Абсорбционный оптический газоанализатор

 

В «в.ЮФЭКлй

l1»» . iA>> ф», «g Щ

O;i»1»» 1 И (ii) 506790

Союз Советских

Социалистических

Республик

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 24,04.71 (21) 1647859/26-25 с присоединением заявки Ме (51) М Кл G 01N 21/34

Государственный комитет

Совета 1Иинистров СССР ро делам изобретений и открытий (23) Приоритет (53) УДК 543.27(088.8) Опубликовано 15.03.76. Бюллетень Ме 10

Дата опубликования описания 25.05.76 (72) Авторы изобретения Х. И. Агранов, К. С. Лосев, В. А. Павленко, А. О. Салль, В. А. Санкин, М. Д. Шутов и Г. Г. Юсупов

Специальное конструкторское бюро аналитического приборостроения

АН СССР (54) АБСОРБЦИОННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано для анализа газовых смесей в металллургической, химической и других отраслях промышленности.

Известны промышленные газоанализаторы, состоящие из источника излучения, рабочей камеры с анализируемой смесью, компенсирующего устройства с камерой переменной длины и приемника излучения. В таких газоанализаторах излучение от источника направляется через рабочую и компенсирующую камеры в приемник излучения. В последнем возникает сигнал, пропорциональный разности сравниваемых потоков излучения. Этот сигнал подается на элементы следящей системы и управляет перемещением подвижного штока компенсирующей камеры, имеющего отражающую поверхность, перемещение которого измеряется регистрирующим устройством. Через рабочую камеру пропускается анализируемая смесь, а компенсирующая камера заполнена эталонной смесью, содержащей определяеMbIH компонент. При перемещении подвиокного штока изменяется толщина газовой смеси, пронизываемой компенсирующим потоком излучения. Это пе ремещение осуществляется до тех пор, пока сигнал на выходе приемника не становится равным нулю. При этом непрерывно и автоматически при помощи элементов следящей системы поддерживается отсутствие выход ного сигнала приемника излучения. Это осуществляется изменением полного количества молекул поглощающего излучения газа на пути сравнительного потока. Связанное с подвижным штоком компенсирующего устройства регистрирующее устройство при этом градуировано в значениях концентрации определяемого компонента в анализируемой смеси.

В серийных инфракрасных газоанализаторах общепромышленного назначения типов

ОА2109, ОА2209 и ОА2309 для уменьшения

15 влияния изменения атмосферного давления к компенсирующему устройству подсоединяют сильфон, позволяющий менять объем, занимаемый компенсирующей смесью, В противном случае колебания атмосферного давления

20 приводили бы к изменению интенсивности поглощения излучения только в рабочем канале (за счет изменения количества молекул определяемого компонента в рабочей камере с анализируемой смесью), а поглощение из25 лучения в сравнительном канале не зависит от атмосферного давления, так как компенсирующее устройство герметично. В результате колебания атмосферного давления приводили бы к недопустимой большой дополнительной

30 погрсшности.

Х, <

SC (2) Полная коррекция влияния атмосферного давления была бы возможна только при условии, если плотности анализируемой и компенсирующей газовых смесей при изменениях атмосферного давления (и температуры) оставались равными. Однако давление компенсирующей смеси вследствие конечной жесткости сильфона, герметически отделяющего компенсирующую смесь от атмосферного воздуха, достаточно большого объема компенсирующего устройства и сравнительно небольшой эффективной поверхности сильфона не равно атмосферному. Поэтому уменьшить влияние атмосферного давления удается не более, чем в 2 — 2,5 раза. Это является серьезным недостатком известного газоанализатора. Другой недостаток заключается в том, что известный оптический абсорбционный газоанализатор смесей газов предполагает применение камер, заполненных газовыми смесями постоя нного состава. Однако все известные способы герметизации камер не обеспечивают требуемого постоянства состава в течение длительного срока эксплуатации газоанализаторов. Поэтому известный газоанализатор обладает нестабильностью показаний во времени.

Целью изобретения является устранение автоколебаний.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом абсорбционном оптическом газоанализаторе к выходу компенсирующей камеры последовательно подключены сообщающиеся сосуды с жидкостью, выход которых сообщен с атмосферой.

Электрическим аналогом сообщающихся сосудов является индуктивный шунт к емкости С. При этом если масса т подвижной жид кости в сообщающихся сосудах значительно меньше массы М подвижной системы компенсирующего устройства, то собственная циклическая частота сто колебаний равна

1 л+.) с 1 "1 мс (1) где правая часть неравенства есть собственная частота системы без сообщающихся сосудов.

