Analizadores de Concentración de Gases por Radiación Infrarroja

Transcripción

1 LIRA Analizadores de Concentración de Gases por Radiación Infrarroja Introducción LIRA son el nombre comercial de una línea de analizadores de concentración de gases por método de radiación infrarroja, fabricado por la empresa M.S.A. Cuando se diseño el primer analizador, se pensó en aplicaciones en la minería, de hecho las primeras series de fabricación eran destinadas a detectar gases tóxicos o explosivos en la industria minera. Paulatinamente se comenzó a usar en la industria para diferentes aplicaciones. Hoy en día existe una variada gama de modelos ajustados para cada necesidad. Leyes fundamentales que rigen el funcionamiento de los dispositivos LIRA LEY DE BOUGUER : Establece que cuando un haz paralelo de radiación monocromática penetra en un medio absorbente perpendicularmente al plano, cada capa infinitesimal del medio, disminuye La intensidad del haz en forma exponencial. K b = Log ( Io / I) Kb = f ( long. de onda, concentración del haz) I = Intensidad del haz, b = espesor. LEY DE BEER: Enuncia en términos similares a la ley de Bouguer, es decir que cuando un haz paralelo de radiación monocromática penetra en un medio absorbente perpendicularmente al plano, cada capa infinitesimal del medio, disminuye la intensidad del haz pero en forma : Kc = Log (Io / I) Kc = f ( long de onda, espesor del material )

2 Io = intensidad inicial del haz Las dos leyes se combinan en la siguiente : Log ( Io / I ) = A. B. C A = Cte dependiente de la longitud de onda B = Espesor C = Concentración ESPECTROSCOPIA INFRARROJA. La región ULTRAVIOLETA presenta para la mayoría de los compuestos, pocos picos de absorción. Los INFRARROJOS en cambio proporcionan numerosas bandas de absorción. La región IR comprende la radiación de 2,5 a 15 micrones. Cuando la radiación IR incide sobre una sustancia, existen dos clases de movimientos de las moléculas, estiramiento y deformación de los átomos que conforman la molécula. CUANDO LA LUZ INFRARROJA DE UNA MISMA FRECUENCIA INCIDE EN UNA MOLECULA, SE PRODUCE ABSORCION DE ENERGIA, POR LO QUE LA AMPLITUD DE LA ABSORCION AUMENTARA CON EN AUMENTO DE INTENSIDAD DE RADIACION, LO QUE PRODUCIRA GENERACION DE CALOR. En un gráfico de transmitancia VS longitud de onda de radiación incidente queda definido un espectro que será UNICO para cada tipo de sustancia. La transmitancia ( 1/ absorbancia ) será menor en los gases, es decir en un gas la radiación penetra mas que en sustancias sólidas o liquidas. La fuente de luz monocromática se logra con lamparas especiales lampara de NERNST, Con la ayuda de espejos dicroicos para lograr luz monocromática. Espectrofotómetros Infrarrojos Para hacer mediciones en el infrarrojo, en longitudes de onda por encima de 3 o 4?m, es necesario efectuar varios cambios en la construcción de los espectrofotómetros ordinarios. Estos cambios se deben a que muchas sustancias,

3 como el vidrio y el cuarzo, absorben en la región infrarroja del espectro y las fotoceldas no responden en esta región. La mayoría de los espectrofotómetros para el infrarrojo utilizan espejos de cara frontal reflejante en lugar de lentes. De esta manera se evita que la energía tenga que pasar a través del vidrio, cuarzo, u otro material análogo. Además, sería difícil o imposible construir lentes que lograran enfocar los rayos de tan amplia escala de longitudes de onda del infrarrojo en un punto. Los espejos parabólicos reflejan energía de toda clase de longitudes de onda en un punto y la reflexión de la mayoría de las superficies metálicas es muy eficiente en la región infrarroja. Para dispersar la energía se usan redes y prismas. Los materiales más utilizados para la región infrarroja son los que figuran en la tabla siguiente: Material Intervalo de Transmisión Región mas adecuada en el infrarrojo Cuarzo ?m ?m Fluoruro de Litio ?m 1 5?m Fluoruro de Calcio ?m 3 8.5?m Cloruro de Sodio ?m 8 15?m Bromuro Potásico ?m 19 28?m CsBr ?m 25 40?m El Cloruro de Sodio es el material más frecuente para los prismas y se usa en el intervalo de 2 15?m. FUENTE DE EMISIÓN INFRARROJA Lámpara de Nernst: Esta lámpara es preferida en radiación infrarroja porque opera en el aire sin necesidad de ampolla. Es una pequeña barra hueca de oxido de circonio, itrio, torio. Tiene coeficiente de temperatura negativo y requiere de un resistor de balasto o una fuente de corriente estabilizable. Usualmente se pone en marcha colocando junto a ella un calentador de hilo de platino enrollado que puede ser desconectado por un relé cuando la propia lampara llegue a calentarse lo suficiente para conducir la electricidad. Una NERNST de 2,5cm de largo y 1mm de diámetro alcanza temperaturas en el aire de1900?c operando a 76 volts y 1,2 amperes. En la región próxima a 3? de longitud de onda emite alta cantidad de radiación. DETECTORES SENSIBLE A LA ENERGÍA RADIANTE INFRARROJA

