Способ анализа газов

 

Сущность: способ анализа газов заключается в том, что на исследуемую смесь газов направляют первый поток излучения и через оптический фильтр второй поток излучения, длина волны которого выбрана вне полосы поглощения исследуемого компонента газа, регистрируют интенсивности первого и второго потоков излучения с помощью фотоэлектрического преобразователя, при этом второй поток излучения дополнительно пропускают через поглощающий газ, температуру и давление которого поддерживают равными температуре и давлению исследуемой смеси газов, уравнивают сигналы, пропорциональные интенсивностям первого и второго потоков излучения, логарифмируют выходной сигнал, пропорциональный интенсивности первого потока излучения, вычитают постоянную составляющую, выходной сигнал, пропорциональный интенсивности второго потока излучения, поддерживают постоянным, изменяя коэффициент передачи измерительного тракта, а о концентрации исследуемого компонента судят по величине сигнала, пропорционального интенсивности первого потока излучения. 1 ил.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к методам определения концентрации газообразных сред по степени поглощения потока излучения определенной длины волны, и может быть использовано для контроля чистоты окружающей среды, загрязнений производственных и складских помещений, а также выбросов в химической, металлургической и других отраслях промышленности, в том числе выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, теплоэнергетических установок, печей и т.п.

Известен способ анализа газов, реализуемый в анализаторе выхлопных газов с компенсацией по температуре и давлению (патент США N N 3958122, кл. G 01 N 21/34, 1976), по которому инфракрасное излучение в узком диапазоне длин волн пропускают по очереди через измерительную кювету и кювету, заполненную эталонным газом, при прохождении через измерительную кювету по очереди исследуемой смеси газов и воздуха, переключаемых с помощью специального газового коммутатора. Полученный сигнал обрабатывают блоком обработки информации, куда также поступают с соответствующих датчиков сигналы о давлении и температуре исследуемой смеси газов. По отношению сигналов, прошедших через измерительную кювету, заполненную исследуемы газом, и кювету с эталонным газом, судят о концентрации исследуемого газового компонента с учетом поправок, полученных от сигнала, прошедшего через измерительную кювету, заполненную воздухом, а также сигналов от датчиков давления и температуры.

Основными недостатками описанного способа являются низкая точность измерений, обусловленная переходными процессами смены состава газа в измерительной кювете, а также проведением компенсации влияния температуры и давления без введения обратной связи, и сложность конструкции.

Известен также способ анализа газов, реализуемый в инфракрасном анализаторе (патент ФРГ N 2811287, кл. G 01 N 21/34, 1978), по котором инфракрасное излучение, расположенное внутри диапазона длин волн поглощения исследуемого газа, пропускают через кювету компенсации температуры, заполненную газом, у которого диапазон длин волн поглощения частично находится внутри диапазона длин волн пропускаемого через него излучения, спектр которого отличается от спектра исследуемой газовой компоненты, и измерительную кювету, а инфракрасное излучение в диапазоне длин волн, который содержит большую часть диапазона длин волн излучения, пропускаемого через измерительную кювету, пропускают через интерференционную кювету, в которой находится газ, содержащий часть исследуемой газовой компоненты, плотность которой известна, и кювету компенсации интерференции, заполненную исследуемым газом. О концентрации исследуемого газа судят по разности сигналов в обоих каналах. В результате подбора волн излучения, плотностей и концентраций газовых компонентов, заполняющих кюветы, а также длин кювет удается скомпенсировать влияние температуры анализируемого газа.

Недостатком такого способа также является низкая точность измерения, обусловленная изменением концентраций и плотностей газов в герметичных кюветах с течением времени вследствие утечки газов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ анализа газов (авт.св. СССР 88550, кл. G 01 N 21/01, 1981), по которому исследуемая смесь газов подвергается поочередному облучению посредством источника с подвижными светофильтрами и световыми лучами со спектральным составом, поглощаемым и непоглощаемым исследуемым газовым компонентом. Поток излучаемой энергии, пропускаемый одним из светофильтров, проходит через исследуемую газовую смесь беспрепятственно, тогда как поток излучаемой энергии, пропускаемый другим светофильтром, поглощается исследуемым газовым компонентом тем больше, чем выше его концентрация. По отношению этих двух потоков судят о концентрации исследуемого газа.

