Оптический абсорбционный анали-зАТОР Советский патент 1981 года по МПК G01N21/31 

(54) ОПТИЧЕСКИЙ АБСОРБЦИОННШ АНАЛИЗАТОР

Изобретение относится к оптическим абсорбционным анализаторам газов. Известен анализатор, содержащий источник света, сравнительную и рабочую камеры и лучеприемиик, в рабочей и сравнительной камерах которого установлены термочувствительные сопротивления, включенные в схему урав«иовешенного моста переменного тока, и втофич1ше приборы l. Однако неселектквный лучеприемник ие позволяет обеспечить независимост выходного сигнала анализатора от изменения содержания неизмеряемых компонент в аиализируе|«эй газовой смеси Наиболее, близким к изобретению по технической сущности является анализ гор, содержайдай источник излучения, две лучепри« ные камеьла с установлен в них тepмoчyвcтвитeльны o злемента1ш, которые включены в схему из мерительного моста, рабочую камеру и вторичные приборы 2. Недостаткакм известного анализато ра .являются: а) сложность конструкции анализ а-г тора, вызванная сложностью его оптической схемы; б)погрешность анализа, вызванная различием уходов во времени параметров зеркал и рабочей и сравнительной камер; в)погрешность анализа, вызванная недостаточной селективностью рабочей камеры лучеприемника для газов, икюющих полоета поглощения, близкие к полосе поглощения измеряемого газа в исследуемой газовой смеси (например, СО и СО„ { СО и СН. и т.д.). Цель изобретения - повышение точности измерения и упрсндение конструкции . Поставленная цель достигается тем, что рабочая камера расположена по пути потока излучения ыеяуху двумя лучеприемными камерами, причем первая от излучателя лучеприемная камера является фильтровой и сравнительной одновременно. На чертеже изображена cxefc« предлагаемого устройства. Анализатор содержит излучатсшь 1, лучеприемную (она же и фильтровая 2, рабочую 3 и лучеприемную 4 каме ры. Все камеры выполнены в одном корпусе. 1«льтровая камера заполнена газом или смесью газов, которьй имеют полосы поглощения, близкие к полосе поглощения измеряемого газа в иссле дуемой газовой смеси, пропускаемой через рабочую камеру 3, Лучеприемная камера 4 заполняется 100%-ной концентрацией измеряемого газа. В фильтровой 2 и лучеприемной 4 камерах установлены чувствительные к изменению температуры элементы ( например, металлические нити, термосопротивления и др.) 5 и 6, которые со стабильными кol cтaнтaнoвы /п сопротив лениями 7 и 8 образуют измерительную схему сбалансированного моста, питае мого от стабильного генератора 9 пря моугольных импульсов. Выход измерительной мостовой схемл подключают к входу усилителя 10 переменного ток 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 устройстве 12 осуществляется сложение напряжений от синхронного детектора 11 и источника 13 опорного напряжения, необходимое для точной балансировки нуля анализатора. Далее сигнал поступает на показывающий или регистрирующий прибор 14. Потенциометр 15 предназначен для регулировки чувствительности ансшйзатора, а потенциометр 16 для установки нуля анализатора; Рассмотрим условия баланса моста переменного тока. Пусть через рабочую камеру 3 пропускается азот. При отсутствии потока излучения через камеры баланс.мо та, переменного тока соблюдается при условии равенства сопротивлений чув ствительных к изменению температуры элементов 5 и 6 и константановых сопротивлений 7 и 8. При наличии потока излучения баланс моста соблюдается при равенств сопротивлений чувствительных к изме нению температуры элементов 5-и б, а это возможно при одинаковых изменениях сопротивления этих элементов от воздействия температуры. Пусть фильтровая камера 2 заполн на 100%-ной концентрацией газа,имею го полосу поглощения, близкую к пол се поглощения измеряемого газа, с плотностью РФ и удельной теплоемкостью Сф. Пусть лучеприемная камера 4 заполнена 100%-ной концентраци ей измеряемого газа с плотностью Рд и удельной теплоемкостью G. Тогда при полном поглощении в фильтровой камере 2 соответствующей полосы в ней поглощается Сф тепла, а при пол ном поглощении в лучеприемной камер 4 соответствующей полосы в ней поглощается Q, тепла. -m. (nq,V%S)i4A®/ Значит изменение температуры фильтровой камеры 2 и чувствительного элемента, помещенного в ней Ф 1 С ,.- S - масса газа, в фильтгде m. ровой камере; ф - коэффициент, показывающий, какая часть тепла идет на нагревание объема фильтровой камеры; - площадь фильтровой камеры; длина фильтровой камеры . Изменение температуры лучеприемной камеры 4 и чувствительного элемента, помещенного в ней Плбл л тл С р - г S - масса газа в лучеприемной камере / Ij - коэффициент, по казывающий, какая часть тепла идет на нагревание объема .лучеприемной камеры; S - площадь лучеприемной Кс1меры; I - длина лучеприемной камеры. Так как условие баланса моста переменного тока при наличии потока излучения через камеры выполняется при лТф АТд , то Чф-Оф Лг.- QA ф .