Недисперсионный многокомпонентный газоанализатор Советский патент 1983 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к ангипитяческому приборостроению и может быть использовано в различных системах контроля и анализа промышленных газов и загрязнений атмосферы, а также при проведении геохимических нефтегазопоисковыэс работ на шельфе, где измеряемыми компонентами являются ,метан, этан, пропан,бутан и этилен, обладакяцие частично или полностью перекрывакяцимися спектрами поглощения.

Известен двухлучевой анализатор, в котором чувствительность обоих плеч к изменениям концентрации компонентов -в смеси выполняют Одинаковой для мешакядих компонентов и разной для определяемого компонента. Анализатор характеризуется принципиальной возможностью компенсации поперечной чувствительности по одному определяемому компоненту смеси 1. Недостатками анализатора являются трудность балансировки плеч анализатора для числа мешающих компонентов более одного; наличие некомпенсированной поперечной чувствительности для остальных компонентов, если их также необходимо определять, Автоматическое поддержание указанного баланса, невозможно, кроме того, про1веден1-1е калибровки чувствительности к измеряемому компо.ненту сложно.

Наиболее близким к предлагаемому . по технической сущности является недисперсионный многокомпонентный гаэоаналнзатор, включающий последовательно расположенные источник излу.чения, измерительную кюв.ету, модулятор и н дифференциальных газовых детекторов, каждый из которых запол-. нен одним из определяемых компонентов, и подключен к регистрирующему прибору через схему, вычитания и суммирования, содержащую регуляторы напряжения и операционный усилитель, к неинвертирукедему входу которого подсоединен детектор данного компонента, а к инвертируквдим входам через регуляторы напряжения - остальные детекторы. : .

В данном газоанализаторе принципиально возможно осуществлять компенсацию поперечной чувствительности для всех определяемых компонен тов 2.

Однако в газоанализаторе навозмодно автоматическое устранение поперечной чувствительности, что сни-. жает точность измерений. В полевых к морских условиях первоначальная настройка прибора со временем . ,становится неоптимальной, а условия и подготовленный персонал для периодической (весьма трудоемкой и дорогостоящей) подстройки анализатора по уровню поперечной чувствительности отсутствуюто

Чувствительность анализатора к измеряемым компонентам, определяемая долговременной нестабильностью балансалучевых потоков в измерительном и сравнительном трактах,, недостаточна-что также отрицательно сказывается на точности измерений.

Обозначим через Q интегральнуюинтенсивность лучевого потока в измерительном тракте, а через Р - интег0 ральную интенсивность лучевого потока в сравнительном тракте. Если разбаланс лучевых потоков незначительный, то аналитически его можно записать в виде равенства

(1-чУ

где /2 уровень разбаланса (2.1), .При появлении в измерительном тракте дополнительного поглощения л , прог порционального концентрации опредеQ ляемого компонента, вьлходной сигнал дифференциального газового детектора можно представить при oi f в виде

U-of-Vj k p-Pt(-tzV(i-Di) цр (fi+oc), (1)

где К - некоторый .коэффициент пропорциональности.

Отсюда видно, что в известном устройстве сигнал разбаланса КРг неотличим от полезного сигнала KPot, т.е. чувствительность анализатора ограничивается не фундаментальными причинами, а уровнем-разбаланса 1 . .

Кроме того, проведение в полевых условиях калибровки чувствительности

5 ко всем измеряемым компонентам сложно, что ухудшает эксплуатационные ха.рактеристики анализатора .(например, периодичность и объем регламентных и поверочных работ).

0 Цель изобретения - повышение точности и улучшение эксплуатационных характеристик (увеличение периодичности и уменьшение объема регламентных и поверочных работ).

