Расчёт оптического газоанализатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

"Расчёт оптического газоанализатора"

газоанализатор оптический операционный усилитель



Техническое задание

Оптико-электронный газоанализатор предназначен для измерения объемной доли газа в воздушных смесях;

Питание прибора - автономное, постоянным напряжением;

Габариты и масса прибора должны быть минимальными;

Анализируемое вещество диоксид углерода (IV) - CO₂;

Рабочая длина волны л_p=4,60 мкм;

Тип приемника оптического излучения - ФД.



Введение

Анализ смесей газов с целью установления их качественного и количественного состава, называют газовым анализом.

Приборы, при помощи которых производят газовый анализ, называют газоанализаторами. Они бывают ручного действия и автоматические. Среди первых наиболее распространены химические абсорбционные, в которых компоненты газовой смеси последовательно поглощаются различными реагентами. Автоматические газоанализаторы измеряют какую-либо физическую или физико-химическую характеристику газовой смеси или её отдельных компонентов. В настоящее время наиболее распространены автоматические газоанализаторы. По принципу действия они могут быть разделены на три основных группы.

1. Приборы, действие которых основано на физических методах анализа, включающих вспомогательные химические реакции. При помощи таких газоанализаторов определяют изменение объёма или давления газовой смеси в результате химических реакций её отдельных компонентов.

2. Приборы, действие которых основано на физических методах анализа, включающих вспомогательные физико-химические процессы (термохимические, электрохимические, фотоколориметрические и др.). Термохимические основаны на измерении теплового эффекта реакции каталитического окисления (горения) газа. Электрохимические позволяют определять концентрацию газа в смеси по значению электрической проводимости электролита, поглотившего этот газ. Фотоколориметрические основаны на изменении цвета определённых веществ, при их реакции с анализируемым компонентом газовой смеси.

3. Приборы, действие которых основано на чисто физических методах анализа (термокондуктометрические, термомагнитные, оптические и др.). Термокондуктометрические основаны на измерении теплопроводности газов. Термомагнитные газоанализаторы применяют главным образом для определения концентрации кислорода, обладающего большой магнитной восприимчивостью. Оптические газоанализаторы основаны на измерении оптической плотности, спектров поглощения или спектров испускания газовой смеси.

Все приборы газового анализа также могут быть классифицированы:

- по функциональным возможностям (индикаторы, течеискатели, сигнализаторы, газоанализаторы);

- по конструктивному исполнению (стационарные, переносные, портативные);

- по количеству измеряемых компонентов (однокомпонентные и многокомпонентные);

- по количеству каналов измерения (одноканальные и многоканальные);

- по назначению (для обеспечения безопасности работ, для контроля технологических процессов, для контроля промышленных выбросов, для контроля выхлопных газов автомобилей, для экологического контроля).

Рассмотрим ИК-газоанализаторы.

Их действие основано на избирательном. поглощении молекулами газов и паров ИК - излучения в диапазоне 1-15 мкм. Это излучение поглощают все газы, молекулы которых состоят не менее чем из двух различных атомов. Высокая специфичность молекулярных спектров поглощения различных газов обусловливает высокую избирательность таких газоанализаторов и их широкое применение в лабораториях и промышленности. Диапазон измеряемых концентраций 10-3 - 100%. В дисперсионных газоанализаторах используют излучение одной длины волны, полученное с помощью монохроматоров (призмы, дифракционной решетки). В недисперсионных газоанализаторах, благодаря особенностям оптической схемы прибора (применению светофильтров, специальных приемников излучения и т.д.), используют немонохроматическое излучение.

Источником излучения обычно служит нагретая спираль с широким спектром излучения.

В инфракрасных газоанализаторах используют также неселективные приемники излучения - болометры, термобатареи, полупроводниковые элементы. Тогда в случае источников с широким спектром излучения избирательность определения обеспечивают применением интерференционных и газовых фильтров. Для повышения точности и стабильности измерения часть потока излучения обычно пропускают через сравнительною кювету, заполненную газом, не поглощающим регистрируемое излучение, и измеряют разность или отношение сигналов, полученных в результате прохождения излучения через рабочую и сравнительную кюветы.

Инфракрасные газоанализаторы широко используют для контроля качества продукции, анализа отходящих газов, воздуха помещений. С их

помощью определяют, напр., СО, СО₂, NH₃, СН₄ в технологических газах производства синтетического аммиака, пары ряда растворителей в воздухе промышленных помещений, оксиды азота, SO₂, СО и углеводороды в выхлопных газах автомобилей и т.д.

В данной работе требуется анализировать диоксид углерода(IV).

