ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 1995 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к области контроля содержания газообразных и жидких сред и может быть использовано для измерения в оптически прозрачных средах концентрации атомной или молекулярной компоненты, поглощающей ультрафиолетовое или видимое излучение.

Контроль концентрации отдельных атомных или молекулярных компонент является, в частности, важной составной частью ряда технологических процессов. В последнее время для решения этой задачи используются различные физико-химические методы. Среди них спектроскопические методы занимают одно из ведущих мест. Так, использующие метод инфракрасного поглощения устройства коммерчески доступны и относительно просты в конструктивном отношении. Однако в связи с интенсивным развитием промышленных технологий и потребностями экологии требования к чувствительности и конструктивной простоте диагностических устройств непрерывно возрастают. В части повышения чувствительности эти потребности могут быть удовлетворены, в принципе, за счет привлечения лазерных спектроскопических методов. Однако устройства на основе этих методов сложны, дороги и требуют обслуживающего персонала высокой квалификации.

Известен инфракрасный датчик для обнаружения метана [1], содержащий источник инфракрасного излучения, измерительную головку с подводящими к ней и отводящими от нее инфракрасное излучение оптическими волокнами, коллиматор отводимого излучения, интерференционный фильтр, установленный на пути сколлимированного отводимого излучения с возможностью поворота, инфракрасный анализатор и управляющую ЭВМ.

Основные недостатки датчика обусловлены недостаточной чувствительностью и невозможностью проведения бесконтактных измерений вследствие необходимости размещения измерительной головки в измеряемом объеме газа.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является инфракрасный анализатор [2] для определения концентрации газа, который содержит источник широкополосного инфракрасного излучения, блок формирования пучка излучения и размещенные на пути пучка интерференционный фильтр и измеритель интенсивности излучения, а также подключенный к его выходу блок обработки и управления. Блок обработки и управления обрабатывает результаты измерений и управляет блоком формирования пучка излучения, который поочередно формирует два пространственно разнесенных пучка излучения, падающих на неподвижный интерференционный фильтр.

Прототипу также свойственна недостаточная чувствительность. Кроме того, различие геометрических путей распространения пучков излучения приводит к дополнительным погрешностям.

Таким образом, как аналог, так и прототип обладают недостаточной чувствительностью и конструктивно сложны. Последнее обстоятельство значительно усложняет применение названных устройств, например, в реальных технологических процессах и увеличивает их стоимость.

Изобретение направлено на создание измерительного устройства с повышенными чувствительностью и точностью измерений при упрощении и удешевлении его конструкции.

В соответствии с поставленной задачей заявляемое устройство для измерения в оптически прозрачных средах концентрации атомной или молекулярной компоненты содержит, как и прототип, источник широкополосного оптического излучения, блок формирования пучка излучения и последовательно размещенные на пути пучка интерференционный фильтр и измеритель интенсивности излучения, а также подключенный к его выходу блок обработки и управления. Устройство отличается от прототипа тем, что в него введен механизм изменения пространственной ориентации интерференционного фильтра, подключенный к управляющему выходу блока обработки и управления. Источник, фильтр и измеритель выполнены ультрафиолетового или видимого диапазона длин волн. Полоса пропускания фильтра в одном из положений пространственной ориентации, по крайней мере, частично совпадает с полосой электронного поглощения упомянутой измеряемой компоненты. При этом в предпочтительном воплощении устройства механизм изменения пространственной ориентации интерференционного фильтра выполнен с возможностью фиксации двух заданных пространственных ориентаций фильтра.

Целесообразно также выполнение интерференционного фильтра с полосой пропускания, не превышающей полосу электронного поглощения измеряемой компоненты.

Дальнейшее развитие устройства связано с выполнением в нем интерференционного фильтра с полосой пропускания, не превышающей ширину разрешенной электронно-колебательной полосы поглощения измеряемой компоненты.

Целесообразно размещение интерференционного фильтра внутри блока термостатирования.

Введение механизма изменения пространственной ориентации интерференционного фильтра, подключенного к управляющему выходу блока обработки и управления, в сочетании с другими признаками устройства позволяет получить максимальный контраст измеренной интенсивности излучения при различающихся пространственных ориентациях фильтра и тем самым повысить чувствительность и точность измерений.

