Инфракрасный абсорбционный газоанализатор
Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для определения концентрации горючих и токсичных газов. В газоанализаторе используются две оптические оси, в точке пересечения которых установлен зеркальный делитель инфракрасного излучения. Вдоль одной оптической оси установлены источник инфракрасного излучения и рабочая камера с внутренним зеркальным отражателем, а вдоль другой - приемник инфракрасного излучения и еще один дополнительный сферический зеркальный отражатель. Обтюратор, перекрывающий обе оптические оси, выполнен в виде непрозрачного диска со специальным профильным окном и установлен под определенным углом к вышеуказанным оптическим осям перед зеркальным делителем инфракрасного излучения с противоположной стороны от источника и приемника инфракрасного излучения. Техническим результатом является повышение пороговой чувствительности газоанализатора в широком диапазоне рабочих температур, влажности и запыленности за счет исключения зависимости измерений от воздействия внешних факторов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения концентрации газов, например, ряда газообразных углеводородов С12Н2n+2, окиси и двуокиси углерода и т.д., и может быть использовано для определения концентрации горючих и токсичных газов, образующихся при сжигании органического топлива в топке тепловой электростанции.
Из опубликованных источников известен инфракрасный абсорбционный газоанализатор (патент РФ №2069348 C1 1996 г., G 01 N 21/35), содержащий источник инфракрасного излучения, средства спектральной селекции излучения, рабочую кювету для анализируемого вещества и тепловой приемник лучистой энергии, подключенный к электронной схеме измерения. В этом газоанализаторе для увеличения точности измерений средства спектральной селекции излучения выполнены по крайней мере из двух светофильтров с наперед заданной добротностью, которые последовательно установлены вдоль направления распространения излучения после рабочей кюветы.
Такое конструктивное решение газоанализатора позволило установить источник инфракрасного излучения перед рабочей кюветой с неизменной величиной фонового излучения и обеспечило соответственно определенный тепловой режим работы оптического канала при модулировании излучения.
Однако серьезным недостатком вышеуказанного газоанализатора, снижающим эффективность его работы, является то, что конструкция газоанализатора не располагает необходимыми средствами защиты его оптического канала от воздействия на него окружающей среды, в том числе от пыли и влаги, и, следовательно, не позволяет обеспечить взаимоповторяемость и достоверность снимаемых показаний при использовании его на промышленных объектах.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому решению является другой инфракрасный газоанализатор (патент РФ №2035038 С1, 1995 г., G 01 N 21/61), который включает источник инфракрасного излучения, кювету с рабочей и опорной камерами, обтюратор, оптический фильтр с фокусирующей системой, приемник инфракрасного излучения и ряд усилителей и регуляторов, подключенных к аналого-запоминающему устройству и индикатору. Для повышения линейной статической характеристики газоанализатора в нем предусмотрено звено обратной связи, позволяющее в некоторых пределах осуществлять корректировку коэффициента передачи измерительного тракта.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве отсутствуют технические приемы и конструктивные элементы, обеспечивающие достижение нижеуказанного технического результата с минимальными затратами и повышенной степенью достоверности определения состава анализируемого газа. Введение в данную конструкцию дополнительных усилителей и регуляторов с обратной связью не повышает коэффициент надежности работы газоанализатора, а скорее, напротив, понижает его вследствие нестабильности, обусловленной воздействием окружающей среды на все элементы оптического канала и системы управления. К тому же конструктивное выполнение его оптического канала с последовательным расположением всех его элементов в одну длинную цепочку однозначно увеличивает габариты и снижает надежность газоанализатора, а также делает его зависимым от многих отрицательных факторов, например от изменения температуры, давления, влажности или повышения уровня вибрации.
Задачей заявляемого изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков, присущих ранее известным устройствам, путем создания и реализации принципиально новой конструкции узлов инфракрасного абсорбционного газоанализатора.