Недостатками этого способа являются зависимость результатов измерений от температуры и давления исследуемого газа, а также влияние коэффициента передача измерительного тракта на точность измерений.

Цель изобретения повышение точности измерений.

Цель достигается тем, что второй поток излучения дополнительно пропускают через поглощающий излучение этой длины волны газ, температуру и давление которого поддерживают равными температуре и давлению исследуемой смеси газов, выходной сигнал, соответствующий второму потоку излучения, уравнивают с выходным сигналом, соответствующим первому потоку излучения при отсутствии анализируемого газового компонента, выходной сигнал логарифмируют и вычитают из него постоянную составляющую, выходной сигнал, соответствующий второму потоку излучения, поддерживают постоянным путем изменения коэффициента передачи измерительного тракта, а о концентрации судят по величине выходного сигнала, соответствующего первому потоку излучения.

Сигнал первого потока излучения E₁ I₁e ^{- k}1 ^{x c} (1) где I₁ поток, излучаемый источником излучения на длине волны, поглощаемой исследуемым газовым компонентом; k₁ постоянный коэффициент, зависящий от длины кюветы и свойств исследуемого газового компонента; х коэффициент, учитывающий зависимость поглощательной способности газа от температуры и давления; а сигнал на выходе фотоэлектрического преобразователя при воздействии второго потока излучения, поглощаемого газом, заполняющим дополнительную кювету, Е₂ I₂ e ^{- k}2 ^{x c}o (2) где I₂ поток, излучаемый источником излучения на длине волны, поглощаемой газом, заполняющим дополнительную кювету; k₂ постоянный коэффициент, зависящий от длины дополнительной кюветы и свойств газа, ее заполняющего; c_о концентрация газа, заполняющего дополнительную кювету.

После прохождения через логарифмический усилитель и компенсации постоянной составляющей первый сигнал может быть описан исходя из выражения (1) уравнением I_nE₁ E_o I_nI₂ X (K₁C + K₂C_o) E_o (3) а второй сигнал аналогично I_nE₂ E_o I_nI₂ XK₂C_o E_o (4) Если величину постоянной составляющей выбрать равной
Е_о I_nI₂, (5) то выражения (3) и (4) соответственно упростятся:
I_nE₁ E_o x (K₁C + C_o) (6)
I_nE₂ E_o -xK₂C_o (7)
Поддерживая второй (опорный) сигнал постоянным, изменяют коэффициент передачи измерительного тракта в D раз. При этом оба сигнала, описываемые выражениями (6) и (7), изменятся в А раз, что соответствует умножению на А выражений (6) и (7):
А(I_nE₁ ES₁) -Ax(K₁C + K₂C_o) (8)
A(I_nЕ₂ E_o) AxK₂C_o const (9) Из выражения (9) следует, что
A . (10) Умножив выражение (8) на уравнение (10), получают
A(I_nE₁-E_o)= const1 + . (11)
Из этого выражения видно, что выходной сигнал не зависит от температуры и давления анализируемого газа, а определяется только концентрацией анализируемого газового компонента.

Вследствие того, что в предлагаемом техническом решении устраняется влияние температуры и давления анализируемой газовой смеси, точность измерения в предлагаемом техническом решении выше.

Заявляемый способ реализуется следующим образом. Поток излучения от источника к фотоэлектрическому преобразователю проходит через измерительную и дополнительную кюветы и по очереди через узкополосные светофильтры, создающие световые потоки рабочей и сравнительной длин волн. Последний не поглощается исследуемым газовым компонентом. Постоянные составляющие обоих сигналов после логарифмирования сигналов вычитаются. О концентрации исследуемого газового компонента судят по степени поглощения светового потока рабочей длины волны, сравнивая этот поток со световым потоком сравнительной длины волны.

В процессе работы под действием температуры или давления анализируемого газового компонента, проявляющимся в изменении значения коэффициента х в выражении (1), изменяется величина потока излучения, попадающего на фотоэлектрический преобразователь на рабочей длине волны, в результате чего изменяется сигнал e на его выходе при неизменной концентрации S анализируемого газового компонента, вследствие чего увеличивается погрешность измерения.

