Оптико-акустический газоанализатор Советский патент 1984 года по МПК G01N21/61 

:

00

:о ел

со Изобретение относится к технике газового анализа, а именно к оптическим недисперсионным абсорбционным, газоанализаторам, основанным на изби рательном поглощении лучистой энергии определяемыми компонентами газовой смеси, и может быть использова но для анализа газовых смесей в меТсьллургической, энергетической, химической и других отраслях промьаклен ности, выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, контроля атмосферы, а также для метрологического обеспечения {.градуировка, поверка) рабочй х газоанализаторов различного назначения. Известен оптико-акустический газоансшизатор, включающий источники Излучения, измерительные камеры, приемник, микрофонный каскад, усилитель, синхронный двигатель обтюратора, реверсивный двигатель и самопишущий прибор. Конденсаторный микрофон включен в каскад, который собран по схеме катодного повторителя. Усиление осуществляется по напряжению и по мощности, на выходе усилителя включен синхронный детектор 11. Недостатки газоанализатора состоят в том, что форма выходного сигнала синхронного детектора имеет искажения, связанные с разньаш условиями передачи пульсирующего давления на мембрану микрофона от рабочей и срав вНительной камер, по выходному напряжению невозможно судить о большей или меньшей концентрации анализируемого компонента в измерительных каме рах анализатора из-за отсутствия информации о фазе сигнала, и, кроме того, шунтирование рабочей емкости микрофона распределенными паразитным емкостями на землю приводит к появле нию погрешностей, связанных с их изменением от изменения условий эксплу атации ( - eMnepaTypH, влажности), а также вибраций, перемещений, ударов. Использование в качестве опорного напряжения синхронного детектора нап ряжения от фотосопротивления, освещаемого электрической лампой, уменьшает надежность работы газоанализатора, что связано с ограниченным сроком службы ламп накаливания при их непрерывной работе, старением фотосопротивления. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является оптико-акустический газоанализатор, содержащий два оптических канала, рабочий и сравнительный, в каждом из KOTOpfcJx расположены источник излучения с обтюратором и газовая камера, приемник излучения с двумя мик рофонами, оптически связанный с каме рами, схему преобразования и обработки сигнала и регистрирующий прибор. В известном устройстве мембраны микрофона расположены параллельно, каждый микрофон соединен с отдельным усилителем, подключенным к входу суммирующ о устройства. Условия передачи пульсирующего давления, возникающего в результате поглощения ИК-излучения определяемым компонентом в рабочей и сравнительной камерах, на обе мембраны идентичны, что улучшает форму сигнала, поступающего на усилитель. Сигналы двух микрофонов, связанные с изменением состава определяемого компонента, синфазны. Вибрация вызывает противофазное изменение сигналов микрофонов. Это повышает виброустойчивость газоанализатора С21. Недостатком известного устройства является то, что рабочие емкости микрофонов шунтируются распределенными паразитными емкостями соединительных проводов и неподвижных электродов на землю, что снижает точность измерений. Вибрации соединительных проводников и других элементов не устраняются схемой преобразования сигналов микрофонов. Большое входное сопротивление усилителей обуславливает высокий уровень шумов, что также уменьшает точность измерений. Известный газоанализатор не позволяет судить по выходному сигналу о превышении концентрации анализируемого компонента в камерах конкретного канала, так как отсутствует информация о фазе сигнала. Цель изобретения - повышение точности измерений. Поставленная цель достигается тем, что в оптико-акустическом газоанализаторе, содержащем два оптических канала, рабочий и сравнительный, в каждом из которых расположены источник излучения с обтюратором и газовая KciMepa, приемник излучения с двумя микрофонами, оптически связанный с камерами, схему преобразования и обработки сигнала и регистрирующий прибор, микрофоны выполнены с общей мембраной, размещенной в камере приемника, что симметрично делит ее на две лучеприемные камеры, а схема преобразования и обработки сигнала содержит мост переменного тока с включенными в смежные плечи микрофонами, выход которого связан через усилитель с одним входом фазоизмерительного устройства, другой вход которого соединен с выходом генератора, питающего мост переменного тока, а один из выходов - с регистрирующим прибором, при этом оптическая схема газоанализатора дополнительно содержит средство для управления потоками излучения, размещенное между приемником и газовыми камерами и связанное через автоматическое регулирующее устрой.ство с другим выходом фазоизмерительного, устройства.

