Caratteristica
Il dispositivo è progettato per l'analisi operativa dei gas dell'aria atmosferica mediante il metodo della spettroscopia laser ottico-acustica
Il principio di funzionamento dell'analizzatore di gas si basa sulla generazione di onde acustiche nell'aria quando un raggio laser modulato interagisce con molecole di un'impurità di gas che assorbe la radiazione laser a una determinata lunghezza d'onda. Le onde acustiche vengono convertite dal microfono in segnali elettrici proporzionali alla concentrazione del gas assorbente. Sintonizzando la lunghezza d'onda del laser e utilizzando i dati spettrali noti sui coefficienti di assorbimento dei vari gas, è possibile determinare la composizione dell'impurezza del gas rilevata.
Una caratteristica distintiva di questo analizzatore di gas è la combinazione in un unico design di un laser CO2 a guida d'onda sintonizzabile e un rilevatore ottico-acustico (OAD) a pompaggio di tipo differenziale. L'OAD si trova all'interno della cavità laser e forma un'unica struttura con il laser. A causa di ciò, le perdite sugli elementi ottici sono ridotte, la potenza all'interno del canale di lavoro dell'OAM e la rigidità dell'intera struttura aumentano. L'analizzatore di gas utilizza un laser CO2 a guida d'onda sintonizzabile automaticamente in linea con eccitazione ad alta frequenza (HF), in cui viene impostata una modalità di generazione a impulsi ripetitivi modulando la potenza del generatore RF, che consente di ottimizzare il consumo di energia regolando il duty cycle degli impulsi di eccitazione. Nella progettazione del tipo differenziale utilizzato OAM, ci sono due canali acustici risonanti, in
che formano onde acustiche in antifase, che consente, con l'introduzione di un trattamento appropriato, di ridurre al minimo il rumore quando l'aria scorre attraverso i canali.
Queste caratteristiche del dispositivo sono uniche e insieme forniscono una sensibilità di rilevamento estremamente elevata per i dispositivi optoacustici, un basso livello di rumore hardware e un consumo energetico totale relativamente basso.
L'analizzatore di gas è in grado di registrare i coefficienti minimi di assorbimento delle impurità gassose nell'atmosfera in un flusso di gas a un livello di ~ 5 × 10-10 cm-1 con un'elevata velocità di risposta inerente ai metodi ottici di analisi dei gas. Grazie a queste qualità, oltre alla possibilità di sintonizzare la lunghezza d'onda della radiazione laser nell'intervallo 9,3 ÷ 10,9 μm, l'analizzatore di gas consente misurazioni in tempo reale di basse concentrazioni di gas atmosferici e antropici (a un livello di 1 ppb o meno), come C2
4, NH3, O3, C6, SO2, SF6, N2
O, CH3, CH3, ecc.,
compresi i vapori di una serie di esplosivi e sostanze tossiche (circa 100 sostanze in totale).
Queste proprietà consentono di utilizzare il dispositivo per monitorare le concentrazioni di composti chimici molecolari nell'aria atmosferica e processi tecnologici, analizzare l'aria espirata per rilevare varie malattie, ecc.
Applicare un effetto
Gli ovvi vantaggi del metodo OA in combinazione con l'uso di laser sintonizzabili in frequenza cw sufficientemente potenti lo rendono particolarmente attraente per risolvere problemi che richiedono misurazioni di debole assorbimento di radiazioni da parte di gas molecolari. Si tratta innanzitutto dei problemi di analisi dei gas a basse e bassissime concentrazioni di molecole nel mezzo.
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L'analizzatore di gas laser ad alta sensibilità è progettato per analizzare il contenuto di gas di impurità nei campioni di aria. Gli elementi principali dell'analizzatore di gas: un laser CO 2 a guida d'onda, una cella risonante ottico-acustica e un computer, la cui libreria contiene informazioni sulle linee di assorbimento di 37 gas. Vengono presentate le informazioni sui limiti di rilevamento del gas da parte dell'analizzatore di gas sviluppato. Il limite di rilevamento per l'ammoniaca con un errore del 15% è 0,015 ppb.
