Однолучевой абсорбционный анализатор Советский патент 1979 года по МПК G01N21/34 

(54) ОДНОЛУЧЕВОЙ АБСОРБЦИОННЫЙ АНАЛИЗАТОР

Изобретение относится к оптическим абсорбционным анализаторам состава и может быть применено для автоматического контро газовых и парогазовых смесей в химической, нефтехимической, металлургической и других отраслях промышленности. Известны анализаторы, содержащие источник излучения, рабочую и с{эавнител ные камеры, зеркала, лучеприемник, в рабочей и сравнительной камерах которого установлены термосопротивления, включенные в схему.измерительного моста переменного тока, и вторичные приборы ir и 2.. Эти анализаторы имеют сложнуюконструкцию, вызванную сложностью их оптической схемы; им свойственны погрешность анализа, вызванная различным уходом во времени параметров зеркал, рабочей и сравнительной камер, а также погрешность анализа, вызванная недостаточной селективностью рабочей камеры лучеприемника для газов, имеющих полосы поглощения,близкие к полосе поглощения измеряемого газа в исследуемой газовой смеси (например, СО и СОд ; СОо и СН. и т.д.) Наиболее близким по своей технической сущности к изобретению является однолучевой абсорбционный анализатор, содержащий источник теплового излучения, рабочую камеру, две лучеприемные камеры, установленные последовательно на пути потока излучения после рабочей камеры, содержащие термочувствительные элементы, включенные в схему измерительного моста переменного тока и вторичные приборы fЗ. Однако для устраненияпогрещности анализа, вызванной недостаточной селективностью рабочей камеры для газов, имеющих полосы поглощения, частично совпадающие с полосой поглощения измеряемого газа в исследуемой газовой смеси, в оптическую схему известного анализатора не обходимо ввести перед рабочей камерой фильтровую камеру, что приводит к усложнению конструкции анализатора и снижению его чувствительности за счет уме шения потока Теплового излучения, который на пути в лучеприемник дополнител но проходит через два оптических стекла фильтровой камеры. Целью изобретения является компенсация влияния неизмеряемых компонентов в анализируемой газовой сМеси на выходной сигнал анализатора, и повышение чувствительности. Достигается это тем, что одна из дв лучеприемных камер является сравнител ной и компенсационной одновременно. На чертеже дано предлагаемое устрой ство. Анализатор содержит излучатель 1, .рабочую камеру 2 и две лучеприемные камеры - рабочую 3 и сравнительную 4 (она же и компенсационная). В рабочей 3 и сравнительной (компенсационной) 4 лучеприемных камерах установлены термочувствительные элементы 5 и 6 (например, металлические нити, термосопротивления и др.), которые со стабильными константа новым и сопротивлениями 7 и 8 образуют измерительную схему сбалансированного моста, питаемого от стабильного генератора прямоугольных импульсов 9. Термочувствительный элемент б, помещенный в сравнительной (компенсационной) лучеприемной камере 4, изготовлен из того же материала, что и термочувств ятельный элемент 5 с одинаковым температурным коэффициентом и служит для термокомпёнсации измерительной мостовой схемы при измерении окружающей температуры. Выход измерительной мостовой схемы подключают к вход усилителя 10 переменного тока, который . усиливает сигнал разбаланса мостовой схемы. Синхронный детектор 11, источником сигналов синхронизации которого является генератор 9 прямоугольных импульсов, выпрямляет усиленный сигнал , разбаланса мостовой схемы, В суммирующем усилителе 12 постоянного тока осуществляется сложение и усиление напряжений от синхронного детектора 11 и источник 13 опорного напряжения, необходимого для точной балансировки нуля анализатора, далее сигнал поступает на показывающий или регистрирующий прибор 14. Потенциометр 15 предназначен для регулировки чувствительности анализатора, а потенциометр 16 - для установки ну-; ля анализатора. Анализатор иастраивается и работает следующим образом. Заполняют рабочую лучеприемную камеру 3 измерительным газом, а сравнительную (компенсационную) лучеприемную камеру 4 заполняют азотом. Пусть через рабочую камеру 2 пропускается азот. При отсутствии потока излучения через рабочую 3 и сравнительную (компенсационную) 4 Лучеприемные камеры бапанс измерительного моста переменного тока соблюдается при условии равенства сопротивлений чувствительных к изменению температуры элементов 5 и 6 и константановых сопротивлений 7 и 8. При включенном излучателе 1 поток излучения, проходя через рабочую камеру 2, попадает в селективный приемник излучения - рабочую лучеприемную камеру 3.. Так как азот в рабочей камере 2 не поглощает энергию теплового излучения, соответствующего полосе поглощения измеряемого газа, то эта энергия, поглощаемая в рабочей лучеприемной камере 3, вызывает максимальное