На чертеже изображен предлагаемый газоанализатор.

Газоанализатор содержит источники 1 излучения, обтюратор 2, синхронный двигатель 3, рабочую камеру 4через которую пропускается анализируемая газовая смесь, сравнительную камеру 5, лучеприемные камеры б, два микрофона, содержащие- неподвижные электроды 7 и общую мембрану 8.

Микрофоны включены в два смежных плеча моста переменного тока, например, дифференциального трансформаторного моста. Два других плеча моста образованы вторичными обмотками дифференциального трансформатора 9. Мост включает также элемент начальной настройки 10, представляющий собой, дифференциальный конденсатор. Первичная-обмотка дифференциального трансформатора 9 подключена к .генератору 11. Измерительная диагональ моста включена на вход селективного усилителя 12.

Выход селективного усилителя включен на вход фазоизмерительного устройства 13, например, фазового детектора. На другой вход фазоизмерительного устройства подключена часть питающей обмотки дифференциального трансформатора 9. Выход фазоизмерительного ycTpofiCTsa 13 соединен с автоматическим регулирующим устройством 14, формирующим сигнал компенсации, представляющим собой, наприме реверсивный двигатель, управляющий работой средства 15 управления потоками излучения, который может быть выполнен, например, в виде дифференцальной механической заслонки или селективного оптического окошка, изменяющего прозрачность и регулирующего интенсивность излучения потоков по каналам.

Второй выход фазоизмерите 1ьного устройства 13 соединен с регистрирующим прибором 16, например, показываю щим и самопишущим потенциометром, регистрирую11(им величину и направление (фазу) изменения напряжения, пропорционального концентрации определяемого компонента.

Газоанализатор работает следующим образом.

Потоки лучистой энергии от источников 1 излучения, прерываемые обтюртором 2, связанным с двигателем 3, проходят рабочую 4 и сравнительную 5 камеры и попадают в лучеприемные камеры 6. В лучеприемных камерах возникают колебания давления, являющиеся результатом поглощения газом лучи

сТой энергии. Эти колебания передаются на мембрану 8, отклонение которой происходит в сторону лучеприемной камеры с меньшим давлением. При равенстве потоков, прошедших через рабочую 4 и сравнительную 5 камеры, мембрана 8 не воспринимает пульсирующего давления. При ослаблении потока излучения врабочей камере 4 за счет поглощения его определяемым компонентом равенство нарушается и мембрана воспринимает давление, пропорциональное величине ослабления потока излучения а следовательно, концентрации определяемого компонента, причем направление ее смещения относительно начального уравновешенного положения происходит строго в определенную сторо-; ну. :

Пульсации давления -преобразуются двумя микрофонами, содержащими одну общую мембрану 8 и два неподвижных электрода 7, представляющими собой, дифференциальный микрофон оптико-акустического газоанализатора, причем мембрана симметрично разделяет лучеприемные камеры. Отклонение общей мембраны 8 приводит к увеличению емкости одного микрофона и уменьшению емкости другого микрофона. Поскольку емкости микрофонов рключены в смежные плечи моста переменного тока, оба эффекта вызывают изменение напряжения в измерительной диагонали моста в одном направлении. Это увеличивает чувствительность оптико-акустического газоанализатора и повышает .точность измерений.

Мембрана 8 не имеет потенциала земли (экранов), .вследствие чего емкости обоих микрофонов не шунтируются распределенными емкостями соединительных проводников и неподвижных электродов 7 на землю. Эти емкости приложены симметрично к вторичным обмоткам дифференциального трансформатора 9. Они не влияют на точность начальной настройки моста. Емкость мембраны 8 на экран включена параллельно измерительной цепи. Нулевое положение газоанализатора устойчиво, что повышает точность аналлза газовой смеси.

Вторичные обмотки дифференциального трансформатора 9 имеют тесную индуктивную связь, в результате чего происходит непрерывная автоматическая компенсация изменений паразитных емкостей, обусловленных вибрациями, перемещениями, ударами, а также медленными изменениями условий эксплуатации (температуры, влажности окружающей среды). Это повышает устойчивость работы, следовательно, точность измерений газоанализатора.