Таким образом, применение сообщающихся сосудов с достаточно малой массой подвижной жидкости (т«М) позволяет резко увеличить собственную частоту колебаний, последнюю можно сделать (уменьшая т) значительно большей рабочей частоты измеряемого сигнала и настолько высокой, что условие возбуждения автоколебаний не будет выполняться. где R — активное механическое сопротивление подвижной системы компенсирующего устройства, учитывающее рассеяние энергии; Š— чувствительность акустико-электрической системы; S — эффективная площадь штока подвижной системы; С вЂ” гибкость системы.

Действительно, с целью уменьшения влияния высокочастотных (частота значительно больше рабочей частоты измеряемого сигнала) шумов и помех (например, .наводок от сети электрического питания) чувствительность Е делают (известными приемами) монотонно уменьшающейся с частотой. При определенной достаточно высокой частоте чувствительность Е уменьшается настолько, что условие самовозбуждения на этой частоте перестает выполняться. Собственную частоту системы и увеличивают настолько, чтобы нарушилось условие самовозбуждения (1). Автоколеба ния при этом не возникают.

На чертеже показана схема предлагаемого устройства.

Эталонный газ поступает через вентиль 1 в компенсирующее устройство 2. Инфракрасное излучение от источника 3 после,отражения от зеркального отражателя 4 делится на два потока. В качестве источника эталонной газовой смеси используют баллон 5, который через компенсирующую камеру .соединен с приемником излучения 6. Диффузионная трубка 7 предназначена для предотвращения диффузии нежелательных компонентов в приемник. Рабочая камера 8 заполнена анализируемой смесью. Фильтр-поглотитель 9 служит для защиты диффузионного фильтра

10 от паров жидкости, заполняющей сообщающиеся сосуды 11.

Излучение от источника 3 направляется через рабочую камеру 8 и компенсирующее устройство 2 в приемник излучения 6. В последнем возникает сигнал, пропорциональный,разности сравниваемых потоков. Этот сигнал подается на элементы следящей системы и управляет перемещением подвижного штока компенсирующего устройства 2, заполненного эталонной смесью, содержащей определяемый компонент. При перемещении подвижного штока изменяется толщина газовой смеси, принизываемой компенсирующим потоком излучения. Это перемещение осуществляется до тех пор, пока сигнал на выходе прием ника не сделается равным нулю. В результате каждому значению концентрации определяемого компонента в рабочей камере 8 соответствует определенное положение штока компенсирующей камеры. Это производится непрерывно автоматически с помощью следящей системы. Связанное с подвижным штоком компенсирующего устройства регистрирующее устройство градуировано в значениях концентрации определяемого компонента в анализируемой смеси.

В процессе непрерывной эксплуатации эталонный газ из баллона непрерывно пропускается через компенсирующее устройство диффузионным заходом в приемник излучения и затем выходит в атмосферу через сообщающиеся сосуды. При этом газ «пробулькивается» через слой воды, наличие пузырьков газа свидетельствует о нормальном режиме работы системы.

506790

Благодаря применению сообщающихся сосудов при перемещении штока компенс ирующего устройства давление газа внутри него практически не изменяется, так как уровень жидкости при этом также изменяется (он следует за давлением). Поэтому перемещения штока не оказывают обратного воздействия (не возникает сигнал обратной связи) на микрофон приемника излучения. Лвтоколебания благодаря этому исчезают.

Сообщающиеся сосуды игр ают роль легкого поршня (но герметичного), который позволяет эталонному газу легко изменять свой объем, практически без изменения величины давления газа. Причем этот «поршень» настолько легкий, что собственная частота лежит вне полосы пропускания системы. Условие (1) возбуждения автоколебаний не выполняется. Предложенный газоанализатор подвергается механико-пневматическим воздействиям двоякого рода: во-первых, описанным выше собственным (внутренним) автоколебаниям, которые сравнительно легко снимаются с помощью сообщающихся сосудов; вовторых, внешним медленным колебаниям атмосферного давления с периодом колебания, который значительно больше суток. Эти внешние колебания давления не могут вызвать автоколебаний системы, поскольку указанные воздействия имеют совершенно различные причины (внешние или собственные внутренние), воздействуют на различные элементы газоанализатора (на жидкость в сообщающихся сосудах или на подвижную часть компенсирующего устройства) и имеют резко отличающиеся частоты (различие на несколько порядков) . Более того, несмотря на то, что внешние колебания атмосферного давления через сообщающиеся сосуды и эталонный газ в пневматическом приемнике излучения воздействуют на микрофон приемника, элементы системы прибора выполнены так, что указанные медленные изменения давления эталонного газа практически не изменят показаний газоанализатора посредством воздействия на подвижную систему компенсирующего устройства.

