Способ оптического абсорбционного газового анализа Советский патент 1981 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к газовом анализу, а конкретнее к оптическому абсорбционному газовому анализу, и может быть использовано, например, при анализе состава воздуха в быто-i. вых и производственных помещениях. Известен способ оптического абсор ционного аналиэа путем измерения сте 1Т1ени поглрп1ения излучения с помсвдью неселективных приемников, например болометров {Ц.. Наиболее близким к предлагаемому является способ оптического абсорбционного газового анализа, основан. ный на поглощении модулированного из лучения определяемым компонентом ана лизируемой газовой смеси путем измерения колебаний разности температур в двух камерах, по крайней мере, одна из которых является лучеприемной. В этом способе измерение интенсив ности поглощения излучения ocytqecTвляют путем измерения колебаний давления, возникающих при нагреве анализируемой смеси под воздействием модулированного потока излучения. Преобразование колебаний давления в электрический сигнал осуществляют с помощью микрофона. 2. Недостаток такого способа закдю чается в невысокой чувствительности, вызванной ограниченностью объема воспринимающей излучение анализируемой газовой смеси. Цель изобретения - повышение чувствительности. Указанная цель достигается тем, что в способе оптического абсорбционного газового анализа, основанного на поглощении модулированного излучения определяемым компонентом ан ализируемой газовой смеси путем измерения колебаний разности температур в двух камерах, по крайней мере, одна из которых является лучеприемной, возбуждают перетекание анализируемой газовой смеси из одной камеры в другую и измеряют интенсивность этого перетекания путем преобразования расхода анализируемой газовой смеси в электрический сигнал,при этом коли-, -qecTBO анализируемой газовой смеси выбирают из условия обеспечения повышенной интенсивности теплообмена между анализируемой газовой смесью и окружающей средой,увеличенной по сравнению с тем значением, при котором достигается максимальный температурный сигнгш.

На чертеже представлено устройство реализуквдее способ.

Устройство содержит источник 1 излучения, отражатель 2, входное окно 3 лучеприемной камеры 4 со стенкой 5 синхронный электродвигатель 6, оптические фильтры 7 и 8, образующие обтюратор, схему получения опорного сигнала, содержащую задатчик 9 и преобразователь 10, наружную камеру 11, отделенную от окружающей среды стенкой 12f зеркала 13 и 16, запорный вентиль 17, отверстие 18 в стенке 5 лучеприемной камеры 4, терморезисторы 19 и 20, эапорный вентиль 21 измерительную систему, содержащую конденсатоЕжа 22 и 23, Образующие ,с терморезисторами 19 и 20 неравновесный мост, источник 24 пйтакия, разде лительный конденсатор 25, уоияитель 26 переменного сигнала, синхронный детектор 27, уст х йство 28 линеаризующее градуироаочнзт хйрактврйЬтяку регистратор 29, жайяючатель 30 корректор 31 погрианости, ИСТОЧНИК 32 регулируемого напряжения посфоянного тока.

Устройство работает следующим образом.

излучение от источника 1 отражателем 2 йапрааляефся через входное Ьк но 3 в лучеирие1« ую камеру 4, ограниченную стенкой 5. Сйахроншам &лек тродвигателем б привсщится 8 движени обтюратор, два оптических 7 и 8 которого йеоййиаково nponycKsaof излучение в вблйстй полосяз поглс це ния определяемого компонента аналй зируемой смеси и практически одинаково пропускают излучение 9 областях спектра, где яостаточно нйтеисйвио поглощают Hi itpe ejineiiKite компонент 4иа 3 уемой смеси

С понАэдь зэда1гчв{Гв 9, шполненного в М(зде из магийфноро материала, на о®м раторе преобразователя 10 получается опорный для управления работой синхронного детектора 27.

Лучеприемная камера 4 размшсена внутри наружной ка1«юры 11, которая отделена от окружаивдей срёпы стенкой 12. Внутренняя яучепрйемная камера содегржит вогнутые сферические веркала одного и того же редиуса кривизны, причем зеркала 13 и 14 удалены от зеркала 15 на расстояние равное этому радиусу, |Центр кривизны зеркала 15 находится между зеркалами 13 и 14, а центры кривизны этих зеркал располагают си влетрично на некотором расстояниии друг от друга на поверхности зеркала 15. Излучение после определенного числа Отражений от зеркал (это число зависит от угла поворота зеркал 13 и 14 вокруг центра, расположенного между дтими зеркалами) попадает на дополнительнее зеркало 16. Последнее выполнено из

цилиндрического стержня и головки в виде поршня, торцовая зеркальная поверхность которого скошена под таким углом, который позволяет в необходимой мере изменять направление отрае женного излучения (путем поворота зеркала вокруг оси стержня) и благодаря этому увеличить и регулировать длину пути лучей в камере.

При заполнении приемника излучения Q анализируемой газовой смесью ее пропускают последовательно через открытый запорный вентиль 17, лучеприемную камеру 4, отверстие 18 в стенке 5 лучеприемной камеры 4, канал с терморезисторами 19 и 20, наружную камеру 11 и через открытый запорный вентиль 21 на выброс в окружающую атмосферу.

