Газоанализатор Советский патент 1980 года по МПК G01N21/34 

Изобретение относится к исследованиям веществ с помощью спектрального метода, в частности к технике газового анализа. Известны однолучевые газоанализаторы, которые в своем составе содержат источник излучения, кювету с исследуе- мым газом, два интерференционньгс филь ра на эталонную и рабочую длины возтН| укрепленные в непрозрачном обтюраторе приемник излучения и электронньтй блок обработки сигналов Щ. Наличие механического обтюраторе, выполняющего роль модулятор а потока излучения, ограничивает ресурс работы описанного устройства, а обязательное наличие схемы разделения сигналов на два канала при дальнейшей электронной обработке не исключает погрешности в измерении концентрации при изменении параметров электронных, каналов. Известны двухлучевые газоанализатор содержащие источник излучения, формиро |Ватейь двух коллимированных потоков излученйя (рабочего и эталонного), кювету с йссдедуемым газом, два интерферешионных фильтра на рабочую и эталонную длины вопн, систему сведения двух потоков и приемник излучения и модулятор потока, расположенный между системой сведения и приемником 2j. Использова1ше одного источника и одгного приемника требует построения сложной системы разделения и сведения световых потоков, которая сложна в юстировке и вносит дополнительные погрешности в показашя прибора за счет изменения пропускания оптических деталей вследствие запыления, загрязнения ях поверхностей. Наиболее близким по тр-хническ.ой сущности к изобретению является газоанализатор, содержащий электронномодулируемый источник излучення, кювету с исследуемым газом, содержащую формировате1№ двух коллимированпых потоков излучения (эталонного и рабочего), интй{х{; ренционвые фильтры на рабочую и эталонную дли ны волн, расположенные на соответствую ШИ.Х оптических осях, два приемника излу чения и подключенный кИХ вйгходам электронный узел, включающий в себя иве схемы выделения и блок обработки сигналов З. С выхода приемников излучения сни. 1маются соответственно сигнал, пропорци нальньШ поглощению исследуемого газа (рабочий канал), и сигнал, пропорционал ный пропусканию оптического тракта (эталонный канал). Усиленные и продетектированные сигналы поступают на блок обработки сигналов (схему разности или отношения), на выходе которого сигнал пропорционален концентрации ис сЖедуёмого вещества. Недостаток такого газоанализатора состоит в том, что чувствительность приемников, а также коэффициенты передачи электронных блоков обоих каналов изменяются во времени и в зависимости от параметров окружающей среды (температуры и влажности) неодинаково, коэффициенты пропускания оптических деталей, составляющих формирователь к6готв:мм{эованньк потоков, измешпотся вследствие возможного загрязнения их поверхностей, что Способствует появлению погрешности в измерении концентрации исследуемого газа. Для повышения, точности измерения , концентрации исследуемого газа газоана лизатор снабжен поворотным непрозрачНЬ1М диском с отверстиями, устройством переключения, механически связанным с .диском, блоком контроля положения повс ротного диска и коммутатором сигналов сигнальные аходы которого поД1О1ючены к вьгходам схем выделен11Я, управляющий вход - к ахеме контроля положения поворотного, диска, а выходы коммутатора - к блоку обработки сигналов, причем поворотный непрозрачный диск расположен в кювете и в его отверстиях укреплены интерференционные фильтры. На фиг, 1 дана фушщиональная схема предлагаемого газоанализатора на фиг, показаны выходные характеристики газо анализатора, Предлагаетлый газоанализатор постро по двухлучевой двухканальной схеме. Оп тическая часть газоанализатора состоит из электронно-модулирУемрго источника 1 (например, лампы какадивавия) и взоветы 2 с исследу емым газом, содер fHff- if llg;ii «aj j«j --- . жащей формирователь двух коллимированных потоков излучения (рабочего и эталонного), выполненный, например, в виде линзы 3, отраженной призмьг 4, и двух зеркал 5 и 6, поворотный непрозрачный диск 7 с отверстиями, в которых у становлены интерференционные фильтры 8 и 9 соответственно на рабочую и эталонную длины волн, а также схему контроля положения поворотного диска ДО, Включающую в себя оптоэлектронную пару светодиод 11 - фотодиод 12. При этом интерференционные фильтры находятся на соответствующих оптических осях. В задней стенке кюветы за интерференционными фильтрами укреплены