Caracteristică
Dispozitivul este proiectat pentru analiza operațională de gaz a aerului atmosferic folosind spectroscopie laser optic-acustică
Principiul de funcționare al analizorului de gaz se bazează pe generarea de unde acustice în aer în timpul interacțiunii unui fascicul laser modulat cu moleculele unei impurități de gaz care absoarbe radiația laser la o lungime de undă dată. Undele acustice sunt convertite de un microfon în semnale electrice proporționale cu concentrația gazului absorbant. Prin ajustarea lungimii de undă laser și folosind date spectrale cunoscute privind coeficienții de absorbție a diferitelor gaze, este posibil să se determine compoziția impurității de gaz detectate.
O caracteristică distinctivă a acestui analizor de gaz este combinația într-un singur design a unui laser CO2 cu ghid de undă reglabil și a unui detector optic-acustic de pompare (OAD) de tip diferențial. OAD este situat în interiorul cavității laserului și formează o singură structură cu laserul. Datorită acestui fapt, pierderile pe elementele optice sunt reduse, puterea în interiorul canalului de lucru al OAD și rigiditatea întregii structuri sunt crescute. Analizorul de gaz folosește un laser CO2 cu ghid de undă cu excitație de înaltă frecvență (HF) care este reglabil automat de-a lungul liniilor, în care modul de generare a impulsurilor periodice este setat prin modularea puterii generatorului RF, ceea ce face posibilă optimizarea energiei consumul prin reglarea ciclului de lucru al impulsurilor de excitație. Designul diferenţialului de tip OAD utilizat are două canale acustice rezonante, în
în care se formează unde acustice antifază, ceea ce permite, odată cu introducerea unei prelucrări adecvate, să se minimizeze zgomotul atunci când aerul curge prin canale.
Aceste caracteristici ale dispozitivului sunt unice și oferă împreună o sensibilitate de detecție extrem de ridicată pentru dispozitivele opto-acustice, un nivel scăzut de zgomot hardware și un consum general de energie relativ scăzut.
Analizorul de gaz este capabil să înregistreze coeficienții minimi de absorbție a impurităților de gaz din atmosferă într-un flux de gaz la un nivel de ~ 5 × 10-10 cm-1 cu performanțe ridicate inerente metodelor optice de analiză a gazelor. Datorită acestor calități, precum și capacității de a regla lungimea de undă a radiației laser în regiunea de 9,3÷10,9 microni, analizorul de gaze permite măsurători în timp real a concentrațiilor scăzute de gaze atmosferice și antropice (la un nivel de 1 ppb sau mai puțin), cum ar fi C2
H4, NH3, O3, C6, SO2, SF6, N2
O, CH3, CH3 etc.,
inclusiv perechi de un număr de explozivi și substanțe toxice (aproximativ 100 de substanțe în total).
Aceste proprietăți fac posibilă utilizarea dispozitivului pentru a monitoriza concentrațiile de compuși chimici moleculari din aerul atmosferic și procesele tehnologice, pentru a analiza aerul expirat pentru a identifica diferite boli etc.
Aplicarea unui efect
Avantajele evidente ale metodei OA, combinate cu utilizarea unor lasere reglabile în frecvență continuă suficient de puternice, o fac deosebit de atractivă pentru rezolvarea problemelor care necesită măsurarea absorbției slabe a radiațiilor de către gazele moleculare. În primul rând, aceasta se referă la probleme de analiză a gazelor la concentrații scăzute și ultra-scăzute de molecule din mediu.
Articol pe tema
Comunicații de semnal și mijloace moderne de comunicare în expediții
comunicare alarmă expediție arctic În orice expediție, pe mare sau pe uscat, în orice drumeție sau zbor, poate apărea o situație de urgență, în urma căreia participanții lor vor pierde toate echipamentele, proviziile de apă, alimente sau o parte semnificativă din acestea. Comunicațiile radio sunt cel mai important element al...
