ДВУХКОМПОНЕНТНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР

ДВУХКОМПОНЕНТНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР
Изобретение относится к области контроля содержания отдельных компонент в газообразных и жидких средах и может быть использовано для измерения в оптически прозрачных средах концентраций компонент, поглощающих ультрафиолетовое или видимое излучение.
Измерение концентрации отдельных компонент в сложной газовой смеси является актуальной задачей в области контроля технологических процессов, экологии, медицине. Наиболее надежными и универсальными методами здесь являются оптические спектроскопические методы. Однако, известные на настоящий момент технические рещения в области создания оптических газоанализаторов далеко не всегда удовлетворяют растущие потребности практики с точки зрения функциональных возможностей приборов, надежности их работы, погрешности измерений и стоимости.
В настоящем описании предлагается техническое рещение надежного недорогого оптического газоанализатора, способного осуществлять непрерывное измерение одновременно двух компонент газовой смеси и отличающийся сравнительно малой погрешностью измерений и высокой долговременной стабильностью.
Известны оптические анализаторы концентрации газа, которые содержат источники излучения, блок формирования пучка изл чения и размещенные на их оптической оси интерференционный светофильтр и измеритель интенсивности излучения, подютюченный к блоку обработки и управления 1,2. Основными недостатками этих приборов являются, вопервых, возможность измерения только одной компоненты газовой смеси, причем ее измерение возможно только при условии не перекрывания ее аналитической полосы поглощения с полосами поглощения других компонент газовой смеси, во-вторых, невысокая чувствительность измерения и, в третьих, значительный рост погрешности измерений с течением врелЦни, происходящий вследствие неконтролируемого временного дрейфа технических параметров оптико-электронного тракта газоанализатора.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является оптический газоанализатор 3, который содержит оптически сопряженные источник излучения, блок формирования оптического пучка, последовательно размещенн| 1е на оптической оси интерференционный фильтр и измеритель интенсивности излучения с подключенным к его выходу блоком обработки и управления, причем интерференционный фильтр заключен в блок термостатирования и снабжен механизмом изменения пространственной ориентации, выполненным с возможностью фиксации двух заданных положений фильтра и подключенным к управляющему входу блока обработки и управления. Нри этом источник излучения, фильтр и измеритель выполнены работающими в ультрафиолетовом или видимом
21/61
диапазоне длин волн и в одном из положений пространственной ориентации фильтра полоса его пропускания и полоса электронного поглощения измеряемой компоненты имеют совпадающий частотный интервал. Кроме того, интерференционный светофильтр выполнен с полосой пропускания, не превышающей ширину полос электронного и электронно-колебательного поглощения измеряемой компоненты.
Прототип также обеспечивает возможность измерения только одной компоненты газовой смеси, причем при условии неперекрывания ее аналитической полосы поглощения с полосами поглощения другой компоненты газовой смеси, и кроме того обладает повышенной погрещностью измерений вследствие неконтролируемого временного дрейфа параметров оптико-электронного тракта прибора, а также вследствие температурной зависимости сечения поглощения аналитических полос поглощения контролируемых газовых компонент.
Таким образом, как аналоги, так и прототип не позволяют в ряде случаев, достаточно часто встречающихся в практике, осуществлять анализ концентрации компонент газовой смеси, и обладают значительной погрещностью, возрастающей с течением времени, что ограничивает возможность применения газоанализаторов в целях долговременного непрерывного контроля многокомпонентных газовых смесей в технологических процессах.
