СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ГАЗОВОЙ СМЕСИ
METHOD OF DETERMINING COMPOSITION OF GAS MIXTURE

Изобретение относится к эмиссионному спектральному анализу, конкретно к способу определения состава газовой смеси.
Может быть использовано для определения состава различных газовых сред, контроля чистоты атмосферы, а также в различных других областях науки и техники, в которых применяется свечение газов.
Известны способы определения состава газов эмиссионным анализом, в которых возбуждение свечения газовой смеси в рабочей ячейке осуществляется при помощи электрического разряда между угольными или металлическими электродами, находящимися под высоким напряжением (Райзер Ю.П. Физика газового разряда. 2-е изд. М.: Наука, 1992, 536 с.). К недостаткам данных способов можно отнести сложность оборудования, необходимость обеспечения стабильности подводимого электрического напряжения и стабильности разряда, требующая регулировки сгорающих в процессе разряда электродов, большое энергопотребление.
2
Известен также способ определения состава газа на основе акустолюминесценции (Патент SU №1221556, G01N 21/68, 1986). По этому способу возбуждение свечения газов осуществляется при помощи пластинки пьезоэлектрического монокристалла, через которую проходит ультразвуковая волна. Данную пластинку помещают в газовую среду. Для возбуждения ультразвуковой волны к монокристаллу прикладывают напряжение, частота которого, с целью оптимизации условий возбуждения ультразвука, подбирается в соответствии с механическим резонансом по толщине пластинки. Частота возбуждения ультразвука находится в пределах 3-15 МГц. Акустические волны возбуждаются за счет собственного пьезоэффекта в кристаллах. Окружающий монокристалл газ светится при достижении мощности ультразвука 2-5 Вт/см.
К недостаткам данного способа можно отнести сложности выращивания монокристалла и трудности качественного нанесения электродов на поверхность пьезоэлектрического кристалла.
Известен способ определения состава газа и устройство для его осуществления, содержащее металлооксидный каталитический термохимический сенсор, в конструкцию которого входит газочувствительный каталитический металлооксидный композиционный слой, нагреватель, подключенный к стабилизатору температуры по мостовой схеме, и программируемая логическая интегральная схема для проведения процесса нагрева и охлаждения газочувствительного каталитического металлооксидного слоя сенсора. Устройство дополнительно содержит управляемый источник фотовозбуждения, конструктивно сопряженный с сенсором, способный облучать газочувствительный каталитический металлооксидный слой, и оптически совмещенный с ним. Способ осуществляют следующим образом. Металлооксидный каталитический термохимический сенсор циклически нагревают с двумя разными скоростями и измеряют текущие значения тепловой мощности нагревателя, температуры и проводимости газочувствительного слоя в газовых смесях, содержащих заранее не известные газы при наличии фотовозбуждения, синхронизованного с циклами нагрева. Измеренные величины обрабатывают численными методами на компьютере, находят энергии активации и температуры особых точек и сравнивают их с эталонными данными калиброванных газовых смесей, заранее измеренными, и при их совпадении распознают состав газовой смеси (патент РФ 2209425, МПК G01N 27/12).
Недостатком данного способа является сложность и высокая стоимость как самого сенсора, так и устройств сопряжения с источником фотовозбуждения, а также чтения и обработки сигналов.
Известен способ определения состава газа путем измерения сигнала мультисенсорной системы вида «электронный нос», состоящей из набора химических сенсоров, включающий использование методов распознавания образов, обрабатывающих мультисенсорный сигнал. Процесс идентификации газовой смеси включает на первом этапе калибровку сигнала мультисенсорной системы в газовых смесях известного состава и формирование «базы данных», состоящей из обработанных техникой распознавания образов мультисенсорных сигналов на воздействие калибровочных газовых смесей. В режиме эксплуатации прибора, при воздействии неизвестной газовой смеси или добавки в известную смесь, устройство проверяет с помощью техник распознавания образов соответствие мультисенсорного сигнала на неизвестный газ калибровочным данным, хранящимся в «базе данных», и идентифицирует его (Gardner J.W. A brief history of electronic noses / J.W.Gardner, P.N.Bartlett // Sensors & Actuators B. - 1994. - V.18. - 1-3. - P.211-221).
Для увеличения селективности мультисенсорного сигнала набор сенсоров формируют, как правило, из датчиков различного типа, в результате чего такие устройства имеют ряд существенных недостатков: высокую стоимость, сложные схемы сопряжения сигналов разного типа от различных типов сенсоров, достаточно большие габариты и массу и соответствующие трудности для массового производства таких приборов.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является модернизация способа определения состава газовой смеси, с целью уменьшения энергозатрат, упрощения используемой аппаратуры и процедуры анализа, уменьшения его трудоемкости.
