Интерферометрический газоанализатор

 

Ссиоз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ.Ф"Ъ

Ф лг

Ь б =.: с -«-.Г (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 220579 (21) 2769317/18-25 с присоединением заявки Ио (23) Приоритет

Опубликовано 3004.81. Бюллетень Чо 16 (53)PA. Кл з

G 0l N 21/0

Государствеиный «омитет

СССР ио делам изобретений. и открытий (53) УДК 535. 343 (088.8) Дата опубликования описания 300 481

Ф (72) Авторы изобретения

В.В.Панов, П.П.Цейслер и И.И.Жариков

I (Днепропетровский отдел Всесоюзного научйо- :

1 исследовательского института горноспасательного дела (71) Заявитель (54) ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР

Изобретение относится к аналити ческому приборостроению, а более конкретно к устройствам для измерения концентрации веществ по разности их коэффициентов преломления методом интерфометрии, и может быть использовано в угольной, химической и др. отраслях промышленности.

Известны устройства для измерения концентрации вещества с помощью интерферометрических газоанализаторов, содерЖащие интерферометр, газовоэдушную камеру, две щелевые диафрагмы и установленные за каждой из них фотоприемники, включенные в мостовую схему, Газовоздушная камера интерферометра является одним из основных его элементов, определяет габариты интерферометра и служит для количественного определения процентного содержания газа., В известных устройствах длина газовоздушной камеры определяется о формуле

d, = — - — - — (мм), 100, й" е- Н (1) с fдп где,й: — линейная ширина полосы интерференционной картины,мм; е — расстояние между интерферирующими лучами, Мм1:.

H — смещение интерференционной картины, выраженное в коли.5 честве полос; с — величина концентрации исс.ледуемого газа, об. в;

f — фокусное расстояние объектива, мм; дп, — разность показателей пре» ломления измеряемого и сравнйтеяьного веществ.

Следовательно, длина гаэовоздушной камеры в известных интерферомет13 рах зависит от параметров интерферометра (а, е, f).è анализируемого газа (= дЬ) н пропорциональна числу полос Н, пройденных интерференционной картиной.

Автоматический интерференционный рефрактометр имеет 250 полос в диапазоне измерения, фотоэлектрический регистрирующий интерферометр с дли23 йой камеры 240 мм — 70 полос, лабора" торный иитерфероме=р ИТ - 1 — 1 00 полОс г.ри длине газовоздушной камеры

1000 мм. Значит существующие интерференционные газоанализаторы имеют

30 большое количестве п ло в диапазоне

826217

Из вестен газо анализатор, содержащий интерферометр, газовоздушную камеру, две щелевые диафрагмы и установленные за каждой из них фотоприемники, включенные в мостовую схему.

B известном анализаторе метана, как в любом другом автоматическом интерферометре, число нулевых положений равно числу полос, т.е. 11, При быстром смещении интерференционной картины, которое зависит от расхода анализируемой газовой смеси (для анализатора метана этот расход не должен превышать 2 л/мин), из-за инерционности компенсационая система не успевает скомпенсировать смещение интерференционной картины. В этом случае фотоприемники теряют стинную нулевую полосу и ориентируются относительно любой другой поло.сы, ошибоччо принимая ее за нуль отсчета. Таким образом, при пропус60 измерения и, следовательно, большую длину газовоздушной камеры.

Классические интерференционные методы измерения с помощью интерферометров Релея-Жамена и Майкельсона позволяют в прийципе достичь чувствительности Д, 10 — 10 . Однако достигается она при использовании камеры длиной 1 м и более, что частс неприемлемо, например, при использовании интерферометра в качестве детектора в хроматографии, где необходимо стремиться к предельно малым объемам анализируемой пробы. По этой причине применение существующих интерференционных газоанализаторов в качестве детекторов в газовой хрома- )5 тографии затруднено.

Кроме того, в известных интерферометрических газоанализаторах вследствие дисперсии света при прохождении через оптические элементы и анализируе- 7() мое вещество, происходит перераспределение цветовой окраски интерференционной картины или иначе сдвиг полос. Например, в лабораторном интерферометре ИТР-1 с газовоздушной камерой d=1000 мм при измерении концент25 рации метана в азоте цветовая окраска интерференционной картины сдвигается вправо на одну полосу при

7 об. Ъ, на дне полосы — при 14 об. Ъ,, на три полосый при 22 об. Ъ и т.д.

Вследствие этого, известные интерйерометрические газоанализаторы при измерении допускают ошибку, равную количеству полос сдвига, и при фиксации нулевой полосы электронным спо- З5 собом (автоматический ичтерференционный рефрактометр), оптчческим способом (фотоэлектрический регистрирующий интерферометр) или с помощью глаза опрератора (лабораторный интерферо-

СН4, Следовательно, известный интерферометрический газоанализатор допускает неточность при измерениях и имеет большую длину газовоздушной камеры.