Изобретение направлено на создание измерительного устройства, обладающего высокой чувствительностью, обеспечивающего возможность анализа двух компонент газовой смеси, даже в случае взаимного наложения их аналитических полос поглощения, и имеющего низкую погрещность при реализации долговременных непрерывных измерений, без существенного усложнения конструкции и увеличения стоимости прибора. В соответствии с поставленной задачей заявляемое устройство содержит последовательно расположенные на оптической оси источник щирокополосного излучения, блок формирования светового потока, интерференционный светофильтр, заютюченный в блок термостатирования и снабженный механизмом изменения пространственной ориентации светофильтра, измеритель интенсивности излучения и подключенный к нему блок обработки и управления, управляющий выход которого соединен с механизмом изменения пространственной ориентации светофильтра. Устройство отличается от прототипа тем, что механизм изменения пространственной ориентации светофильтра выполнен с возмонсностью фиксации трех заданных положений интерференционного фильтра, причем, по крайней мере, в двух положениях светофильтра полоса его пропускания совпадает с аналитическими полосами поглощения обеих измеряемых компонент газовой смеси. При этом положения фиксации пространственной ориентации светофильтра соответствуют участкам оптического спектра, в которых отношения сечений поглощения измеряемых газовых компонент имеют отличные друг от друга значения. Кроме того, на оптической оси устройства
между блоком формирования пучка и интерференционным светофильтром помещена аналитическая кювета, имеющая входное и выходное оптические окна, а также два входных и один выходной газовых щтуцера, причем один из входных щтуцеров через побудитель расхода газа соединен с контролируемым газоходом, а другой через побудитель расхода чистого воздуха соединен с окружающим свободным воздущным пространством или резервуаром с чистым воздухом, при этом управляющие входы побудителей расхода соединены с соответствующими выходами блока обработки и управления. В дополнении к этому, аналитическая кювета заключена в блок термостатирования.
Возможность фиксации с помощью механизма пространственной ориентации трех заданных пространственных ориентации интерференционного фильтра при выполнении условия совпадения его полосы пропускания, по крайней мере, в двух положениях с аналитическими полосами поглощения обеих газовых компонент, позволяет проводить раздельный анализ этих компонент, а условие существенности отличия отношения сечений поглощения этих компонент на аналитических участках спектра позволяет повысить точность измерений.
Применение в устройстве аналитической кюветы, снабженной оптическими окнами для пропускания оптического излучения и щтуцерами для напуска в кювету и удаления из нее анализируемой газовой смеси либо чистого воздуха, соединенными с соответствующими побудителями расхода, включение которых осуществляется блоком обработки и управления, позволяет производить периодическую коррекцию технических параметров оптико-электронного тракта, что обеспечивает снижение погрещности измерений, обусловленной неконтролируемым временным дрейфом технических парамефов устройства.
Размещение аналитической кюветы внутри блока термостатирования позволяет избсишть дополнительных погрещностей измерения, связанных, во-первых, с температурными колебаниями величин коэффициентов поглощения газовых компонент в аналитическом участке спектра, а вовторых, с изменением характеристик пропускания оптического излучения, обусловленным явлением конденсации влаги на оптических окнах кюветы.
На фиг. 1 представлена блок-схема газоанализатора. На фиг. 2 показаны взаимное расположение на спектральной щкале электронноколебательных полос поглощения двух газовых компонент (окиси азота NO и двуокиси серы SOi) и предпочтительные, с точки зрения получения максимальной точности измерений, фиксированные положения полосы пропускания интерференционного светофильтра.
Газоанализатор содержит истрчник 1 широкополосного оптического излучения, блок 2 формирования пучка этого излучения и последовательно размещенные на оптической оси пучка аналитическую кювету 3, интерференционный светофильтр 4, заключенный в блок термостатирования и измеритель интенсивности излучения 5. Аналитическая кювета 3
помещена в блок термостатирования 6 и соединена через входные штуцера с побудителями расхода анализируемой газовой смеси 7 и чистого воздуха 8. Через выходной штуцер кювета соединена также с газоотводом (или внешним пространством). Интерференционный фильтр 4 сопряжен с механизмом изменения пространственной ориентации 9. Выход измерителя интенсивности оптического излучения 5 подключен к входу блока обработки и управления 10, выходы которого соединены с побудителями расхода 7 и 8, а также с управляющим входом механизма изменения пространственной ориентации 9. Выход последнего соединен со вторым входом блока обработки и управления 10.
