CC BY
3
УДК 621
Кувшинов Н.Е.
инженер научно-исслед. лаборатории «ФХПЭ» Казанский государственный энергетический университет
Россия, г. Казань
СПЕКТРАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ (СУВР)
Аннотация. СУВР позволяет регистрировать спектры поглощения газовых образцов при температурах 200-800 К с разрешением А = 0,06-0,2 см-1.
Ключевые слова: СУВР, высокое разрешение, многоходовая кювета
Kuvshinov N.E., engineer laboratory "FHPE" Kazan State Power Engineering University
Russia, Kazan
SPECTRAL INSTALLATION OF HIGH-PERMISSION (SUVR)
Annotation. The SUVR allows recording the absorption spectra of gas samples at temperatures of200-800 K with a resolution of A = 0.06-0.2 cm-1.
Keywords: HRC, high resolution, multi-pass cuvette
СУВР позволяет регистрировать спектры поглощения газовых образцов при температурах 200-800 К с разрешением А = 0,06-0,2 см-1.
Блок-схема экспериментальной установки показана на рис. 4. Излучение от осветителя (1) при помощи зеркальной оптической приставки (2) направляется в кювету (3), установленную на входе растрового спектрометра Жирара (4). Спектрометр позволяет измерять спектры с разрешением до 0,06-0,2 см-1 в области 1-40 мкм. Прошедшее через него излучение при помощи оптической приставки (5) направляется в кювету (6), установленную на выходе спектрометра и записывается на диаграммной бумаге приемно-регистрирующей системой (7). Электронная аппаратура «Прогресс» (8) позволяет независимо записывать спектры на магнитной ленте и вводить их в ЭЦВМ БЭСМ-4. В установку также входят система интерференционного контроля сканируемой длины волны (9), вакуумно-дозирующая система (10), система обогрева и контроля температуры кювет (11).
Моделирование исследуемых образцов смеси газов проводится в кюветах с оптическими путями 0,2-3, 10, 15, 30, 72 см и 2-40 м. Многоходовая кювета (МХК) собрана по схеме Уайта на сферических зеркалах и имеет внутренний электрический обогрев, позволяющий повысить температуру газа до 800 К. Электрическая печь смонтирована между зеркалами МХК в теплоизоляционном кожухе. На торцах печи поставлены отражающие диафрагмы. Температура вдоль оптического пути контроли-руется шестью термопарами. Расположение обогревателей обеспечивает однородное поле температуры вдоль оптического пути. Конструкция МХК выполнена таким образом, что при давлениях Р < 1 атм и температуре газовой смеси Т = 800 К температура окон кюветы равна комнатной, а температура корпуса кюветы не превосходит С.
Для получения больших концентраций паров Н2О МХК имеет внешний электрический обогрев, позволяющий повысить температуру корпуса кюветы до С. Для исключения конденсации паров Н2О все подводящие трубопроводы, стрелочные манометры и вентили подогреваются. Оптическая часть светосильной МХК (6), установленной на выходе спектрометра, согласована с оптической частью растрового спектрометра и выполнена по схеме Уайта с базой Ь = 0,5 м. Корпус кюветы изготовлен из нержавеющей стали и имеет внутренний и внешний электрический подогрев.
Ш
т
А
Рис. 1 Внешний вид спектральной установки высокого разрешения: 1 - растровый спектрометр; 2 - подогревная многоходовая газовая кювета; 3 - подогревная кювета; 4 - фотометрическая платформа; 5 -интерферометр Фабри-Перо; 6 - система цифровой регистрации «Прогресс»; 7 - регистрирующая система
" м Н <7 П ~ Л 71 Г> 71 Г
Рис. 2 Спектрограмма излучения водородно-кислородного пламени при Т = 2300 К в области спектра 1,1-4 мкм
Рис. 3. Спектрограмма излучения водородно-кислородного пламени в области 2,7-5 мкм с добавкой СО2 в качестве исследуемого газа; Т-2000К
Рис. 3 Спектрограммы поглощения водяного пара в различных участках спектра при уширяющем давлении = 1 атм
Установка МХК за спектрометром позволяет исключить погрешности измерений спектров поглощения, которые обусловлены собственным излучением окон кюветы и исследуемого газа при температурных измерениях.
Кроме описанных МХК нами разработан ряд малых подогревных кювет постоянной и переменной длины Ь = 0,2-72 см. Охлаждаемая кювета позволяет производить измерения при Т > 197 К.