с Поставленная цель достигается тем, что недисперсионный многокомпонентный газоанализатор, включающий последо)вательно расположенные источник излучения, измерительную кювету, модулятор ИИ дифференциальных газовых детекторов, каждый из которых заполнен одним из определяемых компонентов и подключен к регистрирующему прибору через схему вычитания и суммирования, содержащую регуляторы напряжения и

5 операционный усилитель, к неинвертируюздему входу которого подсоединен детектор данного компонента, а к инвертирующим входам через регуляторы напряжения - остальные детекторы,

0 дополнительно содержит И блоков временной селекции, включающие один сигнальный и М +1 управляющие входы, один калибровочный, один информационный IJ h -1 управляющие выходы,, и дат5 чики строб-импульсов, причем в каж- J

дом блоке временной селекции сигнальный вход соединен с выходом соответ-, ствуювдего Операционного усилителя, каждый из управляющих входов блока подключен к одному из датчиков строб импульсов, информационный и калибровочный выходы подключены к регистри™ рующему прибору, а управлякацие выходы соединены с входами соотве:, ::твующих. регуляторов напряжения, при этом модулятор расположен соосно внутри Ю измерительной кюветы и выполнен в виде аксиально-симметричн ого набора секторов цилиндра, один из которьт рабочий, свободно сообщающийся с кюветой, п секторов - эталонные, гер- 15 метизированные оптически прозрачными торцовыми стенками, а и+1-. секторов - опорные ,На фиг. 1 представлена функциональная схема газоанализатора; на 20 фиг, 2 - устройство модулятора на фиг. 3 - функциональная схема блока Временной селекции; на фиг 4 - эпюры напряжений.

Газоанализатор (фиг. 1) содержит 25 последовательно расположенные излучатели 1, измерительную кювету 2 с исследуемой газовой смесью, внутри которой соосно с возможностью вращвния установлен модулятор 3, диф- ,ференциальные газовые детекторы 4.1-4.3, ка.ждый из которых заполнен одним из oпpeдeляe sыx компонентов, с предварительными усилителями 5,15,3, cxeNbi вычитания и суммирования, содержащие регуляторы 6,.3 напря™ 35 жения с электронным управлением и операционные усилители 7«1-7,3„ При этом количество схем(вычитания и суммирования соответствует количеству определяемых компонентов, 40

Газоанализатор включает в себя также блоки 8,1-8,3 временной селекции, переключатель 9 режима работы, регистрирующие приборы 10,1-10«3, датчики 11,1-11,4 строб-импульсов, 45

Модулятор 3 (фиг. 2) расположен соосно внутри измерительной кюветы . 2 и выполнен в виде аксиально-симметричного набора, попарно пер)екрываю- « их оба лучевых потока секторов цилиндров, один из которых является рабочим, свободно сообщающимся с измерительной кюветой 2, 13,1-13.3 эталонными, герметизированными прозрачными торцовьзми стенками и после- 55 овательно заполненньши каждым из определяемых компонентов в эталонных концентрациях, а сектора цилиндров 14 - опорными, оптически прозрачными и противостоящими р абочему i2 60 и эталонным 13,1-13,3 секторам цилиндров при пересечении лучевых потоков , Сектора цилиндров 14 могут быть заполнены непоглощающим газом. Например, азотом,, 45

Блоки 8,1г8,3 временной селекции (фиг. 1) выполнены с одним сигнальным входом 15, управляющими входами 16 1-16,4, одним калибровочйЕлм 17, одним информационным 18 и управляющими выходами 19.

При этом вход 15 каждого блока соединен с выходом одного из операционных усилителей 7.1-7,3, выходы 17 и 18 посоединены через переключатель 3 к регистрируквдему прибору 10 (фиг. 1). Управляквдие выходы 19 соединены с регулирующими входами соответствующих злектронно-управляемых регуляторов 6,1-6.3 напряжения, каждый из управляющих входов 16 подсоединен к одному из датчиков 11.1-11,4 вырабатБшающих строб-импульсы в моменты пересечения лучевых потоков рабочим 12 или одним из эталонных 13.1-13,3 цилиндров.

Каждый блок временной селекции (фиг, 3) может быть построен на основе импульсных синхронных детекторов (ИСД), В этом случае он содержит четыре идентичных ИСД, включающих по два электронных ключа 20.1-20,4, два фильтра 21.1-21.4 нижних частот дифференциальный усилитель 22,1-22,4 и входы 23,1-23.4 схемы управления.

