Газоанализатор

Газоанализатор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОййаЛНМЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ (и 735976

Союз Советских

Соцмалистических

Республик

Ф!

«,, =

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6I ) Дополнительное к dBT. свид-ву— (22) Зая "лено 18. 11.77 (2! )2545760/18-25 (5I)M, Кл. с присоединением заявки ¹

G 01 N 21/34

Государственный комитет (23) Приоритет

8D делам изобретений н открытий (53) УДК 535 44

{088.8) Опублинова о 25.05.80. Бюллетень № 19

Дата опубликования описания 30.05.80

М. С. Алейников, Г. A. Земцов, В. A. Маглыш, Л. В.Малейко, Г. Г. Питкевич, В. Г. Россовский и И. А. Салова (72) Авторы изобретения (7l) Заявители

Особое конструкторское бюро технической кибернетики, и Ленинградский попитехнический институт им. М. И. Калинина

1 (54) ГАЗОАНАЛИЗАТОР IS

Изобретение относится к исследованиям веществ с помощью спектрального метода, в частности к технике газового анализа.

Известны однопучевые газоанализаторы, которые в своем составе содержат источник излучения, кювету с исследуемым газом, два интерференционных фильтра на эталонную и рабочую длины волн, укрепленные в непрозрачном обтюраторе, 1О приемник излучения и электронйый блок обработки сигналов $1).

Наличие механического ббтюраторе, выполняющего роль модулятора потока излучения, ограничивает ресурс работы описанного устройства, а обязательное наличие схемы разделения сигналов на два канала при дальнейшей электронной обработке не исключает погрешности в измерении концентрации при изменении параметров электронных каналов.

Известны двухлучевые газоанализаторы, содержащие источник излучения, формиро2 ватель двух коллимированных потоков из лучения (рабочего и эталонного), кювету с исследуемым газом, два интерференпионных фильтра на рабочую и эталонную длины вопи, систему сведения двух потоков и приемник излучения и модулятор потока, распопоженный между системой сведения и приемником f2).

Использование одного источника и одного приемника требует построения сложной системы разделения и сведения световых потоков, которая сложна в юстировке и вносит дополнительные погрешности в показания прибора за счет изменения пропускания оптических деталей вследствие заныления, загрязнения их поверхностей.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является газоанализатор, содержащий электронпомодулкрус.мый источник излучения, кювету с исследуемым газом, содержащую формирователь двух коллимированпых потоков излучения

{эталонного и рабочего), интерф .ренцион3 7359 ные фильтры на рабочую и эталонную длины волн, расположенные на соответствук щих оптических осях, два приемника излу.чения и подключенный к их вь ходам электронный узел, включающий в себя

5 две схемы выделения и блок обработки сигналов $3).

С выхода приемников излучения сни.маются соответственно сигнал, пропорциональный поглощению исследуемого газа 1О

I (рабочий канал}, и сигнал, пропорциональный пропусканию оптического тракта (эталонный канал). Усиленные и продетектированные сигналы поступают на блок обработки сигналов (схему разности или отношения) на выходе которого сигнал пропорционален концентрации исследуемого вещества.

Недостаток такого газоанализатора состоит в том, что чувствительность приемников, а также коэффициенты передачи электронных блоков обоих каналов изменяются во времени и в зависимости от параметров окружающей среды (температуры и влажности) неодинаково, 25 коэффициенты пропускания оптическнх деталей, составляющих формирователь коллимированных потоков, изменяются вследствие возможного загрязнения их поверхностей, что способствует появлению погрешности в измерении концентрации исследуемого газа.

Для повышения точности измерения, концентрации исследуемого газа газоанализатор снабжен поворотным непрозрачным диском с отверстиями, устройством переключения, механически связанным с .диском, блоком контроля положения поворотного диска и коммутатором сигналов, сигнальные входы которого подключены 40 к выходам схем выделения, управляющий вход - к схеме контроля положения поворотного, диска, а выходы коммутатора - к. блоку обработки сигналов, причем поворотный непрозрачный диск расположен в кювете и в его отверстиях укреплены интерференционные фильтры.

На фиг. 1 дана функциональная схема предлагаемого газоанализатора; на фиг. 2 . показаны выходные характеристики газоанализатора. .Предлагаемый гаэоанализатор построен по двухпучевой двухканальной схеме. Оп- ° тическая часть гаэоанализатора состоит из электронно-модулируемого источника

1 (например, лампы накапивания) и кюветы 2 с исследуемым газом, содер7Е

4 жащей формирователь двух коллимированных потоков излучения {рабочего и эталонного), выполненный, например, в виде линзы 3, отраженной призмы 4, и двух зеркал 5 и 6, поворотный непрозрачный диск 7 с отверстиями, в которых установлены интерференционные фильтры

8 и 9 соответственно на рабочую и эталонную длины волн, а также схему контроля положения поворотного диска 10 включающую в себя оптоэлектронную пару светодиод 11 - фотодиод 12. При этом интерференционные фильтры находятся на соответствующих оптическкх осях. В задней стенке кюветы за интерференционными фильтрами укреплены два приемника 13 и 14 излучения, например пироэлектрического типа со встроенными в корпусе предварительными усилителями.