В реализованном устройстве для определения концентрации окиси азота (NO) и двуокиси серы (SO2) в отходящих газах топливосжигающих установок в качестве источника широкополосного излучения 1 использована газоразрядная дейтериевая лампа ДДС-30. Блок формирования оптического пучка 2 представлял собой сферическое вогнутое зеркало, в фокусе которого помещался источник оптического излучения. Аналитическая кювета 3 представляла собой цилиндрическую трубку из нержавеющей стали длиной 30 см и диаметром 3 см. Входное и выходное оптические окна выполнены из оптического кварца, прозрачного в ультрафиолетовой области спектра. Блок термостатирования 6 аналитической кюветы представляет из себя навитую на корпус кюветы и электрически от него изолированную нихромовую проволоку, подключенную через биметаллический терморегулятор к источнику напряжения. С внешней стороны на кювету с нагревательной проволокой нанесен слой термоизоляции. Терморегулятор настроен на температуру около . Светофильтром 4 является интерференционный фильтр с типичными характеристиками (полуширина полосы пропускания около 1,5 нм, пропускание в максимуме, приблизительно, 10-15%, вне полосы - 0,1 %). В качестве измерителя интенсивности излучения 5 использован фотоэлемент Ф-29. Побудителями расхода 7 и 8 служат серийные приборы типа МГ1Р-68, снабженные электронными реле включения.
Механизм изменения пространственной ориентации светофильтра 9 состоит из шагового двигателя типа ДШИ-200 с блоком управления и оптопары, излучатель и приемник которой пространственно разделены позиционирующим масочным фильтром (непрозрачный диск с узкой радиальной прорезью), закрепленным, как и светофильтр, на валу двигателя.
Структурные элементы блока обработки и управления 10 выполнены на основе cepий ю выпускаемых микросхем и других электрорадиоэлементов: усилитель тока - КТ817, регистр фаз - К155ТМ8, одновибратор - К155АГЗ, компаратор - КР554САЗ, микропроцессор КР580ВМ80А и пр.
Спектры поглощения окиси азота (NO) и двуокиси серы (SOi) расположены в ближней ультрафиолетовой области спектра (фиг.2), причем спектр окиси азота представляет собой набор отдельных хорошо
разрешенных электронно-колебательных полос (30), а спектр двуокиси серы имеет вид единой полосы со слабо разрешенной колебательной структурой, коэффициент поглошения в которой сушественно уменьшается при приближении к видимой области спектра (31). При этом полосы поглощения окиси азота полностью перекрываются полосой поглощения двуокиси серы. ( Именно это обстоятельство является основной причиной, не позволяющей проводить измерения окиси азота устройством-прототипом, если в газовой смеси присутствует двуокись серы). В качестве аналитической области спектра в устройстве, предлагаемом в настоящей заявке, использовался спектральный диапазон 225-230 нм. Выбор этого участка спектра обусловлен тем, что в нем сечения поглощения окиси азота и двуокиси серы имеют сравнимые по величине значения (  см), что позволяет проводить измерения обеих компонент газовой смеси с примерно одинаковой точностью. При измерениях окиси азота и двуокиси серы предлагаемым устройством использовались три фиксированных положения интерференционного светофильтра, соответствующих полосам его пропускания с центрами 225 нм, 227 нм и 230 нм ( 34, 33 и 32, соответственно) и полушириной  1,5 нм. Режим работы газоанализатора определяется программой, находяшейся в ПЗУ блока обработки и управления 10.
Газоанализатор работает следующим образом. При его включении источник I начинает излучать оптическое излучение, которое формируется блоком 2 в пучок, близкий к параллельному, и через входное окно поступает в аналитическую кювету 3, расположенную в блоке термостатирования 6. Выходящий из кюветы через выходное окно пучок проходит через интерференционный светофильтр 4 и попадает на измеритель интенсивности излучения 5, где происходит регистрация его интенсивности. В это же время происходит включение побудителя расхода анализируемой газовой смеси 7, который начинает прокачивать ее через аналитическую кювету 3, а блок обработки и управления 10 начинает отрабатывать управляющую программу, содержащую два режима работы газоанализатора - рабочий и контрольный.
