ГАЗОАНАЛИЗАТОР
GAS ANALYSER

Изобретение относится к средствам анализа примесей различных веществ в газах с использованием преимущественно фотоионизационного детектора (ФИД), входящего в состав газоанализатора.
Известно, что ФИД позволяет измерять концентрации органических и неорганических веществ в воздухе в широком диапазоне значений, вплоть до нескольких объемных процентов. Это, в частности, позволяет использовать газоанализатор как при контроле на уровне ПДК, так и для измерения довзрывных концентраций. Однако при измерении высоких концентраций существует проблема, связанная с загрязнением поверхности выходного окна лампы вакуумного ультрафиолета (ВУФ-лампы). Загрязнение окна лампы уменьшает световой поток и уменьшает чувствительность ФИД. Ранее неоднократно предпринимались попытки создания такого газоанализатора с использованием ФИД, в котором периодически осуществляется очистка окна лампы от загрязнений (см. например, патент США № 6225633, патент ЕР 1262770 и др.).
Наиболее удачно, на наш взгляд, эта задача решается с использованием изобретения по патенту РФ № 2315287. В этом изобретении периодическую очистку окна ВУФ-лампы от загрязнений производят потоком анализируемого воздуха, который предварительно пропускают через фильтр-поглотитель. Используемый при этом газоанализатор содержит измерительную камеру газового детектора с патрубками для подвода и вывода анализируемого газа, два побудителя расхода, вход одного из которых соединен газовой линией с патрубком для вывода анализируемого газа, с которым соединен также посредством газовой линии выход второго побудителя расхода и фильтр-поглотитель анализируемых веществ и влаги (см. фиг.2 описания изобретения по патенту РФ № 2315287).
Хотя известный газоанализатор по патенту №2315287, принятый за прототип, успешно решает задачу очистки измерительной камеры детектора от загрязнений, однако по принципу действия он все же допускает контакт высокой концентраций измеряемых веществ с окном ВУФ-лампы. В результате при работе фотоионизационного газоанализатора, например, в условиях покрасочных камер, где концентрации органических соединений могут достигать нескольких граммов и даже десятков граммов на м. куб., очистка может не справиться с удалением загрязнения с поверхности окна.
Задача настоящего изобретения состояла в создании такого газоанализатора с применением ФИД, который обеспечивал бы возможность измерения высокой концентрации различных веществ в анализируемом воздухе, не допуская контакта высокой концентрации веществ с окном ВУФ-лампы и сохраняя при этом возможность периодической очистки окна ВУФ-лампы от загрязнений.
Указанная задача решается тем, что предложен газоанализатор, содержащий измерительную камеру газового детектора с линиями для подвода и вывода анализируемого газа, два побудителя расхода, вход одного из которых соединен с линией для вывода анализируемого газа, с которой соединен также посредством дополнительной газовой линии выход второго побудителя расхода, и фильтр-поглотитель посторонних веществ и влаги, в который, согласно изобретению, введена емкость-смеситель заданного объема, установленная в линии для подвода анализируемого газа в измерительную камеру детектора, причем фильтр-поглотитель установлен в линии для вывода анализируемого газа из измерительной камеры газового детектора. При этом в газоанализатор должен быть введен измеритель расхода газа, установленный в линии для вывода анализируемого газа из измерительной камеры.
В другом варианте выполнения газоанализатора, по крайней мере, один из побудителей расхода выполнен в виде газового шприца, в цилиндрическом корпусе которого установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения поршень со штоком.
Благодаря отмеченным выше особенностям выполнения изобретения обеспечивается технический результат, который состоит в том, что газоанализатор обеспечивает возможность контроля содержания различных веществ в воздухе при высоких их содержаниях, сохраняя при этом возможность периодической очистки измерительной камеры.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена принципиальная схема предлагаемого газоанализатора.
На фиг.2 изображен один из возможных вариантов выполнения емкости-смесителя в разрезе.
На фиг.3 изображена схема этого газоанализатора, в котором функции одного из побудителей расхода выполняет газовый шприц.
На фиг.4 изображена кривая роста концентрации анализируемых веществ в измерительной камере детектора в предлагаемом газоанализаторе.
