Газоанализатор Советский патент 1981 года по МПК G01N21/01 

Изобретение относится к исследов нию анализу материалов с помощью оп тических методов путем поглощения световых лучей. Известны спектроабсорбционные оптические газоанализаторы, работакйцие по принципу прямого измерения энергии излучения, ослабленной веществом в результате избирательного поглощения, содержащие источник оптического излучения, сменные интерференционные фильтры, измерительную кювету, устройство забора пробы, приемник излучения, измеряющий эмер гию.излучения, прошедшую исследуемую пробу, промежуточную электронную схему, систему индикации fl. В газоанализаторах данного типа избирательное вьщеление аналитических спектральных составляющих дости гается с помощью интерференционных фильтров. Однако имеются значительные трудности в создании дешевых, стабильных, узкополосных (для инфра красной области) фильтров, а их способность выделять одну составляющую, а не весь спектр излучения, поглощаемый веществом, ограничивает энергетическую эффективность воздей ствия ослабленного излучения на приемное устройство. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является газоанализатор, содержащий источник излучения, генератор частоты, схему счетчика с дешифратором, измерительную кювету, пробозаборник, приемник излучения, схему накопления и запоминания сигналов, схему индикации 2 . В одном из последовательных циклов забора пробы воздушная смесь, засасываемая в измерительную кювету, проходит через каталитический скруббер, очищающий ее от озона. В течение одной секунды измеряется и интегрируется интенсивность лучистого потока, прошедшего очищенную пробу (сравнительный полуцикл). Накопленный сигнал запоминается в запоминающем устройстве. В другом цикле забора пробы исследуемая воздушная смесь засасывается в измерительную кювету неочищенную от озона. Забор пробы дважды, для каждого случая определения концентрации озона в воздушной среде, снижает достоверность измерения вследствие конвенционных процессов, происходящих в воздушном бассейне между двумя циклами забора пробы, а диапазон исследуемых веществ в пробе ограничен одним газом. Кроме того, применение химического катализатора в одном из циклов забора пробы для очистки ее от компонента, на нали-чие которого исследуется проба,пред ставляет определенную техническую сложность обслуживания газоанализатора. Цель изобретения - повышение точ ности анализа, уменьшение влияния дестабилизирующих факторов и улучше ние Эксплуатационных качеств устрой ства. Указанная цель достигается тем, что газоанализатор дополнительно со держит барабан с набором этешонныас кювет, расположенный за измерительной кюветой, а электронная схема из мерения содержит компаратор, триггер, первый элемент И, формировател стробирувяцих икшульсов, второй элемеыт И, причем первый вход первого элемента И соединен с выходом триггера, второй вход соединен с выходом формирователя стробирующих им пульсов, а третий вход соединен с генератором частоты, выход этого же элемента И соединен со схемой индик ции , первый вход второго элемента И соединен с одним из выходов схемы накопления и запоминания сигналов, второй вход соединен с выходом схем счетчика с дешифратором, а выход -с одним из входов триггера и вхо.дом формирователя стробирующих импульсов, второй вход триггера подключен к выходу компаратора, соеди.ненногю с одним из входов cxeMki накопления и зaпo шнaния сигналов, два других выхода которой соединены со входами компаратора. На фйг.1 представлена блок-схема предлагаемого, газоанализатора} на фиг. 2 - временная диаграгФ1а, поясня ющая его работу. Газоанализатор содержит источник 1 излучения, оптически соединенный с измерительной, кюветой 2, имеющей пробоэаборник 3, и приемником излуЧ ния 4, генератор 5 частоты, элек. трически соединенный через схему счетчика с дешифраторкэм 6 со схемой 7 накопления и запоминания сигналов подключенной выходом ко входу прием ника 4 излучения; барабан 8с набором эталонных кювет, оптически связанных с измерительной кюветой и приемником излучения, компаратор В, подключенный входами к схеме 7 нако ления и запоминания сигналов, а выходом - к другому входу этой схемы и к одному из входов триггера 10, другой вход которого подключен к выходу элемента И 11, соединенного с формирователем 12 стробирующих импульсов, при этом один вход элеме га И 11 соединен с выходом дешифрат а б, другой - с выходом схемы 7 акопления и запо1 нания сигналов, лемент И 13, соединенный с первым ходом с выходом триггера 10, втоым - с выходом формирователя 12 тробирующих импульсов, третьим - с енератором 5 частоты, а выходом о схемой 14 индикации. В газоанализаторе исследование азовой среды на интересующие компоенты приводится в одной неочищеной от компонента, на который она сследуется, пробе, а избирательое выделение аналитического спектра ля каждого анализируемого вещества ногокомпонентной смеси осуществлятся в эталонной кювете с веществом, а наличие которого исследуется соержание пробы, причем переход в сследовании пробы с одного вещества а другое осуществляется при повооте барабана, обеспечивающем подачу юветы с требуемым веществом. На фиг.2 дана временная диаграмма, ояснякщая работу газоанализатора с реобразованием типа время-импульс, напряжение на выходе приемника излучения} накопленный интегратором сигнал в сравнительном полуцикле в течение времени tr (без эталонной .кюветы); накопленный интегратором сигнал в измерительном полуцикле, доведенный до уровня .