В рабочем режиме работы, прежде всего, производится установка начальной пространственной ориентации интерференционного светофильтра 4. Для этого из блока обработки и управления 10 в механизм измерения пространственной ориентации 9 поступают команды на поворот вала ( и жестко связанного с ним интерференционного светофильтра 4) шагового двигателя до тех пор, пока прорезь масочного фильтра, установленного на валу двигателя, не совпадает с оптической осью оптопары, фотоприемник которой при этом выдаст сигнал на остановку щагового двигателя. В результате, интерференционный .светофильтр 4 занимает начальную пространственную ориентацию, которая соответствует полосе пропускания светофильтра с центром на 230 нм ( положение 32 на фиг. 2). Затем блок обработки и управления 10 начинает отрабатывать циклический алгоритм рабочего режима управляющей программы. Прежде всего измеритель
интенсивности излучения 5 производит измерение величины сигнала (Ii), который записывается в ОЗУ блока 10. Затем блок обработки и управления 10 выдает в блок измерения пространственной ориентации 9 команду на поворот вала двигателя на угол, соответствующий второму фиксированному положению светофильтра 33, в котором центр полосы пропускания светофильтра соответствует 227 нм. Далее, измеритель интенсивности излучения 6 производит измерение величины сигнала (la), который также записывается в ОЗУ. Затем блок обработки и управления 10 выдает в блок измерения пространственной ориентации 9 команду на поворот вала двигателя на угол, соответствующий третьему фиксированному положению светофильтра 34 (центр полосы пропускания светофильтра - 225 нм) и снова блоком 5 производится измерение величины сигнсша (1з) с последующей записью ее в ОЗУ. После этого блок обработки и управления 10 выдает в механизм измерения пространственной ориентации 9 команду на возвращение интерференционного светофильтра 4 в начальную пространственную ориентацию 32. На основании полученных значений li, I2, 1з блок обработки и управления 10 производит расчет концентрации молекул окиси азота NNO и двуокиси серы Nso2 в газовой смеси путем решения системы уравнений:
b/l  (ai + a2NNo+ a3Nso2+  +  + aeNNoNsoi)  Ki l3/Ii  (bi + ЬгЫш + b3Nso2  +b5Nso2 + beNNoNsoi)  KZ, где ai и bi - постоянные коэффициенты, численные значения которых определяются в процессе калибровки газоанализатора, которая заключается в измерении значений I, la и 1з в эталонных газовых средах с известными концентрациями окиси азота NO и двуокиси серы SO2 и последующим определении указанных коэффициентов методом наименьших квадратов. KI и К2 - коэффициенты, отражающие влияние на результаты измерений Ii, Ь и 1з параметров оптико-электронного тракта прибора, подверженных неконтролируемому изменению с течением времени (уширение и сдвиг полосы пропускания интерференционного светофильтра, изменение спектральных характеристик источника и приемника изл)ения, дрейф электрических параметров). Коэффициенты KI и К2 при проведении калибровки газоанализатора принимают значения равные единице и изменяют свои значения после проведения корректировки прибора ( контрольный режим работы газоанализатора). Численные значения коэффициентов ai, bj. К и К2 находятся в ОЗУ.
Решение приведенной системы уравнений осуществляется процессором блока обработки и управления 10 и производится итерационным способом, в качестве нулевого приближения в котором используются значения  и N%o2, являющийся решением упрощенной системы линейных уравнений.
/////л/
Этот итерационный алгоритм обеспечивает однозначный расчет концентраций окиси азота NNO и двуокиси серы Nso2 в газовых смесях с точностью до 1 мг/м уже после двух итераций. Полученные значения концентраций окиси азота NNO и двуокиси серы Nso2 выводятся на цифровое табло обработки и управления 10. На этом цикл алгоритма рабочего режима управляющей программы завершается. Весь цикл выполняется примерно за 10 секунд. Циклический алгоритм рабочего режима управляющей программы повторяется до тех пор, пока на прибор подано питающее напряжение.
Вышеприведенные выражения для отнощений измеренных сигналов ЬЛ и b/Ii получены стандартным путем в предположении справедливости закона Бугера при небольщом (меньше 0,2) коэффициенте поглощения оптического излучения. В этих выражениях учтено спектральное распределение интенсивности излучения источника 1, спектральное распределение чувствительности измерителя 5, спектральное распределение сечений поглощения окиси азота 30 и двуокиси серы 31, а также 32, 33 и 34.