Злектронный узел, подключенный к выходам приемников иалучения, имеет две схемы выделения сигналов, состоящие из усилителей 15 и 16 и синхронных детекторов 17 и 18, сигнальные входы которых соединены с соответствуюшими выходами усилителей, а управляющие входы — с выходами модулятора 19 источника излучения. Выходы синхронных детекторов соединеныс входами коммутатора 20 сигналов, управляющий ахоп кс торого подключен к схеме контроля положения поворотного диска. Выходы коммутатора заведены на блок 21 обработки сигналов, выполненный в виде схемы отношения. Дополнительно .гаэоаналиэатор содержит устройство 22 переключения, состоящее из двигателя 23 и схемы 24 управления двигателем.

Газоанализатор работает следующим образом.

Источник 1 излучения, управляемый с помощью электронного модулятора (мультивибратора) 19, испускает переменный поток излучения, который собирается линзой 3 и направляется на систему отражающая призма 4 - зеркала 5 и 6. Полученные таким образом два приблизительно равных коллимированных потока излучения зондируют объем кюветы 2, через, которую прокачивается анализируемая raI зовая смесь, На выходе кюветы при пря-.

° мом измерении коллимированные потоки проходят соответственно через рабочий 8 .и эталонный 9 интерференционные фильтры, укрепленные в поворотном непрозрачном диске 7, причем диск остается неподвиж- ным. Затем потоки излучения поступают

Ф йй гдеcL-d,—

5 с(я

6 g.

20. Р 2

5 735 соответственно на рабочий 13 и эталонный 14 приемники излучении, С выхода приемников снимаются сигналы, пропорциональные поглощению анализируемого газа (с приемника 13) и пропусканию оптического тракта (с приемника 14).

Электрические сигналы с приемников поступают на соответствующие усилители 15 и 16 и далее на синхронные де текторы 17 и 18, управляемые импульсами с выходов модулятора 19.

На выходах синхронных детекторов

15 и 16 соответственно имеются.выпрямленные напряжения

-aecL

Ол= Лот„-, рл сб 5 х,(.е орчаесл. сВ э с„ -с„ в х„(-aecc) 2 о л з 5 g Z х

976 .6

При вариации температуры окружающей среды или вследствие временной нестабильности параметры оптической схемы и электронных каналов изменяются, 5 и сигнал с выхода блока 21 равен, К;(-,1.(-; ь(-,1 .М„ х(4-зесЬ) К К гг (4- ус . } относительное изменение пропускания формирователя параллельных потоков; относительное измелние чувствительности приемников из. лучения; относительная температурная. и временная нестабильность где а 0 — мощность излучаемого источником потока Вт ;

С, — коэффициент пропускания кол- лиматора> 2, с — коэффициенты отражения поверхностей призмы 4

С Ч. - коэффициенты отражения зер4 5 кал5и 6; 6, С. — коэффициенты пропускания интерференционных фильтров

8и9;

Ь 8 S - чувствительности приемников излучения 13 и 14 (В/Вт)

Х - коэффициенты преобразова1 ния рабочего и эталонного электронных каналов;

ЭВ - коэффициент поглощения исследуемо;-о газа м мм Н Д

L длина оптического пути Peag г - концентрация анализируемо го газа }мм НЯ.

С выходов синхронных детекторов 17 и 18 сигналы поступают через коммутатор 20 соответственно на входы 25 н

26 блока 21 обработки сигналов, на выходе которых имеем:

О„.с т с ь х„(л-аес1)

W =(„к, (-з )

Н2с.с :S х

5 9 2 где св к е

3 5 2

На фиг, 2 прямая 27 соответствует функции W =Ê,Ê (4-8K} } электронных каналов. ("-"1(-"1(-.И "-М ((с,, .(, a)()+ @ ) („+, }

Известно, что зависимость сдвига максимума спектральной .характеристики

30 интерференционных фильтров от температуры не превышает (1-3) 10 мкм/ ((Основная доля погрешности в измерении концентрации приходится на нестабильность приемников излучения и электрон-1. ных каналов. Поэтому относитепьным

35 измерением пропускания интерференционных фильтров можно пренебречь. Кроме того, при необходимости контроль фильтл0 ров может быть осуществлен периодически (см. авт.св. Й 546220) ° Ha фиг. 2 прямая 28 соответствует функции VY К гп + сLJ. Некоторому напряжению Ъ, на выходе газоанализатора по основной градуировочной харак40 теристике соответствует значение концентрации исследуемого газа С,. Вследствие всевозможных уходов градуировочной характеристики тому же значению выходного

50 напряжения W будет соответствовать некоторое значение, реальной концентрации ! исследуемого газа С0, о т л и ч а юш е е с я от концентрации исследуемоI го газа Со на величину ЬС=С-С„, которая

55 является погрешностью измерения концентрации газа.

