Оптико-акустический газоанализатор

 

ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР , содержащий два оптических канала, рабочий и сравнительный, в каждом из которых расположены источник излучения с обтюратором .и газовая камера, приемник излучения с двумя микрофонами, оптически связ цмный с камерами, схему преобразования и обработки сигнала и регистрирующий прибор, о т л и ч а ю щ и .йс я тем, что, с целью повышения точ-. ности измерений; микрофоны выполнены с общей мембраной, размещенной в камере приемника так, что симметрично делит ее на две лучеприемные камеры, а схема преобразования и обработки jсигнала содержит мост переменного тока с включенными в смежные плечи микрофона, выход которого связан через усилитель; с одним входом фазоизмерительного устройства,другой вход которого соединен с выходом генератора , питающего мост переменного тока, а один из выходов - с рег-истрирующим прибором, при этом оптическая схема газоанализатора дополнительно (Л содержит средство для управления потоками излучения, размещенное межцу приемником и газовыми камерами и связанное через автоматическое ре гулирунвдее устройство с другим выходом S фазоизмерительного устройства.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

09) (И) 3(Я). 0 01 21/61

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

fiO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3485917/18-25 (22) 26.08.82 (46) 23.05.84. Вюл. 9 19 (72) Р.С.Станкевич, С.И.Нещадин, Е. Н. Зализняк и В. П.Коломбет (71) Киевское научно-производственное объединение "Аналитприбор" (53) 543. 27 (088. 8 ) (56) 1, Государственная система про. мышленных приборов и средств автоматизации. Каталог, т. 2, вып. 5, ЦНИИТЭИприборостроение, 1977, с. 16.

2. Авторское свидетельство СССР

)) 201763, кл. с 01 ) 21/37, 1966 (прототип). (54) (57) ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР, содержащий два оптических канала, рабочий и сравнительный, в каждом из которых расположены источник излучения с обтюратором и газовая камера, приемник излучения с двумя микрофонами, оптически связанный с камерами, схему преобразования и обработки сигнала и регистрирующий прибор, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точ-. ности йэмерений; микрофоны выполнены с общей мембраной, размещенной в камере приемника, так, что симметрично делит ее на две лучеприемные камеры, а схема преобразования и обработки .,сигнала содержит мост переменного тока с включенными в смежные плечи микрофона, выход которого связан через усилитель;с одним вхрдом фаэоизмерительного устройства, другой вход которого соединен с выходом генератора,питакщего мост переменного тока, а один иэ выходов — с ретистрируюс щим прибором, при этом оптическая Я схема газоанализатора дополнительно содержит средство для управления по. токами излучения, размещенное между приемником и газовыми камерами и свя.( эанное через автоматическое регулирующее устройство с другим выходом Я фазоизмерительного устройства.

1093953

Использование в качестве опорного напряжения синхронного детектора напряжения от фотосопротивления, освещаемого электрической лампой, умень50 шает надежность работы газоаналиэатора, что связано с ограниченным сроком службы ламп накаливания при их непрерывной работе, старением фотосопротивления.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является оптико-акустический газоанализатор, содержащий два оптических канала, рабочий и сравнительный, в каждом

Ф из которых расположены источник излучения с обтюратором и газовая ка60 мера, приемник излучения с двумя микрофонами, оптически связанный с камерами, схему преобразования и обраИзобретение относится к технике газового анализа, а именно к оптическим недисперсионным абсорбционным, гаэоаналиэаторам, основанным на избирательном поглощении лучистой энергии определяемыми компонентами га5 эовой смеси, и может быть использовано для анализа газовых смесей в металлургической, энергетической, химической и других отраслях промышленности, выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, контроля атмосферы, а также для метрологического обеспечения (градуировка, поверка) рабочих газоанализаторов различного назначения. 15

Известен опт йко-акустический газоанализатор, включающий источники излучения, измеритель ные камеры, приемник, микрофонный каскад, усилитель, синхронный двигатель обтюрато- 20 ра, реверсивный двигатель и самопишущий прибор. Конденсаторный микро-, фон включен в каскад, который собран по схеме катодного повторителя. Усиление осуществляется по напряжению и по мощности, на выходе усилителя включен синхронный детектор (1).

Недостатки газоаналиэатора состоят в том, что форма выходного сигнала синхронного детектора имеет иска- |0 жения, связанные с разньз|и условиями передачи пульсирующего давления на мембрану микрофона от рабочей и срав,нительной камер, по выходному напряжению невозможно суд ь о болыаей 35 или меньшей концентрации анализируемого .компонента в измерительных камерах анализатора из-эа отсутствия информации о фазе сигнала, и, кроме того, шунтирование рабочей емкости микрофона распределенными параэитными40 емкостями на землю приводит к появле нию погрешностей, связанных с их из° менением от.изменения условий эксплуатации (температуры, влажности), а также вибраций, перемещений, ударов. 45 ботки сигнала и регистрирующий прибор.

