Инфракрасный газоанализатор Советский патент 1993 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к области аналитической техники, а именно к инфракрасным газоанализаторам

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение точности измерений.

На фиг. 1 приведена схема инфракрасного газоанализатора; на фиг. 2 и 3 схемы излучателя, на фиг. 4 - пример тарировочной зависимости относительного ослабления излучения с длиной волны 4,3 мкм в кювете длиной 1 0,1 м от давления и концентрации поглощающего газа - С02.

Инфракрасный газоанализатор содержит излучатель 1, кювету 2 с прозрачными для излучения торцами 3 и каналами 4 и 5, соответственно для подвода и отвода газа, систему измерения давления 6, фильтр 7, приемник 8, вторичные приборы 9, регулируемые дроссели 10 и 11. соответственно 8 каналах подвода и отвода газа, систему измерения температуры газа 12, коническую обечайку 13, втулку 14, нагревательный элемент 15, систему измерения температур участков конической обечайки 16, регулятор 17, источник электроэнергии 18,теплоизолирующий кожух 19, экраны 20, шунтирующие сопротивления 21, дополнительные экраны 22, поглощающее покрытие 23, герметизирующий кожух 24, систему продувки 25 с подводящим патрубком 26, патрубком отвода газа 27.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Настраивается на заданную температуру регулятор 17, включается источник электроэнергии 18 и после достижения излучателем установленной темпера- туры газоанплизатор готов к работе. Исследуемую смесь газов пропускают через кювету и по непрерывно регистрируемому ослаблению излучения на заданной длине волны, определяемой фильтром, давлению и температуре газа в кювете судят о концентрации контролируемого газа. Известно, что при неизменной оптической толщине слоя гэза поглощение излучения сильно зависит от температуры и давления. Поэтому, точно концентрацию газа можно определить лишь с учетом поправок, зная значения давления и температуры в тот же момент времени, когда измерена данная величина ослабления излучения. Пересчет истинного значения концентрации может проводиться расчетным путем или по экспериментально полученным по эаталонным смесям тариро- вочным зависимостям типа приведенной на фиг. 4.

Наличие регулируемых дросселей в каналах газоанализатора позволяет обеспечить высокую скорость прокачки смеси через кювету и возможность проводить измерения за малое время с высокой точностью о широком диапазоне давлений и температур гтализируемой среды. Необходимость я таком газоанализаторе возникает, например при анализе распределения концентраций газов (например, углекислого СОг или закиси азота N20) за сопловыми блоками газодинамических установок, в которых уровень параметров - полных давления и температуры может достигать 10 МПа и 4000 К соответственно и изменяться

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

почти на порядок в соседних точках по коор динате х (см. фиг. 1).

Длина кюветы I (толщина оптического слоя) выбрана, такой, чтобы обеспечить возможность проведения измерений во всем диапазоне изменения концентраций при минимальной погрешности измерений. Такому условию как раз и удовлетворяет выбор длины кюветы, обеспечивающий минимальное относительное ослабление излучения на длине волны, пропускаемой фильтром, т. е. при минимально возможных концентрации и давлении и максимальной температуре газа. В качестве заданного значения минимального относительного ослабления можно, например, принять величину, соответствующую отношению интенсивностей прошедшего кювету излучения I к падающему Irj равную l/lo 0.1, т. к. это значение наилучшим образом соответствует перечисленным выше условиям и не требует регистрирующих приборов. Сложность и стоимость аппаратуры для измерения сигнала при 1/1о 0,1 резко возрастает.

Максимальный диаметр кюветы определяется выражением d V4rGRT Расчетный

коэффициент К -In б/б0 .где 60 - ожидаемое отклонение концентрации от номинального значения, б - требуемая точность измерений. Например, если ожидаемое отклонение составляет д0 0,1, а требуемая точность измерений б 0,001, То К 2.3. Минимальный диаметр кюветы d 1,5 h выбран на основе, экспериментальных исследований. При d 1,5 h система становится весьма критичной к юстировке, на точность измерений, по-видимому, начинают оказывать влияние краевые эффекты. За характерный размер приемника h принимается его наибольший размер, например, при квадратной форме приемной поверхности чувствительного элемента за характерный размер принимается длина диагонали квадрата.