изменение температуры этой камеры, и,следовательно, термочувствительного элемента 5, а так как в сравнительной (компенсационной) лучеприемной камере 4 не поглощается энергия теплового излучателя и не меняется температура помещенного в ней: термочувствительного элемента 6, то на выходе измерительного моста переменного тока, образованного термочувствительными элементами 5, 6 и константановыми сопротивлениями 7, 8,источником питания которого является стабильный генератор прямоугольных импульсов 9, сигнал разбаланса имеет максимальную величину. Усиленный усилителем переменного тока 10 и выпрямленный синхронным детектором 11, управляемым импульсами синхронизации от генератора прямоугольных импульсов 9, сигнал разбаланса поступает в суммирующий усилитель постоянного тока 12 и далее в показывающий или регистрирующий прибор 14. Так как азот, пропускаемый через рабочую камеру 2, не содержит измеряемый компонент, то сигнал на показывающем или регистрирующем приборе 14 должен быть равен нулю. Выходной сигнал анализатора устанавливают равным нулю с помощью потенциометра 16, подающего напряжение смешения от источника опорных напряжений 13 на второй вход суммирующего уснли56теля постоянного тока 12. Далее, через рабочую камеру 2 пропускают бинарную смесь азота и измеряемого компонента с концентрацией, соответствующей верхнему пределу шкалы анализатора, при этом сигнагл разбаланса измерительного моста переменного тока за счет поглощейия в рабочей камере 2 энергии, соответствующей полосе поглощения измеряемого газа, имеет меньщую величину, чем при пропускании азота через рабочую Камеру 2, и на выходе суммирующего усилителя постоянного тока 12 появляется сигнал, равный разности к-ежду сигналом, соответствующим анализируемой газовой смеси, не содержащей измерительного компонента, и сигналом, соответствующим анализируемой газовой смеси с концентрацией измеряемого ком понента, равной верхнему пределу шкалы анализатора. При этом выходной сигнал анализатора на регистрирующем или показывающем приборе 14 устанавливают равным верхнему пределу шкалы (например, 1 В) с помощью потенциометра 15 Далее, через рабочую камеру 2 анализатора пропускают бинарную смесь азо та и неизмеряемого компонента, концентрация которого равна его максимально возможной концентрации в анализируемой газовой смеси, имеющего полосу поглощения, частично совпадающую с поЯосой поглощения измеряемого газа. При этом в рабочей камере 2 происходит поглощение части энергии теплового излучения, соответствующей полосе поглощения измеряемого газа в анализируемой газовой смеси, что приводит к уменьшению температуры рабочей лучеприемной камеры 3 и появлению сигнала разбаланса на выходе анализатора. Заполняют сравнительную (компенсационную) лучеприемную камеру 4 бинарной газовой смесью азота и неизмеряемого компонента, имеющего полосу по- глощения, частично совпадающую с полосой поглощения измеряемого газа. Подйирают концентрацию неизмеряемо гр компонента таким образом, чтобы при пропускании черев рабочую камеру 2 бинарной газовой смеси азота с максималь но возможной концентрацией неизмеряб- мого компонента в анализируемой газовой смеси в сравнительной (компенсационной) лучеприемной камере 4 произош ло уменьшение температуры за счет поглощения в рабочей камере 2 энергии, соответртвуюшей полосе поглощения не,,а.-...-,-f.-r- Ч oM-jf TV , JMfK 5 измеряемого компонента, на ту же величину, что и в рабочей лучеприемной камере 3. При этом сигнал разбаланса на выходе анализатора будет скомпенсирован до нуля, а Сравнительная лучеприемная камера 4 одновременно является компенсационной камерой. Если в анализируемой газовой смеси имёкУтся нёскбйЁШ нензмЩэяёмЩ Компбнентов, имеющих полосы поглощения, частично совпадающие с полосой поглощения измеряемого газа, т6 компенсация сигнала разбаланса на выходе измерительного моста переменного тока При пропускании через рабочую камеру бинарных смесей азота с максимальными концентрациями- -; неизмеряемых компонентов анализируемой смеси производят описанным выше способом, исключая при этом влияние неизмеряемых компонентов в анализируемой газовой смеси на выходной сигнал анализатора. Окончательно, сравнительную (компенсационную) камеру 4 заполняют газовой смесью, состоящей из подобранных описанным способом концентраций неизмеряемых компонентов, содержащихся в анализируемой, газовой смеси, имеющих полосы поглощения, частично совпадающие с полосой поглощения измеряемого газа, и газа, не содержащегося в анализируемой газовой смеси и имеющего полосу поглощения, близкую к полосе поглощения измеряемого газа. Теперь при пропускании через рабочую камеру 2 азота и при наличии потока излучения баланс измерительного моста переменного тока соблюдается при равенстве сопротивлений чувствительных к измерению