Интерферометрический газоанализатор Советский патент 1981 года по МПК G01N21/01 

1

; Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а более котсретно к устройствам для измерения концентрации веществ по разности их коэффициентов преломления методом интерфометрии, и может быть использовано в угольной, химической и др. отраслях промышленности.

Известны устройства для измерения концентрации вещества с помощью интерферометрических газоанализаторов, содерзкащие интерферометр, газовоздушную камеру, две щелевые диафрагмы и установленные за каждой из них фотоприемники, включенные в мостовую схему.

Газовоздушная камера интерферометра является одним из основных ег элементов, определяет габариты интеферометра и служит для количественного опокделения процентного содерЗкания газа.;

В иьвестных устройствах длина газовозцушной камеры определяется по формуле

ioo:.u;.ejj f ч п) 7f.Zl

где .Л-- линейная ширина полосы интерференционной картины,мм

е - расстояние между интёрфериР5ПОЩИМИ лучами/ мм)- . Н - смещение интерференционной . V картины, выраженное в количестве полос; с - величина концентрации исс. ледуемого газа, об. %; f - фокусное расстояние объектива, мм; .

0

дп,- раздость показателей преломления :измеряемого и сравнйтельного веществ. Следовательно, длина газовоздушной камеры в известных интерферомет5 pax зависит от параметров интерферометра (tt, .е, f) и анализируемого газа (с, АЬ) и пропорциональна чис- лу полос Н, пройденных интерференционной картиной.

0

Автоматический интерференционный

рефрактометр имеет 250 полос в диа-;п.эзоне измерения, фотоэлектрический регистрирующий интерферометр с дли5 НОЙ ка.меры 40 мм - 70 полос, лабораторный интерферометр ИТР-1 - 100 полос гфи длине газовоздушной камерч 1000 мм. Значит существующие интерференционные газоанализаторы имеют

0 большое количество полос в диапазоне

измерения и, следовательно, большую длину газовоздушной камеры. - Классические интерференционные методы измерения с помощью интерферометров Релея-Жамена и Майкельсона позволяют в принципе достичь чувствительности - 10. Однако достигается она при использовании камеры длиной 1 м и более, что чаете неприемлемо, например, при использовании интерферометра в качестве детектора в хроматографии, где необ- ходимо стремиться к предельно малым объемам анализируемой пробы. По этой причине применение существующих интерференционных газоанализаторов в качестве детекторов в газовой хрома- 15 тографии затруднено.

Кроме того, в известных интерферрметрических газоанализаторах вследствие дисперсии света при прохождении черев оптические элементы и анализируе 20 мое вещество , происходит перераспределение цветовой окраски интерференционной картины или иначе сдвиг полос.Например, в лабораторном интерферометре ИТР-1 с газовоздушной каме- . рой мм при измерении концентрации метана в азоте цветовая окраска интерференционной картины сдвигается вправо на одну полосу при 7 об. %, на дне полосы - при 14 об, %,. на три полосый при .22 об. % и т.д. ЗО

Вследствие этого, известные интерс)ерометрические газоанализаторы при измерении допускают ошибку, равную количеству полос сдвига, и при фиксации нулевой полосы электр6нньв1 спо 35 собом (автоматический интерференционный рефрактометр), оптическим способом (фотоэлектрический регистрирующий интерферометр; или с помощью глаза опрератора (лабораторный интерферо- 40 метр ИТР-1), принимая мнимую нулевую полосу за действительную. Следовательно, известные интерферометрические газоанализаторы недостаточно точны.

Известен газоанализатор, содержа- 45 щий интерферометр, газовоздушную камеру, две щелевые диафраг1у1ы и установленные за каждой из них фотоприемники, включенные в мостовую схему.

В известном анализаторе метана, 50 как в любом другом автоматическом интерферометре, число нулевых положений равно числу полос, т.е. 11. При быстром смещении интерференционной картины, которое зависит от рас- ее хода анализируемой газовой смеси (для анализатора метана этот расход 1-1$ должен превышать 2 л/мин) ,из-за нерционности компенсационая систеа не успевает скомпенсировать смеение интерференционной картины. В oQ том случае фотоприемники теряют стинную нулевую полосу и ориентирутся относительно любой другой полоы, ошибочно принимая ее за нуль тсчета. Таким образом, при пропус- 65

ке всего одной полосы ошибка в показаниях интерферометрического газоанализатора составляет 9,1 об. % СНд. Следовательно, известный интер.ферометрический газоанализатор допускает неточность при измерениях и имеет большую длину газовоздушной камеры.