ранее накопленного сигнала в сравнительном полуцикле в течение времени T + At tr (с эталонной кюветой)t 1,11,Ш - варианты, включающие сраввительный и измерительный полуциклы, а именно: 1 вариант - в исследуемой пробе отсутствует вещество, которым заполнена эталонная кювета; и вариант - исследуемая проба значительно насыщена ветеством,которым заполнена эталонная кювета;Г 1 вариантисследуемая проба насьвдена веществом, которым заполнена эталонная кювета так, что введение в измерительном полуцикле в лучистый поток эталонной кюветы не изменило « потносительно сравнительного полуцикла. Экспонента АВ отрс1жает нелинейный ный закон поглощения энергии излучения эталонной кюветой. Измерительный цикл газоанализатора определяется при заполненной измерительной кювете исследуемой пробой, временем измерения и интегрирования интенсивности лучистого, потока в сравнительном и измерительном полуцикл ах .i В первом полуцикле сравнительном в течение, например, одной секунды из2 1еряется и интегрируется интенсивность лучистого потока, прошедшего исследуемую пробу. Время и тегрирования задается генератором частоты. Накопленный сигнал запоми нается и передается на один из вхо дов компаратора. Во втором полуцикле (измеритель ном) измеряется и интегрируется ин тенсивность лучистого потока, прошедшего исследуемую пробу и эталон ную кювету. Накапливаемый сигнал подается на второй вход компарато ра. При этом триггер 10 находится в состоянии, с его выхода на входе элемента И 13 действует по енциал логической 1, формирователь 12 стробируквцих импульсов - в состоянии покоя, а с его выхода на вход этого же элемента действует потенциал логического О. На входе эле мента И 11, соединенного с выходом cxeNOj 7 накопления и запоминания сигналов, - потенциал логического О. Элементы И 11 и 13 закрыты.По истечении одной секунды накоплений сигнала дешифратор 6 шедает импульс который поступает на один из входо элемента И 11 и в схему 7 накоплени и запоминания сигналов, в последней передним фронтом этого импульса для входа элемента И 11 задается потенциал логической 1. Элемент И 11 пропустит импульс дешифратора, который изменит состояние триггера 10 с 1 на О и запустит формирователь 12 стробирующих импульсов.. В результате на входе элемента И 13 с выхода триггера 10 появляется потен циал логического О, а на выходе этого же элемента с выхода формиро вателя 12 стробирующих импульсов потенциал логической 1. Если в пробе отсутствует исследуемый компонент, то время накопления сигнала во втором полуцикле (измерительном) до уровня накопленного сигнала в первом полуцикле (сравнительном), ввиду спектрального ослабления лучистого потока веществом эталонной кюветы, можно представить как C-vu.t --Г Где С - например, равно одной секунде ; At - время продолжающегося накопления сигнала во втором полуцикле, по истечении одной секунды, задается с выхода формирователя 12 стробирующих импульсов в виде импульса нормированной длительности, причем для каждого вещества д нормированно, исходя из коэффициента поглощения излучения веществом на единицу толщ ны слоя газа в сантиметрах при нормальном давлении и температуре. При достижении накапливаемым сигналом в измерительном полуцикле уровня накопленного сигнала в сравнительном полуцикле компаратор 9 ВЕВдает импульс, которым триггер 10 переводится из О состояния в 1, а с выхода схемы 7 накопления и запоминания сигналов на выходе элемента И 11 задается потенциал ло- гического О. Нахождение триггера в О состоянии можно представить потенциалом длительностью At , задаваемш импульсом дешифратора б, по истечении одной.секунды накопления сигнала в измерительном полуцикле , до момента наступления равенства уровней накопленного сигнала в сравнительном и накаливаемого сигна-. ла в измерительном полуцикле. При достижении уровней напряжения на входах компаратора 9 последний переводит триггер 10 Б 1 состояние. При условии, что в пробе отсутствует исследуемый компонент, длительность стробирующего импульса равна времени нахождения в О состоянии триггера, 10:, т.е. М л1 Импульсы длительностью At и л.1 одновременно действуют на входах элемента И 13, первый в виде потенциалалогической 1, второй в виде потенциала логического О. Элемент И 13 закрыт и сигналы, действующие на одном из его входов от генератора 5 частоты, в счетчик cxeivoj 14 индикации не поступят, т.е. счетчик остается в состоянии покоя. Если в пробе присутствует компонент, на наличие которого производят исследование, то интенсивность лучистого потока, попадающего на слой вещества эталонной кюветы, будет несколько ослаблена. При большой концентрации исследуемого компонента в пробе последний полностью поглощает составляющие спектра излучения, соответствующие полосам поглощения исследуемого вещества, вследствие этого в измерительном полуцикле в эталонной кювете поглощение энергии не будет иметь место и, следовательно, время накопления сигнала в первом полуцикле t равно времени накопления сигнала во втором полуцикл а f т: tr ,4 u-t-o На основании изложенного, промеуточную количественную концентраию компонента в среде можно оцениать временным интервалам Д-t /д-Ь /О В каждом измерительном полуцикле мпульсы длительностью At с выхода ормирователя 12 стробируквдих импулбсов и импульс At с выхода триггера 10, действующие на входах элемента И 13, появляются одновременно. При условии, что в пробе присутствует исследуемый компонент всегда