Работа предлагаемого устройства показана на примере- трехкомпонентного газоанализатора.. I

Лучевые потоки от излучателей 1

проходят через .измерительную кювету 2 -С вращакацимся модулятором 3 и попадают на.лучеприемные камеры дифференциальных детекторов 4.1-4,3, пройдя разные оптические среды.

Индексами 1-3 в номерах позиций обозначены узлы газоанализатора (фиг. 1), повторяющиеся для каждого компонента в отдельности, а индексом 4 - узлы в цепи одного -из датчиков 11.1-11,4, вырабатьшаквдего строб-импульсы в момент пересечения лучевого потока рабочим сектором 12 цилиндра,

Рассмотрим работу газоанализатора с момента пересечения сектором Д3,1 цилиндра первойоптической оси, а противостоящего ему сектора цилиндра 14 - второй оптической оси, В эту часть периода вращения модулятора 3 на выходе детектора 4,1 возникает калиброванный по величине разностный сигнал, пропорциональный эталонной концентрации первого компонента. На выходах детекторов 4.2 и 4.3 в это же время возникают соответствуквдие сигналы, обусловленные их поперечной чувствительностью к данному компоненту.

В следующую часть периода, при пересечении данной оптической оси сектором 13,2 цилиндра, вторую опти,ческую ось синхронно пересекает другой, противостоящий ему сектор 14 При этом уже на детекторе 4.2 воэника®т сигнал, калиброванный по эталон ной крнцентрацки второго компонента. В указавные отрезки времени калиброванны© сигналы с детекторов 4,2 и 4„1 через электронно-управляемые ре1уляторы напряжения 6.3 подаются на инвертирующие БХОДЫ операционного усилителя .7.3, При определенных значвНиях коэффицкантов передачи 5j ука занных регуляторов напряжения в nsp-вую часть периода на выход© усилителя 7.3 будет скомпенсирован сигнал, детектора 4,3., определяег«ый поперечной чувствительностью к первому ком, поненту; а во вторую сигнал, определяемый поперечной чувствительноетъъл к второму компоненту. Это можно прокллюс-трировать с номо Яью эпюр напряжений предр-гавленкьк в графике., где 24 - зпюра снкмав мого с выхода детектора первого компонен1а 25. - снимаемого с выхода детектора второго компонента 26 снимаемого с выхода детектора третье го компомеита, 27 подаваемого на первый, ивзертирунядяй вход операдион. ного учтилителя третьего компонента, ,28 - подаваемого на второй инверткру шинй :-зкоц операционного усилителя третьего компонента, 29 - снимаемого с выхода операционного усилителя хротьего компонента. При отклоненкк значений р, от оп1 лкальнык компенсаций поперечной чувстзительносги детектора 4,3 нарушается и В блоке 8,3 временной селек ции вырабатывается сигнал оашбок, (Подстраивающий к оптимуму коэФФндибиты передачи регуляторов 6.3 напряженияРазделениа сигналов ошибки по вре мени, а, следовательно, к по перво му к второму компонентам происходит следу,К1Щим образом. На управля1Ш1,ий вход 16.1 блока 8,3, т.е. непосредственно на вход схемы 23,1 управления поступают строб-импульсы от датчика 11,1 с nsР55одом Т/2, Схема 23 Л управления преобразует этот сигнал в две последовательности импульсов с периодом повторения Т, но сдвинутые во време,нк на Т/2. Эти импульсы подаются на управляющие входы соответствующих ключей 20.1 импульсНЕЛк синхронных детекторов, оакрьшая их. После холодения фильтров на ;.одном входе соответствукяцвго дифференциального уси лителя 22,1 будет постоянное напряже ние, равное амплитуде сигнала ошибки в положительный полуперкод, а на дру гом амплитуде в отрицагвльный поду период, когда соответствуюа ше эталон ный и опорный сектора цилиндров поме няются местами. На выходе дифференциального усилителя 22.1 будет напряжение, пропорциональное удвоенному значению амплитуды сигнала ошибки. Таким образом, схема ИСД осуществляет детектирование сигнала ошибки по одному из компонентов в моменты прихода строб-импульсоВ - от соответствуклшх датчикрв Аналогичным образом работают и остальные .ИСД -всех блоков времанной селекции. При этом информационный сигнал по каждому компоненту (фиг. 4, эпюра 26), вырабатываемый в моменты пересечения лучевых потоков рабочим сектором 12 цилиндра, не зависит,от изменения концентрации остальных компонентов, ,что соответственно повышает точность, Наличие калибровочного сигнала по каждому из компонентов, вырабатьшаемого. при пересечении лучевых потоков соответствующими эталонными секторами 13Л-13.3 цилиндра, позволяет oneративно производить контроль и калибровку измерительного канала, практически не прерывая измерений, итем самым повысить точность и улучшить эксплуатационные характеристики газоанализатора. Отличительной особенностью устройства является также периодический обмен функциями у сравнительнох о и измерительного трактов, происходящий в процессе вращения модулятора 3, Так, в первую половину периода выходной сигнал детектора равен А/о i P-QH- i -k p-P(l-t2)(l-ocl KP(), (2) а во вторую, когда рабочий 12 и опорНЫЙ-14 сектора цилиндра поменяются местами , (3), ().iKP(ti-ot). Разностный сигнал, получаемый на выходе соответствуквдего дифференци ального усилителя в блоке временной селекции, будет пропорционален КРаС. Отсюда видно, что благодаря врсицёнию рабочего,12 и опорного 14 секторов цилиндра разбаланс ,лучевых пото-г ков 12 полностью, компенсируется, что, ведет к повышению точности по сравнению с базовым объектом (инфракрас,ный неднеперсионный газоанализатор ГИАМ-5), Данное устройство позволяет также решить проблему избирательности в приложении к поисковым задачам, т.е. позволяет регистрировать концентрации зтана, пропана, бутана и этилена порядка 10-10 об.% даже на фоне преобладающей на несколько порядков концентрации метана, двуокиси углерода и паров воды. При этом калибровка прибора по уровню поперечной чувствительности осуществляется с заданной точностью автоматичесни, а по чувствительности к определяемым компонентам - полуавтоматически, что ,существенно улучтлает эксплуатацион ные характеристики (по условиям ереды, периодичности и объему регламент- 5 ньк и поверочных работ, квалификации и численности обслуживающего персонала). Использование предлагаемого устройства в нефтегазопоисковых работах позволяет существенно увеличить их информативность и, тем самьм, сокра.тить объем непродуктивных буровых работ,

