Фотометрические и лазерные анализаторы

Фотометрический метод измерения различных компонентов газов и жидкостей является наиболее распространенным, так как именно свойство молекул поглощать электромагнитное излучение является для большинства веществ основным критерием для определения их концентрации. Различные вещества поглощают излучение в определенных спектрах, поэтому индивидуальный спектр поглощения измеряемого компонента, а также спектры фоновых компонентов пробы определяет возможность измерения фотометрическим методом и конфигурацию анализаторов.

Области применения

Воздухоразделение и производство особо чистых газов

Структура измерительной системы (комплекта)

Конструкция фотометрических анализаторов

Конструкция фотометрических анализаторов состоит из трех основных элементов: источника излучения, проточной камеры с пробой и фотодетектора. Также в измерительную систему входят вращающийся диск с отверстиями для модуляции сигнала, светофильтры и линзы для фокусировки луча. В зависимости от измеряемого компонента, диапазона измерения и состава пробы выбирается участок спектра, в котором измеряемый компонент поглощает максимальное количество длин волн, в то время, как фоновые компоненты пробы не поглощают излучение на этом участке спектра, или их поглощение незначительно. Выбранный спектр определяет тип источника и приемника излучения, а также тип светофильтров и конструкцию проточной ячейки. В случае, если требуется высокая чувствительность анализатора, используется дополнительная ячейка сравнения, которая заполнена газом сравнения. Кроме того, измерительная ячейка может иметь отражающую поверхность, при этом оптический путь между источником и приемником излучения возрастает, за счет того, что луч многократно отражается в ячейке.

Источниками излучения являются лампы различного типа, в зависимости от требуемого спектра излучения. Приемники излучения также имеют несколько вариантов исполнения. Наиболее распространенными являются детекторы основанные на сенсорах микропотоков, состоящие из двух камер, заполненных газом. В зависимости от интенсивности излучения, достигающего детектора, температура в камерах меняется, так как газ поглощает излучение и нагревается, в следствие чего, возникает микропоток газа между двумя камерами, фиксируемый сенсором микропотока и пропорциональный концентрации исследуемого газа.

Данная конструкция используется для анализа газов, имеющих инфракрасный (ИК) спектр поглощения, таких как СО, СО2, СН4 и ряд других.

Фирма Teledyne Analytical Instruments имеет одну из самых широких в мире линеек фотометрических анализаторов, способных измерять различные газы и жидкости в ИК, ближнем ИК, УФ и оптическом диапазонах.

NDIR анализаторы

Недисперсионные ИК анализаторы в основном используются для анализа СО, СО2, NO, SO2, CH4 в дымовых и технологических газах. В зависимости от диапазонов измерения, анализаторы имеют одну или несколько проточных ячеек, детектор на основе сенсора микропотока, и иногда ячейки сравнения. В одном анализаторе может быть обеспечено измерение до 4 компонентов одновременно.

Модель 7500В и 7600В

Модель 7500 и 7600

В дополнение спектра NDIR анализаторов компания Teledyne разработала и запатентовала специализированный ИК детектор, рассчитанный на повышенные требования к надежности и простоте в эксплуатации, который используется в том числе в системах жизнеобеспечения космических аппаратов NASA. Данные ИК детекторы отлично подходят для измерения на процентном уровне различных газов, поглощающих ИК излучение. Источником излучения служит лампа накаливания, а приемник представляет собой сборку из множества термопар, фиксирующие температуру излучения, которая изменяется в зависимости от содержания в пробе анализируемого компонента. Также в состав детектора входит проточная ячейка и светофильтры. За счет такой конструкции, детектор чрезвычайно компактен и может монтироваться в небольших корпусах вместе с электроникой. Модели, выпускаемые на базе ИК детекторов 7300 - для невзрывоопасных зон, и модель 7320 - для установки в зоны В-1А,Г.

Модели 7300 и 7320.