Цель изобретения — повышение точности измерения и уменьшения габаритов. указанная цель достигается тем, что в интерферометрический газоанализатор,содержащий интеоферометр,газовоздушную камеру,две щелевые диафрагмы и установленные за каждой из них фотоприемники, включенные в мос— товую схему, длина газовоздушной камеры определена соотношением

d (— — (мм), 50.0,"е (2) с:f an где К вЂ” линейная ширина полосы интерференционной картины,мм; е — расстояние между интерферирующими лучами, мм; с — верхнее .значение диапазона измерения исследуемого газа, об. Ъ|

f — фокусное расстояние объектива, мм; дn — разность показателей преломления измеряемого и сравнительного газов.

На фиг. 1 показана характеристика распределения освещенности интерференционной картины; на фиг. 2 и 3 схемы интерферометрического газоанализатора — соответственно схемы прямого измерения с помощью мостовой схемы и компенсационной; на Фиг. 4 схема работы предлагаемого интерферометрического газоанализатора.

Освещенность интерференционной картины изменяется по затухающей синусоиде (фиг. 1) и содержит ряд чередующихся по знаку монотонных изменений освещенности. Области монотонного изменения освещенности равны между собой по длительности и составляют 0,5 полосы интерференционной картины. По амплитуде монотонные измерения имеют максимальжую величину в области ахроматической полосы, которая расположена в центре интерференционной картины.

Интерференционная картина, образуется на интерферометре 1(фиг.2 и 3), показана в увеличенном масштабе. Через щелевые диафрагмы 3 и 4 ахроматическая полоса освещает фотоприемники 5 и 6, включенные в мостовую схему. Ток, который является функцией световых потоков, воспринимаемых фотоприемниками, с диагоналями моста усиливается усилителем 7 и подается непосредственно на указатель 8 (фиг.2), или через реверсивный двигатель 9 (фиг. 3), на валу которого находится

826217

d - (мм}

50. 4 ° е с й.ьп (6) б5 указатель 8 с нулем посредине и компенсатор 10, состоящий из двух стеклянных пластин, установленных жестко на валу. Измерение концентрации анализируемых веществ производится с помощью газовоздушной камеры 2, установленной в потоке двух интерферирующих лучей и длина которой определяет габаритные размеры прибора.

Основным воздействующим фактором интерференционной картины на элемент автоматики (фотоприемник) является изменение освещенности. Для пропорционального соотношения между величиной концентрации и смещением интерференционной картины необходимым и достаточным условием является монотонное 15 изменение освещенности фотоприемников в диапазоне измерения концентрации анализируемого вещества. Монотонное изменение освещенности составляет

0,5 полосы интерференционной картины. 2(}

При определении длины газовоздушной камеры из соотношения а > — ——

50 ° и ° е (3) с f-ьп смещение интерференционной картины составляет более 0,5 полосы. При этом нарушается монотонность освещенности в диапазоне измерения и в этом случае существуют отрицательные явления, присущие известным интерферометрическим газоанализаторам.

Длину газовоздушной камеры нельзя определять из соотношения

Й .(4)

c- f. in

В этом случае используется полностью монотонное изменение освещенйости в .диапазоне измерения,что невозможно осуществить,так как Фотоприемники нельзя настраивать на экстремальные точки изменения освещенности вследст- 4Q вие того,что в этом сл чае невозможно— распознать сторону смещения интерференционной картины.

Следовательно, в общем виде, для предлагаемого интерферометрического газоанализатора длина газовоздушной камеры определяется соотношением

d ((мм), (5)

c ° f дп

В данном случае в диапазоне изме- g(} рения освещенность изменяется монотонно, нулевое положение только одно и исключаются отрицательные явления

"пропуск" и "сдвиг"полос,присущие известным интерферометрическим газоанализаторам, В частном случае, когда предлагаемый интерферометрический газоанализатор имеет. два рабочих фотоприемника, которые настраиваются на центру монотонного изменения освещенности 60 (Фиг. 1, точки A и В), длина газовоздушной камеры определяется равенством

При этом в диапазоне измерения интерференционная картина смещается на О, 25 полосы.

Измерение величины концентрации анализируемого вещества с помощью предлагаемого интерФерометрического газ сан ализ атора произ водит ся путем изменения оптической .плотности в одной из.полостей газовоздушной камеры, что вызывает соответствующее смещение интерференционной картины.

В нулевом положении обе полости газовоздушной камеры 2 продуты ( сравнительным газом, например воздухом. Интерфер нционная картина находится в исходном нулевом положении (фиг. 4, положение 1). Световые потоки ахроматической полосы, равные по величине, через щелевые диафрагмы 3 и 4 попадают на соответствующие фотоприемники 5 и 6.