Выполнение в заявляемом устройстве источника, фильтра и измерителя ультрафиолетового или видимого диапазона длин волн позволяет использовать электронные или электронно-колебательные полосы поглощения измеряемой компоненты, а не колебательно-вращательные полосы поглощения для инфракрасного диапазона длин волн, как в прототипе. Сечения поглощения (коэффициенты поглощения) электронных полос σ_э и колебательно-вращательных полос σ _кв связаны соотношением
δ_э= σ_кв где ν_э и ν_кв - частоты соответствующих переходов.

Анализ научно-технической литературы показывает, что значения отношения ν_э/ν_кв лежат в пределах от 10 до 100, т.е. σ_э/σ_кв≈ 10-100. Таким образом, заявляемое устройство использует полосы с большим, по крайней мере на порядок, сечением поглощения, что и обусловливает его более высокую чувствительность в сравнении с прототипом.

Неизменность в процессе измерений пространственного положения пучка излучения в измеряемой среде приводит к повышению точности измерений. Использование излучения ультрафиолетового или видимого диапазона длин волн освобождает от необходимости применять охлаждаемый до низких температур измеритель интенсивности излучения, что упрощает и удешевляет устройство.

Возможность фиксации с помощью механизма изменения пространственной ориентации двух заданных пространственных ориентаций интерференционного фильтра позволяет повысить точность измерений за счет уменьшения влияния случайно изменяющихся во времени параметров среды. Одновременно обеспечивается возможность настройки устройства на максимальную чувствительность путем выбора оптимальных положений указанных пространственных ориентаций интерференционного фильтра.

Выполнение в устройстве интерференционного фильтра с полосой пропускания, не превышающей полосу электронного поглощения или отдельную электронно-колебательную полосу поглощения (в случае разрешенной структуры электронной полосы), обеспечивает возможность проведения измерений с наибольшим контрастом поглощения излучения. Вследствие этого повышается чувствительность устройства.

Размещение интерференционного фильтра внутри блока термостатирования позволяет избежать изменений полосы пропускания фильтра при колебаниях температуры окружающей среды и, следовательно, способствует повышению точности и надежности измерений.

На фиг. 1 представлена блок-схема газоанализатора; на фиг.2 показано возможное конструктивное выполнение механизма изменения пространственной ориентации интерференционного фильтра, заключенного в блок термостатирования; на фиг.3 представлена схема четырехфазного модуля управления шаговым двигателем; на фиг.4 показаны взаимное расположение при измерениях электронно-колебательной полосы поглощения измеряемой компоненты и полосы пропускания интерференционного фильтра, а также предпочтительное соотношение ширины этих полос.

Газоанализатор содержит источник 1 широкополосного оптического излучения, блок 2 формирования пучка этого излучения и последовательно размещенные на пути пучка интерференционный фильтр 3 и измеритель 4 интенсивности излучения. К выходу измерителя 4 подключен блок 6 обработки и управления, к управляющему выходу которого подключен механизм 5 изменения пространственной ориентации интерференционного фильтра 3, кинематически связанный с фильтром 3. Блок 6 обработки и управления включает магистраль 12 с подключенными к ней аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 7, четырехфазным модулем 8 управления шаговым двигателем, выход которого является управляющим выходом блока 6, модулем 9 индикации, периферийным запоминающим устройством (ПЗУ) 10, оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) 11, процессором 13.

Механизм 5 измерения пространственной ориентации интерференционного фильтра 3 (фиг.2) содержит шаговый двигатель 14 с укрепленным на его валу 15 непрозрачным диском 16, имеющим радиальную прорезь, светодиод 17, который может быть подключен, например, к отдельному источнику питания, фотодиод 18. Интерференционный фильтр 3 закреплен на конце вала 15 с помощью кольцевой оправки 19. В предпочтительном воплощении устройства интерференционный фильтр 3 заключен в блок 20 термостатирования, продольное сечение которого показано на фиг.2. Блок 20 содержит кожух 21, на торцах которого выполнены окна, герметично закрытые прозрачными для излучения источника 1 пластинами 22. Внутри кожуха 21 размещена электрическая цепь из последовательно соединенных терморегулятора 23 и нагревателя 24, которая может быть подключена, например, к вышеупомянутому отдельному источнику питания. Вал 15 шагового двигателя 14 введен в блок 20 термостатирования через закрепленный в кожухе 21 подшипник 25 скольжения.