Указанная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в получении новой конструкции инфракрасного абсорбционного газоанализатора с более эффективной системой определения состава анализируемого газа с минимальными затратами в процессе эксплуатации, включая также затраты по юстировке и поверке газоанализатора в особо сложных условиях, например, при его использовании в качестве регулятора при сжигании органического топлива в топке промышленной энергетической установки.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения по объекту-устройству достигается тем, что при измерении концентрации газов, выходящих из топки энергетической установки, используется обычный инфракрасный абсорбционный газоанализатор, включающий источник инфракрасного излучения, рабочую и опорную камеры, обтюратор с приводом, оптический фильтр, приемник инфракрасного излучения с фокусирующим устройством, блок управления и мини-ЭВМ. Особенностью данного инфракрасного абсорбционного газоанализатора является то, что его рабочая камера, выполненная в виде полого усеченного конуса с внутренним сферическим зеркальным отражателем на большем основании, установлена вдоль одной оптической оси со сферическим зеркальным отражателем источника инфракрасного излучения, в то время как приемник инфракрасного излучения с фокусирующим устройством и дополнительный сферический зеркальный отражатель установлены вдоль другой оптической оси, пересекающейся с вышеуказанной оптической осью, при этом в точке пересечения этих осей установлен зеркальный делитель инфракрасного излучения.
Указанный технический результат достигается также тем, что обтюратор газоанализатора, выполненный в виде вращающегося непрозрачного диска со специальным профильным окном, установлен под определенным углом к вышеуказанным оптическим осям перед зеркальным делителем инфракрасного излучения с противоположной стороны от источника и приемника инфракрасного излучения.
Указанный технический результат достигается также тем, что оптический фильтр газоанализатора, выполненный в виде вращающегося барабана с набором интерференционных фильтров и приводом от шагового двигателя, установлен между зеркальный делителем инфракрасного излучения и фокусирующим устройством приемника инфракрасного излучения.
Указанный технический результат достигается также тем, что рабочая камера газоанализатора установлена непосредственно внутри опорной камеры, при этом рабочая и опорная камеры оборудованы индивидуальными средствами для напуска и удаления газов, преимущественно перистальтическими насосами с игольчатыми электроклапанами.
При исследовании отличительных признаков заявляемого устройства - инфракрасного абсорбционного газоанализатора - не выявлено каких-либо аналогичных известных решений, касающихся выполнения основных элементов газоанализатора и их взаимного расположения для обеспечения требуемого технического результата. Так, установка рабочей камеры и источника инфракрасного излучения вдоль одной оптической оси, а приемника инфракрасного излучения и дополнительного зеркального отражателя - на другой оптической оси, расположенной под углом к первой, не встречается в известных конструкциях газоанализаторов, так же как и то, что прямой поток инфракрасного излучения в точке пересечения вышеуказанных осей делится на два потока, один из которых направляется сразу в рабочую камеру, а другой - на дополнительный сферический зеркальный отражатель и только после этого попадает на приемник инфракрасного излучения. Также не выявлены какие-либо аналогичные решения, касающиеся выполнения обтюратора и оптического фильтра и установки барабана с интерференционными Фильтрами и обтюратора относительно друг друга внутри опорной камеры.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволил констатировать, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (адекватными) всем существенным признакам заявляемого изобретения. Определение из перечня аналогов прототипа, наиболее близкого по совокупности признаков, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков для заявляемого объекта-устройства, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна" по действующему законодательству.
Для проверки соответствия заявляемого изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный анализ известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками прототипа и изобретения, результаты которого показали, что заявляемое изобретение не только не следует для среднего специалиста явным образом из известного уровня техники, но и не вытекает из него логически, а напротив, требует дополнительных интеллектуальных затрат и изобретательности, следовательно, соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.
На фиг.1 приведена блок-схема инфракрасного абсорбционного газоанализатора.
Па фиг.2 приведена функциональная схема расположения основных элементов оптического блока газоанализатора.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления заявляемого изобретения с получением указанного технического результата, состоят в следующем.