La necessità di un monitoraggio costante del contenuto nell'aria di un gran numero di inquinanti in vaste aree a un costo ragionevole di fondi e manodopera pone il compito di dotare il servizio di controllo ambientale di analizzatori di gas che soddisfino i seguenti requisiti: 1) la rilevazione soglia al livello delle concentrazioni massime ammissibili delle sostanze analizzate; 2) elevata selettività nei confronti delle sostanze estranee; 3) analisi multicomponente; 4) alta velocità (tempo di ciclo di misurazione breve quando si preleva un campione), che fornisce la capacità di lavorare in movimento e una risposta relativamente rapida al superamento di un determinato livello di concentrazione; 5) misurazioni continue per 2-4 ore per determinare le dimensioni dell'area contaminata.
I metodi esistenti per la rilevazione dei gas possono essere suddivisi condizionatamente in tradizionali (non spettroscopici) e ottici (spettroscopici). Il documento elenca i vantaggi e gli svantaggi dei principali metodi tradizionali dal punto di vista della loro applicazione per l'analisi di impurezze gassose di composizione complessa in aria.
I metodi spettroscopici, il cui rapido sviluppo è determinato dalle caratteristiche uniche dei laser, consentono di eliminare i principali svantaggi dei dispositivi tradizionali e forniscono la necessaria velocità, sensibilità, selettività e continuità di analisi. Nella maggior parte dei casi, per rilevare l'inquinamento atmosferico con metodi spettroscopici, viene utilizzata la regione spettrale IR media, dove sono concentrate le principali bande vibrazionali della stragrande maggioranza delle molecole. Le regioni visibile e UV sono meno informative in questo senso.
Un posto speciale nella famiglia degli analizzatori di gas laser IR è occupato dai dispositivi con laser CO2. Questi laser sono durevoli, affidabili e facili da usare e possono rilevare oltre 100 gas.
Di seguito viene descritto un analizzatore di gas (prototipo) che soddisfa i requisiti di cui sopra. Un laser CO 2 a guida d'onda viene utilizzato come sorgente di radiazioni e una cella optoacustica risonante (RSA) è un elemento sensibile. Il metodo ottico-acustico si basa sulla registrazione di un'onda sonora eccitata in un gas per assorbimento di una radiazione laser modulata in ampiezza in una ROA. La pressione sonora, proporzionale alla potenza specifica assorbita, viene registrata dal microfono. Lo schema a blocchi dell'analizzatore di gas è mostrato in Fig. 3.1. La radiazione modulata del laser CO 2 colpisce l'unità di sintonizzazione della lunghezza d'onda. Questa unità è un reticolo di diffrazione che consente di sintonizzare la lunghezza d'onda della radiazione nell'intervallo 9,22-10,76 micron e ottenere 84 linee laser. Inoltre, la radiazione viene diretta attraverso il sistema di specchi nel volume sensibile della ROA, dove vengono registrati i gas che assorbono la radiazione che vi entra. L'energia della radiazione assorbita aumenta la temperatura del gas. Il calore rilasciato sull'asse della cella viene trasferito principalmente per convezione alle pareti cellulari. La radiazione modulata provoca una corrispondente variazione della temperatura e della pressione del gas. La variazione di pressione è percepita dalla membrana del microfono capacitivo, che porta alla comparsa di un segnale elettrico periodico, la cui frequenza è uguale alla frequenza di modulazione della radiazione.
Figura 3.1. Schema a blocchi dell'analizzatore di gas
Fig. 3, 2 mostra uno schizzo della cavità interna del r.o.a.y. È formato da tre volumi cilindrici attivi: i volumi 1 e 2 disposti simmetricamente con un diametro di 20 mm e un volume interno 3 con un diametro di 10 mm. Le finestre di ingresso 4 e uscita 5 sono realizzate in materiale BaF 2. Il microfono è installato nella parte inferiore della cella ed è collegato al volume attivo da un foro 6 con un diametro di 24 mm.
