее просвечивании электромагнитным излучением, наблюдается явление поглощения излучения, которое описывается законом Ламберта-Бера-Бугера-Фоккера. Если от источника излучения в объект контроля, представляющий собой слой анализируемой среды А, направить луч монохроматического излучения интенсивностью Iфо, то после поглощения определяемым компонентом этого излучения в приемнике будет поступать поток меньшей интенсивности. Iλ = Iλde-kδ = Iλde-ξоб. (1). D = ln(Iλ0/Iλ) = εδc. (2). T = ln(Iλ/Iλ0) = -εδc. (3). Формула (1) представляет собой математическое выражение закона Ламберта-Бугера. В этой формуле: k – показатель поглощения; с – концентрация определяемого компонента в анализируемой среде, который способен поглощать излучение; Eλ – постоянный коэффициент для выбранной длинны волны. Если, преобразовать выражение (1), в формулу (2) или (3), получаем две важные для оптических принципов контроля величины. D – оптическая плотность (экстракция). Т – пропускание (прозрачность). Для определения пригодности оптического типа измерения, необходимо располагать информацией о спектре поглощения всех компонентов в среде. Эти спектры обычно приводятся в справочной литературе или определяются опытным путем в каждом конкретном случае. На рисунке показаны спектры поглощения двух компонентов, содержащихся в растворе. Как видно, на длине волны λ1 поглощается только 1й компонент, на λ2 - только второй. Это определяет возможность их селективного измерения на данных видах волн. При больших длинах волн, спектры перекрываются. Поэтому селективное определение этих компонентов невозможно. Для случая, когда среда является гетерогенной, помимо поглощения наблюдается огибание излучения частиц, преломление и отражение. В результате образуется 2 потока, один из которых распространяется по направлению исходного потока света, а второй под некоторым углом. Второй поток является потоком рассеянного излучения. I = I0e-kδ. (1). I2 = aI0c. (2). Как видно из рисунка, при попадании электромагнитного излучения на частичку, возникают разные явления: П – преломление, О – отражение, Пог – поглощение, Д – дифракция, огибание. В результате отражения и преломления образуется т. н. рассеянное излучение. Т. о., в приемник ПИ1 поступают частично поглощенные возмущения (ф-ла 1), а в приемник ПИ2 поступает рассеянное излучение (ф-ла 2). Где: К – показатель рассеянивания (зависит от размера частиц, их материала, формы и концентрации); а – постоянный коэффициент (зависит от формы частиц, их размера и материалов); с – концентрация частиц. Гетерогенные (дисперсные) среды – жидкости с механическими примесями и пузырьками газа, газы с механическими примесями и частичками жидкости. Приборы, в работе которых используются поглощение гетерогенной средой электромагнитного излучения, принято называть турбидиметрическими. А приборы, в которых используется рассеянное излучение, называют нефелометрами.

Спектрофотоколориметры и фотоколориметры.

(Рис. 34) [37]

Принцип действия этих аналитических устройств основан на явлении поглощения гомогенной средой электромагнитного излучения. Принципиальные различия между спектрофотоколориметрами и фотоколориметрами состоит в том, что для получения излучения выбранной длины волны в спектрофотоколориметрах используются специальное устройство, называемое монохроматор, а в фотоколориметре - светофильры. Монохроматор обычно содержит источник излучения 1, оптическую систему 2 и дисперсионный элемент 3. Излучение выбранной длины волны выводится из монохроматора через узкую щель 4. В монохроматоре в качестве диспергирующего элемента используются дефракционные решетки или призмы. На рассматриваемой схеме пучок света от лампы оптической системы 2 собирается в тонкий луч и направляется на призму. На выходе из призмы образуется пучок света, составляющий полный спектр видимого излучения от синего до красного. Путем поворота призмы, можно направить в цель 4 излучение выбранной волны λ.