Приборы. Приборы и методы контроля энергетических загрязнений окружающей среды Приборы и методы измерения шумов

• Название: Приборы и методы контроля энергетических загрязнений окружающей среды Приборы и методы измерения шумов
• Дата: 28.04.2022
• Размер: 4.92 Mb.
• Имя файла: Приборы.doc
• Тип: Документы; #503527
• страница: 2 из 5

КОНТРОЛЬ СОСТАВА БИОСФЕРЫ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ

Классификация методов анализа состава веществ
Методы анализа состава смесей основаны на разнообразии химических и физических свойств компонентов. По способу определения этих свойств все методы разделяются на химические, физико-химические и физические [18].

Химические методы, как правило, основаны на визуальном определении результата химической реакции. Таким результатом может быть объем выделившегося газа, масса образовавшегося осадка, изменение окраски индикатора и т.д.

Физико-химические методы основаны на измерении параметров физических процессов, возникающих в результате химических реакций. Физико-химические методы для индикации результатов химических реакций используют электрохимические, люминесцентные, термометрические и другие физические методы.

Физические методы включают спектроскопические, ядерно-физические и радиохимические методы. Эти методы определения состава смесей веществ не изменяют химической формы анализируемых веществ.

Четких границ между химическими и физико-химическими, физико-химическими и физическими методами нет. Такие химические методы, как гравиметрия (измерение массы) и титрометрия (измерение объема химического реагента) часто называют классическими, а физико-химические и физические методы - инструментальными. При этом весы и мерную емкость не считают инструментами, что не совсем логично, но традиционно.

В настоящее время часто используют "гибридные" методы, состоящие из нескольких методов определения состава смесей. Например, в хромато- масс- спектроскопии сочетаются хроматография и масс- спектроскопия.
Спектральные методы анализа состава газов

Основы теории спектроскопии
Любые вещества состоят из атомов. Атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Электрон нельзя представить в виде дискретного объекта. Он как бы размазан по атому. Область нахождения электрона называют электронной орбиталью. Каждая орбиталь характеризуется определенной энергией. Энергия орбитали не может измениться на произвольную величину. Для каждого типа атомов и электронных орбиталей существует определенный набор допустимых значений энергий. При снижении этой энергии на величину ΔE атом излучает электромагнитную энергию в виде кванта, а при увеличении на величину ΔE - поглощает квант частоты ν, которая имеет значение [4]
ν = ΔE / h, (20)
где h = 6,6 ^. 10^-34Дж ^. с - постоянная Планка.

Один атом за один акт поглощает или испускает только один квант с определенной энергией. Вещество состоит из множества одинаковых атомов, способных переходить на разные энергетические уровни, испуская или поглощая кванты энергии. Совокупность всех квантов одной частоты образует спектральную линию – зависимость изменения их суммарной энергии от частоты. При увеличении энергии атомов (поглощении излучения) спектральную линию называют абсорбционной, а при снижении (испускании) - эмиссионной. Совокупность всех абсорбционных или всех эмиссионных линий называют абсорбционным (поглощение) или эмиссионным (испускание) спектром вещества.

Энергетические уровни атомных орбиталей сильно отличаются. Ближайшие к ядру электроны поглощают и излучают электромагнитную энергию рентгеновского диапазона длин волн, а внешние электроны - ультрафиолетового (УФ) и видимого диапазона длин волн [8].

Два или более атома, соединенные химическими связями, образуют молекулу. Поэтому строение молекулы сложнее, чем у атома. В молекуле наряду с движением электронов происходит колебательное движение ядер и вращение самой молекулы. Поэтому энергия молекулы складывается из электронной Е_ЭЛ, колебательной Е_КОЛ и вращательной Е_ВР энергий:
Е = Е_ЭЛ + Е_КОЛ + Е_ВР. (21)
Соотношение между этими видами энергии следующие [8]:
Е_ЭЛ >> Е_КОЛ >> Е_ВР. (22)
Причем вращение молекул проявляется у веществ только в газообразном состоянии. Изменения электронной энергии молекул соответствуют поглощению или излучению электромагнитных волн ультрафиолетового (УФ) и видимого диапазона, такие спектры называют линейчатыми. Изменения колебательной энергии соответствуют инфракрасным (ИК) излучениям, а изменения вращательной энергии - излучениям в далекой ИК и микроволновой областях частот.