Предлагаемый газоанализатор (фиг.1) содержит измерительную камеру 1 газового детектора, преимущественно ФИД, со штуцерами 2 и 3 для подвода и вывода анализируемого газа (воздуха) соответственно, газовую линию 5 для подвода и вывода анализируемого газа (воздуха) из измерительной камеры 1 газового детектора, фильтр-поглотитель 6 для поглощения посторонних веществ и влаги из анализируемого газа (воздуха) и два побудителя 7 и 8 расхода газа, вход первого из которых подсоединен к линии 5 для вывода анализируемого газа, а выход второго соединен газовой линией 9 также с линией 5 для вывода анализируемого газа. В газоанализатор введены емкость-смеситель 10 заданного объема (Vo), имеющая патрубок 16 для подвода анализируемого газа (воздуха) в измерительную камеру 1 газового детектора, патрубок 4 для вывода анализируемого газа (воздуха) из измерительной камеры 1 и измеритель 11 расхода газа, установленный в газовой линии 5 для вывода газа между фильтром-поглотителем 6 и местом присоединения газовой линии 9 к газовой линии 5 для вывода анализируемого газа. В качестве измерителя 11 расхода газа может быть использован любой известный измеритель расхода газа, обычно применяемый в газоанализаторах. Газоанализатор снабжен микропроцессорным блоком 12, который обрабатывает сигналы измерительной камеры 1 газового детектора и измерителя 11 расхода газа и управляет работой приводов 13 и 14 побудителей 7 и 8 расхода.
На входе побудителя 7 расхода газа может быть установлен ограничитель 15 расхода, выполненный в виде пневмосопротивления. В качестве емкости-смесителя 10 может быть использована герметичная емкость (фиг.2), в который установлен патрубок 16 для подвода анализируемого газа (воздуха) и патрубок 4 для подвода анализируемого газа к штуцеру 2 измерительной камеры 1 детектора, причем патрубки имеют форму трубок с отверстиями 17 и 18, выполненными в их стенках.
Газоанализатор работает в циклическом режиме, содержащем несколько периодов.
В первом (подготовительном) периоде происходит отдувка измерительного тракта газоанализатора. Первоначально по программе, задаваемой микропроцессорным блоком 12, включается побудитель 8 расхода газа, который отбирает воздух из атмосферы и, создавая соответствующее давление в газовой линии 9, перемещает воздух через фильтр-поглотитель 6, где воздух освобождается от посторонних веществ и влаги. Далее очищенный воздух проходит через измерительную камеру 1 детектора и через емкость-смеситель 10. При этом происходит отдувка внутренних объемов этих элементов и очистка их внутренних поверхностей от загрязнения. Затем через патрубок 16 воздух выбрасывается в атмосферу. В течение этого процесса происходит измерение содержания примесей в измерительной камере 1 детектора. В конце этого периода, когда очистка завершена, сигнал измерительной камеры 1 детектора принимается за сигнал от “нулевого воздуха “, т.е. соответствует
«нулевой линии» детектора. Емкость-смеситель 10 заполнена очищенным в фильтре-поглотителе 4 воздухом, освобожденным от посторонних веществ и влаги. Период заканчивается остановкой побудителя 8 расхода газа, осуществляемой по программе, задаваемой микропроцессорным блоком 12.
Следует отметить, что в этом периоде часть воздуха, отбираемого из атмосферы побудителем 8 расхода через ограничитель 15 расхода и побудитель 7 расхода, сбрасывается в атмосферу, не проходя через фильтр-поглотитель 4.
На этом завершается подготовительный период работы газоанализатора, связанный с отдувкой измерительной камеры 1 и емкости-смесителя 10 очищенным воздухом.
Затем начинается период измерений. По команде от микропроцессорного блока 12 включается побудитель 7 расхода газа, который осуществляет отбор анализируемого газа (воздуха) из окружающей атмосферы в измерительную камеру 1 газового детектора.