Un analizor de gaz cu laser extrem de sensibil este proiectat pentru a analiza conținutul de gaze impurități din probele de aer. Elementele principale ale analizorului de gaze: un laser CO 2 cu ghid de undă, o celulă optic-acustică rezonantă și un computer a cărui bibliotecă conține informații despre liniile de absorbție a 37 de gaze. Sunt prezentate informații despre limitele de detecție a gazelor ale analizorului de gaz dezvoltat. Limita de detecție pentru amoniac cu o eroare de 15% este de 0,015 ppb.
Necesitatea monitorizării constante a conținutului unui număr mare de poluanți din aer pe suprafețe mari la un cost rezonabil de bani și forță de muncă pune sarcina dotării serviciului de control al mediului cu analizoare de gaze care îndeplinesc următoarele cerințe: 1) pragul de detecție la nivelul concentrațiilor maxime admise ale substanțelor analizate; 2) selectivitate ridicată față de substanțele străine; 3) analiza multicomponenta; 4) performanță ridicată (timp scurt al ciclului de măsurare la prelevarea unei probe), oferind capacitatea de a lucra în mișcare și un răspuns relativ rapid la depășirea unui anumit nivel de concentrație; 5) continuitatea măsurătorilor timp de 2-4 ore pentru a determina dimensiunea zonei contaminate.
Metodele existente de detectare a gazelor pot fi împărțite în tradiționale (non-spectroscopice) și optice (spectroscopice). Lucrarea enumeră avantajele și dezavantajele principalelor metode tradiționale din punctul de vedere al utilizării lor pentru analiza impurităților gazoase de compoziție complexă din aer.
Metodele spectroscopice, a căror dezvoltare rapidă este determinată de caracteristicile unice ale laserelor, fac posibilă eliminarea principalelor dezavantaje ale instrumentelor tradiționale și oferă viteza, sensibilitatea, selectivitatea și continuitatea analizei necesare. În cele mai multe cazuri, pentru a detecta poluarea aerului prin metode spectroscopice, se utilizează regiunea mid-IR a spectrului, unde sunt concentrate principalele benzi de vibrație ale marii majorități a moleculelor. Regiunile vizibile și UV sunt mai puțin informative în acest sens.
Un loc aparte în familia analizoarelor de gaz cu laser IR îl ocupă dispozitivele cu lasere CO 2 . Aceste lasere sunt durabile, fiabile și ușor de operat și pot detecta peste 100 de gaze.
Mai jos descriem un analizor de gaz (probă model) care îndeplinește cerințele de mai sus. Ca sursă de radiație este utilizat un laser CO 2 cu ghid de undă; elementul sensibil este o celulă optic-acustică rezonantă (ROAC). Metoda optic-acustică se bazează pe înregistrarea unei unde sonore excitate într-un gaz la absorbția radiației laser modulate în amplitudine într-un r.o.a.ya. Presiunea undei sonore, proporțională cu puterea specifică absorbită, este înregistrată de un microfon. Schema bloc a analizorului de gaz este prezentată în Fig. 3.1. Radiația modulată a unui laser CO 2 lovește unitatea de reglare a lungimii de undă. Această unitate este o rețea de difracție care vă permite să reglați lungimea de undă a radiației în intervalul 9,22-10,76 microni și să obțineți 84 de linii laser. Apoi, radiația este direcționată printr-un sistem de oglinzi în volumul sensibil al RAO, unde sunt înregistrate acele gaze care absorb radiația care intră în el. Energia radiației absorbite crește temperatura gazului. Căldura eliberată pe axa celulei este transferată în principal către pereții celulei prin convecție. Radiația modulată provoacă o modificare corespunzătoare a temperaturii și presiunii gazului. Modificarea presiunii este percepută de membrana microfonului capacitiv, ceea ce duce la apariția unui semnal electric periodic, a cărui frecvență este egală cu frecvența de modulație a radiației.