Контрольный режим работы газоанализатора предназначен для проведения периодической корректировки измеренных сигналов 12/1 и Is/Ii на изменение параметров оптико-электронного тракта прибора, подверженных неконтролируемому временному дрейфу, и имеет своей целью уменьщение погрешности измерений. Включение контрольного режима работа газоанализатора осуществляется блоком обработки и управления 10с периодичностью, программно устанавливаемой оператором ( обычно от одного цикла в час до одного цикла в сутки в зависимости от особенностей примененных в приборе оптических и электронных элементов, а также условий эксплуатации). При реализации контрольного режима работы блок обработки и управления 10 выдает команду выключения на блок побудителя расхода анализируемой газовой смеси 7 и команду включения на блок побудителя расхода чистого воздуха 8. Спустя примерно 10 секунд ( время необходимое на полное замещение в аналитической кювете 3 анализируемой газовой смеси на чистый воздух), блок обработки и управления 10 выдает в блок измерения пространственной ориентации светофильтра 9 и блок измерителя интенсивности излучения 5 последовательность команд, полностью тождественную последовательности команд в циклическом алгоритме рабочего режима прибора при проведении измерений Ii, Ь и 1з. В результате выполнения этих команд в ОЗУ блока обработки и управления 10 оказываются, записаны три значения зарегистрированных сигналов , ,  соответствующих трем фиксированным значениям положения светофильтра (32, 33 и 34) при отсутствии в аналитической кювете, прибора окиси азота (NO) и двуокиси серы (SO2). На основании измеренных значений Г, 12, 1 з и калибровочных постоянных ai и bi процессор блока обработки и управления 10 производит вычисление констант К и К2 по формулам
H4)i
K2  i/bi-iVi
при наличии неконтролируемого временного дрейфа параметров оптикоэлектронного тракта прибора вычисление значения коэффициентов Ki и Ki будут отличаться от единицы.  Полученные значения К и К2 записываются в ОЗУ и используются далее при вычислении концентрации молекул окиси азота NNO и двуокиси серы NSQI в газовой смеси в рабочем режиме газоанализатора до следующего включения его контрольного режима работы, когда будут получены новые значения этих коэффициентов.
После вычисления коэффициентов KI и KI блок обработки и управления 10 выдает команду выключения на побудитель расхода чистого воздуха 8 и затем команду включения на побудитель расхода анализируемой газовой смеси 7. По истечении примерно 10 секунд (время необходимое на полное замещение в аналитической кювете 3 чистого воздуха на анализируемую газовую смесь) начинает отрабатываться циклический алгоритм рабочего режима газоанализатора.
Такой режим работы газоанализатора повторяется до тех пор, пока на прибор подано питающее напряжение.
Таким образом, газоанализатор может автономно в рамках программью-заданного режима непрерывно и в реальном масштабе времени осуществлять измерение концентраций в газовой смеси двух газовых компонент, полосы поглощения которых в аналитической области спектра частично или полностью перекрываются, при этом газоанализатор обладает улучшенной по сравнению с прототипом долговременной стабильностью результатов за счет реализации режима корректировки временного дрейфа оптико-электронного тракта и термостабилизации аналитической кюветы (анализируемой газовой смеси).
Макет предлагаемого газоанализатора испытывался в лабораторных ycJЮвияx, в ходе которых проверялась достоверность его показаний при различных составах модельных газовых сред. Модельные газовые смеси состояли из азота с примесями окиси азота (NO) и двуокиси серы (SO2), при этом диапазоны концентраций примесей составляли О - 500  для окиси азота и О - 2500 мг/м для двуокиси серы. Результаты испытаний зафиксированы в акте испытаний. Испытания показали, что погрешности в определении концентрации окиси азота (NO) не превышают 3 %, а концентрации двуокиси серы (SO2) - 5 %, при этом величины погрешностей в определении концентрации одного из измеряемых газов не зависят от присутствия другого газа. Более высокие значения погрешностей в определении концентрации двуокиси серы (SO2) объясняются более широким диапазоном концентрации двуокиси серы ( SO2) в модельных газовых средах. ( Для сравнения, погрешность измерения окиси азота газоанализатором - прототипом в реализованном на основе патента РФ № 2029288 техническом решении составила 8 -г 10 % и имела заметную тенденцию к увеличению с течением времени).
Библиография:
1 см. Заявка Великобритании № 2163251, кл. G01N 21/61, 1986 г. 2 см. Заявка ФРГ 053746673, кл. G01N 21/35, 1989 г. 3 см. Патент РФ № 2029288, 20.02.95. Бюл. ь 5