ФОТОИОНИЗАЦИОННЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 2007 года по МПК G01N27/64 

Изобретение относится к газоанализаторам, основанным на фотоионизационном принципе детектирования, которые применяются для контроля содержания органических и неорганических веществ в воздухе.

Известен фотоионизационный газоанализатор, содержащий ионизационную камеру, вход и выход которой соединены с линиями для подвода и отвода анализируемого воздуха, лампу вакуумного ультрафиолета (ВУФ-лампу), окно для вывода излучения которой образует одну из стенок ионизационной камеры, соединенную с источником электрического питания, побудитель расхода газа, установленный в линии для отвода анализируемого газа, датчик расхода газа, установленный в линии для отвода анализируемого газа, микропроцессорный блок для обработки сигналов и управления режимами работы газоанализатора (см. Руководство по эксплуатации фотоионизационного газоанализатора VX500 фирмы Industrial Scientific, 2004 г.).

Недостатком известного газоанализатора является то, что пропускание окна лампы в ВУФ-области постепенно падает вследствие деградации материала окна (появления центров окраски), загрязнения поверхностей окна, и других процессов, имеющих место при работе газоанализатора. В результате уменьшается интенсивность потока фотонов, отвечающих за ионизацию детектируемых веществ, и падает чувствительность газоанализатора. Для поддержания пропускания окна на первоначальном уровне рекомендуется периодическая механическая очистка внешней поверхности окна лампы. Процедура очистки требует разборки детектора, после очистки требуется тренировка лампы. Все это создает дополнительные проблемы для пользователей. Кроме того, поскольку очистка производится с помощью мелкодисперсного абразивного материала, после нескольких процедур очистки поверхность лампы становится шероховатой, что опять-таки приводит к уменьшению интенсивности, на этот раз - необратимому. В результате лампу приходится заменять.

Наиболее близким к предлагаемому газоанализатору является фотоионизационный газоанализатор, содержащий ионизационную камеру, вход и выход которой соединены с линиями для подвода и отвода анализируемого воздуха, ВУФ-лампу, окно для вывода излучения которой образует одну из стенок ионизационной камеры, соединенную с источником электрического питания, побудитель расхода, установленный в линии для отвода анализируемого воздуха, датчик расхода газа, установленный в линии для отвода анализируемого воздуха, и микропроцессорный блок для обработки сигналов и управления режимом работы газоанализатора (см. патент США №6967485, НКИ 324/464, 2005 г.). В известном газоанализаторе источник питания ВУФ-лампы выполнен регулируемым. При периодической градуировке газоанализатора с помощью поверочной газовой смеси контролируется величина ионизационного тока камеры. Если эта величина уменьшилась из-за уменьшения прозрачности окна лампы, микропроцессорный блок начинает управлять источником питания лампы, увеличивая его мощность и, соответственно, интенсивность, до тех пор, пока величина ионизационного тока не достигнет первоначального значения и чувствительность газоанализатора восстановится до первоначального уровня.

Недостаток известного газоанализатора состоит в том, что для поддержания на первоначальном уровне интенсивности лампы каждый раз требуется градуировка газоанализатора. Процедура градуировки помимо затрат времени и изъятия прибора из процесса эксплуатации требует расходования поверочных газовых смесей, что при частой градуировке значительно увеличивает эксплуатационные расходы. Кроме того, в период между градуировками падение интенсивности лампы не контролируется и регулирования источника питания не производится. И, наконец, особенно трудной представляется ситуация со стационарными фотоионизационными газоанализаторами, которые по условиям эксплуатации в эксплутационный период между поверками невозможно отключить и доставить в лабораторию для градуировки. В этом случае градуировка и, соответственно, регулировка источника питания не могут быть осуществлены.

Задача изобретения состояла в создании такого газоанализатора, в котором постоянство чувствительности газоанализатора, определяемое постоянством интенсивности ВУФ-лампы, поддерживалось бы без использования поверочных газовых смесей и осуществлялось автоматически и могло бы производиться в месте установки газоанализатора.

Указанная задача решается тем, что предложен фотоионизацонный газоанализатор, содержащий ионизационную камеру, вход и выход которой соединены с линиями для подвода и отвода анализируемого воздуха, лампу вакуумного ультрафиолета, окно которой образует одну из стенок ионизационной камеры, побудитель расхода газа, установленный в линии для отвода анализируемого воздуха, датчик расхода газа, установленный в линии для отвода анализируемого воздуха и микропроцессорный блок для обработки сигналов и управления режимами работы газоанализатора, в который, согласно изобретению введен датчик озона, установленный в линии для отвода анализируемого воздуха из ионизационной камеры, и фильтр-поглотитель, установленный с возможностью периодического введения в линию для подвода анализируемого воздуха.