Цель изобретения - повышение точности измерения и уменьшения габаритов.. ,

Указанная цель достигается тем, что в интерферометрический газоанализатор ,содержащий интерферометр,газовоздушную камеру,две щелевые диафрагмы и установленные за каждой из них фотоприемники, включенные в мостовую схему, длина газовоздушной камеры определена соотношением 50-и.-е

( (2) И, - линейная ширина полосы ингде

терференционной картины,мм; е - расстояние между интерферирующими лучами, мм; с - верхнее .значение диапазона измерения исследуемого газа, об. %; f фокусное расстояние объекI тива, мм;

Л.П - разность показателей прелом ления измеряемого и сравни.тельного газов.

На фиг. 1 показана характеристика распределения освещенности интерференционной картины; на фиг. 2 и 3 - схемы интерферометрического газоанализатора - соответственно схемы прямого измерения с помощью мостовой схмы и компенсационной; на иг. 4 - схема работы предлагаемого интерферометрического газоанализатора.

Освещенность интерференционной картины изменяется по затухающей синусоиде (фиг. 1) и содержит ряд чередующихся по знаку монотонных изменений освещенности. Области монотонного изменения освещенности равны между собой по длительности и составляют 0,5 полосы интерференционной 1картины. По амплитуде монотонные измерения имеют максимальжую величину в области ахроматической полосы, которая расположена вцентре интерференционной картины.

Интерференционная картина, образуется на интерферометре 1(фиг.2 и 3 показана в увеличенном масштабе. Через ш,елевые диафрагмы 3 и 4 ахроматическая полоса освещает фотоприемники 5 и б , включенные в мостовую схему. Ток, который является функцией световых потоков, воспринимаемых фотоприемниками, с диагоналями усиливается усилителем 7 и подается непосредственно на указатель 8 (фиг. или через реверсивный двигатель 9 (фиг. 3), на валу которого находится указатель 8 с нулем посредине и компенсатор 10, состоящий из двух стеклянных пластин, установленных жестко на валу. Измерение концентрации анализируемых веществ производится с по мощью газовоздушной камеры 2, установленной в потоке двух интерферирую щих лучей и длина которой определяет габаритные размеры прибора. Основным воздействующим фактором интерференционной картины на элемент автоматики (фотоприемник) является изменение освещенности. Для пропорци онального соотношения между величино концентрации и смещением интерференционной картины необходимым и достаточным условием является монотонное изменение освещенности фотоПриемнико в диапазоне измерения концентрации аналидируемого вещества. Монотонное изменение освещенности составляет 0,5 полосы интерференционной картины При опрёделении длины газовоздушной камеры из соотношения л ч SO.a-e,... . f-Tn смещение интерференционной картины составляет более 0,5 полосы. При этом нарушается монотонность освещенности в диапазоне измерения и в этом случае существуют отрицательные явления, присущие известным интерферометрическим газоанализаторам. Длину газовоздушной камеры нельзя определять из соотношения SQ.a.e,j В этом случае используется полнос тью монотонное изменение освещенност в ,диапазоне измерения,что невозможно осуществить,так как Фотоприёмники нельзя настраивать на экстремальные точки изменения освещенности вследст вие того,что в этом невозможно р аспознать сторону смещения интерФе.ренционной картины. Следовательно, в общем виде, для предлагаемого интерферометрического газоанализатора длина газовоздушной камеры определяется соотношением В данном случае в диапазоне измерения освещенность изменяется монотонно, нулевое положение только одно и исключаются отрицательные явления пропуск и сдвиг полос,присущие из вестным интерфёрометрическим газоана лизаторам. В частном случае, когда предлагае мый интерферометрический газоанализа тор имеет-два рабочих фотоприемника которые на.страиваются на ценар моно тонного изменения освещенности (фиг. 1, точки А и В) , длина газ.овоздушной камеры определяется равенс вом . (мм) с- f -лп При этом в диапазоне измерения интерференционная картина смещается на О,25 полосы. Измерение величины концентрации анализируемого вещества с помощью предлагаемого интерферометрического газоанализатора производится путем измен ения оптической -плотности в одной из полостей газовоздушной камеры, что вызывает соответствующее смещение интерференционной картины. В нулевом положении обе полости газовоздушной камеры 2 продуты i сравнительным газом, например воздухом. Интерференционная картина находится в исходном нулевом положении (фиг..4, положение 1). Световые потоки ахроматической полосы, равные по величине, через щелевые диафрагмы 3 и 4 попадают на соответствующие фотоприемники 5 и 6. При равенстве световых потоков, попадающих на фотоприемники, световые сопротивления их равны между собой. В диагонали мо.ста ток равен нулю,и указатель 8 концентрации в обоих газоанализаторах (фх-Пг. ii и 3) показывает нуль. При заполнении рабочей полости газовоздушной камеры 2 смесью, содержащей анализуемый газ, например метан, коэффициент которого больше, чем у сравнительного газа, интерференционная картина смещается вправо в диапазоне измерения на 0,25 полосы относительно щеловых диафрагм 3 и 4 (фиг. 4, положение 2). В этом случае освещенность фотоприемника 5 уменьшается, а освещённость фотоприемника б увеличивается. В результате этого, в диагонали моста возникает ток, например положительного знака. Указатель 8 концентрации (фиг. 2) отклоняется вправо, указывая величину тока положительного знака, пропорциональную величине концентрации анализируемого газа. Вал двигателя 9.. (фиг. 3) начинает вращаться по часовой стрелке. Вращением вала двигате ля компенсационные пластины 10, механически связанные с валом, возвращают ахроматическую полосув нулевое положение. При этом ток в диагонали моста равен нулю,и вал реверсивного двигателя останавливается.Угол поворота пропорционален концентрации анализируемогогаза, что фиксирует указатель 8 отсчетного устройства. При заполнении рабочей полости газовоздушной камеры сравнительным газом интерференционная картина возвращает ся только в нулевое положение. При заполнении рабочей полости газовоздушной камеры интерферометра смесью, содержащей анализируемый газ, например водород, коэффициент преломления которого меньше, чем сравнительного, ахроматическая полоса смещается влево в диапазоне измерения на 0,25 полосы относительно щелевых диафрагм 3 и 4 (фиг. 4, положение 3). В этом случае освещенность фотоприемника 5 увеличивается, а освещенность фотоприемника б уменьшается . В результате этого в диагонали моста возникает ток отрицательного знака. Указатель 8 концентрации (фиг. 2) отклоняется влево относительно нуля и указывает величину тока отрицательного знака, пропорциональную величине концентрации анализируемого rasa.j Вал двигателя (фиг. 3) вращается против часовой стрелки. Вращаегл вала двигателя компенсационные пластины 10 возвращают интерференционную картину в нулевое положение. При этом ток в диагонали моста равен, нулю,и вал реверсивного двигателя останавливается. Угол поворота вала фиксирует указатель 8 отсчетного устройства с левой стороны нуля.