Изменения Е_КОЛ и Е_ВР сопровождаются изменениями электронной энергии молекул Е_ЭЛ. Поэтому в микроволновом и ИК диапазонах частот спектры веществ представляют собой группы близко расположенных спектральных линий. Эти группы линий называют полосами поглощения (излучения), а спектр называют полосатым. Каждый тип молекулы имеет индивидуальный, характерный только для нее, набор частот поглощаемых (излучаемых) электромагнитных волн. Этот набор частот называют молекулярным спектром вещества.

Имея график зависимости поглощения (излучения) электромагнитных волн смесью веществ от частоты этих волн, можно определить наименования входящих в смесь веществ. Для случая поглощения волн этот график описывается законом Бугера - Ламберта – Бера [4]:

, (23)
где I(ν) - зависимость интенсивности электромагнитного излучения на выходе из исследуемой смеси от частоты излучения ν; I₀(ν) - интенсивность излучения на входе в исследуемую смесь; l - длина хода лучей в смеси; i - номер вещества исследуемой смеси; N - количество веществ в смеси; β_i(ν) - коэффициент поглощения излучения i-м газом; C_i- концентрация i-го газа.

Графики β_i(ν) приводятся в специальной справочной литературе. l и I₀(ν) обычно заранее известны. Поэтому для спектрального анализа состава сложных смесей веществ необходимо экспериментально получить график I(ν). По этому графику определяется наименование входящих в смесь N веществ. Имея N значений I(ν_i), получаем систему N уравнений вида 23 с N неизвестными C_i. Решение данной системы уравнений полностью характеризует состав исследуемой смеси веществ.
Приборы для молекулярной абсорбционной спектроскопии
Газы, молекулы которых состоят из одинаковых атомов (O₂, N₂ и т.д.), не поглощают электромагнитные волны ИК диапазона. Это объясняется тем, что такие молекулы имеют нулевой дипольный момент. Измерение концентрации таких газов осуществляется приборами, работающими в УФ диапазоне длин волн.




Рис. 33. Схема простейшего спектрального прибора
Простейший спектральный прибор изображен на рис. 33. Он включает: источник излучения ИИ, устройство для выделения излучения нужного интервала длин волн (монохроматор или светофильтр) Ф, кювету с исследуемой газовой смесью, преобразователь излучения в электрический сигнал (приемник излучения) ПИ, преобразователь сигнала ПС, индикатор сигнала И.

Работает прибор следующим образом. Источник излучения ИИ формирует поток лучей I₀(ν) широкого спектрального интервала. Устройство для выделения излучения Ф пропускает излучение I₀(ν_i) узкого спектрального интервала с частотой ν_i, которая совпадает с полосой поглощения излучения определяемым газом анализируемой газовой смеси. При наличии в смеси анализируемого газа часть излучения I₀(ν_i) будет поглощено. С выхода кюветы на вход приемника излучения ПИ поступит излучение I(ν_i), которое преобразуется в пропорциональное ему напряжение U_i. При условии поглощения излучения на частоте ν_i только определяемым газом смеси и постоянстве интенсивности излучения I₀(ν_i) во времени из выражения 23 концентрация определяемого газа C_i может быть определена как
, (24)
где U₀ – постоянное электрическое напряжение, пропорциональное интенсивности потока излучения I₀(ν_i).

Устройство для выделения излучения Ф может располагаться до или после кюветы, либо быть совмещено с источником излучения или приемником.

В качестве источников УФ излучения применяют газонаполненные лампы. Это газоразрядные трубки выполненные из кварцевого стекла. Они наполнены газом под высоким давлением. В зависимости от типа газа наиболее интенсивно излучение с определенной длиной волны.