Диоксид углерода(IV) (углекислый газ, диоксид углерода, двуокись углерода, диоксид углерода, угольный ангидрид, углекислота) -- CO₂, бесцветный газ со слегка кисловатым запахом и вкусом.

Концентрация углекислого газа в атмосфере Земли составляет 0,038 %.



Физические свойства

Плотность при нормальных условиях 1,98 кг/м?. При атмосферном давлении диоксид углерода не существует в жидком состоянии, переходя непосредственно из твёрдого состояния в газообразное. Твёрдый диоксид углерода называют сухим льдом. При повышенном давлении и обычных температурах углекислый газ переходит в жидкость, что используется для его хранения.

Углекислый газ легко пропускает ультрафиолетовые лучи и лучи видимой части спектра, которые поступают на Землю от Солнца и обогревают её. В то же время он поглощает испускаемые Землёй инфракрасные лучи и является одним из парниковых газов, вследствие чего принимает участие в процессе глобального потепления. Постоянный рост уровня содержания этого газа в атмосфере наблюдается с начала индустриальной эпохи.

Химические свойства

По химическим свойствам диоксид углерода относится к кислотным оксидам. При растворении в воде образует угольную кислоту. Реагирует со щёлочами с образованием карбонатов и гидрокарбонатов. Вступает в реакции электрофильного замещения (например, с фенолом -- реакция Кольбе) и нуклеофильного присоединения (например, с магнийорганическими соединениями).

Биологические

Диоксид углерода играет одну из главных ролей в живой природе, участвуя во многих процессах метаболизма живой клетки. Диоксид углерода получается в результате множества окислительных реакций у животных, и выделяется в атмосферу с дыханием. Углекислый газ атмосферы -- основной источник углерода для растений. Однако, ошибкой будет утверждение, что животные только выделяют углекислый газ, а растения -- только поглощают его. Растения поглощают углекислый газ в процессе фотосинтеза, а без освещения они тоже его выделяют.

Диоксид углерода не токсичен, но не поддерживает дыхание. Большая концентрация в воздухе вызывает удушье. Недостаток углекислого газа тоже опасен.

Углекислый газ в организмах животных имеет и физиологическое значение, например, участвует в регуляции сосудистого тонуса.

Получение

В промышленности получают из печных газов, из продуктов разложения природных карбонатов (известняк, доломит). Смесь газов промывают раствором карбоната калия, который поглощает углекислый газ, переходя в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната при нагревании или при пониженном давлении разлагается, высвобождая углекислоту. В пищевых целях используется газ, образующийся при спиртовом брожении. После предварительной обработки газ закачивается в баллоны.

В лабораторных условиях небольшие количества получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов с кислотами, например мрамора, мела или соды с соляной кислотой. Использование реакции серной кислоты с мелом или мрамором приводит к образованию малорастворимого сульфата кальция, который мешает реакции, и который удаляется значительным избытком кислоты. Для приготовления напитков может быть использована реакция пишевой соды с лимонной кислотой или с кислым лимонным соком. Именно в таком виде появились первые газированные напитки. Их изготовлением и продажей занимались аптекари.



Применение

Жидкая углекислота (жидкая пищевая углекислота) -- сжиженный углекислый газ, хранящийся под высоким давлением (~ 65-70 Атм). Бесцветная жидкость. При выпуске жидкой углекислоты из баллона в атмосферу часть её испаряется, а другая часть образует хлопья сухого льда.

Баллоны с жидкой углекислотой широко применяются в качестве огнетушителей и для производства газированной воды и лимонада.

Углекислый газ используется в качестве защитной среды при сварке проволокой, но при высоких температурах происходит его диссоциация с выделением кислорода. Выделяющийся кислород окисляет металл. В связи с этим приходится в сварочную проволоку вводить раскислители, такие как марганец и кремний. Другим следствием влияния кислорода, также связанного с окислением, является резкое снижение поверхностного натяжения, что приводит, среди прочего, к более интенсивному разбрызгиванию металла, чем при сварке в аргоне или гелии.

Твёрдая углекислота -- сухой лёд -- используется в ледниках. Жидкая углекислота используется в качестве хладагента и рабочего тела в теплоэнергетических установках (в холодильниках, морозильниках, солнечных электрогенераторах и т. д.).

Методы регистрации

Измерение парциального давления углекислого газа требуется в технологических процессах, в медицинских применениях -- анализ дыхательных смесей при искусственной вентиляции лёгких и в замкнутых системах жизнеобеспечения. Анализ концентрации CO₂ в атмосфере используется для экологических и научных исследований, для изучения парникового эффекта.