Figura 3.2 La cavità interna della cella risonante ottico-acustica. 1, 2 - volumi esterni, 3 - volume interno. 4, 5 - finestre di ingresso e uscita, 6 - foro per microfono
La risonanza ottica "causata dall'assorbimento della radiazione laser da parte di un gas, in condizioni normali si presenta ad una frequenza di modulazione di 3,4 kHz, e il segnale di fondo dovuto all'assorbimento della radiazione da parte delle finestre ROA è massimo ad una frequenza di 3,0 kHz. Il Q il fattore in entrambi i casi è> 20 Questo design del ROA fornisce un'elevata sensibilità dell'analizzatore di gas e consente di sopprimere il contributo del segnale di fondo utilizzando un amplificatore selettivo in frequenza e fase.Allo stesso tempo, il ROA è insensibile al rumore acustico esterno segnale elettrico durante la misurazione della concentrazione è determinato dalla formula
dove K è la costante di cella, è la potenza della radiazione laser, b è il coefficiente di assorbimento della radiazione da parte del gas e C è la concentrazione del gas.
Prima delle misurazioni, l'analizzatore di gas viene calibrato utilizzando un gas di span (CO2) con una concentrazione nota.
L'ampiezza viene misurata utilizzando una scheda ADC inclusa nel computer Advantech. Lo stesso computer viene utilizzato per controllare l'unità di sintonizzazione della lunghezza d'onda e calcolare le concentrazioni dei gas misurati.
Il programma di elaborazione delle informazioni sviluppato è destinato all'analisi qualitativa e quantitativa della miscela di gas mediante lo spettro di assorbimento della radiazione laser del laser CO2. L'informazione iniziale per il programma è lo spettro di assorbimento misurato della miscela di gas analizzata. Un esempio di uno spettro di assorbimento dell'azoto, tracciato in unità di spessore ottico, è mostrato in Fig. 3.3a e Fig. 3.3b mostra un esempio di uno spettro di assorbimento con una piccola aggiunta di ammoniaca.
Figura 3.3 Spettri di assorbimento: a - azoto a pressione atmosferica normale, b - miscela azoto-ammoniaca.
Spessore ottico, dove
Cm -1 atm -1 - coefficiente di assorbimento del j-esimo gas sulla i-esima linea laser, С i, atm - concentrazione del j-esimo gas, i La libreria dei possibili componenti contiene i valori dei coefficienti di assorbimento ed è una matrice di dimensioni (N x m). Il numero di gas presenti nella libreria è m = 37, il numero massimo di linee laser analizzate è N - 84 (21 linee in ogni ramo del laser CO2). Nel processo di analisi dello spettro di una miscela gassosa formata dalla sovrapposizione di linee di assorbimento dei gas inclusi nella miscela, il programma seleziona dalla libreria quei componenti che consentono la migliore descrizione dello spettro della miscela. Uno dei criteri principali per la ricerca del miglior insieme di componenti è il valore della deviazione quadratica media tra lo spettro sperimentale e lo spettro di assorbimento trovato come risultato delle iterazioni: L'algoritmo per risolvere il problema inverso - ricerca di concentrazioni dallo spettro di assorbimento noto - è stato costruito utilizzando il metodo di eliminazione gaussiana e il metodo di regolarizzazione di Tikhonov, e le principali difficoltà nella sua implementazione sono associate alla valutazione della stabilità della soluzione (il gli elementi della matrice del coefficiente di assorbimento, così come i termini liberi, sono conosciuti solo approssimativamente), scegliendo il parametro di regolarizzazione e trovando i criteri per terminare il processo iterativo. La tabella contiene informazioni calcolate sui limiti di rilevamento di alcuni gas descritti dall'analizzatore di gas: Limite di rilevamento, ppb Limite di rilevamento, ppb acroleina Monometilidrazina Percloroetilene t-butanolo propanolo Cloruro di