4 Como elemento receptor de la radiación infrarroja se puede utilizar termocuplas, bolómetros, celdas fotoconductoras, o termistores, ya que las fotoceldas no son sensibles en esta región del espectro. El elemento receptor elegido debe ser sumamente sensible, ya que la energía media del haz dispersado es muy pequeña, el sensor debe ser capaz de detectar diferencias de ?C para que la precisión de la medida de la energía sea de un 0.5%. El elemento se encierra en un recipiente sometido a un alto vacío. Termopares: consiste en dos alambres de diferentes metales unidos por sus extremos, si uno de los extremos está a una temperatura distinta a la del otro, se origina una fuerza electromotriz y circula una pequeña corriente. Como la energía radiante debe ser convertida en energía calorífica, ordinariamente las uniones se recubren de algún material negro. El termopar es muy útil en la región del Infrarrojo donde es fácil la transformación de la energía radiante en energía calorífica. La resistencia interior del termopar es muy baja, por lo tanto la amplificación de la fuerza electromotriz es dificil. Construcción de los pares termoeléctricos : se los suele construir con los siguientes pares de metales o aleaciones: Cu-constantán Fe-constantán Pt-aleación de Pt-Rh Bi-aleación de Bi-Sb Bi-3% aleación de Bi-At-5% Sb La cantidad de ennegrecimiento en los modernos pares de respuesta rápidadebe ser la mínima para que la capacidad calorífica sea baja y la respuesta inmediata. Si es corto el tiempo de respuesta se puede entonces amplificar la salida primero cortando el haz radiante para obtener un voltaje de salida pulsante. La impedancia del termopar puede entonces adaptarse a un circuito de tubo de vacio por medio de un transformador,de modo que pueda usarse amplificadores de tubo de vacio de CA. Los termopares van encerrado dentro de un vulbo de vacio para aumentar la sensibilidad y reducir las fluctuaciones debida a la temperatura ocacionadas por conducción, cambios de presión,etc. Bolómetro: sirve para determinar la intensidad de radiación infrarroja. Para un metal, la variación de resistencia al correspondiente incremento de temperatura es del orden del 0.4 % por grado centigrado( 1?C ). Si en un puente en equilibrio de Wheatstone se usan como brazos dos laminas delgadas de platino, cuando se hace llegar energía a una de las láminas,

5 aumenta su temperatura por lo tanto aumenta su resistencia, este se desequilibra. mdiendo así la intansidad de iluminación. El bolómetro es ampliamente usado en la región del infrarojo donde es fácil convertir energía radiante en calor. Las resistencias que intervienen son de bajo valor entonces es difícil la amplificación directa de la señal. Sin embargo empleando rayos cortados puede conseguirse una corriente pulsante. Esta corriente puede ser amplificada con un amplificaador de corriente alterna. La impedancia de termistores, bolómetros y termopares es baja, por lo que la amplificación de sus salidas se vuelve dificultosa. La salida de estos elementos termosensibles es amplificada de la siguiente manera: La energía que penetra en el instrumento es, en primer lugar, cortada por un obturador rotatorio a razón de 2 a 15 veces por segundo. De esta forma la energía que incide sobre el sensor se hace pulsatoria y se obtiene una salida también pulsatoria que se acopla a través de un capacitor o de un transformador al amplificador. La señal una vez amplificada puede ser registrada y analizada. Puesto que la energía que incide de forma continua sobre el sensor solo produce una salida constante de C.C, no será amplificada, por lo que los errores producidos por energía difusa y otros efectos constantes tienden a ser eliminados. Para realizar la calibración de las escalas de longitudes de onda se utilizan diversas sustancias que tienen bandas de absorción nítidas en la región infrarroja. Por ejemplo el dióxido de carbono tiene dos bandas útiles para fines de calibración, una en 4.235?m y otra en ?m. La película de poliestireno tiene una gran cantidad de bandas de absorción conocidas con precisión. Ejemplo de un instrumento comercial: Ver figura 1. Figura 1 La radiación de la fuente, So, es cortada por el disco giratorio, G. La radiación pulsatoria es recogida por el espejo M1 y enfocada por el espejo M2 sobre la ranura de entrada, S1.