Модуль 8 управления шаговым двигателем содержит (фиг.3) подключенные к магистрали 12 блока 6 регистр 26 фаз, одновибратор 27, компаратор 28. К выходам регистра 26 фаз подключены усилители 29 тока, выходы которых подключены к шаговому двигателю 14. Вход компаратора 28 соединен с фотодиодом 18.

Модуль 9 индикации обеспечивает возможность визуального восприятия информации, полученной при измерениях, и содержит пять идентичных каналов отображения цифр и дешифратор. Каждый канал включает регистр кода цифры, преобразователь кода и цифровой индикатор. Таким образом, модуль 9 индикации воплощен согласно хорошо известной из научно-технической литературы схеме.

В реализованном устройстве для определения концентрации окиси азота в дымовых газах в качестве источника 1 широкополосного оптического излучения использована серийно выпускаемая газоразрядная дейтериевая лампа ДДС - 30. Типичные характеристики коммерчески доступных интерференционных фильтров: полуширина полосы пропускания около 2 нм, пропускание в максимуме примерно 10% и пропускание вне полосы примерно 0,1%. Измерителем 4 интенсивности излучения служит фотоэлемент Ф-29. Структурные элементы модуля 8 выполнены на основе серийно выпускаемых микросхем и транзисторов: регистр фаз - К155 ТМ8, усилитель тока - КТ817, одновибратор - К155АГ3, компаратор КР554СА3. Процессор 13 представляет собой микропроцессор КР580 ВМ80А, шаговый двигатель - ДШИ-200.

Спектр поглощения окиси азота расположен в ближней ультрафиолетовой области спектра и представляет собой набор отдельных хорошо разрешенных электронно-колебательных полос 30, сечения поглощения которых достигают значений порядка 10^-18 см². При измерениях использовалась электронно-колебательная полоса поглощения с центральной длиной волны 227 нм и полушириной примерно 1,5 нм. Режим работы газоанализатора определяется программой, находящейся в ПЗУ 10.

Газоанализатор работает следующим образом.

При его включении начинает излучать источник 1 излучение, которое формируется блоком 2 в пучок и направляется в среду с измеряемой компонентой. Выходящий из среды пучок излучения падает на интерференционный фильтр 3, и интенсивность прошедшего через этот фильтра пучка излучения регистрируется измерителем 4. Одновременно блок 6 начинает отрабатывать управляющую программу, состоящую из двух фаз. В первой фазе работы программы производится поиск начальной пространственной ориентации интерференционного фильтра 3. Для этого от процессора 13 в модуль 8 поступают команды на поворот шаговым двигателем 14 его вала 15 до тех пор, пока свет от светодиода 17 не будет зафиксирован фотодиодом 18 через радиальную щель в непрозрачном диске 16. Поступающий при этом с фотодиода 18 в модуль 8 электрический сигнал останавливает шаговый двигатель 14. В результате интерференционный фильтр 3 занимает начальную пространственную ориентацию. Последняя выбрана так, что плоскость интерференционного фильтра оказывается перпендикулярной пучку падающего на фильтр излучения. В этом случае полоса 32 пропускания фильтра 3 с центром на длине волны 230 нм и полуришиной около 2 нм не совпадает с полосой поглощения на длине волны 227 нм отдельной электронно-колебательной полосы 30 поглощения окиси азота. Далее блок 6 переходит к выполнению второй фазы программы.

Во второй фазе работы программы постоянно выполняется циклический алгоритм, в одном цикле которого выполняются следующие действия. По команде процессора 13 АЦП 7 производит преобразование электрического сигнала измерителя 4 в цифровой код, который записывается затем в ОЗУ 11. Этот сигнал I₁ соответствует интенсивности излучения, когда полоса пропускания фильтра не совпадает с полосой поглощения измеряемой компоненты. После этого процессор 13 записывает в регистр 26 фаз кодовую комбинацию, соответствующую определенному положению вала 15 шагового двигателя 14. Слаботочные выходные сигналы регистра 26 фаз усиливаются усилителями 29 тока, выходы которых подключены к входным клеммам обмоток шагового двигателя 14. Временем удержания тока фаз определяется угол, на который поворачивается вал 15 шагового двигателя. Функцию формирователя необходимого времени удержания тока фаз выполняет одновибратор 7. Он запускается при записи кода в регистр 26 фаз и запрещает процессору 13 изменять кодовую комбинацию фаз до сбрасывания одновибратора.