В зависимости от способа выделения нужного интервала УФ длин волн различают два класса абсорбционных приборов: спектрофотометры и фотометры. В спектрофотометрах используют призмы и дифракционные решетки, а в фотометрах - светофильтры.




Рис. 34. Двухканальная схема спектрального прибора
Предполагаемое при выводе выражения 24 условие I₀(ν_i) = const в реальности не выполняется из-за зависимости интенсивности излучения от температуры окружающего воздуха. Для устранения этой зависимости большинство спектроскопических приборов выполняются по двухканальной схеме, которая приведена на рис. 34.

В данной схеме измеряется разность коэффициентов пропускания излучения исследуемой смесью и смесью сравнения, пропорциональную концентрации анализируемого компонента. Оптическая плотность смеси сравнения принята за нуль. Кювету с исследуемой смесью называют рабочей, а со смесью сравнения - кюветой сравнения. Основные требования к этим кюветам - их идентичность и прозрачность в используемой спектральной области. Для работы в УФ- диапазоне длин волн обычно кюветы изготавливают из кварца.

В качестве приемников УФ излучений применяют Sb-Cs и O-Cs фотоэлементы, а также фотоэлектронные умножители.

Большинство газов наиболее сильно поглощают электромагнитные волны ИК диапазона. Структурная схема приборов для работы в ИК диапазоне идентична приведенной на рис. 34. Источниками ИК излучений являются разогреваемые электрическим током тела: спираль из нихрома, глобар и т.д. Используемые для выделения требуемого спектрального интервала дифракционные решетки, как правило, являются отражательными. Призмы и окна кювет выполняются из прозрачных в ИК диапазоне кристаллических материалов: LiF, CaF₂, Ge, NaCl и т.д. Светофильтры могут быть выполнены из твердых материалов, например, интерференционные в виде системы пленок, нанесенных на прозрачную в ИК области подложку. Применяются также газовые фильтры. Это кювета, наполненная прозрачными в требуемой области спектра газами. Приемники ИК излучения также могут быть твердыми и газонаполненными. В твердых приемниках ИК излучение нагревает приемную площадку. При этом меняются ее свойства: электрическая проводимость фоторезистора, электродвижущая сила термобатареи, заряд на обкладках пироэлектрических кристаллов и т.д.



Рис. 35. Схема оптико-акустического газоанализатора
Приборы с газонаполненным приемником называют оптико-акустическими газоанализаторами. Схема прибора для измерения концентрации газа в смеси (газоанализатора) с оптико-акустическим приемником приведена на рис. 35.

Основа такого прибора - оптико-акустический приемник ПИ, представляющий собой две разделенные мембраной микрофона камеры, которые заполнены идентичным определяемому газом. Эти камеры снабжены прозрачными для ИК излучения окнами. В одно окно поступает излучение из рабочей кюветы I(ν_i), а в другое - из кюветы сравнения I⁰(ν_i). Причем эти излучения имеют импульсный характер, так как они периодически перекрываются механическим модулятором М. При отсутствии измеряемого газа в рабочей кювете потоки излучения в камерах идентичны. Поглощение излучения, а следовательно - разогрев и изменение давления газов в камерах приемника одинаков. Мембрана микрофона неподвижна. При попадании в рабочую кювету анализируемого газа равновесие нарушается. Микрофон начинает вырабатывать электрический сигналU⁰_i- U_i. Этот сигнал через усилитель УС поступает на индикатор И.

Достоинством оптико-акустических газоанализаторов является их простота (не требуется светофильтр). Недостатки - чувствительность приборов к вибрациям и сложность предотвращения утечек газов из приемника.

