Абсорбционный оптический газоанализатор Советский патент 1976 года по МПК G01N21/34 

1

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано для анализа газовых смесей в металллургической, химической и других отраслях промышленности.

Известны промышленные газоанализаторы, состояшие из источника излучения, рабочей камеры с анализируемой смесью, компенсиру1ош,его устройства с камерой переменной длины и приемника излучения. В таких газоанализаторах излучение от источника направляется через рабочую и компенсируюш,ую камеры в прием.ник излучения. В последнем возникает сигнал, пропорциональный разности сравниваемых потоков излучения. Этот сигнал подается иа элементы следящей системы и управляет перемеи ением подвижного штока компенсирующей камеры, имеющего отражающую поверхность, перемещение которого измеряется регистрирующим устройством. Через рабочую камеру пропускается а-нализируемая смесь, а коМПенсирующая камера заполнена эталонной смесью, содержащей определяемый комнонент. При перемещении подвижного штока изменяется толщина газовой смеси, пронизываемой компенсирующим потоком излучения. Это перемещение осуществляется до тех пор, пока сигнал на выходе приемника не становится равным нулю. При этом непрерывно и автоматически при помоищ элементов следящей системы поддерживается отсутствие выходного сигнала приемника излучения. Это осуществляется изменением полного количества молекул поглощающего излучения

газа на пути сравнительного потока. Связанное с подвижным штоком компенсирующего устройства регистрирующее устройство при этом градуировано в значениях концентрации определяемого компонента в анализируемой

смеси.

В серийных инфракрасных газоанализаторах общепромышленного назначения типов ОА2109, ОА2209 и ОА2309 для уменьщения

влияния изменения атмосферного давления к компенсирующему устройству подсоединяют сильфом, позволяющий менять объем, занимаемый компенсирующей смесью. В противном случае колебания атмосферного давления

приводили бы к изменению интенсивности поглощения излучения только в рабочем канале (за счет изменения количества молекул определяемого компонента в рабочей камере с анализируемой смесью), а поглощение излучения в сравнительном канале не зависит от атмосферного давления, так как компенсирующее устройство герметично. В результате колебания атмосферного давления приводили бы к недонустимой большой дополнительной