Регулируемый дроссель, установленный в канале подвода газа, позволяет определенным образом задавать и регулировать расход газа через кювету, что, в частности, обеспечивает требуемый уровень ослабления сигнала и постоянной времени т. Дроссель может устанавливаться как непосредственно на входе заборника газоподводящей магистрали (как показано на фиг. 1). так и (например, при использовании стандартных заборников) на входе в кювету, при этом, чтобы нарушать течения на входе в забор ник, часть газа перед дросселем может сбрасываться вне кюветы.

Снабжение газоанализатора регулируемым дросселем, установленным в канале отвода газа, позволяет обеспечить постоян- ство и независимость параметров в кювете от изменения параметров системы сброса, например, давления в вакуумных емкостях, куда сбрасывается газ из кюветы, производительности откачного насоса и т. д. Это также позволяет при заданных параметрах на входе в кювету задавать и регулировать давление газа в кювете и таким образом изменять постоянную времени и изменять поглощение зондирующего излучения.

Установка дросселя только в канале подвода целесообразна тогда, когда, например, имеется значительный запас по давлению в вакуумных емкостях, а давление на входе в канал подвода (заборник) превыша- ет рабочий диапазон газоанализатора.

Установка дросселя только в канале отвода целесообразна при давлениях на входе в канал подвода (заборник) находящихся в диапазоне рабочих давлений в кювете при непостоянстве параметров в системе сброса, способных вызвать изменение параметров газа в кювете.

Снабжение газоанализатора дросселями как в канале подвода, так и в канале отвода газа позволяет сделать газоанализатор полностью независимым от изменения параметров на входе и выходе устройства. Использование при этом дросселей, например, в виде сопел Вентури, разме- ры которых выбраны таким образом, чтобы в минимальном сечении каждого дросселя реализовался звуковой режим течения, позволяет упростить выполнение газоанализатора и использовать его в качестве устройства для оценки и контроля параметров (не только концентрацией, но и распределения и изменения давлений и температур) установки, из которой осуществляется отбор газа, поскольку изменение параметров газа в кювете стано- вится пропорциональным изменению параметров установки.

При использовании излучателей любого типа излучения не будет строго параллельным, а представляет собой расходящийся поток. При возможном переотражении от стенок кюветы будет происходить ослабление излучения в процессе его взаимодействия со стенкой, что может вносить дополнительную погрешность в измерения. Выполнить внут- реннюю поверхность кюветы ( в особенности при ее малом диаметре) зеркально отражающей излучение технологически весьма затруднительно Поэтому, для того, чтобы устранить погрешность, вносимую

ослаблением излучения при ечп .н(м жении от стенок(повысить точность ичмсоо- ний), кювета по всей ее внутренней боковой поверхности снабжена покрытием, погло щающим излучение на длине волны, пропу скаемой фильтром. Такое покрытие может наноситься на стенки кюветы различными способами, например, электроплазменным напылением, осаждением из газовой фазы, образовываться при термообработке кюветы. При выполнении кюветы из нержавеющей стали достаточно нагреть ее в окислительной среде (на воздухе) до температуры 1000-1500 К, при этом образуется пленка окиси (покрытие), поглощающее излучение в диапазоне длин волн, представляющих практический интерес.

Недостатком известных излучателей, используемых в известных газоанализаторах, является необходимость использования специального источника питания. невозможность регулирования интенсивности излучения в широких пределах и др. Использование известных излучателей в составе предлагаемого газоанализатора в принципе возможно, однако приведет к снижению его характеристик.

Предлагаемый излучатель (модель абсолютно черного тела) работает при максимальной температуре излучающей полости 1500 К, питание осуществляется от сети 220 В или, например, через регулируемы трансформатор 0-250 В с током до 3 А.

В качестве собственно излучателя используется коническая обечайка, что позг-о- ляет обеспечить равномерность излучения Ј поверхности, пр и этом выполнение конуса с углом при вершине не более 30° при степени черноты поверхности обечайки alpha 0,8 позволяет приблизить излучение к излучению абсолютно черного тела при той же температуре (степень черноты изменяется с изменением угла).

Втулка, в которую помещается излучатель-коническая обечайка, одновременно решает несколько задач, обеспечивает фиксацию излучателя в определенном положении, изолирует нагреватель от излучателя, обеспечивает передачу тепла от нагревателя к излучателю. Электрическое разделение нагревателя и излучателя, по сравнению с непосредственным включением излучателя в электрическую цепь, когда нагрев излучателя осуществляется за счет прохождения тока через излучатель, позволяет повысить надежность за счет обеспечения термической стойкости излучателя, упростить измерение температуры излучателя за счет возможности использования контактных

методов измерений, например, с помощью термопар, повысить безопасность работы прибором.