Внешние колебания атмосферного давления практически не влияют на работу следящей системы непосредственно. Однако эти колебания могут в наиболее неблагоприятном случае привести к тому, что давления анализируемой и эталонной газовых смесей становятся неодинаковыми. Это в свою очередь может привести к дополнительной погрешности газоанализатора.

Если расход эталонной газовой смеси из баллона 5 отсутствует (регулятор расхода 1 закрыт), то при внешних колебаниях атмосферного давления разность уровней разделяющей жидкости в сообщающихся сосудах также изменяется по величине и знаку. Период таких изменений равен периоду колебаний внешнего атмосферного давления. Поскольку этот период очень велик, а внутренний объем

1О

2О

65 системы 1-2-6-7-9-10 можно выполнить сравнительно небольшим, то амплитуда изменения (колебаний) объемного расхода (скорость изменения объема, занимаемого эталонным газо») может быть сделана небольшой. Открывая вентиль 1, можно расход эталонной смеси из баллона 5 сделать большим амплитуды колебан ий объемного расхода, возникающих при внешних колебаниях атмосферного давления. При таком расходе эталонной смеси при колебаниях атмосферного давления разность уровней жидкости в сообщающихся сосудах остается неизменной по величине и знаку.

При этом эталонный газ непрерывно с небольш им расходом,пробулькивается через сообщающиеся сосуды в атмосферу. Уменьшая объем системы 1-2-6-7-9-10 и подбирая (рассчитывая) р азмеры сообщающихся сосудов по расходу эталонной смеси, разность уровней жидкости в сосудах можно сделать сравнительно небольшой. Например, пусть эта разность равна 20 мм вод. ст. (как показывает практика, эта разность легко контролируется и поддерживается в процессе эксплуатации газоанализатора) .

В этом случае давления газов в рабочей и компенсирующей камерах отличается всего на 0,2 /о относительных. Такое же з начение погрешности возникает в конце шкалы газоанализатора, если например, в результате длительной эксплуатации газоанализатора жидкость (вода) настолько испарится из сосудов, что разность уровней станет равной нулю. Однако такое значение погрешности (0,2 /о) невелико. Оно пренебрежимо мало по сравнению с 1 /о — наилучшим классом точности, который согласно ГОСТ 13320 — 69 рационально использовать в промышленных газоанализаторах. Поэтому такая погрешность (0,2 /о) не может служить препятствием к достижению наивысшего возможного класса точности приборов. Более того, такой предельный случай уменьшения разности уровней до нуля может явиться следствием только грубого неоднократного нарушения инструкции по эксплуатациями, согласно которой рекомендуется с определенной заданной переодичностью дополнять сообщающиеся сосуды разделяющей жидкостью и корректировать показания газоанализатора по эталонной газовой смеси в баллоне (при такой корректировке погрешность, обусловленная разностью давлений анализируемой и эталонной смесей, практически скорректируется до нуля). Таким образом, при правильной эксплуатации газоанализатора влиянием колебаний внешнего атмосферного давления можно пренебречь.

Для предотвращения попадания паров жидкости из сообщающихся сосудов в приемник и компенсирующую камеру перед ней установлен фильтр-поглотитель, который соединяется с сообщающимися сосудами диффузионной газовой трубкой, необходимой для увеличения срока службы фильтра-поглотителя (осушителя). Газовая трубка уменьшает диффузию

506790

Составитель В. Вощанкин

Редактор И. Шубина Техред О. Кудинова Корректор А. Дзесова

Заказ 1045/8 Изд. № 1184 Тираж 1029 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

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

Типография, пр. Сапунова, 2 паров жидкости из сообщающихся сосудов к поглотителю.

При колебаниях атмосферного давления атмосферный воздух или жидкость сообщающихся сосудов не попадают в компенсирующее устройство или приемник, так как незаполненные части объемов сообщающихся сосудов соизмеримы с объемом заключенной в них жидкости. В предложенном абсорбционном газоанализаторе наряду с существенным уменьшением погрешности измерения и улучшением характеристик надежности может быть обеспечен также контроль расхода эталонной газовой смеси с помощью жидкости, заключенной в сообщающиеся сосуды.

Формула изобретения

Абсорбционный оптический газоанализатор, содержащий источник излучения, рабочую камеру и соединенные между собой компенсирующую камеру и приемник излучения, о тл ич а ю шийся тем, что, с целью устранения

10 автоколебаний, он содержит сообщающиеся сосуды, заполненные жидкостью, вход которых соединен с выходом компенсирующей камеры, а выход сообщен с атмосферой.