Анализируемый газ (воздух) проходит через патрубок 16 и емкость-смеситель 10, где происходит процесс его смешивания с очищенным от анализируемого вещества (веществ) воздухом. В процессе смешивания происходит разбавление - уменьшение концентрации измеряемого вещества (веществ) в объеме емкости-смесителя 10. Образующаяся смесь по газовой линии 4 и патрубку 2 непрерывно поступает в измерительную камеру 1 газового детектора, а затем удаляется из него через штуцер 3 и газовую линию 5. При этом измеряется концентрация анализируемых веществ в измерительной камере 1 газового детектора. Величина концентрации фиксируется микропроцессорным блоком 12.
t
Если выполняются следующие условия: концентрация измеряемого вещества (веществ) не меняется в течение периода измерения, расход газа (воздуха), создаваемый побудителем 7 расхода, постоянен, смесь, образующаяся в результате смешивания в емкости-смесителе 10, однородна, а объем измерительной камеры 1 газового детектора много меньше объема емкости-смесителя 10, то мгновенное значение концентрации измеряемого вещества (веществ) C, измеряемое газоанализатором, будет определяться формулой
0
0
где С - концентрация измеряемого вещества V - внутренний объем емкости-смесителя 10, q - расход газа, создаваемый побудителем 7 расхода газа, t - время, отсчитываемое от момента включения побудителя 7 расхода газа.
0
0
0
0
0
В соответствии с этой формулой нарастание сигнала происходит по экспоненциальной кривой, приведенной на Фиг.4. Величина, к которой стремится сигнал, есть истинное значение концентрации С измеряемого вещества (веществ) в анализируемом газе (воздухе). Идея изобретения состоит в том, что измерение концентрации может быть произведено до достижения концентрации С, например, в момент времени t* (см. Фиг.4). По значению концентрации C* в момент t* из формулы (1) может быть рассчитана концентрация С. Для этого необходимо знать величины V, t* и q, входящие в формулу (1). Величина V определяется размерами емкости-смесителя 10, величина t* задается микропроцессорным блоком 12, величина q измеряется измерителем 11 расхода газа.
0
Возможен и другой способ определения концентрации С, при котором калибровка газоанализатора по газовым смесям производится в том же режиме, в котором производятся измерения, а именно: на вход газоанализатора подается смесь и в момент времени t* производится измерение. При таком способе не требуется расчетов по формуле (1) и знания объема емкости-смесителя 10. Достаточно лишь, чтобы расход газа q при калибровке был равен расходу газа q при измерениях, либо, чтобы это изменение расхода учитывалось.
На этом завершается период измерений в работе газоанализатора.
Далее подготовительный период и период измерений повторяются в описанной выше последовательности.
0
При этом решаются две задачи: очистка внутренних поверхностей измерительной камеры 1 газового детектора, в том числе очистка окна ВУФ-лампы от загрязнений, и задача разбавления концентрации измеряемых веществ (вещества) в необходимой (задаваемой) степени. Поскольку период измерения заканчивается до достижения концентрацией измеряемого вещества в детекторе концентрации С (см. фиг.4), исключается появление высокой концентрации измеряемых веществ в измерительной камере 1 газового детектора и загрязнение камеры.
Изображенный на фиг.3 вариант выполнения газоанализатора отличается от описанного выше тем, что в качестве побудителя 7 расхода использован газовый шприц, в цилиндрическом корпусе которого установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения поршень 19 со штоком 20.
Особенностью работы этого варианта выполнения газоанализатора является то, что на этапе очистки, когда работает побудитель 8 расхода газа, поршень 19 с помощью штока 20 переводят в крайнее положение, при котором поршень 19 находится со стороны измерительной камеры 1.
В периоде измерений, когда остановлен побудитель 8 расхода газа, поршень 19 перемещают в противоположном от входа направлении, создавая разрежение в газовой линии 5 и отбирая анализируемый газ (воздух) из атмосферы, прокачивают его через емкость-смеситель 10 и измерительную камеру 1 газового детектора. При этом происходит разбавление концентрации измеряемого вещества (веществ) очищенным газом (воздухом), которым была заполнена емкость-смеситель 10.
В этом случае мгновенная концентрация измеряемого вещества Ct, измеряемая газоанализатором, будет определяться формулой
где V - объем воздуха, отобранный побудителем 7 расхода, определяемый по положению поршня 19. В этом случае не требуется знание расхода газа (воздуха) и времени отбора, потому измеритель 11 расхода газа из схемы исключается.