Абсорбционный газоанализатор

 

ЛБСОРБЦИОННЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР , содержащий источник излучения, обтюратор, расположенные в поворотном устройстве фильтры для подавления спектра неопределяемых компонентов и модуляционные кюветы, содержащие определяемые компоненты, приемник излучения с непосредственной прокачкой и электронный блок обработки и регистрации сигнала, о тличающийся тем, что, с целью повышения избирательности при одновременном упрощении конструкции , в оптической последовательности за источником излучения расположены приемник с прозрачной задней стенкой, оптические фильтры, : обтюратор с отражающей поверхностью, S обращенной к приемнику, и модуляционные кюветы, при этом каждая из кю (Л вет выполнена в виде одной камеры с отражающей задней стенкой, а оптические фильтры - интерференционНЬ«У1И .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

as> Я 3 (11) А д С 01 К 21/61

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

llO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3439811/18-25 (22) 17. 05.82 (46) 15. 07. 84. Бюл. Ф 26 (72) В.Д.Бобрышев и В.А.Яценко (71) Харьковский филиал Всесоюзного научно-исследовательского и проектного института ™Морнефтегаз (53) 543.27 (088.8) (56) 1. Красов В.И. и др . ИК-газоанализатор двуокиси углерода и водяного пара в атмосфере. Методы и аппа ратура автоматизированного контроля атмосферных загрязнений. Л., "Гидрометеоиздат", 1979, с. 18-26.

2.Luft К.F. Nicht dispersive

Ultrarot — Mehrkomponenten. — Саваnalyse" Chemic — Ingenieur — Technic, 1969 г, У 24, р. 71-76 (прототип).. (54)(57) АБСОРБЦИОННЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТ0Р содержащий источник излучения, обтюратор, расположенные в поворотном устройстве фильтры для подавления спектра неопределяемых компонентов и модуляционные кюветы, содержащие определяемые компоненты, приемник излучения с непосредственной прокачкой и электронный блок обработки и регистрации сигнала, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повьипения избирательности при одновременном упрощении конструкции, в оптической последовательности за источником излучения расположены приемник с прозрачной задней стенкой, оптические фильтры, обтюратор с отражающей поверхностью, обращенной к приемнику, и модуляци- Е онные кюветы, при этом каждая из кю- ур вет выполнена в виде одной камеры с отражающей задней стенкой, а оптические фильтры — интерференционными.

1103123

20

30

40

50

Изобретение относится к области оптического абсорбционного анализа газов. и может быть использовано при построении многокомпонентных переносных газоанализаторов, предназначенных преимущественно для контроля малых загрязнений атмосферы, а также в поисковой геохимии и других отраслях народного хозяйства.

Известен многокомпонентный газоанализатор,. содержащий источник

ИК излучения, фокусирующее устройство, газовую кювету, обтюратор, вы" полненный в виде непрозрачного диска с окнами, в которых установлены интерференционные фильтры, причем г1 фильтров настроены на определяемые компоненты, а один фильтр — на эталонный, неселективный тепловой приемник и электронную схему, осуществляющую временное разделение каналов, при этом устройство выполнено в переносном виде (1) .

Недостатками такого устройства являются невысокая чувствительность, обусловленная неидеальностью балансировки опорного и измерительного лучевых потоков, ограниченная избирательность, вызванная конечным (и относительно невысоким) значением затухания интерференционного фильтра вне его полосы прозрачности, необходимость применения коллимированного лучевого потока с целью получения достаточно узкой полосы пропускания интерференционного фильтра, что усложняет конструкцию, трудность выбора частоты настройки эталонного фильтра при анализе сложных газовых смесей.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является абсорбционный газоаналиэатор, содержащий источник излучения, обтюратор, расположенные в поворотном устройстве фильтры для подавления спектра неопределяемых компонентов и модуляционные кюветы, содержащие определяемые компоненты, приемник излучения с непосредственной прокачкой и электронный блок обработки и регистрации сигнала )2) .

