ОПТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 1994 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к одноканальным абсорбционным анализаторам концентрации примесей в газах, которые могут быть использованы при решении проблем экологии, техники безопасности в химическом производстве и других областях.

Известно устройство для автоматического анализа газовых проб, принцип работы которого основан на попеременном заполнении рабочей камеры стандартной и рабочей средой, измерении и сравнении сигналов поглощения на этих средах светового излучения [1] . Устройство сложно само по себе и, кроме того, увеличивает время анализа, поскольку требует очистки рабочей камеры после каждого акта измерения.

Известен одноканальный анализатор жидкостей, паров и газов, в котором по ходу просвечивающего светового потока до приемника излучения расположена камера, состоящая из трех частей, объем одной из которых, обращенный к источнику излучения и выполняющий функцию емкости для исследуемого газа, изменяют электромеханическим устройством от минимального размера до оптимального [2] . Данный анализатор характеризуется усложненной конструкцией кюветы и системы подачи в нее анализируемой газовой смеси.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является оптический газоанализатор, содержащий источник излучения, осветительную систему, фотоприемник, оптический фильтр для смены спектрального диапазона, рабочую камеру для исследуемой смеси и устройство для изменения количества смеси в камере путем периодического изменения давления смеси, представляющее собой поршневой механизм [3] . Принцип действия анализатора основан на сопоставлении двух сигналов с фотоприемника, полученных в результате поглощения просвечивающего светового потока контролируемыми компонентами исследуемого газа при двух его различных давлениях в рабочей камере. Данный анализатор имеет то преимущество, что является одноканальным и не содержит сравнительной кюветы. Однако недостатком этого устройства является его сложность, прежде всего в части механизма подачи исследуемой смеси в рабочую камеру, в конструкции самой камеры и ее соединении с механизмом подачи смеси.

Изобретение направлено на упрощение конструкции абсорбционного газоанализатора с сохранением преимуществ, характерных для данного метода импульсных измерений.

Это достигается тем, что в газоанализаторе устройство для изменения исследуемой смеси в измерительном объеме выполнено в виде канала, соединенного с емкостью для исследуемой смеси и снабженного прерывателем свободно истекающей газовой струи, при этом ось канала перпендикулярна оптической оси осветительной системы. Осветительная система газоанализатора в одном из вариантов может быть образована объективами, передний из которых дает сходящийся пучок световых лучей от источника излучения. В качестве фотоприемника может быть использован пироэлектрический динамический приемник.

На чертеже представлена принципиальная компоновка предложенного оптического газоанализатора.

Газоанализатор содержит источник излучения 1, осветительную систему, образованную объективами 2 и 3, оптический фильтр 4 для смены спектрального диапазона, фотоприемник 5, емкость 6 для исследуемой газовой смеси, канал 7 для подачи газовой струи в измерительный объем, прерыватель 8 газовой струи. Ось канала 7 перпендикулярна оптической оси 9 осветительной системы. Передний объектив 2 может создавать сходящийся пучок световых лучей 10 от источника излучения 1. Прерыватель 8 может быть выполнен из простых элементов, например в виде вращающегося диска с одним или более отверстиями, заслонки или клапанов периодического действия.

Газоанализатор работает следующим образом.

Канал 7 устанавливают так, чтобы его торец не пересекал световые лучи 10 в осветительной системе и не затенял тем самым фотоприемник 5. Внутри осветительной системы ход лучей может быть как параллельным, так и сходящимся. Геометрию светового пучка внутри осветительной системы, диаметр выходного отверстия канала 7 и удаление торца канала от оптической оси 9 согласуют предварительно так, чтобы с учетом расширения газовой струи на выходе из канала диаметр поперечного сечения пучка в месте его пересечения со струей не превышал диаметра струи. Этим будет уменьшена фоновая засветка фотоприемника.