Выходное сопротивление моста невелико, что снижает требование к входным цепям усилителя, понижает уровень шумов на его входеи повышает надежность и точность измерения. Мост переменного тока питается от генератора 11, частота которого не менее, чем на порядок превьзшает час тоту обтюрации и частоту вибраций, находящихся обычно в пределах 125 Гц. Указанное соотнесение обуслов лено улучшением условий частотной се лекцик, что также повьшает точность газоанализатора. Таким образом, с измерительной диагонали моста снимается кюдулированиое по амплитуде с частотой напряжение перемениого тока при наличии в. нэыерктельных камерах газоанализаторах анализируемой смеси с различным содержанием определяемого Компонента. При этом усилитель переменного тока 12 не имеет завала характеристики на рабочей частоте, что является недостатком работы газоанализаторов при подаче на микрофон постоянного поляризующего напряжения. Устойчивость работы усилителя 12 на частоте генератсч а 11 позволяет также повысить точность измерений оптикоакустическим газоанапнзат«ч ом. Усиленнос напряжение разбаланса моста поступает на фазоизмерительное устройство 13, в качестве опорного напряжения используется выходное напряжение генератора 11, которым питается мост переменного тот ка. При большем ослаблении потока излучения в сравнителпьной камере за счет:наличия в ней большей концентрации определяемого компонента мембрана 8 переходит нулевое положение., и при ее отклонении в противбположну происходит изменение фазы : напряжения несу{кей частоты в измерительной диагонали моста на 18€. Прибор 16, включенный на из выходов фэзоизме жтельного устройства, зарегистрирует не только вели чину сигнала, пропорционгшьную концентрации измеряемого компонента, но и направление его изменения, причем появляется возможность получения информации о превышении конх ентрации определяемого компонента в одном канале анализатора пр.сравнению с другим в связи с возможностью регистрации иэменекяя фазы несущей частоты в диагонали моста. Это особенно важно при использовании газоанализатора в качестве компараторов газовых смесей, обладаюошх высокой точностью. Среднее значение выпрямленного сигнала не зависит от вибрации мембраны микрофона. Это позволяет ввести 13 оптическую схему средство 15 для управления потоками излучения для компенсации изменения выходного сигнала. Компенсация осуществляется автоматически, так как второй выход фазоизмерительного устройства 13 соединен с автоматическим регулирующим устройством 14, вцдаю11{им команды на средство 15 для управления потоками излучения строго в определенной фазе, связанной с направлением ;мещения мембраны мик1 офона, вызванного превышением концентрации определяемого компонента в одной из каналов газоанализатора. Таким образся4, по величине сигнала регистрируквдего прибора 16 и направлению воздействия автс «атического регулируюгоего устройства 14 на средство 15 для управления потоками излучения однозначно связанного с направлением смещения мембра1Ш 8 можно судить о величине концентрации определяемого компонента и в каком канале анализатора он 3 Ёфегистриррван. Изобретение позволяет проводить анализ путем сргшнения близких значений концентрасши определяемого компонента, исключая неточности отсчетных измерительных устройств, а также повысить точность измерений путем использования сравнения опре деляемого компонента с газовым эталоном с известным с высокой наперед заданной точностью содержанием определяемого ксяшонента.

g

№ УЛ S

ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР, содержащий два оптических канала, рабочий и сравнительный, в каждом из которых расположены источник излучения с обтюратором .и газовая камера, приемник излучения с двумя микрофонами, оптически связ цмный с камерами, схему преобразования и обработки сигнала и регистрирующий прибор, о т л и ч а ю щ и .йс я тем, что, с целью повышения точ-. ности измерений; микрофоны выполнены с общей мембраной, размещенной в камере приемника так, что симметрично делит ее на две лучеприемные камеры, а схема преобразования и обработки jсигнала содержит мост переменного тока с включенными в смежные плечи микрофона, выход которого связан через усилитель; с одним входом фазоизмерительного устройства,другой вход которого соединен с выходом генератора, питающего мост переменного тока, а один из выходов - с рег-истрирую- щим прибором, при этом оптическая схема газоанализатора дополнительно (Л содержит средство для управления потоками излучения, размещенное межцу приемником и газовыми камерами и связанное через автоматическое ре гулирунвдее устройство с другим выходом S фазоизмерительного устройства.

/3

4

J I

;/