vinile Esafluoruro di zolfo Tricloroetilene Esaclorobutadiene idrazina dimetilidrazina 1.1-difluoroetilene isopropano Cloroformio di metile Acetato di etile Metil etil chetone Principali caratteristiche operative dell'analizzatore di gas: il numero di gas misurati contemporaneamente - fino a 6; tempo di misura 2 min; limite di rilevazione per anidride carbonica 0,3 ppm: limite di rilevazione per ammoniaca 0,015 ppb: campo di misura per anidride carbonica 1 ppm -10%; campo di misura per ammoniaca 0,05 ppb-5 ppm; errore di misura 15%; tensione di alimentazione 220V ± 10%. [ uno] L'analizzatore di gas laser "LGAU-02" è progettato per misurare la concentrazione di idrocarburi gassosi nell'aria pompata attraverso la cella a gas del dispositivo. L'analizzatore di gas può essere utilizzato sia in modo autonomo che come parte di laboratori mobili auto e aerei. Il complesso comprende: Uno schema dell'organizzazione di un laboratorio automobilistico è presentato per trovare perdite da gasdotti sotterranei è presentato in Fig. 1 In un laboratorio ad aria, puoi fare a meno di uno stimolatore di flusso, fornendo un'efficace presa d'aria dalla pressione dell'aria esterna, e su un carrello manuale, puoi usare un campionatore esterno invece di un dispositivo di campionamento superficiale. I vantaggi dell'analizzatore di gas LGAU-02 si manifestano quando si risolvono i problemi: Rivista "Strumenti e tecnica sperimentale", 1999, n. 5 Analizzatore laser di gas per la ricerca di fughe di gas da gasdotti sotterranei Rivista "Strumenti e sistemi di controllo", 1998, n. 9 Analizzatore di gas idrocarburi ad assorbimento laser integrato Copyright 1998-2005 Centro di ingegneria MEPhI Il funzionamento dell'analizzatore di gas laser Yokogawa TDLS200 si basa sul metodo della spettroscopia di assorbimento laser a diodi. Questo dispositivo è caratterizzato da elevata selettività e stabilità a lungo termine, fornisce una rapida analisi "in situ" (direttamente nel tubo) di gas con componenti corrosivi o alte temperature. Qual è il principio di funzionamento di questo dispositivo e dove trova la sua applicazione? L'analizzatore di gas laser utilizza la spettroscopia di assorbimento laser a diodi sintonizzabili (TDLAS) e ha la capacità di misurare la concentrazione in un gas campione con elevata selettività e senza contatto diretto, solo irradiando il gas campione con radiazioni da un diodo laser sintonizzabile. Pertanto, misurazioni "in situ" rapide e accurate possono essere eseguite nelle canne fumarie di processo in varie condizioni. Ad esempio, le misurazioni possono essere eseguite a temperature fino a 1500 ° C, nonché in ambienti con pressione pulsante. L'analizzatore di gas laser Yokogawa TDLS200 può misurare anche in presenza di gas corrosivi o tossici. L'analizzatore fornisce segnali analitici accurati con tempi di risposta rapidi per massimizzare la resa del prodotto, l'efficienza energetica e la sicurezza in una varietà di processi di produzione. La semplicità del design (nessuna parte in movimento e nessun componente a vita limitata) garantisce il funzionamento e il funzionamento con poca o nessuna manutenzione. L'analizzatore di gas laser Yokogawa TDLS200 è un nuovo tipo di analizzatore di gas laser utilizzato per la misurazione industriale. L'uso del metodo di integrazione dell'area di picco elimina gli errori di misurazione causati dalle variazioni di pressione e dalla presenza di altri gas nel campione. Consente inoltre una determinazione accurata della concentrazione dei componenti del gas, anche quando la sua temperatura e altri parametri cambiano contemporaneamente. Questo articolo fornisce una panoramica dell'analizzatore di gas laser TDLS200, delle sue funzioni e del principio di misurazione e considera anche esempi della sua