погрешности. Полная коррекция влияния атмосферного давления была бы возможна только при условии, если плотности анализируемой и компенсирующей газовых смесей при изменениях атмосферного давления {и температуры) оставались равными. Однако давление компенсирующей смеси вследствие конечной жесткости сильфона, герметически отделяющего компенсирующую смесь от атмосферцого воздуха, достаточно большого объема компенсирующего устройства и сравнительно небольшой эффективной поверхности сильфона не равно атмосферному. Поэтому уменьшить влияние атмосферного давления удается не более, чем в 2-2,5 раза. Это является серьезным недостатком известного газоанализатора. Другой недостаток заключается в том, что известный оптический абсорбционный газоанализатор смесей газов предполагает применение камер, заполненных газовыми смесями постоянного состава. Однако все известные способы герметизации камер не обеспечивают требуемого постоянства состава в течение длительного срока эксплуатации газоанализаторов. Поэтому известный газоанализатор обладает нестабильностью показаний во времени. Целью изобретения является устранение автоколебаний. Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом абсорбционном оптическом газоанализаторе к выходу компенсирующей камеры последовательно подключены сообщающиеся сосуды с жидкостью, выход которых сообщен с атмосферой. Электрическим аналогом сообщающихся сосудов является индуктивный шунт к емкости С. При этом если масса т подвижной жидкости в сообщающихся сосудах значительно меньше массы М подвижной системы компенсирующего устройства, то собственная циклическая частота соо колебаний равна ( MmJC тС где правая часть неравенства есть собственная частота системы без сообщающихся сосудов. Таким образом, применение сообщающихся сосудов с достаточно малой массой подвижной жидкости () позволяет резко увеличить собственную частоту колебаний, последнюю можно сделать (уменьшая т) значительно большей рабочей частоты измеряемого сигнала и настолько высокой, что условие возбуждения автоколебаний не будет выполняться. - где R - активное механическое сонротивление подвижной системы компенсирующего устройства, учитывающее рассеяние энергии; Е - чувствительность акустико-электричеекой системы; S - эффективная площадь штока подвижной системы; С - гибкость системы. Действительно, с целью уменьшения влияния высокочастотных (частота значительно больше рабочей частоты измеряемого сигнала) шумов и помех (например, наводок от сети электрического питания) чувствительность Е делают (известными приемами) монотонно уменьшающейся с частотой. При определенной достаточно высокой частоте чувствительность Е уменьшается настолько, что условие самовозбуждения на этой частоте перестает выполняться. Собственную частоту системы и увеличивают настолько, чтобы нарушилось условие самовозбуждения (1). Автоколебания при этом не возникают. На чертеже показана схема предлагаемого устройства. Эталонный газ поступает через вентиль 1 в компенсирующее устройство 2. Инфра.краспое излучение от источника 3 после отражения от зеркального отражателя 4 делится на два потока. В качестве источника эталонной газовой смеси используют баллон 5, который через компенсирующую камеру соединен с приемником излучения 6. Диффузионная трубка 7 предназначена для предотвращения диффузии нежелательных компонентов в приемник. Рабочая камера 8 заполнена анализируемой смесью. Фильтр-поглотитель 9 служит для защиты диффузионного фильтра 10 от паров жидкости, заполняющей сообщающиеся сосуды 11. Излучение от источника 3 направляется через рабочую камеру 8 и компенсирующее устройство 2 в приемник излучения 6. В последнем возникает сигнал, пропорциональный разности сравниваемых потоков. Этот сигнал подается на элементы следящей системы и управляет перемещением подвижного штока компенсирующего устройства 2, заполненного эталонной смесью, содержащей определяемый компопент. При перемещении подвижного штока изменяется толщина газовой смеси, принизываемой компенсирующим потоком излучения. Это перемещение осуществляется до тех пор, пока сигнал на выходе приемника не сделается равным нулю. В результате каждому значению концентрации определяемого компонента в рабочей камере 8 соответствует определепное положение штока компенсирующей камеры. Это производится непрерывно автоматически с помощью следящей системы. Связанное с подвижным штоком компенсирующего зстройства регистрирующее устройство градуировано в значениях концентрации определяемого компонента в анализируемой сме1си. В процессе непрерывной эксплуатации эталонный газ из баллона непрерывно пропускается через компенсирующее устройство диффузионным заходом в приемник излучения и затем выходит в атмосферу через сообщающиеся сосуды. При этом газ «пробулькивается через слой воды, наличие пузырьков газа свидетельствует о нормальном режиме работы системы.

Благодаря применению сообщающихся сосудов при перемещении штока компенсирующего устройства давление газа внутри него практически -не изменяется, так как уровень жидкости при этом также изменяется (он еледует за давлением). Поэтому перемещения щтока не оказывают обратного воздействия (не возникает сигнал обратной связи) на микрофон приемника излучения. Автоколебания благодаря этому исчезают.

Сообщающиеся сосуды играют роль легкого порщня (но герметичного), который позволяет эталонному газу легко изменять свой объем, практически без изменения величины давления газа. Причем этот «поршень настолько легкий, что собственная частота лежит вне полосы пропускания системы. Условие (1) возбуждения автоколебаний не выполняется. Предложенный газоанализатор подвергается механико-пневматическим воздействиям двоякого рода: во-первых, описанным выше собственным (внутренним) автоколебаниям, которые сравнительно легко снимаются с помощью сообщающихся сосудов; вовторых, внешним медленным колебаниям атмосферного давления с периодом колебания, который значительно больше суток. Эти внешние колебания давления не могут вызвать автоколебаний системы, поскольку указанные воздействия имеют совершенно различные причины (внешние или собственные внутренние), воздействуют на различные элементы газоанализатора (на жидкость в сообщающихся сосудах или на подвижную часть компенсирующего устройства) и имеют резКО отличающиеся частоты (различие на несколько порядков). Более того, несмотря на то, что внешние колебания атмосферного давления через сообщающиеся сосуды и эталонный газ в пневматическом .приемнике излучения воздействуют на микрофон приемника, элементы системы прибора выполнены так, что указанные медленные изменения давления эталонного газа практически не изменят показаний газоанализатора посредством воздействия на подвижную систему комненсирующего устройства.

