تحدد محللات الغاز بالأشعة تحت الحمراء تركيز الغاز عن طريق قياس امتصاص الأشعة تحت الحمراء عند أطوال موجية مميزة. تعتمد آلية عملها على قانون لامبرت-بير، الذي يربط الامتصاص البصري بتركيز الغاز وطول المسار البصري. ومع ذلك، في الأجهزة العملية، يتأثر الإشارة المقاسة أيضًا بدرجة حرارة العينة وضغطها واستقرارها البصري وظروف تشغيل الكاشف.
تعد درجة الحرارة والضغط من أهم المتغيرات البيئية والمتعلقة بالعملية التي تؤثر على دقة وتكرارية واستقرار قياسات الغاز بالأشعة تحت الحمراء على المدى الطويل.
يمكن التعبير عن العلاقة بين شدة الأشعة تحت الحمراء الساقطة والمنقولة في شكل مبسط على النحو التالي:
تفترض هذه العلاقة أن ظروف القياس ذات الصلة تظل خاضعة للرقابة. قد تؤدي التغيرات في درجة الحرارة أو الضغط إلى تغيير الكثافة الجزيئية للغاز، وخصائص الامتصاص، وظروف المسار البصري، واستجابة المكونات الحساسة لدرجة الحرارة. يمكن أن تظهر التأثيرات الناتجة على أنها انحراف صفري، أو انحراف مدى، أو زيادة في الضوضاء، أو انخفاض في التكرارية.
يمكن أن يتداخل تباين درجة الحرارة مع تحليل الغاز بالأشعة تحت الحمراء من خلال كل من غاز العينة وأجهزة محلل الغاز.
تكون التغيرات السريعة في درجات الحرارة بشكل عام أكثر صعوبة في التصحيح من التغيرات البطيئة والمستقرة لأن خلية الغاز والإلكترونيات ومصدر الضوء والكاشف قد لا تصل إلى التوازن الحراري بنفس المعدل. هذا يمكن أن يخلق انحرافًا مؤقتًا حتى عند توفر تعويض درجة الحرارة.
يعتمد امتصاص الأشعة تحت الحمراء على عدد جزيئات الغاز الماصة داخل المسار البصري. لهذا السبب، يؤثر ضغط خلية العينة بشكل مباشر على الإشارة المقاسة. يصبح الضغط المحيط ذا صلة أيضًا عندما يتتبع نظام العينة أو غرفة القياس الضغط الجوي.
| العامل المؤثر | الآلية الأساسية | تأثير القياس النموذجي | طريقة التحكم الشائعة |
|---|---|---|---|
| درجة حرارة العينة | تغيرات كثافة الغاز وخصائص امتصاص الأشعة تحت الحمراء | انحراف المدى أو انحياز التركيز | قياس درجة الحرارة والتعويض التلقائي |
| درجة حرارة المحلل | تؤثر على مصدر الضوء، الكاشف، المرشحات، الإلكترونيات، والمحاذاة البصرية | انحراف الصفر، خط أساس غير مستقر، وتكرارية منخفضة | التحكم الحراري في خلية الغاز ومكونات الكشف |
| درجة حرارة عينة منخفضة | تسبب تسييل الرطوبة أو المركبات القابلة للتكثف | تلوث النافذة، توهين الإشارة، وتقييد التدفق | الحفاظ على مسار العينة فوق نقطة التكثف ذات الصلة |
| ضغط خلية عينة مرتفع | يزيد من كثافة عدد الجزيئات | يزداد الامتصاص؛ قد تكون القراءة مرتفعة بشكل خاطئ | تنظيم الضغط والتعويض |
| ضغط خلية عينة منخفض | يقلل من كثافة عدد الجزيئات | يقل الامتصاص؛ قد تكون القراءة منخفضة بشكل خاطئ | تنظيم الضغط والتعويض |
| تقلب ضغط سريع | يغير كثافة الجزيئات ويضطرب تدفق الغرفة | قراءات مشوشة، متقلبة، أو غير دقيقة مؤقتًا | استقرار الضغط والتدفق |
تجمع أنظمة تحليل الغاز الصناعية بالأشعة تحت الحمراء بشكل شائع بين تثبيت الأجهزة، وتكييف العينة، والتعويض البرمجي. يعتمد التكوين المناسب على تركيبة الغاز، وظروف العملية، وتصميم المحلل.
لماذا ينحرف محلل الغاز بالأشعة تحت الحمراء عند تغير درجة الحرارة المحيطة؟
يمكن أن تؤثر درجة الحرارة على استجابة امتصاص الغاز، والمسار البصري، وخرج مصدر الأشعة تحت الحمراء، وخط أساس الكاشف، والمرشحات، والمكونات الإلكترونية. قد يظهر التأثير المشترك على أنه انحراف صفري، أو انحراف مدى، أو تكرارية منخفضة.
هل الضغط الجوي يساوي دائمًا الضغط داخل خلية الغاز؟
لا. يعتمد ضغط الخلية على نظام العينة، واتصال العملية، ومقاومة التدفق، وترتيب العادم، ومكونات التحكم في الضغط. يجب أن يعتمد تصحيح القياس على الضغط الذي يمثل ظروف خلية الغاز الفعلية.
هل يمكن للتعويض البرمجي أن يلغي تمامًا أخطاء درجة الحرارة والضغط؟
يمكن للتعويض أن يقلل بشكل كبير من الأخطاء المتوقعة، ولكنه لا يستطيع بالضرورة تصحيح الاضطرابات الشديدة، أو التكثف، أو البصريات الملوثة، أو التدفق غير المستقر، أو ظروف التشغيل خارج نطاق تصحيح المحلل. يظل تكييف العينة المستقر ضروريًا.
لماذا يعتبر التكثف ضارًا بشكل خاص بالقياس بالأشعة تحت الحمراء؟
قد يغطي التكثف النوافذ البصرية، ويمتص أو يشتت الأشعة تحت الحمراء، ويغير تركيبة العينة، ويقيد التدفق. لا يمكن تصحيح هذه التأثيرات بشكل موثوق بواسطة خوارزمية درجة حرارة أو ضغط قياسية وحدها.
تؤثر درجة الحرارة والضغط بشكل مباشر على عملية امتصاص الغاز والاستقرار التشغيلي لمحللات الغاز بالأشعة تحت الحمراء. يمكن أن تؤدي تغيرات درجة الحرارة إلى تغيير امتصاص الجزيئات، وكثافة الغاز، وظروف المسار البصري، واستجابة المكونات، بينما تؤثر تغيرات الضغط على عدد الجزيئات الماصة في غرفة القياس. قد تزيد التقلبات السريعة أيضًا من الضوضاء وتتجاوز قدرة طرق التعويض التقليدية.
لذلك، فإن درجة حرارة الغرفة المستقرة، والتعويض الفعال لدرجة الحرارة والضغط، وضغط العينة والتدفق المتحكم فيهما، ومنع التكثف المناسب ضرورية للحفاظ على قياسات غاز بالأشعة تحت الحمراء دقيقة ومتكررة في التطبيقات الصناعية.