Наиболее простым является выполнение нагревательного элемента в виде спирали, при этом намотка спирали с переменным шагом с частотой витков на краях втулки на длине 1-1,3 ее диаметра в 1,2-1.4 раза большей частоты витков на середине втулки позволяет обеспечить равномерный прогрев конической обечайки-излучателя. Указанные оптимальные величины получены в результате экспериментальных исследований при варьировании частоты намотки спирали по длине втулки. Равномерность прогрева обечайки контролировалась с помощью термовизора.

Равномерность прогрева конической обечайки можно также достичь и при равномерной намотке спирали за счет подключения к соответствующим участкам спирали регулируемых шунтирующих сопротивлений (см. фиг. 3).

Теплоизолирующий кожух излучателя позволяет снизить потери тепла, исключить воздействие на кювету и приемник излучения от иных элементов, кроме внутренней поверхности обечайки.

Снабжение газоанализатора экранами, установленными со стороны основания конической обечайки, позволяет исключить воздействие паразитных лучистого и кон- венктивного тепловых потоков на кювету и приемник. Установка экранов с зазором по периметру на расстоянии друг от друга большем 0,1 размера экрана по вертикали обеспечивает минимальный теплообмен между экранами. При установке экранов на расстоянии меньшем указанного, как показали экспериментальные исследования, теплообмен между экранами значительно интенсифицируется. Минимальное количество экранов (три) определено экспериментально.

Установка конической обечайки с возможностью перемещения относительной втулки по ее длине с возможностью смещения вершины обечайки в сторону от оси втулки позволяет обеспечить возможность оптической юстировки газоанализатора, добиться более равномерного прогрева обечайки. При выполнении излучателя как это показано на фиг. 3, дополнительные экраны, установленные со стороны вершины конической обечайки, позволяют снизить потери тепла и исключить влияние теплового излучения на систему температуры участков конической обечайки. Снабжение излучателя системой измерения температуры различных участков конической обечайки позволяет контролировать равномерность нагрева обе чайки и тем самым обеспечить высокую точность измерений.

Выполнение экранов с зеркальной поверхностью позволяет минимизировать теплообмен между экраном и излучателем, между соседними экранами.

Как показали результаты испытаний опытного образца газоанализатора, при работе в загазованной атмосфере на результаты измерений может влиять примесь исследуемых газов. Для того, чтобы исключить такое влияние и сделать газоанализатор независимым от внешних условий

устройством, .он снабжен герметизирующим кожухом и системой продувки газом, прозрачным для излучения в диапазоне длин волн, пропускаемом фильтром. Сообщение системы продувки с кожухом подводящим патрубком со стороны приемника излучения и отвод газа со стороны излучателя позволяет исключить погрешности измерения из-за теплообмена газа с излучателем и последующего нагрева кюветы и приемника.

Формула изобретения

1. Инфракрасный газоанализатор, содержащий установленные последовательно излучатель, кювету с прозрачным для излучения окнами, снабженную в ее боковой части каналами для подвода и отвода газа, систему измерения давления, связанную с кюветой, фильтр и приемник излучения с вторичными приборами, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения точности измерений, он снабжен регулируемыми дросселями, установленными в каналах подвода и .отвода газа, и системой измерения температуры газа в кювете, при этом измерительные системы давления и температуры выполнены с возможностью непрерывной регистрации измеряемых параметров, длина I кюветы выбрана из условия обеспечения заданного минимального относительного ослабления излучения на длине волны, пропускаемой фильтром, диаметр d кюветы

определен из условия 1,5h d

где h - характерный размер приемника излучения, г-постоянная времени газоанализа- тора, G - расход газа через кювету на номинальном режиме. R -- газовая постоянная, Р и Т - соответственно давление и температура газа в кювете на номинальном режиме. К - расчетный коэффициент а излучатель выполнен в виде конической обечайки с углом при вершине не более 30 и со степенью черноты поверхности а 0.8. помещенной внутрь втулки, выполненной из диэлектрического термостойкого, теплопроводного материала, на внешней поверхности которой по всей ее длине расположен нагревательный элемент, снабжен системой измерения температур участков конической обечайки и регулятором, соединенным с нагревательным элементом и источником электроэнергии с возможностью задания и поддержания определенной температуры обечайки, теплоизолирующим кожухом, закрывающим нагревательный элемент и втулку с внешней боковой поверхности и по торцам до основания конической обечайки, и не менее чем тремя экранами, установленными с зазором по периметру вне кожуха со стороны основания конической обечайки нормально ее оси и соосно с ней на расстоянии друг от друга д 0,1 Н, где Р - размер экрана по вертикали, в каждом из которых выполнено осевое отверстие диаметром не более 0,8 внутреннего диаметра основания конической обечайки.