Каждая модуляционная кювета состоит из двух полукювет (одна из которых заполнена определяемым компонентом, а другая — непоглощающим компонентoM), образованных путем разделения цилиндрической камеры на две равные половины с помощью продольной перегородки. За кюветами следуют фильтры, подавляющие спектр неопределяемых компонентов, каждый из которых выполнен в виде кюветы, заполненной смесью известных мешающих компонентов. За модуляционной кюветой и .фильтром следует приемник с непосредственной прокачкой, сигнал с которого обрабатывается электронным блоком.

Указанный газоанализатор имеет высокую избирательность к известным мешающим компонентам, что достигается комбинацией селективной модуляции и фильтрацией спектра излучения в полосе мешающих компонентов. Однако данное устройство характеризуется ограниченной избирательностью к неизвестным мешающим компонентам, так как построить газовый фильтр на все возможные мешающие компоненты практически невозможно,и конструктивной сложностью.

Цель изобретения — повышение избирательности при одновременном упрощении конструкции устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в абсорбционном газоанализаторе, содержащем источник излучения, обтюратор, расположенные в поворотном устройстве фильтры для подавления спектра неопределяемых компонентов и модуляционные кюветы, содержащие определяемые компоненты, приемник излучения с непосредственной прокачкой и электронный блок обработки и регистрации сигнала, в оптической последовательности за источником излучения расположены приемник с прозрачной задней стенкой, оптические фильтры, обтюратор с отражающей поверхностью, обращенной к приемнику, и модуляционные кюветы, при этом каждая иэ кювет выполнена в виде одной камеры с отражающей задней стенкой, а оптические фильтры — интерференционными.

На чертеже представлена функциональная схема устройства.

Газоанализатор содержит расположенные в оптической последовательности за источником ИК излучения 1 оптико-акустический приемник 2 с непосредственной прокачкой, выполненный с прозрачной задней стенкой и с датчиком давления. 3, например кон1103123 денсаторным микрофоном, фильтры и интерференционного типа, подавляющие спектр неопределяемых компонентов, и модуляционные кюветы 5, каждая из которых выполнена в виде одной ка- 5 меры, заполненной определяемым компонентом, с отражающей задней стен— кой. Селективные блоки расположены на поворотном устройстве 6. Модулятор 7 имеет отражающую поверхность, 1О обращенную к приемнику 2, и расположен между интерференционными фильтрами 4 и модуляционными кюветами 5.

Приемник 2 посредством датчика давления 3 соединен с электронным бло- 15 ком 8.

Газоанализатор.работает следующим образом.

Лучевой поток от источника 1 попадает в приемник 2, в который че- 20 рез развязывающие устройства-клапаны, пористые фильтры и т.д. (не показаны) поступает исследуемая газовая смесь. Лучевой поток, вышедший иэ приемника 2, проходит через один из интерференционных фильтров 4, настроенных на определяемый компо нент, а затем отражается либо от модулятора 7 (в первую половину периода его вращения), либо от отражаю.щ щей стенки одной из модуляционных кювет 5 (во вторую половину периода вращения). Лучевой поток, отраженный от модуляционной .кюветы 5, не содержит спектральных составляющих оп- З ределяемого компонента, так как они поглощаются в заполняющем. кювету газе. Таким образом, осуществляется селективная модуляция отраженного лучевого потока, который, по- 4g падая в приемник 2, вызывает оптикоакустический сигнал от измеряемого компонента, регистрируемый датчиком

3 с помощью электронного блока 8 .

Интерференционные фильтры 4,через 4 которые лучевой поток проходит дваж" ды, обеспечивают дальнейшее повышение избирательности. Поскольку интерференционный фильтр является взаимным элементом, era амплитудно"час- тотная характеристика при двукратном прохождении возводится в квадрат, благодаря чему сужается его полоса пропускания на уровне половинной мощности и существенно (на несколько порядков) уменьшается уровень проходящего лучевого потока, лежащего вне его полосы пропускания. Это позволяет обойтись без коллимированного лучевого потока, что упрощает конструкцию.

Устройство обеспечивает существенное повышение избирательности, в том числе и в полосе фильтрации, именно при взаимосвязанном использовании интерференционного фильтра и газового модулятора, реализуемое при их совместной настройке на максимальную избирательность, например, к парам воды.