Одновременно, так как температура и давление газа в дополнительной кювете те же, что и в измерительной, изменяется величина потока излучения, попадающего на фотоэлектрический преобразователь на сравнительной длине волны, в результате чего изменяется сигнал Е₂ на его выходе. По сигналу Е₂ с выхода фотоэлектрического преобразователя, несущему информацию об изменении поглощающей способности анализируемого газового компонента, после упомянутого ранее уравнения сигналов, логарифмирования, вычитания постоянной составляющей и сравнения сигнала с опорным уравнением указанную погрешность устраняют путем изменения коэффициента передачи измерительного тракта, что соответствует исключению х в выражении (11).

Вследствие изменения коэффициента передачи электронной части измерительного тракта по закону, обратному закону изменения коэффициента передачи оптического канала х, влияние температуры и давление анализируемой газовой смеси устраняется, а точность измерения повышается.

На чертеже схематично показано устройство для реализации предложенного способа.

Устройство состоит из источника 1 излучения, измерительной кюветы 2, дополнительной кюветы 3, блока 4 фильтров, вращаемого электродвигателем 5, фотоэлектрического преобразователя 6, предварительного усилителя 7, уравнивающего аттенюатора 8, логарифмического усилителя 9, блока 10 вычитания постоянной составляющей с регулируемыми источниками опорных напряжений, блока 11 регулирования коэффициента передачи измерительного тракта, двух ячеек 12 и 13 памяти, двух датчиков 14 и 15 положения, двух формирователей 16 и 17 стробирующих импульсов, измерительного устройства 18, блока 19 управления и блока разделительной мембраны 20.

Блок 4 фильтров состоит из корпуса и двух узкополосных фильтров: рабочего, пропускающего поток излучения, поглощаемый исследуемым газом, входящим в состав анализируемой газовой смеси, и сравнительного, пропускающего поток излучения, не поглощаемый исследуемым газом, но поглощаемый газом, заполняющим дополнительную кювету.

Источник 1 излучения, измерительная кювета 2, дополнительная кювета 3, блок 4 фильтров и фотоэлектрический преобразователь 6 расположены в одном оптическом канале так, что поток излучения от источника излучения проходит через измерительную кювету 2, дополнительную кювету 3, блок 4 фильтров и попадает на фотоэлектрический преобразователь 6.

Выход фотоэлектрического преобразователя 6 соединен с входом предварительного усилителя 7, выход которого соединен с сигнальным входом уравнивающего аттенюатора 8. Выход аттенюатора соединен с входом логарифмического усилителя 9, выход которого соединен с входом блока 10 вычитания постоянной составляющей, а выход последнего соединен с входом блока 11 регулирования коэффициента передачи измерительного тракта. Выход блока регулирования коэффициента передачи измерительного тракта соединен с входами ячеек 12 и 13 памяти. Выход ячейки 13 соединен с входом блока 19 управления, выход которого соединен с вторым входом блока 11 регулирования коэффициента передачи измерительного тракта, по которому происходит управление коэффициентом передачи измерительного тракта. Выход ячейки 12 памяти соединен с входом измерительного устройства 18. Измерительная кювета 2 соединена с дополнительной кюветой 3 через блок разделительной мембраны 20.

Датчики 14 и 15 положения фиксируют положение блока 4 фильтров. Выход датчика 14 положения соединен с входом формирователя 16 стробирующих импульсов, выход которого соединен с управляющим входом ячейки 12 памяти и одним из управляющих входов уравнивающего аттенюатора 8. Выход датчика 15 положения соединен с входом формирователя 17 стробирующих импульсов, выход которого соединен с управляющим входом ячейки 13 памяти и другим управляющим входом уравнивающего аттенюатора 6.

Устройство работает следующим образом.

