ДВУХКОМПОНЕНТНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано для контроля состава газовых сред, поглощающих излучение ультрафиолетового и видимого диапазонов спектра.

Измерение концентрации молекулярных компонентов газовой смеси является актуальной задачей в области контроля за технологическими процессами в производстве и теплоэнергетике и важно для экологического контроля за выбросами в атмосферу загрязняющих газов. Для решения этой задачи используются различные физико-химические методы газоанализа, среди которых одними из наиболее точных и надежных являются оптические спектроскопические методы. Однако известные в настоящее время технические решения в области создания оптических газоанализаторов не всегда удовлетворяют требованиям потребителей по таким характеристикам как чувствительность, надежность и долговременная стабильность метрологических характеристик.

Известен оптический газоанализатор, содержащий источник широкополосного излучения, блок формирования пучка излучения, кювету, термостатированный интерференционный светофильтр, снабженный механизмом изменения его пространственной ориентации с возможностью фиксации двух ориентаций, измеритель интенсивности излучения и блок обработки и управления [1]. При этом источник излучения, светофильтр и измеритель интенсивности излучения выбраны работающими в ультрафиолетовом или видимом диапазонах спектра. Основными недостатками этого газоанализатора являются, во-первых, возможность измерения только одной компоненты газовой смеси, причем ее измерение возможно только при условии неперекрывания ее полосы поглощения с полосами поглощения других компонентов газовой смеси, во-вторых, наличие погрешности измерения концентрации из-за неконтролируемости температуры газовой смеси и, в-третьих, возрастание погрешности измерения концентрации с течением времени, происходящей вследствие неконтролируемого временного дрейфа параметров интерференционного светофильтра и измерителя интенсивности излучения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является оптический газоанализатор, который содержит источник широкополосного излучения, блок формирования пучка излучения, термостатированную кювету, термостатированный интерференционный светофильтр, снабженный механизмом изменения его пространственной ориентации с возможностью фиксации трех ориентаций, измеритель интенсивности излучения и блок обработки и управления [2]. При этом источник излучения, светофильтр и измеритель интенсивности излучения выбраны работающими в ультрафиолетовом или видимом диапазонах спектра.

Основными недостатками этого газоанализатора является возрастание погрешности измерения концентраций компонентов газовой смеси, происходящей вследствие, во-первых, неконтролируемого временного дрейфа положения полосы пропускания и коэффициента пропускания интерференционного светофильтра и, во-вторых, изменения чувствительности измерителя интенсивности излучения от колебаний внешней температуры.

Таким образом, как аналог, так и прототип обладают значительной погрешностью измерений концентраций контролируемых компонентов газовой смеси, что ограничивает возможность их применения для долговременного непрерывного контроля многокомпонентных газовых смесей в технологических процессах.

Изобретение направлено на создание измерительного устройства, обладающего высокой чувствительностью, обеспечивающего возможность измерения двух компонентов газовой смеси и имеющего низкую погрешность при их долговременных непрерывных измерениях.

В соответствии с поставленной задачей заявляемое устройство содержит последовательно расположенные на оптической оси источник широкополосного излучения, блок формирования пучка излучения, термостатированную кювету, измеритель интенсивности излучения и подключенный к нему блок обработки и управления.

Устройство отличается от прототипа тем, что в него между кюветой и измерителем интенсивности излучения введен кварцевый призменный монохроматор, перед выходной щелью которого помещена кварцевая пластина, сопряженная с механизмом изменения пространственной ориентации пластины, который подключен к управляющему выходу блока обработки и управления. При этом кварцевая призма монохроматора выведена из положения минимума отклонения на 20±5° в сторону больших углов падения пучка излучения на первую грань призмы, а механизм изменения пространственной ориентации кварцевой пластины выполнен с возможностью фиксации трех заданных ориентаций пластины. В дополнение к этому, измеритель интенсивности излучения заключен в блок термостатирования.

Введение в газоанализатор призменного монохроматора вместо интерференционного светофильтра позволяет избежать возрастания погрешности измерения концентраций компонентов газовой смеси из-за неконтролируемого временного дрейфа положения полосы пропускания и коэффициента пропускания интерференционного светофильтра, поскольку призма, как диспергирующий элемент призменного монохроматора, этими недостатками не обладает.

Выведение призмы монохроматора из положения минимума отклонения в сторону больших углов падения пучка излучения на первую грань призмы позволяет улучшить разрешение монохроматора, так как спектральные линии (изображение входной щели) становятся более узкими при практически той же дисперсии. Выбор величины угла в 20±5°, на который выведена призма из положения минимума отклонения, обусловлен тем, что при этих углах разрешение монохроматора увеличивается в 2-2.5 раза, а увеличение потерь света на отражения от первой грани призмы не превышает 30% [3].