В известном устройс;| ве мембраны микрофона расположены параллельно, каждый микрофон соединен с отдельным усилителем, подключенным к входу суммируют.о устройства.

Условия передачи пульсирующего давления, возникающего в результате поглощения ИК-излучения определяемым компонентом в рабочей и сравнительной камерах, на обе мембраны идентичны, что улучшает форму сигнала, поступающего на усилитель. Сигналы двух микрофонов, связанные с изменением состава определяемого компонента, синфазны. Вибрация вызывает противофазное изменение сигналов микрофонов. Это повышает виброустойчивость гаэоаналиэатора f23.

Недостатком известного устройства является то, что рабочие емкости микрофонов шунтируются распределенными параэитными емкостями соединительных проводов и неподвижных электродов на землю, что снижает точность измерений. Вибрации соединительных проводников и других элементов не устраняются схемой преобразования сигналов микрофонов. Большое входное сопротивление усилителей обуславливает высокий уровень шумов, что также уменьшает точность измерений.

Известный газоанализатор не позволяет судить по выходному сигналу о превышении концентрации анализируемого компонента в камерах конкретного канала, так как отсутствует информация о фазе сигнала.

Цель изобретения - повышение точ.ности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в оптико-акустическом газоанализаторе, содержащем два оптических канала, рабочий и сравнительный, в каждом иэ которых расположены источник излучения с обтюратором и газовая камера, приемник излучения с двумя микрофонами, оптически связанный с камерами, схему преобразования и обработки сигнала и регистрирующий прибор, микрофоны выполнены с общей мембраной, размещенной в камере приемника, что симметрично делит ее на две лучепрнемные камеры, а схема преобразования и обработки сигнала содержит мост переменного тока с включенными в смежные плечи микрофонами, выход которого связан через усилитель с одним входом фазоиэмерительного устройства, другой вход которого соединен с выходом генератора, питающего мост пере|яенного тока, а один иэ выходов — с регистрирующим прибором, при этом оптическая схема газоанализатора дополнительно содер-,. жит средство для управления потока1О93953 ми излучения, размещенное между приемником и газовыми камерами и связанное через автоматическое регулирующее устройство с другим выходом фазоиэмерительного. устройства.

На чертеже изображен предлагаемый гаэоанализатор.

Газоанализатор содержит источники 1 излучения, обтюратор 2, синхронный двигатель 3, рабочую камеру 4,. через которую пропускается анализируемая газовая смесь, сравнительную камеру 5, лучеприемные камеры б, два микрофона, содержащие неподвижные электроды 7 и общую мембрану 8.

Микрофоны включены в два смежных 35 плеча моста переменного тока, например, дифференциального трансформаторного моста. Два других плеча моста образованы вторичными обмотками дифференциального трансформатора 9. g(}

Мост включает также элемент начальной настройки 10, представляющий собой дифференциальный конденсатор.

Первичная. обмотка дифференциального трансформатора 9 подключена к .генератору 11. Измерительная диагональ моста включена на вход селективного усилителя 12.

Выход селективного усилителя вклю. чен на вход фазоизмерительного устройства 13, например, фазового детектора. На другой вход фазоизмерительного устройства подключена часть питающей обмотки дифференциального трансформатора 9. Выход фазоиэмерительного устройства 13 соединен с автоматическим регулирующим устройством 14, формирующим сигнал компенсации, представляющим собой, например, реверсивный двигатель, управляющий работой средства 15 управления потоками излучения, который может быть выполнен, например, в виде дифференциальной механической заслонки или се- лективного оптического окошка, изменяющего прозрачность и регулирующего 45 интенсивность излучения потоков по каналам.

Второй выход фазоизмеритедьного, устройства 13 соединен с регистрирующим прибором 1б, например, показываю- 50 щим и самопишущим потенциометром, регистрируют(им величину и направление (фазу) изменения напряжения, пропорционального концентрации определяемого компонента. 55

Газоанализатор работает следующим образом.

Потоки лучистой энергии от источников 1 излучения, прерываемые обтюра. тором 2, связанным с двигателем 3, 60 проходят рабочую 4 и сравнительную 5 камеры и попадают в лучеприемные камеры б. В луче приемных камерах возникают колебания давления, являющиеся результатом поглощения газом лучи -65 стой энергии. Эти колебания передаются на мембрану 8, отклонение которой происходит в сторону лучеприемной камеры с меньшим давлением. Прн равенстве потоков, прошедших через рабочую 4 и сравнительную 5 камеры, мембрана 8 не воспринимает пульсирующего давления. При ослаблении потока излучения в рабочей камере 4 за счет поглощения его определяемым компонентом равенство нарушается и мембрана воспринимает давление, пропорциональное величине ослабления потока излучения, а следовательно, концентрации опреде-. ляемого компонента, причем направление ее смещения относительно начального уравновешенного положения происходит строго в определенную сторо-. ну.

