ФОТОАКУСТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для определения концентрации газообразных соединений в воздухе в лабораторных и промышленных условиях.
Известны измерительные приборы, основанные на различных физических принципах и предназначенные для измерения концентрации газообразных соединений в воздухе [Метрологическое обеспечение безопасности труда. Справочник / Под ред. И.Х. Сологяна. - М.: Стандарты, т. 2., 1989, с. 7-21]. Среди них наилучшие характеристики имеют приборы, использующие фотоакустический эффект, возникающий при поглощении молекулами газа инфракрасного излучения.
Известен оптико-акустический газоанализатор [Оптико-акустический газоанализатор. Авторское свидетельство СССР 201763. Опубл. 08.09.1967. Бюл. №18], предназначенный для целей газового анализа. В качестве источника инфракрасного излучения в нем использованы нити накаливания, имеющие сплошной спектр испускания. Для выделения спектрального диапазона, соответствующего спектру поглощения исследуемого газа, использованы фильтровые камеры. Измерения ведутся с использованием сравнительной камеры с эталонным газом, при этом инфракрасный поток с помощью обтюратора поочередно направляется в рабочую и измерительную камеры, проходя через которые он регистрируется в мерной камере с помощью двух микрофонов. По разнице сигналов с микрофонов определяют концентрацию исследуемого газа в воздухе. Известный газоанализатор имеет высокую чувствительность, но позволяет одновременно измерять концентрацию только одного газового соединения.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели (прототип) является фотоакустический газоанализатор фирмы Брюль и Кьер, модель 1302 [Технические данные. Универсальный газовый монитор - модель 1302, Брюль и Кьер], содержащий источник инфракрасного излучения, выполненный в виде нити накаливания, набор полосовых оптических фильтров, установленных перед входом в измерительную камеру на вращающемся диске, обтюратор, насос, измерительную камеру с входным оптическим окном, впускными и выпускным клапанами и измерительными микрофонами, выходы которых подключены через блок сопряжения к сигнальному микропроцессору. Известный фотоакустический газоанализатор позволяет проводить одновременно определение концентрации пяти газовых соединений в одной пробе воздуха, причем спектральный состав излучения, попадающего в измерительную камеру, устанавливается автоматически в ходе измерения с помощью набора полосовых оптических фильтров, установленных на вращающемся диске перед входом в измерительную камеру. Газовая проба вводится в измерительную камеру с помощью насоса и клапанов впуска и выпуска. При поглощении инфракрасного излучения газовыми молекулами происходит разогрев газа и возникновение акустических волн, которые регистрируются микрофонами, сигналы с которых поступают через блок сопряжения в сигнальный микропроцессор, который управляет работой прибора и обрабатывает результаты измерений. По результатам измерений сигналов микрофонов на различных длинах волн определяется концентрация до пяти газовых компонент в одной пробе. Используя различные комбинации полосовых оптических фильтров, можно проводить определение большого числа примесей, поглощающих инфракрасное излучение.
2
Недостатком прототипа является зависимость результатов измерений от присутствия паров воды. Пары воды практически всегда присутствуют в пробах воздуха и имеют широкую и интенсивную полосу поглощения в инфракрасной области спектра, что приводит к большим ошибкам при определении концентрации многих газов, имеющих спектр поглощения в инфракрасной области близкий к спектру поглощения воды, (например, CO). По оценке авторов величина ошибки определения концентрации при этом может достигать 100%.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение точности измерения концентрации газовых соединений, имеющих спектр поглощения в инфракрасной области близкий к спектру поглощения воды, в пробе воздуха.
Эта задача в заявляемом фотоакустическом газоанализаторе, содержащем источник инфракрасного излучения, выполненный в виде нити накаливания, набор полосовых оптических фильтров, установленных перед входом в измерительную камеру на вращающемся диске, обтюратор, насос, измерительную камеру с входным оптическим окном, впускными и выпускным клапанами и измерительными микрофонами, выходы которых подключены через блок сопряжения к сигнальному микропроцессору, решается за счет того, что перед впускным клапаном измерительной камеры установлен ионитовый поглотитель паров воды.
Предложенный фотоакустический газоанализатор отличается от известных тем, что на входе в измерительную камеру имеется ионитовый поглотитель паров воды.
На Фиг. 1 приведена структурная схема фотоакустического газоанализатора.
Фотоакустический газоанализатор содержит источник инфракрасного излучения 1, параболический отражатель 2, обтюратор 3, вращающийся диск 4 с установленными на нем полосовыми оптическими фильтрами 5, измерительную камеру 6 с входным оптическим окном 7, микрофоны 8, блок сопряжения 14 и сигнальный микропроцессор 15. Газовая система включает насос 9, впускные клапаны 10 и 11, выпускной клапан 12, а также ионитовый фильтр 13.
Предложенный фотоакустический газоанализатор работает следующим образом.
Исследуемый воздух поступает в камеру 6 через открытые клапаны 10-12, при этом воздух проходит сквозь ионитовый фильтр 13. Всасывание воздуха происходит за счет разрежения, создаваемого насосом 9. После заполнения камеры 6 исследуемым воздухом клапаны 10-12 закрывают. Поток инфракрасного излучения формируют с помощью источника инфракрасного излучения (нить накаливания) 1, параболического отражателя 2, обтюратора 3 и полосовых оптических фильтров 5, установленных на вращающемся диске 4. Сквозь оптическое окно 7 в камеру 6 поступает импульсное инфракрасное излучение с длиной волны, определяемой характеристикой полосового оптического фильтра, находящегося в этот момент перед окном 7 камеры 6. При поглощении инфракрасного излучения компонентами газовой смеси в камере 6 формируются акустические волны, которые регистрируют микрофонами 8. Электрические сигналы микрофонов 8 через блок сопряжения 14 поступают в сигнальный микропроцессор 15, и используются для определения концентрации газовых соединений, поглощающих инфракрасное излучение в выбранной спектральной области. Ионитовый фильтр 13 сорбирует пары воды, содержащиеся в исследуемой воздушной пробе, благодаря чему точность измерения концентраций газовых компонентов повышается. Так, при использовании ионитового фильтр марки 6.112.004 концентрация паров воды в измерительной камере уменьшается, по оценке авторов, примерно в 100 раз, что позволяет уменьшить ошибку определения концентрации исследуемых газообразных соединений, имеющих спектр поглощения в инфракрасной области близкий к спектру поглощения воды, до 3-5%.
Таким образом, по сравнению с известным газоанализатором, заявленная полезная модель позволяет уменьшить ошибку измерения концентрации газовых компонент, имеющих спектр поглощения в инфракрасной области близкий к спектру поглощения воды, примерно в 20 раз.