Рф- ФЧл ф л П ф так как 1ф , f| ,f ,р ,Сф и Сдвеличины постоянные -торфСфПл „ .0 с)( е РЛ-СЛ-ЧФ 9л ел Выполнение полученного соотношения (11 является условием баланса моста переменного тока. Поскольку из уравнения (1)условия баланса моста определяется отношением Qqj / Q. , то изменения потока излучения, не приводящие к заметному перераспределению энергии по спектру, не ПРИВО.ДЯТ к нарушению .баланса моста переменного тока, т.е. не вызывают дрейфа нуля анализатора. Рассмотрим условия баланса моста переменного тока при наличии в фильтровой каме;ре двух газов, имеющих полосы поглощения, близкие к полосе поглощения измеряемого газа. При полном поглощении этих полос в фильтровой камере в ней поглощается Q и QA,Jтепла.Тогда для соблюдения баланса моста переменного тока с наибольшим КПД преобразования потока излучения в приращение температуры необходимо, чтобы л Тф - 4S. vs. v ;ч,чч I.,и, - коэффициенты, пока ру Фд эывающие, Ksif какая ,. часть тепла идет н прогревание соответствующих объемов фильтровой и лучепр емной камер} Кф и К-, - коэффициенты, показывающие/ какую част§ объема фильтровой кам ры заполняют соответствующие газы (К(р + Кф2. 1 ) ; Яф 9fft плотности газов, запо няющих фильтровую камеру ; Сф и Сф - удельные теплоемкости газов, заполняющих фильтровую камеру. Ча%а Ч; Ч ,гфвс . Таким образом, внутри фильтровой ,камеры необходимо выполнить следую щие соотношения: % . 1д. 1 j. V 1,4,,Pq,, . где q, v,p,s. / ( , Ф-1 . Ч., Л . .Рф, ,, %, е b Ч.РлЧQ,. ., Таким образом, при нгшичии в фильтровой камере двух газов, имею щих полосы поглощения, близкие к полосе поглощения измеряемого газа условия баланса моста переменного тока соблюдаются.при выполнении со отношений (2 )и (3 ). Из соотношений (I) и (3) видно, что дрейф излучателя, если он не вызван заметным смещением его спектральной характе ристики, не нарушает баланс моста переменного тока. Измерение концентрации анализиру емого газа производят следующим образом. При изменении концентрации измеряемого газа в исследуемой газовой смеси, пропускаемой через рабочую камеру 3, за счет изменения поглхэде ния инфракрасного излучения в рабочей камере 3 происходит изменение температуры в лучеприемнике 4, что приводит к появлению сигнала разбаланса на выходе моста переменного тока, источником питания которого является стабильный генератор 9 пря моугольных импульсов. Усиленный уси лителем 10 переменного тока и выпря ленный синхронным детектором 11, уп равляемым импульсами синхронизации от генератора 9 прямоугольных импульсов, сигнал разбаланса поступает в сумматор 12, а оттуда - в показывающий или регистрирующей прибор 14. При пропускании азота через рабочую камеру 3 в ней не происходит поглощения инфракрасного излучения и поэтому температура лучеприемника 4 не меняется, и должен отсутствовать сигнал разбаланса на выходе моста переменного тока. Имеющий место небольшой выходной сигнал разбаланса устанавливают равный нулю с помощью потенциометра 16, подающего напряжение смещения на сумматор 12.При пропускании через рабочую камеру 3 бинарной смеси азота и измеряемого компонента с концентрацией, соответствующей концу шкапы, сигнеш разбаланса моста переменного тока за счет наибольшего поглощения инфракрасной радиации в рабочей камере 3 имеет максимальную величину. Й31ХОДНОЙ сигнал устанавливают равным концу шкалы с помощью потенциометра 15 (чувствительность). Наличие фильтровой камеры 2 позволяет не пропустить в рабочую камеру 3 излучение, соответствующее полосам поглощения, близким полосе поглощения измеряемого газа, и исключить влияние газов, имеющих эти полосы поглощения и пропускаекых через рабочую камеру 3, на сигнал разбаланса моста переменного тока. Применение однолучевой оптической схемы анализатора позволяет повысить его точность и-значительно упростить конструкцию. Использование сравнительной лучеприемной камеры в качестве фильтровой обеспечивает независимость выходного сигнала анализатора от изменения содержания неизмеряемых компонент в анализируемой газовой смеси. Упрощение конструкции анализатора позволяет повысить его надежность и уменьшить расходы на его изготовление. Формула изобретения Оптический абсорбционный анализатор, содержащий источник излучения, две лучеприемные камеры с установленными в них термочувствительными элементами, которые включены в схему измерительного моста переменного тока, рабочую камеру и вторичные приборы, отличающий ся тем, что, с целью повышения точности измерений и упрощения конструкции, рабочая камера расположена на пути потока излучения между двумя лучеприемными камерами, причем первая от излучателя лучеприемная камера является фильтровой и сравнительной одновременно. Источники информации, принятые- во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 298877, кл. G 01 N 21/34, 16,03.71. 2.АвтОрюкое свидетельство СССР № 209028, кл. G 01 N 21/34 (прототипЛ

м

f f

JL