Для определения макроконцентраций газов возможно применение универсальных спектрофотометров [4], которые позволяют получить спектр поглощения излучения анализируемой смеси. Схема типового спектрофотометра представлена на рис. 36. Прибор содержит источник ИИ широкополосного излучения I₀(ν), которое поступает на призму ПР, осуществляющую разложение излучения на спектр. Излучение I₀(ν_i) требуемой частоты ν_i выделяется при помощи щелевой диафрагмы Щ. Изменение частоты ν_i производится путем изменения угла установки призмы ПР, либо перемещением щелевой диафрагмы Щ. Излучение узкого спектрального интервала I₀(ν_i) проходит через кювету с исследуемым образцом газовой смеси. С выхода кюветы не поглощенное исследуемой газовой смесью излучение I(ν_i) поступает на вход преобразователя излучения в электрический сигнал ПИ. Напряжение U_i с выхода ПИ передается на регистрирующий прибор РП. Спектр представляется в виде графика зависимости пропускания Т излучения через образец смеси от длины волны ν этого излучения.



Рис. 36. Схема спектрофотометра



Люминесценция и анализ состава газов
Люминесценцией называют процесс излучения электромагнитных колебаний веществом при переходе его молекул из возбужденного (более высокого) энергетического состояния в основное. При этом каждое вещество имеет свой, характерный только для него, эмиссионный спектр. Перевод молекул вещества в возбужденное состояние осуществляется воздействием на него УФ, видимого или рентгеновского излучения. Также возможно возникновение люминесценции при химической реакции. Это явление называют хемилюминесценцией.

Схема аппаратуры для проведения люминесцентного анализа приведена на рис. 37 [17]. Она содержит источник возбуждения ИВ исследуемого вещества, который генерирует излучение I₀(ν), устройства выделения спектральных интервалов возбуждающего I₀(ν_i) (СП₁) и возбужденных I(ν_i) (СП₂) излучений, приемник возбужденного излучения I(ν_i) (ПИ), электронную схему ЭС и индикатор И.

Для возбуждения люминесценции используют ртутно-кварцевые, ксеноновые и другие лампы УФ излучения. В качестве реагента для хемилюминесценции наиболее распространен озон О₃. Его получают, пропуская через воздух электрический разряд. Данный вид хемилюминесценции применяется для измерения микроконцентраций окислов азота и серы в воздухе.



Рис. 37. Схема аппаратуры для проведения люминесцентного анализа
В оптических приборах для измерения люминесценции используют два устройства выделения спектрального интервала. Одно из них служит для выделения полосы излученияI₀(ν_i) (СП₁), возбуждающего анализируемый газ, второе I(ν_i) (СП₂) - для выделения нужной длины волны из спектра люминесценции.

Для преобразования люминесцентного излучения в электрический сигнал в качестве приемника излучения ПИ используют фотоумножители и счетчики фотонов.
Атомно-эмиссионная спектроскопия
Метод атомно-эмиссионной спектроскопии основан на испускании квантов электромагнитного излучения возбужденными атомами. Возбуждение атомов происходит при столкновениях с частицами плазмы, дуги или искры/ В отличие от молекул атом не имеет колебательных и вращательных подуровней. В нем возможны только электронные переходы. Поэтому атомный спектр состоит из отдельных спектральных линий видимого и ИК диапазонов. Интенсивность линий зависит от числа возбужденных атомов, то есть от их концентрации в анализируемой смеси. В зависимости от способа возбуждения атомов выделяют эмиссионную фотометрию пламени и атомно-эмиссионный спектральный анализ с электротермическим возбуждением.

Метод эмиссионной фотометрии пламени основан на измерении интенсивности излучения, испускаемого атомами и молекулами, возбуждаемыми в пламени. Пламя образуется при сгорании различных веществ (H₂, C₂H₂,C₃H₈) в окислителях (О₂, воздух). Температура пламени не превышает 1700 - 3000^оС, что достаточно для анализа легковозбудимых атомов [17]. Типовой фотометр, реализующий метод эмиссионной фотометрии пламени, изображен на рис. 38. Он включает: горелку Г, в которую подается горючая смесь и анализируемый газ; монохроматор (устройство для выделения излучения требуемых спектральных интервалов СП); фотоэлемент (приемник излучения ПИ) и индикаторное устройство И.