) НЕДИСПЕРСИОННЫЙ МНОГОЙОМПОНЕНТНЫЙ ГАЗОЛНАЛИЗАТОР,включайиЯй последовательйо piacпoлoжeнныe источник излучения, измерительную кювeтy модулятор и п дифференциальиьгх газрвых детекторов, каждый из котбрых заполнен одним из определяемых компонентов и . подключен к регистрирующему прибору через схему вычитания и суммирования, содержащую регуляторы напряжения и операционный усилитель, к неинвертирующему входу которого, подсоединен детектор данного компонента, а к инвертирующим входам через регуляторы напряжения - остальные детекторы, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности .и улучшения эксплуатационных характеристик, он дополнительно содержит П блоков временной селекции., включающие один сигнальный и П +1 управлякяцие входы, один калибровочный, один информационный и 11-1 управлякадие ВЕЛХОДЫ, и датчики строб-импульсов, причем в каждом блоке временной селекции сигнальный вход соединен с выходом соответствующего операционного, усилителя, каждый из управляющих входов блока подключен к одному из датчиков строб-импульсов, информационный и § калибровочный выходы подключены к регистрирукадему прибору, а управляю(Л С :щие выходы соединены с входами соответствующих регуляторов напряжения, при этом модулятор расположен соосно внутри измерительной кюветы и выполнен в виде аксиально-симметричного набора секторов цилиндра, один из которых - рабочий, свободно сообщаквдийся с кюветой, Г) секторов о :л эталонные, герметизированные оптически прозрачными торцовыми стенками, а и 4-1 секторов - опорные. N5 ;о :л

f2

Фиг. 2

ГбЛ

фуг.З

re.f .2

rff.j

f7C3c y -

29