Продув рабочую полость газовоздушной камеры сравнительным газом, интерференционная картина возвращается в нулевое положение, а указатель показывает о (на фиг. 2 и 3) .

При применении компенсационного метода измерения для предлагаемого интерферометрического газоанализатора (фиг, 3) использован компенсатор, состоящий из двух стеклянных плоскопараллельных пластин одинаковой толщины (0,2 мм), укрепленных жестко на валу двигателя.

Угол между компенсационными пластинами , сС 7° Длина газовоздушной .камеры d 0,9 мм для измерения метана в воздухе от О до 100 Ъб. %. Угол поворота компенсатора составляет 1 20°, нелинейность не превышает 0,02. При смещении от нуля вправо и влево на 0,25 полосы разбаланс мостовой схемы составляет +10 В.

Так как в интерферометрическом газоанализаторе в диапазоне измерений концентрации анализируемого вещества освещенность изменяется монотонно и нулевое положение только одно, то исключаются отрицательные явления -пропуск и сдвиг полос, повышается точность и надежность работы.

Вследствие того, что- длина газовоздушной .камеры и объем рабочей полости значительно (примерно в 50 раз уменьшаются, следовательно, уменьшаются габариты прибора, повышается быстродействие.

Формула изобретения

Интерферометрический газоанализаiTOp, содержащий интерферометр, газовоздушную камеру, две щелевые диафрагмы и установленные за каждой из / .них фотоприемники,включенные в мостовую схему,отличающий ся тем,что,с целью повышения точности

измерения и уменьшения его габаритов, длина газовоздушной камеры определена соотношением

.- iTflf (-)

где и - линейная ширина полосы интерференционной картины,мм;

е - расстояние между интерферирующими лучагли, мм;

с - верхнее значение диапазона измерения исследуемого газа

об. ,

f - фокусное расстояние объектов, мм;

лп - разность показателей прелом ления измеряемого и сравнительного газов.

tJ3Mef eHua ocieutefff/ocfnu

Положение 3

н.снещеиие интер реренционной картины

I

fmin

noflOfffSHue z

Н, смещение интер(реренционмой xapmuH&i

fJoflo Sfiue /

Н, смещение интерсререничонной /г тимы