Оптический газоанализатор для измерения N компонентов смеси Советский патент 1990 года по МПК G01N21/61 

Предлагаемое изобретение относится к технике аналитического приборостроения и может быть использовано для контроля чистот-ы окружающей среды, а также для анализа газов в химической, металлургической и других отраслях промьгашенности.

Цель изобретения - повышение точности и обеспечение ее постоянства в периоды между калибровками.

На чертеже показана структурная схема устройства.

Устройство содержит излучатель 1 с источником 2 питания, согласующую оптику 3, газовую кювету 4, обтюратор 5, калибраторы 6, установленные с возможностью перемещения, интерференционные фильтры 7, установленные с возможностью перемещения, фотоприемник 8, схему 9 обработки сигнала, схему 10 сравнения, электронньш ключ 11, схему 12 управления источником питания, вычислительную схему 13, например, на основе микропроцессора, схему 14 автоматической калибровки.

Устройство работает следующим образом. .

Рабочий режим устройства начинается процессом калибровки с помощью ка- либраторов 6. Газовую кювету 4 продувают азотом или нулевым газом, не содержащим компонентов с полосами поглощения в рабочей спектральной области газоанализатора. В оптический

4

О1

СЛ

Bte

t

канал газоанализатора вводят нулевой калибратор (герметичную камеру заполненную азотом или нулевым газом) , с помощью которого устанавливают нуль газоанализатора. Затем в оптическом канале газоанализатора поочередно устанавливают калибраторы содержащие определенное количество измеряемого компонента, по которым проверяют концентрированную чувствительность газоанализатора. При положительных результатах проверки в оптический канал газоанализатора снова вводят нулевой калибратор и при поочередной установке в оптическом канале каждого .из, п+1 интерференционных фильтров 7 измеряют нулевые измерительные сигналы (нулевые попП IT

U А « и I

равки)для длин волн: и, , v, оп- которые после преобразования в схеме 9 .обработки сигнала поступают в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) вычислительной схемы 13 и используются в дальнейшем при вычислении концентрации п компонентов смеси до последующей калибровки.

Если калибровку газоанализатора проводят впервые, в операти вно-запо

минайщее устройство вычислительной схемы поступает значение напряжения питания излучателя UQ , соответствующее этой первоначальной калибровке.

В процессе измерения в газовую кювету 4 поступает измеряемая газовая смесь и при поочередной установке в оптическом канале каждого /из п+1 интерференционных фильтров 7 измеряются измерительные сигналы U,, и,. . . , и,, и,. Эти сигналы после преобразования в схеме 9 обработки сигнала поступают в вычислительную схему 3, в которой с учетом именлцих- ся в ОЗУ данных о значениях U, ,, UQ , on UQ, вычисляются значения концентрации п компонентов смеси и корректирующий сигнал по п+1-му каналу.

Концентрации п,компонентов смеси вычисляются схемой 13 путем решения системы п уравнений,, записанной с ог ласно закону Ламберта-Бера:

InUv InUo/ - 1 21 К

J

где 1 - порядковый номер интерферен- ционного фильтра, i 1...п;

1) Г

J U: и

Of

порядковый номер измеряемого компонента смеси, j I...n; измерительный сигнал по i-му каналу; нулевой

o

К

1 J

5

0

сигнал по i-му каналу, измеренный во время последней калибровки; оптическая длина газовой кюветы;

спектральный коэффициент поглощения j-Toro компонента па i-той длине волны; концентрация j-того измеряемого компонента смеси. Для формирования корректирующего сигнала по каналу вычисляется сигнал и, обусловленный поглощением в крыльях полос поглощения измеряемых компонентов смеси на п+1-ой длине волны, т.е. сигнал, ожидаемый по п+1-му каналу при данном составе С измеряемой газовой смеси, находящейся в газовой кювете:

InU InU

h+i оп+1

n Г.К

30

5

0

Вычисленный ожидаемый по п+1-му каналу сигнал U, поступает из вычислительной схемы 13 на второй вход схемы 10 сравнения, на первый вход которой из схемы 9 поступает измерен- 1Шй по п+1-му каналу сигнал U, . Схема 10 сравнения формирует разностный сигнал Ли,, который через электронный ключ 1I поступает на первый вход схемы 12 управления, где он преобразуется в пропорциональный ему сигнал изменения напряжения питания

и л

Сигнал AUj, с

вы0

5

излучателя UU

хода схемы 12 с управления поступает на вход источника 2 питания и в вычислительную схему 13.

Поступив на вход источника 2 питания ,- сигнал UUn,/, изменяет напряжение питания излучателя 1 и сигнал и„, становится равным сигналу U, , т.е. влияние флуктуации, возникших во всех схемах газоанализатора, устраняется.