два приемника .13 и 14 излучения, например пироэлектрического типа со встроенными в корпусе предварительными усилителями. .... , . .. Электронный узел, подключенный к вьпсодам приемников излучения, имеет две схемы выделения сигналов, состоящие из усилителей 15 и 16 и синхронных детекторов 17 и 18, сигнальные входы которых соединены с соответствующими выходами усилителей, а управляющие входы - с выходами модулятора 19 источника Излучения. Выходы синхронных детекторов соединеныс входами коммутатора 20 сигналов, управляющий аход которого подключен к схеме контроля положения поворотного диска. Выходы коммутатора заведены на блок 21 обработки сигналов, выполненный в виде схемы отношения. Дополнительно .газоанализатор содержит устройство 22 переключения, состоящее из двигателя 23 и схемы 24 управления двигателем. ; . Газоанализатор работает следующим образом,.. Источник 1 излучения, управляемый с помощью электронного модулятора (мультивибратора) 19, испускает переменный поток излучения, который собирается линзой 3 и направляется на систему отражающая призма 4 - зеркала 5 и 6, Полученные таким образом два приблизительно равных ксшлймированных потока излучения зондируют объем кюветы 2, через которую прокачивается анализируемая газовая смесь. На выходе кюветы при пряМом измерении -коплимированные потоки проходят соответственно через рабочий 8 и эталонный 9 И1Перференционные фильтры укрепленные в поворотном непрозрачном диске 7, причем диск остается неподвижным. Затем потоки излучения поступают соответственно на рабочий 13 и эталонный 14 нриемники излучения, С выхода приемников снимаются сигналы, пропорциональные поглощению анализируемого газа (с приемника 13) и пропусканию оптического тракта (с приемника 14). Электрические сигналы с приемников поступают на соответствующие усилители 15 и 16 и далее на синхронные детекторы 17 и 18, управляемые импульсами с выходов модулятора 19. На выходах синхронных детекторов 15 и 16 соответственно имеются вьшря ленные напряжения Э2сЬ . . npv зес.« Z o.% 6%NO- ) где 0 - мощность излучаемого источником потока |Вт Тд - коэффициент пропускания колг.иматора: tj Т - коэффициенты отражения поверхностей призмы 4 Т т; - коэффициенты отражения 5 и 6; Т т коэффициенты пропускания интерференционных фильтров 8 и 9; S о S - чувствительности приемников излучения 13 и 14 в/BTjj коэффициенты преобразоваN,.ния рабочего и эталонного электронных каналов - коэффициент поглощения исследуемо; газа |см Мм H§j L. длина оптического пути С - концентрация анализируемого газа Гмм Н. С выходов синхронных детекторов 17 и 18 сигналы поступают через коммутагтор 2О соответственно на входы 25 и 26 блока 21 обработки сигналов, на выходе которых имеем: W - (l-aect) -55 7 к - - 2 На фиг, 2 прямая 27 соответствует функции (J-aeCl) При вариации температуры окружающей среды или вследствие временной не стабильности параметры оптической схемы и электронных каналов изменяются, и сигнал с вьпсода блока 21 равен w ( иГ-г(()г(-Р X ( эес L) jtri Д-1 - аес ly где d-d, - относительное изменение пропускания формирователя параллельных потоков; 6.9 относительное изме111,ние чувствительности приемников из лучения; а ,В - относительная температурная, и временная нестабильность электронных каналов. (.1 (-SV()-(-W Известно, что зависимость сдвига максимума спектральной характеристики интерференционных фильтров от температуры не превышает (1-3) lO MKM/t, Основная доля погрешности в измерении концентрации праходится на нестабильность приемников излучения и электронных каналов. Поэтому относительным измерением пропускания инггерференционных фильтров можно пренебречь. Кроме того, при необходимости контроль фильтров может быть осуществлен периодически (см. авт.св, Ма S46220). На фиг, 2 прямая 28. соответствует фушшии .(1-a5cL). Некоторому напряжению и на выходе газоанализато ра по основной градуировочной характеристике соответствует значение ко1щентрацйи исследуемого газа С. Вследствие всевозгу ожных уходов градуировочной характернстики тому же значению выходного напряжения WQ будет соответствовать некоторое значение, реальной концентрации исследуемого газа С, о т л и ч а щ е е с я от концентрации иссладуемо- го газа Со на величину ACrQCo которая является погрешностью изм&рения концентрации газа. . Для исключения погрешности ДС . вносимой уходом градуировочной. характеристики,периодически контролируют измерения концентрации исследуемого газа, причем время контрольного измерения At ,-, времени между двумя последoвaтeпьньnvIИ контрольными замерами. Для этого с помощью схемы 24 управ пений двигателем включается двигатель 23 и происходит поворот иш-ерференцио нык фильтров 8 и 9, укрепленных в диска 7, на 180°. Одновременно сигнал, снимаемый со схемы контроля положения поворотного диска 10, поступает на управяшбдшй вход коммутатора 20, который изменяет аходные сигналы, поступающие с блока 21, Taii что сигнал с вьгхода синхронного детектора 17 поступает на вход 26 блока 21 а сигнал с выхода сийсронного детектора. 