Инфракрасный абсорбционный газоанализатор, согласно фиг.1, включает блок пробоподготовки 1, предназначенный для очистки измеряемого газа от пыли и посторонних частиц, а также для термостабилизации газового потока (поскольку газовые пробы могут забираться непосредственно из горячих зон топки энергетической установки), оптический блок 2, блок обработки сигналов, поступающих с датчиков 3, блок обработки сигналов с приемника 4, микропроцессорный блок 5, интерфейсный блок 6, мини-ЭВМ 7, блок управления 8 и блок питания 9. Кроме того, оптический блок 2 инфракрасного абсорбционного газоанализатора, согласно фиг.2, включает источник инфракрасного излучения 10 со сферическим зеркальным отражателем 11, рабочую камеру 12, выполненную в виде полого усеченного конуса с внутренним сферическим зеркальным отражателем 13 на его большем основании, обтюратор 14 с приводом 15, оптический фильтр 16, выполненный в виде вращающегося барабана с набором интерференционных фильтров 17, шаговый двигатель 18, приемник инфракрасного излучения 19, фокусирующее устройство 20, дополнительный сферический зеркальный отражатель 21, зеркальный делитель инфракрасного излучения 22 и опорную камеру 23. В состав инфракрасного абсорбционного газоанализатора помимо вышеуказанного входят специальные зонды для отбора газа, измерители давления, влажности и температуры, датчики положения приводов, пневмонасосы с электроклапанами для напуска и удаления газов из рабочей и опорной камеры, нагреватели, холодильники и термостабилизаторы для основных элементов газоанализатора (на схемах условно не показаны).
Газоанализатор работает следующим образом. Анализируемая смесь газов через пробоотборный зонд, подогреваемый фильтр и подогреваемую линию, к которой подключена система аспирации (обратной продувки фильтра), поступает на вход блока пробоподготовки 1. В термохолодильнике (теплообменнике) происходит очистка пробы от паров воды. Водяной конденсат собирается в кондесаторосборнике и удаляется по мере накопления. Электромагнитные клапаны и насосы служат для программно-задаваемой коммуникации оптического блока анализатора с магистралями анализируемого и опорного газов. Прокачка опорного газа необходима для измерения нулевого уровня, при этом переключение газовых линий (точек отбора проб), как и линии опорного газа, производится программно в соответствии с заданным режимом работы газоанализатора. Поскольку каждая газовая компонента анализируемой пробы имеет свой уникальный спектр поглощения, то надлежащим выбором спектра пропускания и числа интерференционных фильтров можно связать поглощение (ослабление) инфракрасного излучения в заданном спектральном интервале с присутствием той или иной примеси в пробе. При этом в оптическом блоке 2 анализируемый (рабочий газ) и сравнительный (опорный газ) одновременно облучаются с помощью инфракрасного источника 10 и сферического зеркального отражателя 11. Попав на зеркальный делитель инфракрасного излучения 22, часть потока инфракрасного излучения направляется сразу в рабочую камеру 12 и, отразившись от сферического зеркального отражателя 13, вновь попадает на зеркальный делитель инфракрасного излучения 22, в то время как другая часть инфракрасного излучения после зеркального делителя 22 направляется на дополнительный сферический зеркальный отражатель 21 и, отразившись от него, направляется непосредственно через оптический фильтр 16 и фокусирующее устройство 20 в приемник инфракрасного излучения 19. Инфракрасное излучение, отраженное от сферического зеркального отражателя 13 рабочей камеры 12, попав вновь на зеркальный делитель 22, преломляется и также направляется через оптический фильтр 16 и фокусирующее устройство 20 на приемник инфракрасного излучения 19. Поскольку приемник инфракрасного излучения 19 реагирует на изменение излучаемого потока, то лучистые потоки периодически прерываются обтюратором 14, выполненным в виде вращающегося непрозрачного диска со специальным профильным окном и приводом 15. За один полный оборот диск обтюратора 14 периодически то пропускает инфракрасное излучение от зеркального отражателя 13 камеры 12, одновременно прерывая при этом инфракрасное излучение с дополнительного сферического отражателя 21, то вновь прикрывает его, открывая при этом инфракрасное излучение от дополнительного сферического зеркального отражателя 21. Перепады выходного напряжения инфракрасного приемника 19, вызванные модуляцией лучистых потоков, далее используются в микропроцессорном блоке 5 для определения величины поглощения и концентрации компонентов измеряемой газовой смеси. Датчики положения диска обтюратора 14 сообщают микропроцессорному блоку 5, какой из лучистых потоков регистрируется в данный момент времени, а также служат для цифровой стабилизации скорости вращения диска обтюратора 14. Датчики начального положения барабана 16 оптического фильтра служат для позиционирования требуемого интерференционного фильтра 17 и тем самым обозначают определяемый спектральный диапазон. Датчики температуры, давления и влажности служат для корректировки результатов измерения и приведения их к нормальным условиям. Нагреватели и теплообменники входят в состав блока термостабилизации. В газоанализаторе предусмотрено несколько режимов работы (пусковой, поверочный и др.), в том числе и стационарный. При стационарном режиме работы газоанализатора измерение концентрации газов производится непрерывно, данные тут же усредняются и одновременно сравниваются с ранее записанными в блок памяти мини-ЭВМ, после чего корректируются с учетом всех поступивших сигналов и выводятся на дисплей мини-ЭВМ.