6 Las celdas de muestra se introducen en el espacio que queda entre los dos compartimentos que contienen la fuente y el monocromador. La radiación que penetra por la rendija de entrada cae sobre el espejo colimador M3, pasa por el prisma Pr, Pr + M4 vuelve al espejo colimador M3, y es dirigida a la ranura de salida S2, por el pequeño espejo M5. La longitud de onda deseada se busca haciendo girar el prisma y su espejo asociado. La banda de radiación elegida se enfoca al termopar T, por los espejos M6 y M7. El prisma se puede cambiar de modo que se puede elegir uno que dé la resolución más favorable. Instrumentos Registradores de lectura directa En estos instrumentos la radiación va dirigida alternativamente a la trayectoria de la muestra y a la de referencia y finalmente se juntan de nuevo sobre el termopar. Si la absorción no es igual en los dos caminos, se observará una salida pulsante del termopar. Esta salida es amplificada por un amplificador acoplado en C.A y utilizada para mover un dispositivo en forma de peine o un obturador variable cuyo objeto es aumentar o disminuir la intensidad del haz de referencia. La posición del peine se registra en el papel como una función de la longitud de onda o de la frecuencia y como es conocida la transmisión del peine, se obtiene una curva del porcentaje de transmisión. Cuando la transmisión que pasa por el haz de referencia y de la muestra es de igual intensidad, resultará una salida constante del detector de radiación, la cual no será amplificada por el amplificador de C.A. Ver figura 2. En el diagrama se puede ver que los dos haces de la fuente pasan por las dos celdas, y luego, después de haber sido alternadas en el tiempo por el interruptor, pasan al monocromador y finalmente caen sobre el bolómetro. El peine está situado entre la fuente y el primer espejo en el haz de referencia.

7 Figura 2

8 LIRA Es un analizador infrarrojo que sirve para detectar un gas o uno de los componentes en una mezcla de gases, para controlar la calidad y medir la concentración de un gas explosivo. Hay distintos tipos de Lira: el modelo 300 es de baja sensibilidad, para analisis porcentual, el modelo 200 es de alta sensibilidad, para analizar en partes por millón. Las aplicaciones típicas del modelo 300 son: a)analizar el monóxido de carbono o el dióxido de carbono en una combustión. b)medición del contenido de metano en un generador de gas. c)control de la concentración de óxido de etileno en unidades de esterilización. d)analizar la pureza del etileno e)analizar gases o vapores combustibles en el aire en el rango porcentual por debajo del límite explosivo. Principio de funcionamiento: Los gases absorven los rayos infrarrojos.exiben un espectro de absorción característico que está relacionado con el número, configuración y tipo de átomos de la molécula. Mientras más simple sea la estructura molecular más simple es el espectro de absorción, las moléculas pesadas más complejas exiben espectros más complejos. Examinando el espectro infrarrojo de los componentes de un flujo gaseoso es posible localizar una banda de absorción única del componente que nos interesa. El Lira se sintoniza sólo en la banda de absorción de este componente. La longitud de la celda es determinada por la intensidad de la banda de absorción y el rango de calibración del instrumento. El Lira emite dos rayos infrarrojos idénticos a través de dos caminos paralelos: la celda de prueba y la celda de comparación. Una celda contiene un gas conocido (de comparación) y la otra el gas desconocido. Después que las radiaciones han pasado a través de las celdas de gas, son dirigidas a una unidad de detección que contiene otro gas encerrado. Cuando el gas en el detector absove los rayos infrarrojos, hay un incremento de temperatura y presión resultante. El incremento de presión mueve una membrana sensible en el detector. El movimiento produce un cambio de capacidad y ese cambio es convertido en una señal de salida que va a un amplificador electrónico. Entre las fuentes de infrarrojo y las celdas de gas, un elemento interruptor de medio círculo o troceador de rayo, rota a dos ciclos por segundo. Así mientras va rotando bloquea alternadamente la radiación infrarroja de cada fuente, permitiendo que sólo una radiación por vez pase a través de las celdas de gas y al interior de la unidad de detección. El detector, por lo tanto, responde alternadamente a la absorción infrarroja de los gases de cada celda. Cuando la energía que llega al detector es igual en ambos rayos, el instrumento correctamente calibrado indicará cero. Cuando el gas que va a ser analizado es introducido en la celda de prueba, este absorbe algo de la energía infrarroja y por lo tanto reduce la radiación que

9 llega a la unidad de detección. Como resultado las dos radiaciones llegan a ser desiguales y la radiación que llega al detector fluctúa cuando las radiaciones son alternadas. El detector de gas se expande y se contrae con esta fluctuación y directamente indica la diferencia de energía entre las dos radiaciones. Esta variación genera una señal eléctrica que es proporcional a la diferencia de energía entre las dos radiaciones. El circuito electrónico es sintonizado de modo que sólo las variaciones entre las intensidades de los rayos que están entrando en la unidad de detección produce una señal de salida. Esta señal,puede ser medida y puede ser registrada en una grabadora auxiliar.