NIR анализаторы

Для анализа специфических углеводородов (например, этан в этилене), а также для измерения следовой воды в органических растворителях используются модели 5000 и 5020 с детекторами ближнего инфракрасного спектра. Данные анализаторы имеют более сложную оптическую систему, состоящую из изолированной от электроники проточной ячейки, набора светофильтров, источника излучения на основе кварцевой лампы, и детектора из сульфида свинца с термоэлектрическим охлаждением для поддержания фиксированной температуры. Данные анализаторы также могут использоваться для работы с агрессивными пробами (в т.ч и растворов кислот), ввиду того, что проточная часть надежно изолирована от всех электронных компонентов.

Модели 5000 и 5020.

УФ анализаторы

Анализаторы Teledyne серии 6000 предназначены для измерения веществ, имеющих ультрафиолетовый и видимый спектр поглощения. Измерительная ячейка состоит из широкопо лостного источника излучения, колеса со светофильтрами и приемника излучения. Излучение от источника направляется через со ответствующий светофильтр в измерительную кювету. После прохождения луча через полосовой фильтр в излучении остаются только те длины волн, которые поглощаются измеряемым веществом и не поглощаются другими компонентами пробы. Такой пучок света проходит через пробу газа и поглощается исследуемым компонентом пропорционально его концентрации. Далее оставшееся излучение попадает через колесо со светофильтрами на приемник излучения, при помощи которого оценивается его интенсивность и определяется концентрация исследуемого компонента. Наличие сигнала сравнения позволяет компенсировать влияние загрязнений, дрейфа источника излучения и других факторов.

Модели 6000 и 6020.

Лазерные анализаторы

Одним из наиболее перспективных методов газового анализа является метод полупроводниковой лазерной спектроскопии (ПЛАС), который в последнее время получает все более широкое распространение. Современные лазерные анализаторы еще далеки для идеала, но для ряда применений они являются единственно возможным решением. К таким применениям относятся анализ кислорода в колоннах с глубоким вакуумом, анализ следовой влажности в агрессивных газах, анализ аммиака. Измерение данных веществ стало возможным в следствии того, что лазерные анализаторы могут монтироваться непосредственно на технологические трубопроводы без систем подготовки пробы. Лазерные анализаторы за счет модуляции спектра минимизируют влияние фоновых газов. Однако стоит очень осторожно подходить к выбору данных анализаторов и учитывать особенности монтажа, а также температуру и давление в процессах. Данные анализаторы состоят из блока источника, блока приемника и блока продувки, предназначенного для обеспечения взрывозащиты и продувки оптики для защиты от загрязнений. На приведенной ниже схеме показан типовой вариант монтажа анализатора LGA-4000 в процесс.

Для процессов с высоким давлением, лазерные анализаторы могут быть использованы только в комплекте с системами подготовки пробы:

Основные достоинства:

погрешность измерений ±1% от диапазона
время отклика менее 1сек
калибровка 1-2 раза в год
монтаж непосредственно в процесс
отсутствие расходных материалов
питание 24В или 230В
выходные сигналы 4-20мА и RS-485
температура установки от -30 до +60°С

Список измеряемых компонентов и диапазонов измерения:

Газ	Нижний предел чувствительности	Диапазоны измерения	Газ	Нижний предел чувствительности	Диапазоны измерения
О2	0,1 % об.	0,1 % об., 0-100% об.	HCL	0,01 ppm	0-7 ppm, 0-8000 ppm
СО	40 ppm	0-100 ppm, 0-100% об.	HCN	0,2 ppm	0-20 ppm, 0-1% об.
СО2	20 ppm	0-200 ppm, 0-100% об.	NH3	0,1 ppm	0-10 ppm, 0-1% об.
H2O	0,03 ppm	0-3 ppm, 0-70% об.	CH4	10 ppm	0-200 ppm, 0-10% об.
H2S	2 ppm	0-200 ppm, 0-30% об.	C2H2	0,1 ppm	0-10 ppm, 0-70% об.
HF	0,01 ppm	0-1 ppm, 0-1000 ppm	C2H4	1,0 ppm	0-100 ppm, 0-70% об.