2. Газоанализатор по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что нагревательный элемент выполнен в виде спирали, навитой с переменным шагом, при этом частота витков спирали на краях втулки на длине 1,0-1,3 ее диаметра в 1,2-1,4 раза превышает частоту витков на середине втулки.

3.Газоанализатор по п. 1. о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что нагревательный элемент снабжен регулируемыми шунтирующими сопротивлениями, подключенными параллельно соответствующим участкам элемента.

4.Газоанализатор по пп. 1-3, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что коническая обечайка установлена с возможностью смещения вершины от оси втулки и перемещения по

длине втулки.

5.Газоанализатор по пп. 1-4, отличающийся тем, что излучатель снабжен дополнительными экранами, установленными со стороны вершины конической обечайки.

6. Газоанализатор по п. 5, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что поверхность экранов выполнена зеркально отражающей.

7.Газоанализатор по пп. 1-6, о т л и ч а ю- щ и и с я тем. что размер каждого дросселя

выбран из условия обеспечения звукового режима течения в каждом дросселе.

8.Газоанализатор по пп. 1-7, отличающийся тем, что кювета снабжена покрытием ее внутренней боковой поверхности,

поглощающим излучение в диапазоне длин волн, пропускаемом фильтром.

9.Газоанализатор по пп.1-8, от л и ч а ю- щ и и с я тем, что он снабжен герметизирующим кожухом и системой продувки газом, прозрачным для излучения в диапазоне длин волн, пропускаемом фильтром, связанной с кожухом подводящим патрубком со стороны приемника излучения, при этом отвод газа выполнен со стороны излучателя.

15

2

Н СГ

-t

Использование: в области аналитической техники. Сущность: газоанализатор снабжен регулируемыми дросселями 10 и 11, установленными в каналах подвода 4 и отвода 5 газа, системой 12 измерения температуры газа в кювете, при этом измерительные системы давления и температуры газа в кювете выполнены с возможностью непрерывной регистрации измеряемых параметров, длина кюветы I выбирается из условий обеспечения заданного минимального относительного ослабления излучения на длине волны, пропускаемой фильтром, диаметр кюветы d определяется из условия о . 1.5h d V4rGRT Где h - характерный Кл1Р размер приемника излучения, т- постоянная времени газоанализатора. G - расход газа через кювету, R - газовая постоянная,;. Р, Т - соответственно давление и температура газа в кювете, К - расчетный коэффициент, а излучатель 1 выполнен в виде конииеской обечайки 13 со степенью черноты поверхности а 0,8 и углом при вершине не более 30°. помещенной внутрь втулки 14, выполненной из диэлектрического термостойкого, теплопроводного материала, на внешней поверхности которой по всей ее длине расположен нагревательный элемент -. 15, снабжен системой измерения температуры участков конической обечайки 16 и регулятором 17. Теплоизолирующий кожух 19 закрывает втулку и нагревательный элемент. Экраны 20 установлены с зазором по периметру вне кожуха со стороны основания конической обечайки, нормально ее оси. соосно с ,ней на расстоянии друг от друга 6 0,1 Н. где Н - размер экрана по вертикали. Нагревательный элемент - спираль, навит с переменным шагом по длине втулки, при этом частота витков нас краях втулки на длине 1-1,3 ее диаметра в 1,2- 1,4 раза превышает частоту витков на середине втулки. Газоанализатор снабжен кожухом 24 и системой продувки газом 25. сообщенной с кожухом подводящим патрубком 26 со стороны приемника излучения и патрубком сброса 27 со стороны излучателя. 8 з. п. ф-лы, 4 ил. Ё 00 го ю ю ъ

-X)

00

сф

Л%

0,6

0,4

0,2

О

Фиг.4.

Р х Ю5 Па