Внещние колебания атмосферного давления практически не влияют на работу следящей системы непосредственно. Однако эти колебания могут в наиболее неблагоприятном случае привести к тому, что давления анализируемой и эталонной газовых смесей становятся неодинаковыми. Это в свою очередь может привести к дополнительной погрешности газоанализатора.

Если расход эталонной газовой смеси из баллона 5 отсутствует (регулятор расхода 1 закрыт), то при внешних колебаниях атмосферного давления разность уровней разделяющей жидкости в сообщающихся сосудах также изменяется по величине и знаку. Период таких изменений равен периоду колебаний внещнего атмосферного давления. Поскольку этот период очень велик, а внутренний объем

системы 1-2-6-7-9-10 можно выполнить сравнительно небольщим, то амплитуда изменения (колебаний) объемного расхода (скорость изменения объема, занимаемого эталонным газом) МОжет быть сделана небольшой. Открывая вентиль 1, можно расход эталонной смеси из баллона 5 сделать большим амплитуды колебаний объемного расхода, возникающих при внешних колебаниях атмосферного давления. При таком расходе эталонной смеси при колебаниях атмосферного давления разность уровней жидкости в сообщающихся сосудах остается неизменной по величине и знаку. При этом эталонный газ непрерывно с небольшим расходом пробулькивается через сообщающиеся сосуды в атмосферу. Уменьщая объем системы 1-2-6-7-9-10 и подбирая (рассчитывая) размеры сообщающихся сосудов по расходу эталонной смеси, разность уровней жидкости в сосудах можно сделать сравнительно небольшой. Например, пусть эта разность равна 20 мм вод. ст. (как показывает практика, эта разность легко контролируется и поддерживается в процессе эксплуатации газоапализатора).

Б этом случае давления газов в рабочей и компенсирующей камерах отличается всего на 0,2% относительных. Такое же значение погрешности возникает в конце шкалы газоанализатора, если например, в результате длительной эксплуатации газоанализатора жидкость (вода) настолько испарится из сосудов, что разность уровней станет равной пулю. Однако такое значение погрешности (0,2%) невелико. Оно пренебрежимо мало по сравнению с 1% - наилучшим классом точности, который согласно ГОСТ 13320-69 рационально использовать в промышленных газоанализаторах. Поэтому такая погрешность (0,2%) «е может служить препятствием к достижению наивысшего возможного класса точности приборов. Более того, такой предельный случай уменьшения разности уровней до нуля может явиться следствием только грубого неоднократного нарушения инструкции по эксплуатация, согласно которой рекомендуется с определенной заданной переодичностью дополнять сообщающиеся сосуды разделяющей жидкостью и корректировать показания газоанализатора но эталонной газовой смеси в баллоне (при такой корректировке погрешность, обусловленная разностью давлений анализируемой и эталонной смесей, практически скорректируется до нуля). Таким образом, при правильной эксплуатации газоанализатора влиянием колебаний внешнего атмосферного давления можно пренебречь.

Для предотвращения попадания паров жидкости из сообщающихся сосудов в приемник и компенсирующую камеру перед ней установлен фильтр-поглотитель, который соединяется с сообщающимися сосудами диффузионной газовой трубкой, необходимой для увеличения срока фильтра-поглотителя (осушителя). Газовая трубка уменьшает диффузию

паров жидкости из сообщающихся сосудов к поглотителю.

При колебаниях атмосферного давления атмосферНый воздух или жидкость сообщающихся сосудов не попадают в компенсирующее устройство или приемник, так как незаполненные части объемов сообщающихся сосудов соизмеримы с объемом заключенной в них жидкости. В предложенном абсорбционном газоанализаторе наряду с существенным уменьщением погрешности измерения и улучшением характеристик надежности может быть обеспечен также контроль расхода эталонной газовой смеси с помощью жидкости, заключенной в сообщающиеся сосуды.

Формула изобретения

Абсорбционный оптический газоанализатор, содержащий источник излучения, рабочую камеру и соединенные между собой .компенсирующую камеру и приемник излучения, отличающийся тем, что, с целью устранения автоколебаний, он содержит сообщающиеся сосуды, заполненные жидкостью, вход которых соединен с выходом компенсирующей камеры, а выход сообщен с атмосферой.