температуры элементов 5 и 6, а это возможно при одинаковых приращениях температуры рабочей 3 и сравнительной (компенсационной) 4 лучеприемных камер, вызванных поглощением излучения газами, находящимися в этих камерах. Если энергия,соответствующая полосе поглощения измеряемого газа, заполняющего рабочую лучеприемную камеру 3, мало отличается от энергии, соответствующей полосам поглощения неизмеряемых компонентов ана;лизируемой газовой смеси, и от энергии, соответствующей полосе поглощения газа, не содержащегося в анализируемой газовой смеси и имеющего полосу поглощения,близкую к полосе поглощения измеряемого газа, которые заполняют сравнительную (компенсационную) 789 камеру 4, то приращение температуры сравнительной (компенсационной) лучеприемной камеры 4 будет выше, чем при решение температуры рабочей пучеприемной камеры 3, так как поглощение энергии в сравнительной (компенсационной) лз еприемной камере 4 происходит как минимум, по двум полосам поглощения. Приращения температуры этих камер можно уравнять, если в сравнительной (компенсационной) лучеприемной камере 4 уменьшить концентрацию газа, отсутствующего в анализируемой газовой смеси и имеющего полосу поглощения, близкую к полосе поглощения измеряемого газа, добавляя в камеру азот, не поглощающий тепловое излучение. При этом дрейф излучателя, если он не вьтзван заметным смещением его спектральной характеристики, не нарушает баланс измерительного моста переменного тока. Кроме того, запыление рабочей камеры 2 не вызывает дрейфа нуля предлагаемой оптической схемы, так как при этом одинаково изменяется поток теплового излучения через обе лучеприемные камеры. При пропускании азота через рабочую 1самеру 2 в ней не происходит поглощени теплового излучения и поэтому температура рабочей 3 и сравнительной (компен сационной) 4 лучеприемных камер не меняется и должен отсутствовать сигнал разбаланса на выходе измерительного моста переменного тока. Имеющий место небольшой выходной сигнал разбаланса устанавливают равным нулю с помощью потенциометра 16, подающего напряжение смещения от источника опорного напряжения 13 на второй вход суммирую щего усилителя постоянного тока 12. При пропускании через рабочую камеру 2 бинарной смеси азота и измеряемого компонента с концентрацией, соответствующей верхнему пределу шкалы, сиг нал разбаланса измерительного моста пе ременного тока за счет наибольшего по.глощения теплового излучения в рабочей камере 2 и снижения температуры рабочей лучеприемной камеры 3 имеет максимальную величину. Выходной сигнал устанавливают равным концу, щкалы (например, 1 -В) с помощью потенциометра 15. При пропускании через рабочую каме ру 2 анализируемой газовой смеси в ней 8 происходит поглощение теплового излучения измеряемым газом и неизмеряемыми компонентами анализируемой газовой смеси, имеющими полосы поглощения, частично совпадающие с полосой поглощения измеряемого газа. При этом происходит уменьшение температуры рабочей лучеприемной камеры 3, как за счет поглощения энергии измеряемым газом, так и за счет частичного поглощения энергии неизмеряемыми компонентами йа полосе поглощения измеряемого га-за. Кроме того, проис- дит уменьшение температуры сравнитель - ной (компенсационной) лучеприемной камеры 4 за счет поглощения в рабочей камере 2 энергии, соответствующей полосам поглощения неизмеряемых компонентов, доторыми частично заполнена сравнительная лучеприемная камера 4, причем, изменения температуры в рабочей 3 и сравнительной 4 лучеприемных камерах от неизмеряемых компонент одинаковы. Таким образом, сигнал разбаланса измерительного моста переменного тока определяется изменением температуры рабочей лучеприемной камеры 3, вызванной поглощением теплового излучения в рабочей камере 2 измеряемым газом. Усиленный усилителем переменного тока 1О и выпрямленный синхронным детектором 11 сигнал разбаланса поступает в суммирующий усилитель постоянного тока 12,- а оттуда в показывающий или регистрирующий прибор 14. Формула изобретения Однолучевой абсорбционный анализатор, содержащий источник теплового излучения, раб9чую камеру, две лучеприемные камеры, установленные последовательно на пути потока излучения после рабочей камеры, содержащие термочувствительные элементы, включенные в схему измерительного моста nefJeMeHHoro тока, и вторичные приборы, отличающийся тем, что, с целью компенсации влияния неизмеряемых компогнентов в анализируемой газовой смеси на выходной сигнал анализатора и повышения чувствительности, одна из лучеприемных камер является срайнительной и компенсационной одновременно. 0693175 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 209028, кп. G О1 N 21/34, 1968. № №

/« 2.Авторское свидетельство СССР 298877, кл G 01 N 21/34,1971. 3,Авторское свидетельство СССР 184514, кл G б1 21/46, 1966.