(5)

it 7 t

т.е. время д. t продолжаквдегося накопления сигнала по истечении одной секунды в измерительном полуцикле до уровня накопленного сигнала в сравнительном полуцикле, меньше времени ut, взятого при условии, что в пробе отсутствует исследуемый.Компонент. Поскольку равенство уравнений накопленных сигналов на входах компаратора 9 достигается быстрее, то импульс-с компаратора 9 переводит триггер 10 из О состояния в 1 (что соответствует действию на входе элвм&ита И 13 потенциала логической 1) раньше, чем заканчивает свое действие на входе этого элемента импульс длительностью . ut на время

At (6)

uf

&tВ течение времени it элемента И 13 проводит импульсы генератора 5 частоты в счетчик схемл 14 индикации . Чем : выше концентрация компонента в газовой пробе, тем меньше U. t , а следовательно, большее количество импульсов поступит в счетчик схемы 14 индикации. Окончанием действия импульса длительностью At на входе элемента И 13 заканчивается измерение концентрации компонента в средеi. При последующих измерениях последовательнОсть полуциклов и лорядок срабатывания электронной схемы повторяютсй.

Предлагаемый газоанализатор обеспечквает .высокую степень достовериости анализа воздушной среды. Оценка концентрации компонента в смеси по длительности процесса накопления сигнала И заполнения интервала процесса накопления дискретным кодом позволяет проводить измерение концегчтргщии составляющих смеси с высокой точностью. Устройство отличают высокие эксплуат.ационные качества

обусловленные автоматизированным процессом измерения

Формула изобретения

Газоанализатор, содержаи ий источник излучения, измерительную кювету, пробозаборник, приемник излучения и электронную схему излучения, включающую генератор частоты, схему счетчика с дешифратором, схему индикации, схему накопления и запоминания сигналов, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности анализа, уменьшения влияния дестабилизирукадих факторов и улучшения эксплуатационных качеств, он дополнительно содержит барабан эталонных кювет, расположенный за измерительной кюветой, а электронная схема измерения включает компаратор, триггер. Первый элемент И, формирователь стробирующих импульсов, второй элемент И, причем первый вход первого элемента И соединен с выходом триггера, в1орой вход соединен с вь1ходом формирователя стробирующих импульсов, а третий вход соединён с генератором частоты, выход первого элемента И соединен со схемой индикации, первый вход второго элемента И соединен с одним из выходов, cxeivaa накопления и запоминания сигналов, второй вход соединен с выходом схемы счетчика с дешифратором, а выход - с одним из.входов триггера и входом формирователя с робирующих импульсов, второй вход триггера подключен к выходу компаратора,- соединенного с одним из входов схе1«и накопления и запоминания сигналов, два других выхода которой соединены со входами компаратора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Описание газоанализатора серии МИРАН фир1Ш WiLks Scietifie Corp (США).

2.Обзорная информация. Анализ и контроль загрязнения окружающей среды. ЦНИИТЭИ приборостроения, М., 1977, с. 14.