Оптический абсорбционный газоанализатор Советский патент 1981 года по МПК G01N21/61 

(Б) ОПТИЧЕСКИЙ АБСОРБЦИОННЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, конкретнее к оптическим газоанализаторам. Известен оптический абсорбционный газоанализатор, содержащий источник излучения, модулятор, кювету с анализируемым газом и приемник излучения с .преобразователем излучения в электрический сигнал Недостатком этого газоанализатора является большая погрешность, вызван ная влиянием условий окружающей среды. Наиболее близким к изобретению яв ляется оптический абсорбционный газо анализатор, содержащий источник излу чения, модулятор, г 1бочую и сравнительную камеры, приемник излучения с двумя камерами, по крайней мере, одна из которых является лучеприемно камерой, внутренняя полость которой ограничена окном и внутренней зеркальной поверхностью стенки камеры, преобразователь излучения в электрический сигнал 2 Т. Недостатком известного газоанализатора является невысокая надежность, так как вследствие неполной герметичности камер состав лучеприемной смеси постоянно изменяется из-за натекания. Кроме того, применение в качестве преобразователя излучения в электрический сигнал микрофона накладывает жесткие ограничения на условия эксплуатации газоанализатора так же, как отсутствие вибрации,ударных нагрузок и т.д. Целью изобретения является повышение надежности и упрощение конструкции. Цель достигается тем, что в оптическом абсорбционном газоанализаторе, содержащем источник излучения, модулятор, рабочую и сравнительную камеры, приемник излучения с двумя камерами, по крайней мере, одна из которых является лучеприемной камерой, внутренняя полость которой or- раничена окном и внутренней зеркальной поверхностью стенки камеры, и преобразователь излучения в электри ческий сигнал, рабочая и сравнительная камеры совмещены с камерами приемника излучения, а преобразователь излучения в электрический сигнал выполнен в виде измерителя расхода газа. Кроме того, отношение наименьшей ширины внутренней полости лучеприемной камеры к диаметру окна - не меньше двух. Кроме того, внутренняя зеркальная поверхность стенки лучеприемной каМеры выполнена сферической. На чертеже схематически показано предлагаемое устройство. Газоанализатор содержит источник излучения 1 и рефлектор 2, предназна ченный для направления излучения через окно 3 в полость k и лучеприемно камеры приемника излучения. Лучеприёмная полость ограничена окном 3 и стенкой 5 с внутренней зеркальной сферической поверхностью, радиус кри визны которой обозначен через R. Стенка 5 лучеприемной камеры собрана например, из двух полусферических вогнутых зеркал, одно из которых име ет в центре отверстие для окна 3. Синхронный электродвигатель 6 приводит в движение обтюраторный модулято излучения, содержащий металлические лопасти, разделенные прозрачными сек торными промежутками, или прочередно (в направлении вращения) расположенные (без прозрачных промежутков) оптические фильтры 7 и 8с. При определении паров воды в воздухе в качестве последних можно использовать известные пластины из фтористого лития и фтористого кальция. Небольшая коль цевая часть модулятора 9 выполнена из магнитного материала и используется совместно с преобразователем 10 в качестве датчика опорного сигнала при синхронном детектировании рабочего сигнала. в приемнике лучепреломления каме ра является внутренней: она размещена непосредственно в полости 11 другой камеры - наружной. Полость 1 отделена от окружающей среды корпусом 12 (он состоит, например, из двух частей, скрепленных между собо обычными средствами после того, как внутри установлена лучеприемная камера) и диффузионным противопылевым фильтром 13, например, керамическим, через который атмосферный анализируемый воздух непрерывно путем диффузии поступает непосредственно в полость 11 и в полость через отверстие 1k в стенке 5 лучеприемной камеры. Полости и 1 1 соединены каналом 15, внутри которого последовательно друг за другом установлены терморезисторы 16 и 17. Принцип работы газоанализатора состоит в следующем. При вращении фильтров 7 и 8 поступающее в полость излучение оказывается промодулированным на участке спектра, где поглощает определяемый компонент анализируемой смеси. Модулированное излучение, поглощаясь в лучеприемной полости 4, вызывает в ней колебания температуры газовой смеси. Последняя периодически расширяется и сжимается (пульсирует). При этом часть смеси периодически с частотой модуляции излучения перетекает из полости k в полость 11 и обратно через отверстие 14 и канал 15, в котором последовательно по току газа размещены нагреваемые электрическим током терморезисторы 16 и 17, воспринимающие это периодическое перетекание газовой смеси. Действительно, при отсутствии газового потока между полостями А и 11 газовая среда, окружающая терморезисторы, неподвижна. Оба терморезистора нагреты джоулевым теплом практически до одинаковой установившейся температуры. При возникновении газового потока между полостями изменяются условия охлаждения терморезисторов Эти изменения неодинаковы, так как газовый поток уносит тепло от одного терморезистора к другому: газовый поток от полости к полости 11 уносит тепло от терморезистора 16 к терморезистору 17. Последний оказывается больше нагрет, чем первый Наоборот, противоположно направленный поток (от полости 11 к полости k} уносит тепло от терморезистора 17 к терморезистору 16. Больше охлаждается терморезистор 17, чем терморезистор 16. Поскольку направление газового потока изменяют с частотой модуляции, то с такой же частотой возникает переменный дополнительный тепловой поток между