При равенстве световых потоков, попадающих на фотоприемники, световые сопротивления их равны между собой.

В диагонали моста ток равен нулю,и указатель 8 .концентрации в обоих газоанализаторах (фИЪ.. 2 и 3) показывает нуль.

При заполнении рабочей полости газовоздушной камеры 2 смесью, содержащей анализуемый газ, например метан, коэффициент которого больше, чем у сравнительного газа, интерференционная картина смещается вправо в диапазоне измерения на 0,25 полосы относительно щеловых диафрагм

3 и 4 (фиг. 4, положение 2). В этом случае освещенность фотоприемника 5 уменьшается, а освещенность фото- приемника б увеличивается. В результате этого, в диагонали моста возникает ток, например положительного знака. Указатель 8 концентрации (фиг. 2) отклоняется вправо, указывая величину тока положительного знака, пропорциональную величине концентрации анализируемого газа. Вал двигателя 9 (Фиг. 3) начинает вращаться по часовой стрелке. Вращением вала двигате ля компенсационные пластины О, 10 механически связанные с валом, возвращают ахроматическую полосу в нул"-вое положение. При этом ток в диагонали моста равен нулю,и вал реверсивного двигателя останавливается. угол пово-рота вала пропорционален концентрации анализируемого газа, что фиксирует указатель 8 отсчетного устройства.

При заполнении рабочей полости гаэовоздушной камеры сравнительным газом интерференционная картина возвращает ся тся только в нулевое положение.

При заполнении рабочей полости газовоздушной камеры интерферометра смесью, содержащей анализируемый газ например водород, коэффициент

I м преломления которого меньше, че сравнительного, ахроматическая полоса смещается влево в диапазоне изме826217. рения на 0,25 полосы относительно щелевых диафрагм 3 и 4 (фиг. 4, положение 3) . В этом случае освещенность фотоприемника 5 увеличивается, а освещенность фотоприемника б уменьшается. В результате этого в диагонали моста возникает ток отрицательного знака. Указатель 8 концентрации (фиг. 2) отклоняется влево относительно нуля и указывает величину тока отрицательного знака, пропорциональную величине концентрации анализируемого газа. Вал двигателя (фиг. 3) вращается против часОвой стрелки. Вращаем вала двигателя компенсационные пластины 10 возвращают интерференционную картину в нулевое положение, 1

При этом ток в диагонали моста равен нулю, и вал реверсивного двигателя останавливается. Угол поворота вала фиксирует указатель 8 отсчетного устройства с левой стороны нуля. 26

Продув рабочую полость гаэовоздушной камеры сравнительным газом, интерференционная картина возвращается в нулевое положение, а указатель показывает о (на фиг. 2 и 3)

При применении компенсационного метода измерения для предлагаемого интерферометрического газоанализ атора (фиг. 3) использован компенсатор, состоящий из двух стеклянных плоскопараллельных пластин одинаковой толщины (0,2 мм), укрепленных жестко на валу двигателя.

Угол между компенсационными плас. тинами . 3, 7 Длина газовоэдушной .камеры d 0,9 мм для измерения метана 35 в воздухе от 0 до 100 об. Ъ. Угол поворота компенсатора составляет

i 20, нелинейность не превышает

0,02. При смещении от нуля вправо и влево на 0,25 полосы разбаланс 4D мостовой схемы:составляет +10 В.

Так как в интерферометрическом гаэоанализаторе в диапазоне измерений концентрации анализируемого вещества освещенность изменяется монотонно и нулевое положенйе толькс одно, то исключаются отрицательные явления пропуск и сдвиг полос, повышается точность и надежность работы.

Вследствие того, что длина газо-, воздушной .камеры и объем рабочей полости значительно (примерно в 50 раз) уменьшаются, следовательно, уменьшаются габариты прибора, повышается быстродействие.

Формула изобретения

Интерферометрический газоанализа,тор, содержащий интерферометр, газо воздушную камеру, две щелевые диафрагмы и установленные за каждой иэ > .них фотоприемники, включенные в мостовую схему,отличающийся тем,что,с целью повышения точности измерения и уменьшения его габаритов,длина газовоздушной камеры определена соотношением

50. а:е с йen где р, — линейная ширина полосы интерференционной картины,мм1 е — расстояние между интерферирующими лучами, мм; с — верхнее значение диапазона измерения исследуемого газа, об. Ъ;.

Я вЂ” фокусное расстояние объектов мм ап - разность показателей прелом ления измеряемого и сравнительного газов.

826217

Составитель С. Соколова

Редактор Е. Дичинская Техред A. цабинед Корректор Ю,Макаренкс

Заказ 2511/66 Тираж 907 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