Датчик озона измеряет концентрацию озона, образующегося под действием ВУФ-излучения из кислорода воздуха в ионизационной камере. При этом концентрация образующегося озона пропорциональна интенсивности излучения. Сигнал датчика озона используется для корректировки тока питания лампы с целью поддержания ее интенсивности постоянной при уменьшении пропускания окна лампы.

В другом варианте выполнения газоанализатора линия для подвода анализируемого воздуха выполнена в виде двух параллельных газовых каналов, имеющих общий вход, в котором установлен управляющий переключатель потоков, и общий выход, соединенный с входом ионизационной камеры, причем фильтр-поглотитель установлен в одном из этих каналов.

В предпочтительном варианте выполнения газоанализатора линия для отвода анализируемого воздуха выполнена в виде двух параллельных каналов, имеющих общий вход, соединенный с выходом ионизационной камеры, в котором установлен управляемый переключатель потоков, и общий выход, соединенный с входом побудителя расхода, причем датчик озона установлен в одном из этих каналов.

Еще одним отличием газоанализатора является то, что в него введен дополнительный источник УФ-излучения, установленный в одном из газовых каналов линии для подвода анализируемого воздуха на выходе фильтра-поглотителя. В качестве дополнительного источника УФ-излучения предпочтительно использовать лампу с окном из кварца, имеющую в своем объеме пары ртути, возбуждаемую от высокочастотного источника питания емкостного или индуктивного типа.

Технический результат изобретения состоит в том, что благодаря отмеченным выше особенностям выполнения газоанализатора постоянство интенсивности ВУФ-лампы поддерживается без использования поверочных газовых смесей, может осуществляться автоматически в месте установки газоанализатора.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема предлагаемого газоанализатора.

Предлагаемый фотоионизационный газоанализатор содержит ионизационную камеру 1, вход 2 и выход 3 которой соединены с линиями 4 и 5 для подвода и отвода анализируемого воздуха соответственно. Ионизационная камера 1 снабжена ВУФ-лампой 6 (например, лампой с полым катодом, имеющей электроды 9), окно 7 которой (например, из фторида магния) образует одну из стенок ионизационной камеры 1 таким образом, что фотоны, испускаемые ВУФ-лампой 6, через окно 7 поступают во внутренний объем ионизационной камеры 1. ВУФ-лампа 6 соединена с регулируемым источником 8 питания, который возбуждает и поддерживает в ней электрический разряд, генерирующий ВУФ-излучение. Газоанализатор содержит также побудитель 10 расхода, установленный в линии 5 для отвода анализируемого воздуха, соединенный с источником 26 питания, и датчик 11 расхода газа, установленный на входе побудителя 10 расхода. Линия 4 для подвода анализируемого воздуха выполнена в виде двух параллельных газовых каналов 14 и 15, имеющих общий вход, в котором установлен управляемый переключатель 16 газовых потоков (например, электромагнитного типа), соединенный с источником питания 17, и общий выход, соединенный с входом 2 ионизационной камеры 1. В одном из этих каналов 15 установлен фильтр-поглотитель 18, представляющий собой емкость, заполненную активированным углем и силикагелем. Этот фильтр-поглотитель предназначен для улавливания (поглощения) газов и паров примесных веществ, содержащихся в воздухе, в том числе паров воды. На выходе фильтра-поглотителя 18 в канале 15 может быть установлен дополнительный источник 19 УФ-излучения. В качестве такого источника 19 предпочтительно использовать миниатюрную ртутную УФ-лампу с кварцевым окном, снабженную высокочастотным источником 20 питания емкостного или индуктивного типа. Линия 5 для отвода анализируемого воздуха также выполнена в виде двух параллельных газовых каналов 21 и 22, имеющих общий вход, соединенный с выходом 3 ионизационной камеры 1 и общий выход, соединенный со входом побудителя 10 расхода. На входе газовых каналов 21 и 22 установлен управляемый переключатель 23 газовых потоков (например, электромагнитного типа), соединенный с источником питания 24. В одном из этих каналов 22 установлен датчик 25 озона, предназначенный для измерения концентрации озона в потоке воздуха, прошедшего через ионизационную камеру 1. В качестве датчика 25 озона может использоваться полупроводниковый или электрохимический датчик озона, имеющий достаточно высокую чувствительность.

Предлагаемый газоанализатор имеет три режима работы: режим измерения концентрации примесей в воздухе, режим корректировки интенсивности излучения ВУФ-лампы 6, компенсирующий уменьшение пропускания окна 7, и режим контроля чувствительности датчика 25 озона.