58

терморезисторами за смет частичного переноса тепла газовым потоком. В зависимости от изменения направлений газового потока изменяется и зна разности температур терморезисторов. Абсолютное значение разности температур тем больше, чем больше расход газа. Периодические колебания разности температур терморезисторов 16 и 17 воспринимаются и преобразуются измерительной системой в сигнал измерительной информации.

Измерительная система на входе имеет конденсаторы 18 и 19, образующие с терморезисторами 16 и 17 неравновесный мост. Конденсаторы введены для достижения максимально возможной мощности сигнала; она достигается при выполнении условияCURC 1 где Оу - круговая частота модуляции излучения (круговая частота сигнала); R - номинальные сопротивления терморезисторов; С - емкости конденсаторов Одна диагональ моста подключена к источнику питания 20 постоянного тока, а другая через разделительный конденсатор 21 - ко входу усилителя 22 переменного сигнала.

-Сигнал после усиления усилителем

22выпрямляют синхронным детектором

23(коммутацию синхронного детектиро;вания осуществляют с частотой модуляции -излучения обычным образом, например опорным сигналом от преобразователя 10) и подают через линеаризатор гр.адуировочнрй характеристики

2k газоанализатора (он может быть выполнен на нелинейном элементе, например на полупроводниковом диоде) на вход прибора 25.

Выключатель 2б и корректор погрешностей 27 (например неравновесный мост Уитстона, сопротивления плеч которого подобраны зависящими от напряжения питающей сети, окружающей температуры, а при необходимости и от атмосферного давления) предназначены для. периодического контроля коэффициента передачи выходной электрической схемы газоанализатора (и, в первую очередь, контроля коэффициента усиления усилителя) в процессе его эксплуатации.. При контроле замыкают контакты выключателя 2б и через корректор погрешностей 27 подают эталонный сигнал переменного тока (при необходимости через дополнительный разделительный конденсатор) на вход усилителя 22.

714

Источник регулируемого напряжения постоянного тока 28 подключен ко входу линеаризатора градуировочной характеристики . Этот источник дает сигнал, который алгебраически суммируют с выпрямленным рабочим сигналом (зависит от концентрации определяемого компонента в анализируемой смеси) перед линеаризацией градуировочной характеристики,. Источник 28 применяют при обнаружении достаточно малых концентраций определяемого компонента в смеси (например.поглощающих излучение примесей в воздухе), когда может проявиться сигнал, возникающий за счет поглощения модулированного излучения зеркальной стенкой лучеприемной камеры (даже при отсутствии определяемого компонента в анализируемой смеси)..В этом случав полярность и величину дополнительного сигнала от источника 28 подбирают такими, чтобы на входе линеаризатора 2 был практически равен нулю суммарный результирующий сигнал при отсутствии определяемого компонента в анализируемой смеси.

Совмещение рабочей и сравнительной камер с камерами приемника излучения, оптимизация размеров камеры применение термочувствительных элементов вместо микрофона - существенно повышают надежность газоанализатора, устойчивость его к вибрации, значительно уменьшают себестоимость полученной информации как за счет увеличения временной наработки, так

.и за счет упрощения эксплуатации.

Формула изобретения

2 Газоанализатор по n.l, о т личающийся тем, что отнсшёние наименьшей ширины внутренней полости лучеприемной камеры к диаметру qKHa - не меньше двух.

®

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

2,Автоматические газоанализаторы. Сб. статей под.ред. В.А.Павленко. М., Цинти Электропром, 1961,

to с.195 (прототип).

п