Figura 3.1. Schema bloc a analizorului de gaz
Figura 3, 2 prezintă o schiță a cavității interne a r.o.a.ya. Este format din trei volume active cilindrice: volumele 1 și 2 situate simetric cu diametrul de 20 mm și volumul interior 3 cu diametrul de 10 mm. Ferestrele de intrare 4 și de ieșire 5 sunt realizate din material BaF2. Microfonul este instalat în partea de jos a celulei și conectat la volumul activ prin orificiul 6 cu un diametru de 24 mm.
Figura 3.2 Cavitatea internă a unei celule optic-acustice rezonante. 1, 2 - volume externe, 3 - volum intern. 4, 5 - ferestre de intrare și ieșire, 6 - orificiu pentru microfon
Rezonanța optică” cauzată de absorbția radiației laser de către gaz, în condiții normale are loc la o frecvență de modulare a radiației de 3,4 kHz, iar semnalul de fundal datorat absorbției radiației de către ferestrele R.O.A.Y. este maxim la o frecvență de 3,0 kHz. Factorul de calitate în ambele cazuri este >20.Acest design al RPOAR oferă o sensibilitate ridicată a analizorului de gaz și face posibilă suprimarea contribuției semnalului de fundal folosind un amplificator selectiv de frecvență și fază.În același timp, RPOAR este insensibil la zgomot acustic extern.Amplitudinea semnalului electric la măsurarea concentrației este determinată de formula
unde K este constanta celulei, este puterea radiației laser, b este coeficientul de absorbție a radiației de către gaz, C este concentrația gazului.
Înainte de măsurători, analizorul de gaz este calibrat folosind un gaz de testare (CO2) cu o concentrație cunoscută.
Amplitudinea este măsurată folosind o placă ADC inclusă într-un computer Advantech. Același computer este utilizat pentru a controla unitatea de reglare a lungimii de undă și pentru a calcula concentrațiile gazelor măsurate.
Programul de prelucrare a informațiilor dezvoltat este destinat analizei calitative și cantitative a unui amestec de gaze folosind spectrul de absorbție a radiației laser de la un laser CO 2 . Informația inițială pentru program este spectrul de absorbție măsurat al amestecului de gaze analizat. Un exemplu de spectru de absorbție a azotului, reprezentat grafic în unități de grosime optică, prezentat în Fig. 3, 3a, iar în Fig. 3, 3b este prezentat un exemplu de spectru de absorbție cu un mic adaos de amoniac.
Figura 3.3 Spectre de absorbție: a - azot la presiunea atmosferică normală, b - amestec azot-amoniac.
Grosimea optică, unde
cm -1 atm -1 - coeficientul de absorbție al gazului j-a pe linia i-a laser, C i, atm - concentrația gazului j-a, i Biblioteca de componente posibile conține valorile coeficienților de absorbție și este o matrice de dimensiuni (N x m). Numărul de gaze reprezentate în bibliotecă este m = 37, numărul maxim de linii laser analizate N este de 84 (21 de linii în fiecare ramură a laserului CO 2 ). În procesul de analiză a spectrului unui amestec de gaze format prin suprapunerea liniilor de absorbție ale gazelor incluse în amestec, programul selectează din bibliotecă acele componente care descriu cel mai bine spectrul amestecului. Unul dintre criteriile principale pentru căutarea celui mai bun set de componente este valoarea abaterii pătrate-rădăcină medie între spectrul experimental și spectrul de absorbție găsită ca urmare a iterațiilor: Algoritmul de rezolvare a problemei inverse - căutarea concentrațiilor folosind un spectru de absorbție cunoscut - a fost construit utilizând metoda eliminării gaussiene și metoda regularizării Tihonov, iar principalele dificultăți în implementarea acesteia sunt asociate cu aprecierea stabilității soluției (elementele de matricea coeficienților de absorbție, precum și termenii liberi, sunt cunoscuți doar aproximativ ), alegând un parametru de regularizare și găsirea criteriilor de oprire a procesului iterativ. Tabelul oferă informații calculate despre limitele de detectare a unor gaze de către analizorul de gaz descris: Limită de detectare, ppb Limită de detectare, ppb Acroleina Monometil hidrazină Percloretilenă t-butanol Propanol Clorură de vinil Hexafluorură de sulf Tricloretilenă Hexaclorbutadienă Hidrazina Dimetilhidrazină 1,1-difluoretilenă Izopropan metil cloroform Acetat etilic Metil etil cetonă Principalele caracteristici de funcționare ale analizorului de gaze: numărul de gaze măsurate simultan - până la 6; timp de măsurare 2 min; limita de detecție pentru dioxid de carbon 0,3 ppm: limită de detecție pentru amoniac 0,015 ppb: domeniul de măsurare pentru dioxid de carbon 1 ppm -10%; domeniul de măsurare pentru amoniac 0,05 ppb-5 ppm; eroare de măsurare 15%; tensiune de alimentare 220V ±10%. [ 1] Analizorul de gaz cu laser „LGAU-02” este conceput pentru a măsura concentrația de hidrocarburi gazoase în aerul pompat prin celula de gaz a dispozitivului. Analizorul de gaz poate fi utilizat atât într-o versiune de sine stătătoare, cât și ca parte a laboratoarelor mobile auto și aviatice. Complexul include: În Fig. 1 Într-un laborator de aviație, te poți descurca fără un stimulator de flux, oferind o admisie eficientă a aerului cu presiunea aerului exterior, iar pe un cărucior de mână poți folosi un dispozitiv de prelevare de la distanță în locul unui dispozitiv de prelevare la sol. Avantajele analizorului de gaz „LGAU-02” se manifestă la rezolvarea problemelor: Jurnalul „Instrumente și tehnici experimentale”, 1999, nr. 5 Analizor de gaz cu laser pentru căutarea scurgerilor de gaz din conductele de gaz subterane Revista „Instrumente și sisteme de control”, 1998, nr.9 Analizor de gaz de hidrocarburi cu absorbție laser la bord Copyright 1998-2005 Centrul de inginerie MEPhI Funcționarea analizorului de gaz laser Yokogawa TDLS200 se bazează pe metoda spectroscopiei de absorbție cu laser cu diode. Acest dispozitiv se caracterizează prin selectivitate ridicată și stabilitate pe termen lung, oferind o analiză rapidă „in situ” (direct în conductă) a gazelor cu componente corozive sau temperaturi ridicate. Care este principiul de funcționare al acestui dispozitiv și unde este utilizat? Analizorul de gaz cu laser folosește spectroscopie de absorbție a diodelor cu laser reglabil (TDLAS) și are capacitatea de a măsura concentrația într-o probă de gaz cu selectivitate ridicată și fără contact direct - doar prin iradierea probei de gaz cu radiație de la o diodă laser reglabilă. În acest fel, se pot face măsurători in situ rapide și precise în conductele de proces în diferite condiții. De exemplu, măsurătorile pot fi efectuate la temperaturi de până la 1500°C, precum și în medii cu presiune pulsatorie. Analizorul de gaz cu laser Yokogawa TDLS200 poate măsura și în prezența gazelor corozive sau toxice. Semnalele analitice precise generate de analizor au un timp de răspuns minim, ceea ce ajută la creșterea randamentului produsului, îmbunătățește eficiența energetică și siguranța în diferite procese de producție. Simplitatea designului (fără piese mobile sau componente cu o durată de viață limitată) garantează funcționarea și controlul fără întreținere practic. Analizorul de gaz cu laser Yokogawa TDLS200 este un nou tip de analizor de gaz cu laser utilizat pentru măsurători industriale. Integrarea zonei de vârf elimină erorile de măsurare cauzate de modificările presiunii și de prezența altor gaze în probă. De asemenea, face posibilă determinarea cu precizie a concentrației componentelor gazului, chiar dacă temperatura acestuia