Исследуемую газовую смесь предварительно накачивают в емкость 6 при давлении, превышающем атмосферное. Давление смеси в емкости подбирают из условия создания такой концентрации определяемых компонентов в смеси, чтобы обеспечить наиболее оптимальное поглощение светового потока в смеси и чувствительность анализа. Это условие хорошо известно в области оптического абсорбционного метода анализа. Объем емкости выбирают исходя из предполагаемого числа циклов измерений, чтобы падение давления за это число циклов, а значит, и концентрация определяемых компонентов снизились на величину, допустимую исходя из заданной точности измерений.

Прерывателем 8 обеспечивается импульсная подача исследуемой газовой смеси из емкости 6 по каналу 7 в виде прерывистых газовых струй (порций) в измерительный объем, под которым понимается область пересечения зондирующего светового потока в осветительной системе со струей. На фотоприемник 5 попеременно поступают световой импульс, прошедший с небольшим поглощением в воздухе на промежутке между источником излучения 1 и фотоприемником (этот промежуток играет роль сравнительного канала, как в известном устройстве [2] ), при отсутствии струи (порции) газа в осветительной системе, и непоглощенная струей часть светового импульса, когда эта струя подана в осветительную систему. На фотоприемнике возникает переменный сигнал, амплитуда которого для случая малых поглощений прямо пропорциональна концентрации поглощающих компонентов исследуемой смеси.

В устройстве могут быть использованы источники излучения как в инфракрасной, так и в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Необходимая область спектра в зависимости от спектра поглощения определяемых компонентов в газовой смеси подбирается посредством оптического фильтра 4, который может быть установлен после источника излучения 1 или перед фотоприемником 5. В процессе измерений наряду с переменным сигналом на фотоприемник поступает постоянный световой поток, не несущий полезной информации. Такая засветка в большей мере возможна при превышении поперечного размера зондирующего потока диаметра струи. В этом случае целесообразно использовать пироэлектрические динамические приемники, не реагирующие на постоянную засветку.

Таким образом, осуществляя, по существу, режим двухканальных измерений, сам газоанализатор существенно проще по конструкции, поскольку не содержит измерительной и сравнительной камер как отдельных элементов конструкции (измерения проводятся на воздухе), а также сложных устройств для подачи и изменения давления в камере. Емкость для исследуемой газовой смеси может быть легко подсоединена через патрубок или штуцер к газопроводу, тем самым возможно проведение непрерывного контроля поступающего по газопроводу продукта. В случае анализа токсичных газов высокой концентрации могут быть предусмотрены герметизация и вытяжка газа из полости осветительной системы, что не намного усложнит устройство в целом.

(56) 1. Заявка Франции N 2295415, G 01 N 21/24, 1976.

2. Авторское свидетельство СССР N 272654, G 01 J 3/04, 1970.

3. Заявка Японии N 52-44217, G 01 N 21/02, 1977.

Использование: в области оптического приборостроения, в частности, при решении проблем экологии, техники безопасности в химическом производстве с помощью газоанализаторов. Сущность изобретения: газоанализатор снабжен устройством для изменения количества исследуемой смеси в измерительном канале, выполненным в виде канала, соединенного с емкостью и снабженного прерывателем истекающей струи, при этом осветительная система может быть выполнена в виде двух объективов, а в качестве приемника излучения использован пироэлектрический динамический приемник. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ОПТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР, содержащий последовательно расположенные источник светового излучения, осветительную систему и фотоприемник, оптический фильтр для смены спектрального диапазона светового излучения и устройство для изменения количества исследуемой газовой смеси в измерительном объеме внутри осветительной системы, отличающийся тем, что устройство для изменения количества исследуемой газовой смеси выполнено в виде канала, соединенного с емкостью для исследуемой смеси и снабженного перывателем истекающей из емкости газовой струи, при этом смесь канала перпендикулярна оптической оси осветительной системы, а его торец не пересекает световые лучи в осветительной системе. 2. Газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что осветительная система образована двумя объективами, первый из которых создает внутри этой системы сходящийся пучок световых лучей от источника излучения. 3. Газоанализатор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в качестве фотоприемника использован пироэлектрический динамический приемник излучения.