applicazione. L'analizzatore di gas ha un'unità di radiazione e un'unità di rilevamento, che di solito sono poste l'una di fronte all'altra su lati opposti (attraverso) il condotto del gas attraverso il quale passa il flusso del gas di processo. Un'opzione simile viene utilizzata per condotti del gas fino a 20 m di larghezza. Le finestre ottiche separano l'interno dell'analizzatore dal mezzo misurato. La radiazione laser a semiconduttore passa attraverso la finestra ottica dell'unità di radiazione, il gas misurato, la finestra ottica dell'unità di rilevamento e raggiunge il fotorivelatore. Un fotorilevatore registra il raggio laser e converte la sua energia in un segnale elettrico. Il dispositivo di calcolo dell'unità di radiazione determina lo spettro di assorbimento del componente misurato, calcola l'area di picco dello spettro, lo converte nella concentrazione del componente e lo emette come segnale analogico 4 ... 20 mA. Il meccanismo di regolazione ha un design ondulato, che consente di semplificare la regolazione dell'angolo dell'asse ottico, mantenendo la tenuta della tubazione, che è particolarmente importante per i processi tecnologici nell'industria. Il collegamento dell'unità di radiazione e dell'unità di rilevamento tramite il dispositivo di regolazione dell'asse ottico semplifica la regolazione dell'asse ottico non solo per la configurazione standard (due unità sono posizionate su entrambi i lati del tubo, come mostrato in Figura 1), ma anche per altre opzioni di installazione. Questa soluzione tecnica consente di scegliere il metodo di installazione del dispositivo più adatto ai componenti misurati e alla progettazione tecnologica del processo e allo stesso tempo garantisce condizioni di misurazione ottimali. Il TDLS200 utilizza la spettroscopia di assorbimento laser a diodi (TDLAS). Il metodo si basa sulla misurazione dello spettro di assorbimento della radiazione (regione infrarosso/vicino infrarosso), inerente alle molecole di una sostanza a causa dell'energia vibrazionale e rotazionale della transizione delle molecole nel componente misurato. La sorgente di radiazione per la formazione dello spettro è un laser a semiconduttore con una larghezza di riga spettrale estremamente stretta. Lo spettro di assorbimento ottico delle molecole di base come O2, NH3, H2O, CO e CO2 varia dall'infrarosso al vicino infrarosso. La misura della quantità di radiazione assorbita ad una determinata lunghezza d'onda (capacità di assorbimento spettrale) permette di calcolare la concentrazione del componente da misurare. A differenza degli spettrometri convenzionali a bassa risoluzione, il TDLS200 utilizza un raggio laser con una larghezza della linea spettrale estremamente stretta. L'emettitore è un diodo laser sintonizzabile, la cui lunghezza d'onda della radiazione può essere modificata regolando la temperatura del laser e la corrente di eccitazione. Ciò consente misurazioni di un singolo picco di assorbimento da diversi nello spettro. Pertanto, come mostrato in Fig. 6, è possibile selezionare un picco di assorbimento per la misurazione, che non è soggetto a interferenze da altri gas. Grazie alla sua elevata selettività della lunghezza d'onda e all'assenza di interferenze da altri componenti nella miscela di gas, non è necessaria un'ulteriore preparazione del campione, il che consente di utilizzare il TDLS200 "in situ" (direttamente nel processo). Il TDLS200 misura lo spettro di assorbimento isolato di un componente di una miscela di gas, esente da interferenze da componenti interferenti. La misurazione viene eseguita facendo scorrere la lunghezza d'onda di un diodo laser sintonizzabile lungo un singolo picco di assorbimento del componente misurato. Sebbene lo spettro di assorbimento misurato dal TDLS200 sia isolato