și alți parametri se modifică simultan. Acest articol oferă o privire de ansamblu asupra analizorului de gaz cu laser TDLS200, funcțiile și principiul de măsurare și discută, de asemenea, exemple de aplicare a acestuia. Analizorul de gaz are o unitate de radiație și o unitate de detectare, care sunt de obicei amplasate una față de cealaltă pe părți opuse (de-a lungul) conductei de gaz prin care trece fluxul de gaz de proces. Această opțiune este utilizată pentru conductele de gaz cu lățime de până la 20 m. Ferestre optice separă părțile interne ale analizorului de mediul măsurat. Radiația laser semiconductor trece prin fereastra optică a unității de radiație, gazul măsurat, fereastra optică a unității de detectare și ajunge la fotodetector. Fotodetectorul înregistrează fasciculul laser și își transformă energia într-un semnal electric. Dispozitivul de calcul al unității de radiație determină spectrul de absorbție al componentei măsurate, calculează aria de vârf a spectrului, o transformă în concentrația componentei și o emite ca semnal analogic 4...20 mA. Mecanismul de reglare are un design ondulat, ceea ce facilitează reglarea unghiului axei optice, menținând în același timp etanșeitatea conductei, ceea ce este deosebit de important pentru procesele industriale. Conectarea unității de emisie și a unității de detectare folosind un dispozitiv de reglare a axei optice simplifică reglarea axei optice nu numai pentru configurația standard (două unități sunt plasate pe ambele părți ale țevii, așa cum se arată în figura 1), ci și pentru alte opțiuni de instalare. Această soluție tehnică vă permite să alegeți metoda de instalare a dispozitivului care se potrivește cel mai bine pentru componentele măsurate și designul tehnologic al procesului și, în același timp, garantează condiții optime de măsurare. TDLS200 folosește tehnica TDLAS (Diode Laser Absorption Spectroscopy). Metoda se bazează pe măsurarea spectrului de absorbție al radiațiilor (regiune infraroșu/infraroșu apropiat) caracteristic moleculelor unei substanțe datorită energiilor de tranziție vibraționale și rotaționale ale moleculelor din componenta măsurată. Sursa de radiație pentru formarea spectrului este un laser semiconductor cu o lățime de linie spectrală extrem de îngustă. Spectrul de absorbție optică caracteristic moleculelor de bază precum O2, NH3, H2O, CO și CO2 este în regiunea infraroșu până la infraroșu apropiat. Măsurarea cantității de radiație absorbită la o anumită lungime de undă (absorbtivitatea spectrală) face posibilă calcularea concentrației componentei măsurate. Spre deosebire de spectrometrele convenționale de joasă rezoluție, TDLS200 utilizează un fascicul laser cu o lățime de linie spectrală extrem de îngustă. Emițătorul este o diodă laser reglabilă, a cărei lungime de undă poate fi modificată prin ajustarea temperaturii laserului și a curentului de excitație. Acest lucru permite măsurători ale unui singur vârf de absorbție din mai multe prezente în spectru. Astfel, așa cum se arată în Figura 6, un singur vârf de absorbție care nu este interferat cu alte gaze poate fi selectat pentru măsurare. Datorită selectivității ridicate a lungimii de undă și absenței interferenței din partea altor componente din amestecul de gaze, nu este nevoie de pregătirea suplimentară a probei, ceea ce permite ca TDLS200 să fie utilizat „in situ” (direct în proces). TDLS200 măsoară spectrul de absorbție izolat al unei componente dintr-un amestec de gaze, fără interferențe de la componentele interferente. Măsurarea este efectuată prin trecerea lungimii de undă a unei diode laser reglabile de-a lungul unui singur vârf de absorbție al componentei măsurate. Deși