Поток излучения от источника 1 излучения проходит через измерительную кювету 2, дополнительную кювету 3, блок 4 фильтров и попадает на фотоэлектрический преобразователь 6, который преобразует поток излучения в электрический сигнал. Во время прохождения потока излучения через рабочий фильтр с помощью датчика 14 положения вырабатывается стробирующий импульс, формируемый формирователем 16 стробирующих импульсов, который включает ячейку 12 памяти и устанавливает требуемый с точки зрения управления коэффициент передачи уравнивающего аттенюатора 8. Практически это выражается в том, что величина этого сигнала при отсутствии анализируемого газа равна величине сигнала в момент времени, когда вырабатывается стробирующий импульс на выходе формирователя 17 стробирующих импульсов. Аналогично во время прохождения потока излучения через сравнительный фильтр с помощью датчика 15 положения вырабатывается стробирующий импульс, формируемый формирователем 17 стробирующих импульсов, который включает ячейку 13 памяти и устанавливает другой коэффициент передачи уравнивающего аттенюатора 8.

Электрический сигнал с выхода фотоэлектрического преобразователя 6 усиливается предварительным усилителем 7, уравнивается уравнивающим аттенюатором 8 и после логарифмирования по амплитуде с помощью логарифмического усилителя 9 и вычитания постоянной составляющей блоком 10 вычитания постоянной составляющей поступает на одну из ячеек 12 или 13 памяти. Предварительно при отсутствии анализируемого газового компонента изменяют величину опорного напряжения в блоке 10 и добиваются нулевых показаний газоанализатора, что эквивалентно выполнению условия (5). Во время прохождения потока излучения через рабочий фильтр сигнал поступает на ячейку 12 памяти, включаемую стробирующим импульсом с выхода формирователя 16 стробирующих импульсов, с которой далее поступает на измерительное устройство 18. Во время прохождения потока излучения через сравнительный фильтр сигнал поступает на ячейку 13 памяти, включаемую стробирующим импульсом с формирователя 17 стробирующих импульсов, а затем на блок 19 управления и блок 11 регулирования коэффициента передачи измерительного тракта. Во время попадания потока излучения на корпус блок фильтров (один из фильтров вышел из потока излучения, а другой еще не попал в него) поток излучения не попадает на фотоэлектрический преобразователь 6, который в это время вырабатывает сигнал отсчета.

Таким образом, сигнал, пропорциональный разности уровней потока излучения, проходящего через рабочий фильтр, и уровня отсчета (поток излучения не попадает на фотоэлектрический преобразователь), запоминается ячейкой 12 памяти и регулируется измерительным устройством 18.

Воздействие дестабилизирующих факторов на коэффициент передачи измерительного тракта, напримеp, при загрязнении окошек измерительной кюветы 2 в процессе эксплуатации, изменении коэффициента передачи фотоэлектрического преобразователя 6, предварительного усилителя 7 или логарифмического усилителя 9 под влиянием температурных изменений или других факторов также приводит к изменению сигнала в ячейке 12 памяти и устраняется вследствие изменения коэффициента передачи измерительного тракта в противоположную сторону, поддерживающего неизменный сигнал в ячейке 13 памяти.

Во всех описанных случаях устранение влияния дестабилизирующих факторов является повышением точности измерения. Следовательно, заявляемое техническое решение позволяет повысить точность измерений. По сравнению с аналогами, например с выпускаемым серийно отечественной промышленностью прибором для анализа выходных газов автомобилей ГАИ-2, точность повышается в 1,5-2 раза.

Формула изобретения

СПОСОБ АНАЛИЗА ГАЗОВ, заключающийся в том, что на исследуемую смесь газов направляют первый поток излучения и через фильтр второй поток излучения, длина волны которого выбрана вне полосы поглощения исследуемой компоненты газа, регистрируют интенсивности первого и второго потоков излучения с помощью фотоэлектрического преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, второй поток излучения дополнительно пропускают через поглощающий газ, температуру и давление которого поддерживают равными температуре и давлению исследуемой смеси газов, уравнивают сигналы, пропорциональные интенсивностям первого и второго потоков излучения, логарифмируют выходной сигнал, пропорциональный интенсивности первого потока излучения, вычитают постоянную составляющую, выходной сигнал, пропорциональный интенсивности второго потока излучения, поддерживают постоянным путем изменения коэффициента передачи измерительного тракта, а о концентрации исследуемой компоненты судят по величине сигнала, пропорционального интенсивности первого потока излучения.

РИСУНКИ

Рисунок 1