Одновременно, поступив в вычислиг- тельную схему, сигнал &UMJA складывается в ней с текущим значением напряжения питания излучателя 11,, и сравнивается с предельно допустимым зла- чением напряжения питания излучателя, внесенным в постоянно-запоминающее устройство вычислительной схемы во

время ее отладки. Если вновь полученное значение напряжения питания излучателя не превосходит предельно допустимого, измерение продолжается. В противном случае на управляющий вход электронного ключа 1, на вход схемы 12 управления и на вход схемы 14 автоматической калибровки 14 поспри этом в каждом из каналов из заданного класса точности. Формула изобретения Оптический газоанализатор дпя измерения п компонентов смеси, содержащий излучатель с источником питания, согласующую оптику, газовую кювету, обтюратор, установленные с возтупает сигнал UQ,, . В результате напря-i о можностью перемещения п+1 интерференжение питания излучателя изменяется до величины Vg , имевшей место при первоначальной калибровке газоанали- затора, и процесс калибровки повторяется.

Устройство обеспечивает повьш1ение точности измерений за счет корректировки результатов измерений по п+1-м каналам с помощью поправок, измеренных для каждого из п+1-го каналов во время калибровки, позволяет проводить автоматическую калибровку не по строгому, заранее установленному, регламенту, который не всегда устанавливает момент реальной необходимости ее проведения и необоснованно мешает проведению измерений, а в момент, когда реальная необходимость калибровки действительно обусловлена требованием сохранения значения необходимой точности измерений.

Кроме того, устройство обеспечивает в определенных пределах уменьшение влияния на результаты измерений селективных потерь путем перераспределения за счет управления излучением. источника возникающей погрешности по всем каналам измерения, не выходя

ционных фильтров, причем полоса пропускания каждого из п фильтров соответствует полосе поглощения одного и;э п измеряемых компонентов, фотоприем- 15 кик-,, соединенный со схемой обработки сигнала, вычислительную схему, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и обеспечения ее постоянства в период между калиб- 20 ровками, он дополнительно содержит схему сравнения, электронный ключ, схему управления источником питания, схему автоматической калибровки, причем первый вход схемы сравнения соединен с выходом схемы обработки сигнала, второй вход соединен с вычислительной схемой, а выход через электронный ключ, управляемый вход которого соединен с вычислительной схемой, 30 соединен с входом схемы управления источником питания, второй вход которой соединен с вычислительной схемой, а выход - с источником питания, схема автоматической калибровки сое- динена с вычислительной схемой, а полоса пропускания п+1-го фильтра соответствует области, в которой отсутствуют полосы поглощения неизмеряемых компонентов смеси. :

25

при этом в каждом из каналов из заданного класса точности. Формула изобретения Оптический газоанализатор дпя измерения п компонентов смеси, содержащий излучатель с источником питания, согласующую оптику, газовую кювету, обтюратор, установленные с возможностью перемещения п+1 интерференi о можностью перемещения п+1 интерференционных фильтров, причем полоса пропускания каждого из п фильтров соответствует полосе поглощения одного и;э п измеряемых компонентов, фотоприем- 15 кик-,, соединенный со схемой обработки сигнала, вычислительную схему, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и обеспечения ее постоянства в период между калиб- 20 ровками, он дополнительно содержит схему сравнения, электронный ключ, схему управления источником питания, схему автоматической калибровки, причем первый вход схемы сравнения соединен с выходом схемы обработки сигнала, второй вход соединен с вычислительной схемой, а выход через электронный ключ, управляемый вход которого соединен с вычислительной схемой, 0 соединен с входом схемы управления источником питания, второй вход которой соединен с вычислительной схемой, а выход - с источником питания, схема автоматической калибровки сое- динена с вычислительной схемой, а полоса пропускания п+1-го фильтра соответствует области, в которой отсутствуют полосы поглощения неизмеряемых компонентов смеси. :

5

/ 5

Изобретение может быть использо. вано при проведении многокомпонентного анализа газовых сред. Цель - повышение точности и обеспечение ее постоянства в период между калибровками. Газоанализатор выполнен по схеме многоканального фильтрового фотометра и имеет дополнительный канал .в спектральной области, не содержащей полос поглощения неизмеряемых компонент, измеряемый сигнал по которому сравнивается с ожидаемым, вычисленным на основе измеренных концентраций п компонент, и их разностташ сигнал используется для управления источником излучения и блоком автоматической калибровки. Используемый алгоритм измерения позволяет проводить корректировку результатов измерения по п+1 каналам с помощью поправок, измеренных для каждого канала во время калибровки, а также проводить калибровку только при условии превыше-, ния погрешности измерений заданного класса точности. 1 ил. е «э