При повороте интерференционного фильтра относительно пучка падающего на него излучения полоса пропускания фильтра смещается в сторону коротких длин волн. В данном случае угол поворота фильтра задан таким, чтобы сместившаяся полоса 31 пропускания фильтра совпала с полосой поглощения окиси азота на длине волны 227 нм. После завершения поворота фильтра повторно осуществляются преобразование электрического сигнала измерителя 4 в цифровой код и запись его в ОЗУ 11. Этот сигнал I₂ соответствует интенсивности излучения, когда полоса пропускания фильтра совпадает с полосой поглощения измеряемой компоненты. Затем по команде процессора 13 включается шаговый двигатель 14, возвращающий фильтр 3 в исходное положение. На основе полученных значений I₁ и I₂процессор 13 выполняет расчет концентрации измеряемой компоненты по формуле
N = A+B +C, где N - концентрация измеряемой компоненты;
l - длина пути, проходимого пучком излучения в среде с измеряемой компонентой;
А, В, С - постоянные коэффициенты, конкретные значения которых определяются в процессе калибровки газоанализатора путем проведения измерений в средах с известными (эталонными) концентрациями измеряемой компоненты. Численные значения коэффициентов А, В, С и l находятся в ПЗУ 10. Полученное значение концентрации выводится на модуль 9 индикации. На этом цикл алгоритма завершается. Весь цикл выполняется примерно за 4 с. Циклический алгоритм повторяется до тех пор, пока на газоанализатор подано питание.

Вышеприведенная формула для расчета концентрации измеряемой компоненты получена стандартным путем в предложении справедливости закона Бугера и учитывает спектральное распределение интенсивности излучения источника 1, спектральное распределение чувствительности измерителя 4, спектральное распределение сечения поглощения 30 измеряемой компоненты и спектральные характеристики 31 и 32 фильтра в фиксированных его положениях.

Таким образом, газоанализатор может автономно в рамках программно-заданного режима непрерывно осуществлять в реальном масштабе времени измерение концентрации измеряемой компоненты.

Опытный образец предлагаемого газоанализатора был испытан в реальных технологических условиях на Тюменской ТЭЦ-1 для измерения концентрации окиси азота в дымовых потоках газовых котлов ТЭЦ. Испытания показали высокую точность измерений (погрешность не более 2%) в диапазоне концентраций окиси азота 0-400 мг/м³.

Использование: для контроля содержания газообразных и жидких сред. Сущность изобретения: газоанализатор содержит источник широкополосного ультрафиолетового или видимого излучения, блок формирования пучка этого излучения, интерференционный фильтр, механизм изменения пространственной ориентации фильтра, измеритель интенсивности излучения и блок обработки и управления, при этом полоса пропускания фильтра в одном из положений его пространственной ориентации, по крайней мере, частично совпадает с полосой электронного поглощения измеряемой компоненты, механизм изменения пространственной ориентации интерференционного фильтра выполнен с возможностью фиксации двух заданных пространственных ориентаций фильтра, а интерференционный фильтр выполнен с полосой пропускания, не превышающей либо ширину полосы электронного поглощения измеряемой компоненты, либо ширину разрешенной электронно-колебательной полосы поглощения измеряемой компоненты. Введенный блок термостатирования интерференционного фильтра обеспечивает температурную стабилизацию его полосы пропускания. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ГАЗОАНАЛИЗАТОР, содержащий оптически сопряженные источник излучения, блок формирования пучка излучения, последовательно размещенные интерференционный фильтр и измеритель интенсивности излучения, а также подключенный к его выходу блок обработки и управления, отличающийся тем, что в него дополнительно введен механизм изменения пространственной ориентации интерференционного фильтра, выполненный с возможностью фиксации двух заданных положений интерференционного фильтра и подключенный к управляющему выходу блока обработки и управления, при этом источник излучения, фильтр и измеритель выполнены работающими в ультрафиолетовом или видимом диапазоне длин волн и по крайней мере в одном из положений пространственной ориентации фильтра полоса пропускания фильтра и полоса электронного поглощения измеряемой компоненты имеют совпадающий частотный интервал. 2. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что интерференционный фильтр выполнен с полосой пропускания, не превышающей полосу электронного поглощения измеряемой компоненты. 3. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что интерференционный фильтр выполнен с полосой пропускания, не превышающей ширину разрешенной электронно-колебательной полосы поглощения измеряемой компоненты. 4. Газоанализатор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что в нем интерференционный фильтр заключен в дополнительно введенный блок термостатирования.