spectrul de absorbție măsurat de TDLS200 este izolat de componentele interferente, forma spectrului se poate modifica (efect de lărgire) în funcție de temperatura gazului, presiunea gazului și componentele străine prezente în amestecul de gaze. Pentru a efectua măsurători în astfel de condiții, trebuie efectuată compensarea. Analizorul de gaz TDLS200 scanează lungimea de undă a radiației laser semiconductoare de-a lungul liniei de absorbție a componentei care este măsurată și calculează concentrația acesteia din regiunea spectrală de absorbție prin integrarea zonei vârfului. Analizorul de gaz Yokogawa TDLS200, datorită capacității de a măsura rapid „in-situ” (direct în conductă), poate fi utilizat cu succes în procesele tehnice existente atât pentru reglarea lor de mare viteză, când semnalele necesare controlului procesului, conținând citirile concentrațiilor componentelor, sunt transmise direct la DCS și pentru controlul stărilor tehnice ale procesului în timp real. Astfel, TDLS200 poate ajuta la optimizarea performanței diferitelor procese industriale. În această secțiune ne vom uita la măsurarea concentrației reziduale de NH3 în gazele de ardere. Vă rugăm să rețineți că utilizarea TDLS200 pentru a optimiza procesul de ardere a fost descrisă într-o altă lucrare Yokogawa(3). Vă rugăm să consultați acest raport pentru detalii. Amoniacul (NH3) este introdus în gazele de ardere pentru a elimina NOx (curățarea gazelor de ardere de oxizi de azot), crescând eficiența colectoarelor de praf și prevenind coroziunea. Excesul de NH3 crește costurile de operare și cantitatea de NH3 rezidual, rezultând un miros putred. Prin urmare, cantitatea de NH3 din gazele de evacuare trebuie măsurată, monitorizată și reglată. De exemplu, în echipamentele de purificare a gazelor de eșapament din cuptorul de ardere din oxizi de azot, se utilizează procesul DeNOx SCR (reducere catalitică selectivă), în care NOx este redus la N2 și H2O prin injectarea de NH3 și cataliza selectivă a procesului de reducere și reziduul. concentrația de NH3 (de ordinul ppm) gazelor de ardere sunt măsurate în timp real. Instrumentele tradiționale de măsurare a NH3 care utilizează metode indirecte de măsurare a NOx (testul chemiluminiscenței și metoda electrodului ionic) au timpi de răspuns lungi, necesită instalarea unei linii de prelevare care să includă conducte încălzite pentru a evita aderența NH3 și, prin urmare, costuri ridicate de întreținere astfel de sisteme complexe de măsurare. Pe de altă parte, așa cum se arată în Figura 8, analizorul de gaz cu laser TDLS200 este instalat direct în conducta de proces și măsoară direct NH3, ceea ce reduce semnificativ timpul de răspuns și simplifică întreținerea. În plus, semnalul de concentrație analitic de NH3 cu răspuns rapid poate fi utilizat pentru a regla și optimiza injecția de NH3. Selectivitatea ridicată, timpul scurt de răspuns, ușurința întreținerii, obținute datorită tehnologiei de măsurare utilizate și designului analizorului, fac posibilă utilizarea acestuia într-o gamă largă de procese tehnologice. Aplicațiile includ nu numai măsurarea NH3 discutată în acest articol, ci și determinarea CO și O2 în optimizarea combustiei, măsurarea cantităților mici de apă în instalațiile de electroliză etc. Utilizarea unor astfel de analizoare de gaz poate aduce o contribuție semnificativă la conservarea mediului și reducerea costurilor de operare, datorită utilizării sale pentru controlul procesului, și nu doar în scopuri de monitorizare. Kazuto Tamura, Yukihiko Takamatsu, Tomoyaki Nanko,
Orez. 1 
Orez. 2 Funcționalitatea complexului
Experiență de operare
Perspective de dezvoltare a complexului
Publicații