Е


Рис. 38. Схема реализации метода эмиссионной

фотометрии пламени


Рис. 39. Электроды
сли для возбуждения атомов энергии пламени недостаточно, то используют дуговые и искровые электротермические источники. Дуга возникает при пропускании через исследуемую газовую смесь постоянного или переменного тока 1 -30 А при напряжении около 200 В. Для получения искрового разряда к паре электродов, изображенных на рис. 39, подводят напряжение до 40 кВ. Разряды повторяются с частотой до 120 Гц. Электроды обычно изготавливают из графита, спектр которого беден линиями. В пространстве между электродами при дуговом и искровом разрядах образуется плазма. Она состоит из атомов, ионов и свободных электронов с температурой 4000 - 5000 К в дуге и до 40000 К в искре.
Атомно – абсорбционная спектроскопия
Метод атомно-абсорбционной спектроскопии основан на поглощении электромагнитного излучения атомами вещества в газо- и парообразном состоянии. В данном методе сигнал получают от невозбужденных атомов. Поэтому для атомизации анализируемой смеси подходят такие источники энергии, которых хватает для распада вещества на атомы, но не для возбуждения атомов. Этим требованиям удовлетворяют пламенные и электротермические атомизаторы.

Пламенные атомизаторы представляют собой горелки, аналогичные представленным на рис. 38, которые используются в атомно-эмиссионной спектроскопии. В качестве электротермических атомизаторов используют высокотемпературные печи специальной конструкции с температурой до 3000^оС. Для измерения концентраций паров металлов (например, свинца) в качестве источника излучения используют лампы с полым катодом, выполненным из определяемого материала. В этом случае метод позволяет определять ультрамикроконцентрации паров металлов в воздухе. Структура построения приборов и остальная аппаратура аналогичны изображенным на рис. 33, 34, которые используются в методах абсорбционной молекулярной спектроскопии для УФ диапазона.
Фотометрическийметод анализа
Фотометрический метод анализа включает химическое преобразование определяемого вещества в окрашенное соединение. Интенсивность окраски как правило жидкого соединения зависит от исходной концентрации анализируемого компонента газовой смеси. Поэтому последующее измерение оптической плотности полученного раствора позволяет определить исходную концентрацию анализируемого компонента газовой смеси. Наличие большого количества избирательных химических реакций, простота, доступность и надежность требующейся аппаратуры, высокая чувствительность и производительность делают этот метод особенно удобным для широкого использования при проведении серийных анализов проб, отобранных из воздуха.

Ш


Рис. 40. Фотоколориметр КФК-3
ирокое распространение получили двухлучевые фотоколориметры ФЭК-56, ФЭК-56М, выполненные по схеме, аналогичной приведенной на рис. 34. В последнее время широкое распространение получили однолучевые фотоколориметры КФК-2, КФК-2МП и КФК-З, метрологические характеристики которых лучше, работа с ними проще и, как правило, они могут заменить прибор ФЭК-56М. Схема этих фотоколориметров аналогична приведенной на рис. 33, а внешний вид фотоколориметра КФК-3 представлен на рис. 40. Следует отметить, что при использовании фотоколориметра иной марки, чем это указано в нормативных документах по анализу содержания в воздухе загрязняющих веществ, необходимо произвести подбор параметров светофильтра, используемого для выделения частоты зондирующего излучения. Способ подбора описан в инструкции к каждому фотоколориметру. Применение вместо фотоколориметров спектрофотометров в ряде случаев дает возможность улучшить качество измерений, однако их стоимость обычно существенно выше. Поэтому для проведения серийных анализов использование спектрофотометров в большинстве случаев не оправдано.

Возможность достаточно точной настройки на нужную длину волны света, относительно невысокая стоимость, небольшая масса и габариты удачно сочетаются в фотометре КФК-З. Этот прибор имеет к тому же проточную кювету и предоставляет возможность вывода на встроенный дисплей или печатающее устройство результатов измерения сразу в единицах концентрации. Все это делает КФК-3 особенно удобным для проведения серийных анализов. Фотометры с автоматической подачей проб, установленных в специальные кассеты, снижают затраты труда по проведению анализа. При их использовании производительность повышается до 100 и более анализов подготовленных проб в час. Однако из-за высокой стоимости такие приборы целесообразно применять в лабораториях с большим объемом работ.