Углекислый газ регистрируют с помощью газоанализаторов основанных на принципе инфракрасной спектроскопии и других газоизмерительных систем. Медицинский газоанализатор для регистрации содержания углекислоты в выдыхаемом воздухе называется капнограф.

Выбор и обоснование структурной схемы газоанализатора

Среди всех абсорбционных анализаторов, ИК - газоанализаторы занимают доминирующее положение. Инфракрасным способом можно анализировать все газы, молекулы которых состоят не менее чем из двух различных атомов. Во всем мире для определения основных промышленных газов, таких, как СО, СО₂, СН₄, С₂Н₂ и др., используются тысячи ИК - газоанализаторов, и количество их быстро увеличивается.

Выбор той или иной измерительной схемы газоанализаторов определяется в каждом конкретном случае требованиями к прибору в части его метрологических, эксплуатационных и экономических характеристик.

В данной работе будем использовать двухлучевой газоанализатор, структурная схема которого приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема двухлучевого газоанализатора :

1 - источник ИК - излучения ;

2 - светофильтр ;

3 - рабочая кювета ;



4 - сравнительная кювета ;

5 - приемник ИК - излучения ;

6 - показывающий прибор.

В двухлучевых приборах излучение источника разделяется на два пучка . Один из них проходит через рабочую кювету с анализируемым газом, другой - через кювету сравнения с веществом, не поглощающим ИК-излучение на аналогичной длине волны. Оба потока сводятся на приемное устройство, и далее регистрируется отношение или логарифм отношения интенсивностей обоих потоков.

Преимуществами двулучевых приборов являются высокая стабильность и независимость к изменению дестабилизирующих параметров.

Несмотря на очевидные преимущества и универсальность двухлучевых

приборов, с течением времени стали заметны и их недостатки, особенно при использовании в промышленности. К основным недостаткам необходимо отнести различную степень загрязнения кювет и чувствительность к не измеряемым компонентам при наложении полос поглощения. Кроме того, устройства разделения и сведения пучков излучения весьма сложны.

В данной работе исследуется концентрация диоксида углерода на максимуме поглощения 4,6 мкм (см. техническое задание).

Выбор источника излучения

Для заданной длины волны (4,6 мкм ) целесообразно в качестве источника излучения выбрать глобар. Глобар представляет собой цилиндрический стержень диаметром 6...8 мм и длиной 50...250 мм, изготовленный из карбида кремния. Концы стержня закреплены в алюминиевых электродах. Глобар в отличие от штифта Нернста не требует предварительного подогрева. Будучи включенным в электриче-скую цепь напряжением 80... 100 В, он разогревается до температуры пример-но 750 К. Защитный слой двуокиси тория, нанесенной на поверхность глобара с хлористым торием в качестве связующего вещества, позволяет уве-личить температуру глобара до 1400...1500 К. Коэффициент излучения глобара несколько меняется с длиной волны (рис. 3.2) и в среднем равен 0,8 в спектральном диапазоне 2... 15 мкм [1].

Спектральная плотность излучения глобара представлена на рис.2. В

Рис. 2. Спектральная плотность излучения глобара

Выбор элементов газоанализатора

Отражатели

Источник излучения устанавливают в главном фокусе отражателя, который представляет собой точку, в которой сходятся все лучи при освещении отражателей параллельным потоком излучения.

Отражатели бывают различных видов: сферические, параболические, гиперболические и пр. Наиболее распространены сферические и параболические. Отражатели могут быть металлические и стеклянные, неглубо-кие и глубокие. Материал металлических отражателей должен об-ладать высоким коэффициентом отражения, поэтому очень часто прибегают к различным покрытиям, обеспечивающим максималь-ное отражение. Покрытие должно быть однородным и обладать высокой химической стойкостью. В качестве покрытия использу-ют хром, алюминий, серебро и золото. В данной работе используем зеркала с алюминиевым покрытием, характеризующиеся высоким коэффициентом отражения в ИК-области спектра.

Светофильтры

В качестве светофильтра целесообразно выбрать интерференционный фильтр. Основными назначениями его являются следующие: могут быть использованы для приборного, газового и жидкостного анализа, в системах пожарной безопасности и других оптических датчиках и приборах. В качестве подложек для изготовления фильтров может быть использован германий, кремний, сапфир, кварц, покровное стекло и др. материалы.

Основными оптическими характеристиками УИФ являются: Длина волны пропускания в максимуме , ширина полосы пропускания фильтра и относительная ширина пропускания[2].

Длина волны в максимуме пропускания определяем по формуле:

Из формулы (1) выразим оптическую толщину диэлектрической прослойки фильтра:

=0,92 (мм);

Ширина полосы пропускания определяется по формуле:

,

где



;

Кюветы

Для обеспечения максимальной чувствительности используем KBr рабочую кювету.