Для исключения погрешности b,C, вносимой уходом градуировочной.харак7 7359 геристики,периодически контролируют иъмерения концентрации исследуемого газа, причем время контрольного измерения Мон,р«гЛ времени между двумя последовательными контрОльными замерами»

Для этого с помощью схемы 24 управлений двигателем включается двигатель

23 и происходит поворот интерференционных фильтров 8 и 9, укрепленных в диске

7, на 1800, ; 3

Одновременно сигнал, снимаемый со схемы контроля положения поворотного диска 10, поступает на управляющий вход коммутатора 20, который изменяет входные сигналь поступающие с блока

1 T8Jc чтО сиг »ал с Выхода синхронно го детектора 17 поступает на вход 26 блока 21, а сигнал с выхода синхронного детектора, 18 — на вход 25. Откуда

Напряжение на выходе блока 21 при контрольном измерении »о— „= —,. " ") 4) и соответствует прямой 29 на фи) . 2. 25

При первоначальной градуировке газоанализатора снимается контрольная градуировочная характеристика (см» прямую 30 на Фиг. 2), ойредепяемая выражением — — 2. с ) зо

"л

Управление двигателем может Осуществляться оператором с соответствующего пульта или по определенной программе с помощью временного устройства.

Йпя наглядности сВязи величины Вы

/ / ходных напряжений, w„H w< с вели- чиной погрешности С„рассматривается линейная зависимость выходного напряже ния от концентрации исследуемого газа, когда Н(.С«1,т.е. начальный участок выходной характеристики, В противном случае выходную характеристику всегда мож но аппроксимировать линейными участками, для которых нижеизложенные рассуж45 дения также будут справедливы. Нафиг,2 линейные участки выходных характеристик ограничены величинойСп, (прямые, показанные пунктиром — гипотетические продолжения линейных участков выход50 ных характеристик).

Из подобия треугольников ACLl и АВЕ следует:

AC- — — (9) U4 — С

О Я Л ck< L

Л

Л- Зе с2 Оъ 1

- (Л

) 2

6 AC. — -C

Л h,Ь а..1. о

Ас -М/„1-w I - к, к, (- »» с 1.)

ЛС "С

76 8

I к (=к к (q — э»с )(— г )(6) АВ = W„ I =К„К щ(4- C L) о

Выражение (() устанавливает зависимость между погрешностью измеряемой концентрации и величиной ухода градуировочной характеристики.

Величина rn находится из .отношеЪУ К„К т(1 -»»cL) г. г,-к (-+LL) Ь) Величина1Л1„определяется при первоначальной градуировке газоанализатора на данный газ из соотношения: где СЛ и С вЂ” начальное и конечное значения концентрации исследуемого газа на выбранном линейном участке характеристики.

Коэффициент К(находится также при первоначальной градуировке прибора из отношения

Вычисление погрешности измерения может осуществляться автоматически с помощью микропроцессора по заданной программе или по первоначальной градуировочной характеристике. При этом градуировочная и контрольная градуировочная характеристика могут быть затабулированы с заданным шагом дискретизации и внесены в память микропроцессора.

9 73

Алгоритм вычисления погрешности Д С и реального значения концентрации сводится к следующему. По выходному значению напряжения газоаналиэатора при прямом измерении находят значение концентрации, соответствуюшее первоначальной градуировочной характеристике.

Зная значение W> полученное при контрольном замере, из выражения {10) находят значение С, а затем определяют реальное значение концентрации

I исследуемого газа СО=Ср — Ь С .

Таким образом предлагаемое устройство обеспечивает повышение точности измерения концентрации исследуемого газа.

Формула изобретения

Газоанализатор, содержаший электронномодулируемый источник излучения,. кювету с исследуемым газом, содержащую формирователь двух коллимированных по. токов излучения, интерференционные фильтры на рабочую и эталонную длины волн, pBcIIQJIoKBHHbIB на соответствующих оптических осях, два приемника излучения и подключенный к их выходам элект5976 10 ронный узел, включающий в себя две схемы выделения и блок обработки сигналов, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения концентрации исследуемого газа, он снабжен поворотным непрозрачным диском с отверстиями, устройством переключения, механически связанным с дискОм, блоком контроля положения поворотного диска и коммутатором сигналов, сигнальные входы которого подкпючены к выходам схем выделения, управляющий вход - к схеМе контроля положения поворотного диска . а выходы коммутатора - к блоку обработки сигналов, причем поворотный непрозрачный диск расположен в кювете и в его отверстиях укреплены интерференционные фильтры.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Франции % 2196669, кл. Q 01 и 21/26, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР

М 429290, кл, 4 01 М 21/26, 1974.

3. Дст.од,рстсе тт чцИт,тт е, ахмад етт and, в я сагьот с%жхтде, ьет ьОт Ь, М.СоайоаьМ

„Рта. ф 1 SA Всгоурсав,Ьй т.тп еа

: 4ц ", чы.

° е»

738976 у О

Составитель С. Сокопова

Редактор Т. Шагова ТехредА.Шепанская Корректор С, Шекмар.

Заказ 2417/35 Тираж 1019 Подписное. ПНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35р Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул, Проектная, 4