При работе фотоионизационного газоанализатора в режиме измерения переключатель 16 газового потока находится в положении, при котором анализируемый воздух, поступающий в газоанализатор под действием побудителя 10 расхода, проходит по газовому каналу 14 линии 4 подвода анализируемого воздуха газа и поступает через вход 2 в объем ионизационной камеры 1. При этом переключатель 23 газового потока находится в положении, при котором анализируемый воздух через выход 3 ионизационной камеры 1 выводится по газовому каналу 21 линии 5 для отвода анализируемого воздуха и затем поступает на вход побудителя 10 расхода и из последнего выбрасывается в атмосферу.

Часть примесных веществ в объеме ионизационной камеры 1 ионизуется под действием излучения, испускаемого ВУФ-лампой 6. Образовавшиеся ионы движутся в электрическом поле между поляризующим и коллекторным электродами, размещенными в ионизационной камере 1 (не показаны), формируя электрический ток, величина которого пропорциональна суммарной концентрации этих веществ. Электрометрический усилитель (не показан) усиливает этот ток и передает сигнал на микропроцессорный блок 12, где сигнал обрабатывается и затем отображается в виде значения концентрации на дисплее 13. Величина расхода анализируемого воздуха контролируется с помощью датчика 11 расхода. При протекании анализируемого воздуха через ионизационную камеру 1 часть кислорода воздуха под действием ВУФ-излучения превращается в озон, который присутствует в газовом потоке, выводимом по газовому каналу 21 линии 5 для отвода анализируемого воздуха. Появление озона в ионизационной камере присуще фотоионизационному методу детектирования имеет место во всех фотоионизационных детекторах и практически не влияет на величину ионизационного тока, протекающего в ионизационной камере 1.

Через газовый канал 22 линии 5 для отвода анализируемого воздуха в этом режиме работы воздух не протекает, дополнительный источник УФ-излучения 19 и датчик 25 озона отключены.

При работе фотоионизационного газоанализатора в режиме корректировки интенсивности излучения ВУФ-лампы 6 переключатель 16 газового потока переводится управляющим сигналом микропроцессорного блока 12 в такое положение, при котором анализируемый воздух по газовому каналу 15, в котором установлен фильтр-поглотитель 18 поступает в ионизационную камеру 1. При протекании очищенного от примесей и частично осушенного воздуха через ионизационную камеру 1 часть кислорода воздуха превращается в озон под действием ВУФ-излучения. Переключатель 23 газового потока при работе в этом режиме переводится управляющим сигналом микропроцессорного блока 12 в такое положение, при котором анализируемый воздух через выход 3 ионизационной камеры 1 выводится по газовому каналу 22, в котором установлен датчик 25 озона, находящийся во включенном состоянии. Дополнительный источник УФ-излучения, который в этом режиме выключен. Концентрация озона в этом потоке определяется интенсивностью потока излучения ВУФ-лампы в области вакуумного ультрафиолета и расходом воздуха, величина которого измеряется с помощью датчика 11 расхода и передается в микропроцессорный блок 12. При поддержании расхода постоянным, что осуществляется одним из управляющих выходов микропроцессорного блока 12, соединенным с источником 26 питания побудителя 10 расхода, концентрация озона является только функцией интенсивности потока ВУФ-лампы 6. При загрязнении поверхностей окна или деградации материала окна происходит уменьшение интенсивности светового потока в ВУФ-области, что приводит к уменьшению концентрации озона в потоке воздуха, протекающем через датчик 25 озона и, соответственно к уменьшению сигнала, вырабатываемого этим датчиком. Сигнал датчика 25 озона поступает на вход микропроцессорного блока 12, где сравнивается с хранящейся в памяти величиной сигнала датчика 25 озона, соответствующего начальной интенсивности лампы. Для увеличения потока излучения ВУФ-лампы 6 до прежней величины микропроцессорный блок 12 воздействует на регулируемый источник 8 питания ВУФ-лампы 6 через один из управляющих выходов. Мощность, потребляемая ВУФ-лампой 6, увеличивается (например, путем увеличения тока, протекающего через электроды 9 в лампе с полым катодом) вплоть до значения, при котором концентрация озона, измеряемая датчиком 25 озона, становится равной величине, хранящейся в памяти микропроцессорного блока 12. При этом интенсивность светового потока ВУФ-лампы 6 восстанавливается до первоначальной величины. Это означает, что чувствительность фотоионизационного газоанализатора восстановлена до начальной величины и новая градуировка не требуется.

Процедура измерения концентрации озона может производиться автоматически в соответствии с заданной программой. Продолжительность измерения и последующей корректировки при работе в автоматическом режиме определяется в основном характеристиками используемого сенсора и не превышает 2 минут, что практически не вносит нарушений в порядок проведения измерений.