Пульсации давления преобразуются двумя микрофонами, содержащими одну общую мембрану 8 и два неподвижных электрода 7, представляющими собой . дифференциальный микрофон оптико-акустического газоанализатора, причем мембрана симметрично разделяет луче приемные камеры. Отклонение общей мембраны 8 приводит к увеличению емкости одного микрофона и уменьшению емкости другого микрофона. Поскольку емкости микрофонов включены в смежные плечи моста переменного тока, оба эффекта вызывают изменение напряжения в измерительной диагонали моста в одном направлении. Это увеличивает чувствительность оптико-акустического газоанализатора и повышает точность измерений.

Мембрана 8 не имеет потенциала земли (экранов}, .вследствие чего емкости обоих микрофонов не шунтируются распределенными емкостями соединительных проводников и неподвижных электродов 7 на землю. Эти емкости приложены симметрично к вторичным обмоткам дифференциального трансформатора 9. Они не влияют на точность начальной настройки моста. Емкость мембраны 8 на экран включена параллельно измерительной цепи. Нулевое положение газоанализатора устойчиво, что повышает точность анализа газовой смеси.

Вторичные обмотки дифференциально. го трансформатора 9 имеют тесную индуктивную связь, в результате чего происходит непрерывная автоматическая компенсация изменений паразитных емкостей, обусловленных вибрациями, перемещениями, ударами, а также медленными изменениями условий эксплуатации (температуры, влажности окружающей среды). Это повышает устойчивость работы, следовательно, точность измерений газоанализатора.

Выходное сопротивление моста невелико, что снижает требование к

10S3953 входным цепям усилителя, понижает уровень шумов на его входе и повышает надежность и точность измерения.

Мост переменного тока питается от генератора 11, частота которого не менее, чем на порядок превышает частоту обтюрации и частоту вибраций, находящихся обычно в пределах 125 Гц. Указанное соотношение обусловлено улучшением условий частотной селекции, что также повыиает точность газоанализатора. Таким образои, с измерительной диагонали моста снимается модулированное по амплитуде с частотой обтюрацин напряжение переменного тока при наличии в.иэмеригельных камерах гаэоанализаторах анализируемой смеси с различным содержанием определяемого компонента.

При этом усилитель переменного тока

12 не имеет завала характеристики О на рабочей частоте, что является недостатком работы газоанализаторов при подаче на микрофон постоянного поляризующего напряжения. устойчивость работы усилителя 12 ка часто- 25 те генератора 11 позволяет также повысить точность измерений оптикоакустическим газоанализатором. усиленное напряженке разбаланса моста поступает на фаэоизмерительное 3п устройство 13, в качестве опорного напряжения которого используется выходное напряжение генератора 11, которым питается иост переменного то-. ка. Прк большем ослаблении потока излучения в сравнительной камере за счет. наличия в ней большей концентрации определяемого ковыонекта мембрана 6 переходит нулевое положение. и при ее отклонении в противоположную сторону прои схоц фт,кз,„ф ненке фазы, 40 напряжения несущей частоты в измерительной дикого моста на 186 .

Прибор 16, включенный на одном кз выходов фазоизмерительного устройства, зарегистрирует не только вели- 45 чину сигнала, пропорциональную концентрации измеряемого компонента, но и направление его изменения, приЬ чем появляется возможность получения информации о превышении концентрации определяемого компонента в одном канале анализатора по сравнению с другкм в связи с воэможностью регистрации изменения фазы несущей частоты в диагонали моста. Это особенно важно при использовании гаэоаналиэатора в качестве компараторов газовых смесей, обладающих высокой точностью.

Среднее значение выпрямленного сигнала не зависит от вибрации мембраны микрофона. Это позволяет ввести в оптическую схеиу средство 15 для управления потоками излучения для компенсации изменения выходного сиг» нала. Компенсация осуществляется автоматически, так как второй выход фазоизмерительного устройства 13 соединен с автоматическим регулирующим устройствои 14, выдающим команды на средство 15 дяя.управления потоками излучения строго в определенной фазе, связанной с направлением смещения мембраны микрофона, вызванного превышением концентрации определяемого компонента в одном кз каналов газоанализатора. Такии образом, по величине сигнапа регистрирующего прибора 16 и направлению воздействия автоматического регулирующего устройства 14 иа средство 15 для управления потоками излучения однозначно связанного с направлением смещения мембраны 8 можно судить о величине концентрации определяемого компонента и в каком канале анализатора он зарегистрирован.

Изобретение позволяет проводить анализ путем сравнения близких значений концентрации определяемого коинонента, исключая неточности отсчетных измерительных устройств, а также повысить точность измерений путем использования сравнения определяемого компонента с газовым эталонои с кзвестным с высокой наперед заданной точностью содержанием определяемого компонента.

1093953

Составитель Л. Сихович

Редактор Н.Джуган Техред Т;Маточка Корректор И. Эрдейи

Заказ 3415/35 Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная, 4