При вращении фильтров 7 и 8 поступающее в лучеприемную камеру 4 излучение оказывается промодулированным. Иа участке спектра, где поглощает определяемый компонент анализ ируемой смеси. Модулированное излучение поглощаясь в лучеприемной камере 4, вызывает в последней колебания температуры газовой смеси. Анализируемая смесь переодически{.. с частотой модуляции перетекает из лучеприемной камера 4 в наружную камеру 11 и обратно через отверстие 18 и канал, в котором последовательно по току газа размоцены нагреваемяе электрическим током термореэйстйрл 19 и 20, воспринимающие это перетекание газовой смеси. Действительно/ ti отсутствии газово1ГО потока меаду камерами газовая среда, окружанзщая терморезисторы 19 и 20, неподвижна. Оба терморезистора джоулевым теплом практически

до одинаковой уставовиииейся температуря. При возникновении потока между камерами изменяются условия охлаждения ;термореэисторов 19 и. 20. Эти изМеиенйЯ неодинаковы, так как газовый

йоток уносит тепло от одного терморезистора к другомуS поток от лучеприе1 1ШОЙ 4 к наружной камере 11 уносит тепло от термс езистора 19 к терморезистору 20. Последний оказывается больше нагретым, чем первый. Наоборот, противоположно направлен:ный газовый поток за-счет уноса от терморезистора 20 к терморезисTOpy 19, больше охлаяздает первый.

Поскольку направление газового потока изменяют с частотой модуляции излучения, то возникает переменный дополнительный тепловой поток между терморезисторами 19 и 20 за счет частичного переноса тепла газовым потоком. В зависимости от изменений направления газового потока изменяется и разность температур терморезисторов 19 и 20. Периодические колебания разности температур терморезисторов 19 и 20 воспринимаются и преобразуются измерительной системой в сигнал измерительной информации. Измерительная система на ходе име ет конденсаторы 22 и 23, образующие с терморезисторами 19 и 20 неравновесный мост. Одна его диагональ подключена к источнику 24 питания постоянного тока, а другая через разделительный конденсатор 25 - ко входу усилителя 26 переменного сигнала. Усиленный сигнал выпрямляют синхронным детектором 27 (коммутацию синхронного детектирования осуществляют с частотой модуляции излучения обычным образом - опорным сигналом от преобразователя 10) и подают через устройство 28, линеаризующее градуировочную характеристику (оно может быть выполнено на нелинейном элементе, например полупроводниковом диоде) на вход регистратора. Йлклю-чатель 30 и корректор 31 погрешносте служат для периодического контроля коэффициента передачи выходной электрической схемы с усилителем. Источник 32 регулируемогонапряжения постоянного тока предназначен для коррекции нулевого сигнала. Преимущества данного способа пере известными заключаются в следующем. В известных способах оптического абсорбционного газового анализа для каждого заданного концентрационного диапазона измерений стремятся к достижению максимально возможной или близкой к ней чувствительности газового анализа (отношение шлходного электрического сигнала к вызывакнцому его изменению концентрации определяемого компонента в анализируемой сме си) , подбирая оптимальным количество восприниманяцей излучение лучеприеМной смеси из условия достижения максимально возможной (или близкой к ней) амплитуды колебаний температуры 6 лучеприемной газовой смеси, В част ности, подбирают оптимальными толщины 6 слоев лучеприемной смеси, значения которых не превышают обычно 5 мм. Последнее значение принято для серий но выпускаеких в настоящее время оптико-акустических газоанализаторов, Дальнейшее увеличение количества воспринимакхцей излучение лучеприемной смеси, т, е. больше оптимального значения, соответствующего макси,муму амплитуды колебаний температуры (в частности, увеличение толщины слоя лучеприемной газовой смеси более 5 мм), приводит к уменьшению чувствительности оптического абсорбционного анализа, основанного на измерении разности сравниваек«х потоков (один из которых пропускают через анализируемую смесь, по величине амплитуды акустического давления, зависящего от температурного сигнала) последний возникает под действием разности сравнивае «лх потоков излучения. При таком измерении также не увеличивается чувствительность оптического абсорбционного газового анализа и увеличение количества воспринимаквдей излучение лучеприемной смеси путем увеличения габаритных размеров, ограничивающих лучеприемную смесь в двух направлениях, перпендикулярных оси потока излучения. Замена в данном способе оптикоакустического метода, основанного на измерении колебаний мембраны микрофона, на метсщ, основанный на измерении интенсивности перетекания части анализируемой смеси из одной ка- меры в другую, позволяет увеличить количество лyчJeпpиeмнoй смеси в камерах по сравнению с тем количеством, icoTopoe является оптимальным для оптико-акустического преобразования. При этом уменьшается абсолютное значение температурного сигнала (амплитуды колебаний разности температур) и увеличивается безразмерный комплекс GrPr, то есть интенсивность теплообмена между лучеприемкой камерой и окружакяцей средой. Способ обладает преимуществами перед известными при величине Gr-Pr 0,l т. е. при увеличении объема лучеприемной смеси см. Формула изобретения Способ оптического абсорбционного газового анализа, основанный на поглощении модулированного излучения определяемым компонентом анализируемой газовой смеси, путем измерения колебаний разности температур в двух камерах, по крайней мере, одна из ч«оторых является лучеприемной, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствиФеЯьности, возбуждают перетекание анализируемой газовой смеси из одной в другую и измеряют интенсивиоеть этого пе- ретекания . путем преобразования расхода анализируемой газовой смеси в электрический сигнал, при этом количество анализируемой газовой смеси выбирают из условия обеспечения повышенной интенсивности теплообмена ежду анализируемой газовой смесью окружающей средой, увеличенной по сравнению с тем значением, при котоом достигается максимальный темпеатурный сигнал. Источники ,информации, принятые во внимаь1ие при экспертизе 1.Эйкен А,, Физико-химический анализ в производстве, ОНТИЛ, 1936, с, 99, 2,Автоматические газоанализаторы. Под рея В,А, Павленко, М,, ЦИНТИ Электропром, 1961, с, 180-181 (прототип),