Технический эффект использования предлагаемого изобретения состоит в следующем. Инфракрасный абсорбционный газоанализатор обеспечивает требуемую точность измерений и чувствительность в широком диапазоне рабочих температур, влажности и запыленности за счет исключения зависимости измерений от воздействия внешней среды, в том числе и от изменения степени вибрации, а также за счет нетрадиционного расположения рабочей камеры и установки дополнительного сферического зеркального отражателя на опорном канале излучения со специальным конструктивным исполнением оптического блока. Все это позволило в конечном счете значительно упростить конструкцию газоанализатора и обеспечить высокую надежность его в процессе эксплуатации. Последнее было апробировано при использовании газоанализатора в качестве регулятора процессом сжигания органического топлива в топке экспериментальной энергетической установки ИТФ СО РАН.
Таким образом, изложенные выше сведения показывают, что при использовании заявленного изобретения выполнена следующая совокупность условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в качестве инфракрасного абсорбционного газоанализатора для широкого круга задач;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Преимущество заявленного изобретения состоит в том, что предложенный инфракрасный абсорбционный газоанализатор позволяет существенно снизить все виды затрат, включая затраты, связанные с настройкой газоанализатора при использовании в особо сложных условиях, обеспечивая при этом соответствующую надежность и эффективность.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость" по действующему законодательству.
Источники информации
1. Патент РФ №2069348 С1, 1996 г., G 01 N 21/35.
2. Патент РФ №2035038 038 С1, 1995 г., G 01 N 21/61.
1. Инфракрасный абсорбционный газоанализатор, включающий источник инфракрасного излучения со сферическим зеркальным отражателем, рабочую и опорную камеры, обтюратор с приводом, оптический фильтр, приемник инфракрасного излучения с фокусирующим устройством и блок управления с мини-ЭВМ, отличающийся тем, что рабочая камера газоанализатора, выполненная в виде полого усеченного конуса с внутренним сферическим зеркальным отражателем на большем основании, установлена непосредственно внутри опорной камеры вдоль одной оптической оси со сферическим зеркальным отражателем источника инфракрасного излучения, в то время как приемник инфракрасного излучения с фокусирующим устройством и дополнительный сферический зеркальный отражатель установлены вдоль другой оптической оси, пересекающейся с вышеуказанной оптической осью, в точке пересечения которых установлен делитель инфракрасного излучения, позволяющий одну часть потока инфракрасного излучения направлять на дополнительный сферический отражатель, а другую его часть на сферический зеркальный отражатель рабочей камеры газоанализатора, при этом обтюратор газоанализатора, выполненный в виде вращающегося непрозрачного диска с окном, установлен со стороны, противоположной от источника и приемника инфракрасного излучения перед делителем инфракрасного излучения, периодически пропуская инфракрасное излучение от сферического зеркального отражателя рабочей камеры, прерывая при этом инфракрасное излучение от дополнительного сферического зеркального отражателя, и наоборот, периодически прерывая инфракрасное излучение от сферического зеркального отражателя рабочей камеры, пропуская при этом инфракрасное излучение от дополнительного сферического зеркального отражателя, а оптический фильтр газоанализатора, выполненный в виде вращающегося барабана с набором интерференционных светофильтров и приводом от шагового двигателя, установлен между делителем инфракрасного излучения и фокусирующим устройством приемника инфракрасного излучения.
2. Инфракрасный абсорбционный газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что рабочая и опорная камеры газоанализатора выполнены с индивидуальными средствами для напуска и удаления газов, преимущественно, перистальтическими насосами с игольчатыми клапанами.