При этом суть настройки заключается во введении определенного разбаланса коэффициентов отражений от обтюратора и модуляционной кюветы. Его величина различна для каждой конкретной пары фильтр — модуляционная кювета и зависит от дисперсии коэффициентов пропускания стекла кюветы и коэффициентов отражения материалов, из которых изготовлены отражающие стенки, размеров кюветы, качества коллимации и угла падения лу" чевого потока, спектра поглощения заполняющего объем кюветы газа и таких характеристик фильтра, как форма, частотное местоположение и ширина полосы пропускания, величина минимального фонового пропускаK

HHR B KOpOTK0BOJf HOBO@ Т„,)„H pBHHHO волновой Тщ,д областях, а также от

P характеристик вторичных полос пропускания.

Определение расчетным путем необходимых для положительного эффекта значений коэффициентов отражений не возможно. В то же время необход-.мый разбаланс легко достигается путем небольшого изменения осевого расстояния между модуляционной кюветой и обтюратором, например путем установки прокладок необходимой толщины под упоры посадочного места для кюветы в поворотном устройстве. При этом удаление кюветы уменьшает долю отраженного потока, попадающего в приемник, не меняя ни его спектральных характеристик, ни распредсления по сечению, а приближение увеличивает поток.

Реализацию указанного баланса можно проводить, например, путем закачивания в приемник влажного азота и подбора местоположения кюветы, соответствующего нулевым показаниям газоанализатора. При этом в одну половину периода (когда лучевой по1103123 ток отражается обтюратором) спектр лучевого потока при отражении практически не изменяется.

Во вторую половину периода лучевой поток отражается модуляционной кюветой, и в спектре отраженного сигнала отсутствуют спектральные участки, соответствующие областям максимального поглощения заполняю-, щего кювету газа. Наличие нулевых показаний газоанализатора свидетельствует о равенстве поглощенной энергии в обе половины периода. Но если в первую половину поглощение в парах воды происходит во всем спектре (с учетом амплитудно-частотной характеристики фильтра), то во вторую половину энергия поглощается в этом же спектре, но за вычетом указанных спектральных участков. Следовательно, для достижения равенства поглощенных энергий необходимо обеспечить соответствующее превышение.коэффициента отражения от задней стенки кю веты. Однако такой разбаланс без интерференционного фильтра приводит к появлению паразитной модуляции в полосах поглощения других определяемых газов и к соответствующему ухудшению избирательности по ним.

С использованием интерференционного фильтра, кроме упрощения процесса балансировки, удается как подавлять паразитную модуляцию в указанных полосах (при сравнительно низком значении Т„„„, Т,„;„ и двукратном прохож4 денни лучевого потока это всегда обеспечивается), так и сохранять за счет вторичных полос пропускания возможность выравнивания энергии, поглощенной парами воды в обе половины периода. Поскольку спектральное распределение коэффициента поглощения паров воды при нормальных условиях сохраняется неизменным, то достигнутое повышение избирательности в полосе фильтрации (за счет равенства внеполосового поглощения в парах воды поглощению в полосе фильтрации) остается независимым от содержания влаги в анализируемой пробе.

Таким образом, путем введения контролируемого разбаланса возможно улучшение избирательности в полосе фильтрации при одновременном сохранении высокой внеполосовой избирательности за счет двукратного прохождения лучевого потока через интерференционный фильтр.

Указанное совместное использоваwe интерференционного фильтра и селективного модулятора в данном устройстве, позволяет на два порядка повысить избирательность к парам воды. Для сравнения в качестве базового объекта принят инфракрасный абсорбционный газоанализатор IVAN-5.

Данное устройство по сравнению

З0 с базовым позволяет решить задачу многокомпонентного газового анализа с помощью одного портативного прибора. Чувствительность предлагаемого устройства определяется "акустичесЗ5 ким шумом" приемника, а не качеством баланса лучевых потоков, как в базовом варианте, Комбинирование двукратно пропускающих интерференционных фильтров с селективной моду40 ляцией позволяет конструктивно просто решить и проблему избирательности.

1103123

Составитель Л.Сихович

Редактор Н.Швьдкая Техред Т.Иаточка Корректор А.Дзятко

Заказ 4970/32 Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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