Выбор приёмника излучения

В качестве приёмника излучения в данной работе (см. техническое задание) применяется ФД. Фотодиодами, действие которых основано на внутреннем фотоэффекте, называют полупроводниковые приборы, использующие одностороннюю проводимость запорного слоя, при освещении которого появляется фото ЭДС ( фотогальванический режим) или изменяется значение обратного тока (фотодиодный режим). ФД можно изготавливать на основе барьера Шоттки (контактного потенциального барьера), гомоперехода (pn- перехода, образованного на границе двух областей одинакового материала, но с различной проводимостью), либо гетероперехода (pn- перехода, образованного на границе двух областей разных материалов с различной проводимостью). Обычно запорный слой представляет собой pn- переход. Односторонняя фотопроводимость (вентильный фотоэффект) возникает при освещении одной или нескольких областей запорного слоя.

В данной работе нужен фотодиод, который работает на длине волны излучения 4,6 мкм. Выберем иммерсионный фотодиод на основе твёрдых растворов арсенида индия. Для такого фотодиода максимум спектральной кривой приходится на диапазон длин волн от 2,9…5,5 мкм [3].



Оценка погрешностей

Основную погрешность вносят:

- светофильтры, требующие высокой точности установки, а так же обладающие не лучшими характеристиками;

- светоделитель, который может неравномерно распределить поток излучения;

- зеркало, которое частично поглощает излучение;

- окна кюветы, в которых могут быть инородные примесь, снижающие коэффициент пропускания;

- непостоянство световой характеристики приемника излучения;

- операционный усилитель, у которого наблюдаются собственные шумы и др.

Выбор операционного усилителя

В данной работе следует усилить выходной сигнал приёмника излучения, для этого воспользуемся операционным усилителем. В качестве усилителя для нашей схемы выберем усилитель mA741. В качестве усилителя для нашей схемы, выберем усилитель mA741. Операционные усилители универсального применения должны обеспечивать значительно больший дифференциальный коэффициент усиления, чем способен дать один каскад. Поэтому они строятся в основном по двухкаскадной схеме. Упрощенная схема "классического" двухкаскадного ОУ mА741 (полная схема включает 24 транзистора) приведена на рис. 3



Рис. 3. Упрощенная схема двухкаскадного ОУ mА741

Входной каскад выполнен по схеме дифференциального усилителя на p-n-p транзисторах Т1 и Т2. В качестве нагрузки использовано токовое зеркало на n-p-n транзисторах Т3 и Т4.

Благодаря тому, что выходным сигналом дифференциального каскада является разностный ток, синфазные изменения коллекторных токов входных транзисторов взаимно компенсируются, что значительно ослабляет синфазные входные сигналы.

Источник тока эмиттеров выполнен на транзисторе Т9. Вторую ступень усиления образует каскад с общим эмиттером на транзисторе Т6. Он имеет в качестве нагрузки источник тока на транзисторе Т10. Для повышения входного сопротивления этого каскада на его входе включен эмиттерный повторитель на транзисторе Т5.

Выходной каскад представляет собой двухтактный комплементарный эмиттерный повторитель на транзисторах Т7, Т8. Напряжение на участке цепи из двух последовательных диодов, включенных в прямом направлении, обеспечивает малый начальный ток покоя этих транзисторов (режим класса АВ), что позволяет устранить переходные искажения сигнала. Такая схема обеспечивает симметрию выходного сопротивления ОУ при различной полярности выходного напряжения. Как правило, выходной каскад включает цепи защиты от короткого замыкания выхода[4].



Заключение

В данной работе требовалось разработать схему газоанализатора для анализа диоксида углерода. Рабочей длиной волны была задана длина волны 4,6 мкм.

В качестве источника излучения был выбран глобар, который имеет высокую спектральную плотность излучения на длине волны 4,6 мкм. В качестве приёмника излучения выбран иммерсионный фотодиод на основе твердых растворов арсенида индия. Рассчитан светофильтр для обеспечения заданной длины волны излучения. Также выбран операционный усилитель для усиления выходного сигнала фотодиода.



Список литературы

1.Криксунов Л.З,Справочник по основам инфракрасной техники.-М.:Сов.радио,1978 г.

2.Нагибина Н.И,Интерференция и дифракция света:Учебное пособие для приборостроительных вузов оптических специальностей.2-е изд.,перера.и доп.-Л.:Машиностроение ,Ленингр.отд-ние,1985 г.

3.www.inno.ru

4.www.gaw.ru

Размещено на Allbest.ru