dai componenti interferenti, la forma dello spettro può cambiare (effetto di espansione) a seconda della temperatura del gas, della pressione del gas e di altri componenti presenti nella miscela di gas. Per effettuare misurazioni in queste condizioni è necessaria una compensazione. L'analizzatore di gas TDLS200 scandisce la lunghezza d'onda della radiazione laser a semiconduttore lungo la linea di assorbimento del componente misurato e calcola la sua concentrazione dalla regione spettrale di assorbimento integrando l'area del picco. L'analizzatore di gas Yokogawa TDLS200, grazie alla sua rapida misurazione in situ (direttamente nella pipeline), può essere utilizzato con successo nei processi tecnici esistenti sia per la loro regolazione ad alta velocità, quando i segnali necessari per il controllo di processo, contenenti letture del componente concentrazioni, vengono inviati direttamente al DCS e per la gestione dello stato del processo in tempo reale. In questo modo, il TDLS200 può aiutare a ottimizzare le prestazioni di vari processi industriali. In questa sezione esamineremo la misura della concentrazione residua di NH3 nei fumi. Si noti che l'uso di TDLS200 per l'ottimizzazione della combustione è stato descritto altrove da Yokogawa (3). Si prega di fare riferimento a questo rapporto per i dettagli. L'ammoniaca (NH3) viene iniettata nei fumi per rimuovere gli NOx (purificare i fumi dagli ossidi di azoto), migliorare l'efficienza dei depolveratori e prevenire la corrosione. L'eccessivo NH3 aumenta i costi operativi e l'NH3 residuo, con conseguente odore putrido. Pertanto, la quantità di NH3 nei fumi deve essere misurata, monitorata e regolata. Ad esempio, il processo DeNOx ACR (riduzione catalitica selettiva) viene utilizzato nelle apparecchiature per la pulizia dei gas di scarico di un forno di combustione dagli ossidi di azoto, in cui gli NOx vengono ridotti a N2 e H2O mediante iniezione di NH3 e catalisi selettiva del processo di riduzione , e la concentrazione residua di NH3 (dell'ordine di ppm) nei fumi viene misurata in tempo reale. Gli strumenti di misura tradizionali di NH3 che utilizzano metodi di misura indiretti di NOx (analisi a chemiluminescenza e metodo con elettrodi ionici) hanno lunghi tempi di risposta, richiedono l'installazione di una linea di campionamento, inclusi tubi riscaldati per evitare l'adesione di NH3, e quindi alti costi di manutenzione come sistemi di misura complessi. D'altra parte, come mostrato nella Figura 8, l'analizzatore di gas laser TDLS200 è installato direttamente nella tubazione di processo e misura direttamente NH3, il che riduce significativamente i tempi di risposta e semplifica la manutenzione. Inoltre, un segnale di concentrazione di NH3 analitico a risposta rapida può essere utilizzato per controllare e ottimizzare l'iniezione di NH3. L'elevata selettività, il breve tempo di risposta, la facilità di manutenzione, ottenuti grazie alla tecnologia di misurazione utilizzata e al design dell'analizzatore, offrono la possibilità del suo utilizzo in un'ampia gamma di processi tecnologici. Le applicazioni includono non solo la misurazione di NH3 discussa in questo articolo, ma anche la determinazione di CO e O2 nell'ottimizzazione dei processi di combustione, la misurazione di piccole quantità di acqua negli impianti di elettrolisi, ecc. L'uso di tali analizzatori di gas può creare un contributo significativo alla salvaguardia dell'ambiente e alla riduzione dei costi di esercizio, grazie al suo utilizzo per il controllo di processo, e non solo per il monitoraggio. Kazuto Tamura, Yukihiko Takamatsu, Tomoyaki Nanko,
Riso. uno 
Riso. 2 Funzionalità del complesso
Esperienza operativa
Prospettive di sviluppo del complesso
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