Поставленная задача решается тем, что способ определения состава газа включает возбуждение свечения газов и регистрацию интенсивности и спектрального состава свечения, при этом для возбуждения свечения газовой смеси в рабочей ячейке используется механическое воздействие на кристаллы веществ, отобранных по триболюминесцентным свойствам и помещаемых в ячейку. Предлагается использовать кристаллы сульфата церия и сахара, как одни из наиболее ярко светящихся при механическом воздействии, среди известных по этому свойству материалов (I.Sage, G.Bourhill. J.Mater. Chem. 2001. V.11. P.2312.). Использование сульфата церия является предпочтительным вследствие более высокой интенсивности триболюминесценции, а сахар - наиболее дешевый и легкодоступный материал.
Согласно предлагаемому способу, не требуется подвода электрического напряжения в рабочую ячейку, нет необходимости в выращивании и вырезании специальных пластинок из монокристаллов, не используется высокочастотный генератор сигналов для получения ультразвуковых колебаний, так как свечение анализируемого газа возникает вследствие механического воздействия на кристаллы. Отпадает необходимость использования сложных сенсоров, дополнительного оборудования для их калибровки и обработки сигналов. Отсутствуют сложные процедуры анализа и контроля за стабильностью аппаратуры.
Практическая реализация предлагаемого способа в условиях эксперимента осуществлялась следующим образом.
Для возбуждения триболюминесценции на дно ячейки помещали навеску кристаллов сульфата церия или сахара 200-300 мг, растирали при 800-1200 об/мин по дну кюветы 4-лепестковой мешалкой, изготовленной из фторопластовой трубки диаметром 3 мм. Спектры свечений регистрировали при помощи спектрофлуориметра Aminco-Bowman J4-8202 или спектрофлуориметра на базе монохроматора МДР-23. Детектором света при использовании Aminco-Bowman служил фотоэлектронный умножитель Hamamatsu R3896, а для МДР-23 - ФЭУ-100. В спектрах триболюминесценции при напуске газов (Ar, Не и др.) наблюдаются линии этих газов. Линии аргона в диапазоне длин волн 650-850 нм (фиг.1), гелия при 420-700 нм (фиг.2) и азота 290-450 нм (фиг.3) хорошо согласуются с литературными данными и совпадают с линиями этих газов, наблюдаемыми при электрическом разряде в газах (Зайдель А.Н., Прокофьев В.К., Райский С.М. Таблицы спектральных линий. М.: ГосТехИздат, 1952, 560 с.; Loftus A., Krupenie P.H. The Spectrum of Molecular Nitrogen // Journal of Physics and Chemistry Reference Data. V.6, №1. 1977).
Устройство для анализа газовой смеси изображено на фиг.4. Для возбуждения свечения газов - триболюминесценции - в металлическую ячейку (1) с кварцевым окошком на дне (2) помещают кристаллы, которые растираются на дне ячейки при помощи мешалки из фторопласта (3), вращаемой электродвигателем (4). Ячейка плотно закупорена резиновой пробкой (5). Газ подается в ячейку при помощи трубки (6), подведенной непосредственно к слою кристаллов. Свечение газа, окружающего кристаллы, анализируется стандартной аппаратурой: монохроматором (7), детектором света (8) и компьютером (9).
Примеры осуществления способа
1. На фиг.5 представлен спектр триболюминесценции сульфата церия при напуске смеси аргона с гелием. Для возбуждения триболюминесценции на дно металлической ячейки (1) (фиг.4) помещали 200 мг кристаллов сульфата церия и растирали их (при скорости мешалки 1200 об/мин) по дну кюветы. Напуск смеси газов производился с помощью трубки (6) (фиг.4). Из фиг.5 видно, что в спектре триболюминесценции смеси газов ряд линий в интервале длин волн 490-670 нм соответствуют излучению атома гелия, а более интенсивные линии (670-800 нм) принадлежат атому аргона.
2. На фиг.6 представлен спектр триболюминесценции сахара при напуске смеси аргона с азотом. Для возбуждения триболюминесценции на дно металлической ячейки (1) (фиг.4) помещали 300 мг сахара, растирали при скорости вращения мешалки 800 об/мин. Смесь газов подавали с помощью трубки (6) (фиг.4). В спектре низкого разрешения (фиг.6) лини молекул азота наблюдаются в виде общего континуума в интервале длин волн 290-450 нм, остальные линии (670-800 нм) принадлежат атому аргона.
Предлагаемое техническое решение позволяет достаточно просто произвести анализ смеси газов за счет снижения энергозатрат, упрощения конструкции аппаратуры, используемой для возбуждения свечения газовых смесей, и процедуры анализа, уменьшения его трудоемкости.