Система цифровой регистрации спектров «Прогресс» позволяет записывать сигнал в цифровом двоичном коде на магнитную ленту с помощью накопителя, собранного на базе магнитофона «Тембр-2». Плотность цифровой записи постоянна и составляет 10 выборок в секунду. Записанные на магнитную ленту спектры с помощью воспроизводящего магнитофона, согласующего и буферного устройств вводятся для обработки на ЭВМ БЭСМ-4.
Откачка спектрометра, дозировка и очистка исследуемых образцов газовых смесей выполняются с помощью вакуумно-дозирующей системы.
Давление в кюветах контролируется с помощью ртутного манометра (при Р = 1 атм) с нониусной шкалой отсчета (с погрешностью ±0,00005 атм), стрелочными манометрами с различными предельными давлениями, масляными манометрами, ионизационно-термопарным вакуумметром ВИТ-2П. Парциальное давление водяного пара измеряется манометрами методом насыщенного давления с контролем температуры парогенератора
с погрешностью ±0,5 К, по точке росы. С целью ликвидации остаточного поглощения атмосферными газами все объемы вне кювет герметизированы и продуваются осушенным азотом или откачиваются. Корпус спектрометра откачивается до давления 0,1 мбар и перед измерениями наполняется осушенным азотом. Остаточные следы водяного пара вымораживаются с помощью азотной ловушки.
Изображение излучателя МХК переносится зеркальной оптической системой и проектируется на плоском зеркале фотометрической платформы (ФМП) с увеличением М = 1. ФМП имеет ИК излучатель для малых газовых кювет и монохроматический излучатель для настройки аппаратурного комплекса. Смена излучателей осуществляется поворотом ФМП. Интерферометр Фабри-Перо, МХК и ее оптические приставки, ФМП установлены на общем монтажном стенде и имеют микрометрические подвижки во всех направлениях для точной юстировки.
Рис. 4 Блок-схема экспериментальной установки высокого разрешения
Прошедшее через кюветы излучение регистрируется растровым спектрометром высокого разрешения. Сканирование спектра проводится путем разворота дифракционных решеток, работающих в первом и втором порядках. Рабочий порядок дифракционной решетки выделяется интерференционными светофильтрами. Спектрометр и кюветы снабжены наборами сменных растров, входных и выходных окон, линзовой оптикой, охлаждаемыми азотом и жидким гелием и неохлаждаемыми приемниками ИК излучения, дифракционными решетками, светофильтрами, позволяющими проводить количественные исследования спектров поглощения атмосферных газов при разрешении А = 0,06-0,2 см-1 в спектральной области 1-40 мкм.
Система интерференционного контроля с интерферометром Фабри-Перо позволяет регистрировать волновое число сканируемого спектра с погрешностью ±0,005 см-1, а приемно-регистрирующая система обеспечивает автоматическую запись сигнала с погрешностью не более 1 %.
Градуировка спектров поглощения выполняется по эталонным линиям атмосферных газов с помощью интерферометра Фабри-Перо, сигнал от которого записывается одновременно с регистрируемым спектром двухканальным самописцем.
На рис. 1 представлен внешний вид СУВР, а на рис. 3 - пример записи спектра поглощения водяного пара. С помощью СУВР нами были выполнены обширные исследования спектров высокого разрешения атмосферных газов, которые были использованы для определения параметров линий при различных температурах.
Использованные источники:
1. Мисбахов Р.Ш., Мизонов В.Е. Ячеечная модель фазового перехода в сферической капле при охлаждении. // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2015. Т. 58. № 8. С. 71-74.
2. Лаптев А.Г., Мисбахов Р.Ш., Лаптева Е.А. Численное моделирование массопереноса в жидкой фазе барботажного слоя термического деаэратора. // Теплоэнергетика. 2015. № 12. С. 76.
3. Шуина Е.А., Мизонов В.Е., Мисбахов Р.Ш. Влияние поперечной неоднородности потока газа на кривую разделения гравитационного классификатора. // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2015. № 5. С. 60-63.
4. Литвиненко Р.С., Павлов П.П., Гуреев В.М., Мисбахов Р.Ш. Выбор альтернативного варианта разрабатываемого транспортного средства с использованием метода анализа иерархий. // Транспорт: наука, техника, управление. 2015. № 2. С. 21-25.