Периодически газоанализатор по программе, заложенной в микропроцессорном блоке 12, переводится в режим контроля чувствительности датчика 25 озона. В этом режиме работы, как и в режиме корректировки излучения, воздух протекает по газовому каналу 15 линии 4 для подвода анализируемого воздуха, очищается и частично осушается на фильтре-поглотителе 18 и затем попадает под воздействие дополнительного источника 19 УФ-излучения, который в этом режиме включен. Под воздействием УФ-излучения часть кислорода, содержащегося в воздухе, протекающем по газовому каналу 15, переходит в озон, концентрация которого измеряется с помощью датчика 25 озона. ВУФ-лампа 6 при этом выключена. Сигнал с датчика 25 озона поступает на один из входов микропроцессорного блока 12, где сравнивается с хранящимся в памяти микропроцессорного блока значением сигнала, полученным в начале эксплуатации газоанализатора. Равенство этих сигналов свидетельствует о том, что датчик обладает первоначальной чувствительностью. Постоянство потока дополнительного источника 19 УФ-излучения, необходимое при работе газоанализатора в этом режиме, достигается за счет использования в качестве источника безэлектродной ртутной лампы, которая работает стабильно в течение многих тысяч часов и имеет в спектре резонансные линии 185 и 254 нм. Эти линии мало поглощаются парами воды, остающимися в воздухе после частичного осушения фильтром-поглотителем 18. Дополнительная УФ-лампа 19 питается от высокочастотного источника 20, включаемого по команде, поступающей через один из управляющих выходов микропроцессорного блока 12.

Длительная работоспособность датчика 25 озона в предлагаемом газоанализаторе обусловлена тем, что датчик 25 озона установлен в газовом канале 22, через который протекает только очищенный воздух, и работа датчика осуществляется кратковременно, только в режиме корректировки интенсивности излучения ВУФ-лампы бив режиме контроля чувствительности датчика 25 озона.

Изобретение может быть использовано для контроля содержания органических и неорганических веществ в воздухе. Сущность: газоанализатор содержит ионизационную камеру с линиями для подвода и отвода анализируемого воздуха, лампу вакуумного ультрафиолета (ВУФ), окно которой образует одну из стенок камеры, регулируемый источник электрического питания лампы, побудитель расхода газа, установленный в линии для отвода газа, микропроцессорный блок. В линии для отвода анализируемого воздуха установлен датчик озона. Фильтр-поглотитель установлен с возможностью периодического введения в линию для подвода анализируемого воздуха. Технический результат: обеспечение постоянства чувствительности газоанализатора за счет постоянства интенсивности ВУФ-излучения без использования поверочных газовых смесей, в том числе в автоматическом режиме. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Фотоионизационный газоанализатор, содержащий ионизационную камеру, вход и выход которой соединены с линиями для подвода и отвода анализируемого воздуха, лампу вакуумного ультрафиолета, окно которой образует одну из стенок ионизационной камеры, снабженную регулируемым источником электрического питания, побудитель расхода газа, установленный в линии для отвода анализируемого газа, соединенный с регулируемым источником питания, датчик расхода газа, установленный в линии для отвода анализируемого воздуха, и микропроцессорный блок для обработки сигналов и управления режимами работы газоанализатора, отличающийся тем, что в него введены датчик озона, установленный в линии для отвода анализируемого воздуха из ионизационной камеры, и фильтр-поглотитель, установленный с возможностью периодического введения в линию для подвода анализируемого воздуха.2. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что линия для подвода анализируемого воздуха выполнена в виде двух параллельных газовых каналов, имеющих общий вход, в котором установлен управляемый переключатель газовых потоков и общий выход, соединенный с входом ионизационной камеры, причем фильтр-поглотитель установлен в одном из этих каналов.3. Газоанализатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что линия для отвода анализируемого газа выполнена в виде двух параллельных газовых каналов, имеющих общий вход, соединенный с выходом ионизационной камеры, в котором установлен управляемый переключатель потоков, и общий выход, соединенный с входом побудителя расхода, причем датчик озона установлен в одном из этих каналов.4. Газоанализатор по п.3, отличающийся тем, что в него введен дополнительный источник УФ-излучения, установленный в одном из газовых каналов линии для подвода анализируемого воздуха на выходе фильтра-поглотителя.5. Газоанализатор по п.4, отличающийся тем, что в качестве дополнительного источника УФ-излучения использована безэлектродная лампа с окном из кварца, имеющая в своем объеме пары ртути и возбуждаемая от высокочастотного источника питания.