18 - на вход 25. Напряжение на выходе блока 21 при контрольном измерении ( W и соответствует прямой 29 на фйг, 2. При первоначальной градуировке газоанализатора снимается контрольная градуировочная характеристика (см. прямую 30 на (Ьиг, 2), определяемая выраV, ч-к-:{ - , жением.-. гл .-(i Управление двигателем может осуществляться оператором с соответствующего пульта или по определенной программе с помощью временного устройства Для наглядности связи в етичины выходных напряжений. с вели чиной погрешности ДС, рассматривается линейная зависимость выходного напряже ния от концентрации исследуемого газа, когда HUC«l,т.е. начальный участок выходной характеристики, В противном случае выходную характеристику всегда мож но аппроксимировать линейными участка ми, для которых нижеизложенные рассуждешя также будут справедливы. На фиг, 2 линейные участки выходных характеристик ограничены величинойСтскэ прямые, показанные пунктиром - гипотетические продолжения линейных участков выходных характеристик). Из подобия треугольников АСД и ABE следует: , АС act о )-w;bK K,,(l-3eC L). U к т(4-Эес L).K К Й-ЗеС )(б) Jt2Vo/v v/ AB () У г зГ1.) Выражение (/) устанавливает зависимость между погрешностью измеряемой концентрации и величиной ухода градуировочной характеристики. Величина m находится из -отношения (} Kjm ) Откуда т I(4-ч)( М (АО) Величинами определяется при первоначальной градуировке газоанализатора на данный газ из соотношения: - и, 4-aecL - - с ..-Л где и Cj - начальное и конечное значения концентрации исследуемого газа на вьйранном линейном участке характеристики. Коэф|)Ициент Н находится также при первоначальной градуировке прибора из отношения Вьгчисление погрешности измерения Может осуществляться автоматически с помощью микропроцессора по заданной программе или по первоначальной градуировочной характеристике. При этом градуировочная и контрольная градуиро- вочная характеристика могут быть затпбулированы с заданным шагом дискретизации и внесены в память микропроцессора. Алгоритм, вычнслвния погрешностиД с и реального значения концентрации сводится к следующему. По выходному значению напряжения газоанализатора при прямом измерении находят значение концентрации, соотватству1рщее первоначаль ной градуировочной характеристике. Зная значение полученное при контрольном замере, из вьфажейия (10) находят значение л С , а затем определяют реальное знач ениё концентрации исследуемого газа - лС. Таким образом предлагаемое устройство обеспечивает повышение точности измерения концентрации исследуемого газа ормула изобретени Газоанализатор, содержащий злектронномрдулируемый источник излучения, кювету с исследуемым газом, содержащую формирователь двух коллимированных потоков излучения, интерференционные фильтры на рабочую и эталонную длины волн, расположенные на соответствующах онтических осях, два приемника излучения и подключенный к их выходам элект76ровный узел, включающий в себя две схемы вьщеления и блок обработки сигналов, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности измерения концентрации исследуемого газа, он снабжен поворотным йепрозрачным диском с отверстиями, устройством переключения, механически связанным с диском, блоком контроля положения поворотного диска и коммутатором сигналов, сигнальные аходы которого подключены к выходам схем выделения, управляюишй вход - к схеме контроля полоясенйя поворотного диска а выходы коммутатора - к блоку обработки сигналов, причем поворотный непрозрачный диск расположен в кювете и в его отверстиях укреплены интерференционные фильтры. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент Франции № 2196669, кл. Q 01 Н 21/26, 1974. 2.Авторское свидетельство СССР MO 42929О, кл. Q 01 N 21/26, 1974. 3.Acvx5 pate nnmlotur c. and carbon .ае. ьеп огс М-Сов-доаб. „Proc Ъ A Acros pac;e rxCiVrument wpo-bl 1967.

73S976

Ц iw