Введение кварцевой пластины, снабженной механизмом изменения ее пространственной ориентации, в монохроматор перед его выходной щелью позволяет сканировать спектр в плоскости выходной щели без поворота призмы. Кварцевая пластина с механизмом изменения ее пространственной ориентации является устройством сдвига изображения и позволяет с высокой точностью сканировать спектр в небольшом диапазоне длин волн. Диапазон длин волн определяется толщиной кварцевой пластины и углом ее поворота относительно оси, параллельной выходной щели. Поскольку в газоанализаторе нет необходимости в сканировании спектра в большом участке длин волн, то предлагаемое устройство сканирования спектра проще стандартного механизма поворота призмы и позволяет с более высокой точностью сканировать спектр.

Возможность фиксации трех заданных ориентации пластины с помощью механизма изменения пространственной ориентации кварцевой пластины позволяет проводить раздельное определение концентраций двух компонентов газовой смеси. Подключение механизма изменения пространственной ориентации пластины к управляющему выходу блока обработки и управления позволяет фиксировать ориентации пластины, заданные алгоритмом управляющей программы.

Термостатирование измерителя интенсивности излучения позволяет избежать дополнительных погрешностей измерений, связанных с изменением чувствительности измерителя интенсивности излучения от колебаний внешней температуры.

На фиг.1 представлена блок-схема газоанализатора. На фиг.2 показаны спектры поглощения двух газовых компонент (окиси азота NO и двуокиси серы SO₂) и предпочтительные, с точки зрения получения максимальной точности измерений, участки спектра пропускания монохроматора, заданные фиксированными положениями кварцевой пластины. На фиг.3 показан принцип сканирования спектра с помощью поворота кварцевой пластины.

Газоанализатор содержит источник широкополосного излучения 1, блок формирования пучка излучения 2, термостатированную кювету 3, кварцевый призменный монохроматор 4, кварцевую пластину 5 и измеритель интенсивности излучения 6. Кварцевая пластина 5 сопряжена с механизмом изменения ее пространственной ориентации 7. Выход измерителя интенсивности излучения 6 подключен к входу блока обработки и управления 8. Механизм изменения пространственной ориентации пластины 7 подключен к управляющему выходу блока обработки и управления 8.

В реализованном устройстве для определения концентраций окиси азота (NO) и двуокиси серы (SO₂) в дымовых газах топливосжигающих установок в качестве источника широкополосного излучения 1 использована газоразрядная дейтериевая лампа ЛД2(Д). Блок формирования пучка излучения 2 представляет собой сферическое вогнутое зеркало, фокусирующее излучение лампы на входную щель монохроматора 4. Между блоком формирования пучка излучения 2 и входной щелью монохроматора 4 помещена термостатированная кювета 3 длиной 40 см и диаметром 3 см. Входное и выходное оптические окна кюветы выполнены из оптического кварца, прозрачного в ультрафиолетовой области спектра. Терморегулятор кюветы 3 настроен на температуру 40°С. Монохроматор 4 состоит из входной щели шириной 2 мм, коллиматорного зеркального объектива, кварцевой призмы с преломляющим углом 60°, камерного зеркального объектива и выходной щели шириной 1 мм. Между камерным зеркальным объективом и выходной щелью монохроматора размещена кварцевая пластина 5 толщиной 1 см. В качестве измерителя интенсивности излучения 6 использован фотоэлемент Ф-29.

Механизм изменения пространственной ориентации кварцевой пластины 7 состоит из шагового двигателя 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 кварцевая пластина, на валу двигателя.

Структурные элементы блока обработки и управления 8 выполнены на основе серийно выпускаемых микросхем и других электрорадиоэлементов: операционные усилители К544УД1А и К140УД1208, преобразователь напряжение-частота К1108ПП1, датчик температуры ТМР01, датчик давления МРХ4115, микроконтроллер ATmega-103 и пр.

Спектры поглощения окиси азота (NO) и двуокиси серы (SO₂) расположены в ближней ультрафиолетовой области спектра (фиг.2), причем спектр окиси азота (20) представляет собой набор отдельных хорошо разрешенных электронно-колебательных полос, одна из которых показана на фиг.2, а спектр двуокиси серы (21) имеет вид единой полосы со слабо разрешенной колебательной структурой [4]. При этом полосы поглощения окиси азота полностью перекрываются полосой двуокиси серы. В качестве аналитической области спектра в устройстве, предлагаемом в данной 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 (~10^-18 см²), что позволяет проводить измерения обоих компонентов газовой смеси с примерно одинаковой точностью. При измерениях окиси азота и двуокиси серы предлагаемым устройством использовались три фиксированных положения кварцевой пластины, соответствующих участкам спектра пропускания монохроматора с центрами 230 нм, 227 нм и 224 нм (22, 23 и 24 соответственно). Сканирование спектра с помощью поворота кварцевой пластины поясняется фиг 3.

Режим работы газоанализатора определяется программой, находящейся в памяти микроконтроллера блока обработки и управления (8). Газоанализатор работает следующим образом. При его включении источник (1) начинает испускать оптическое излучение, которое блоком (2) формируется в пучок, проходящий через термостатированную кювету (3), и фокусируется на входной щели монохроматора (4). Излучение, прошедшее входную щель монохроматора, попадает на коллиматорный зеркальный объектив, который формирует пучок, близкий к параллельному, и направляет его на переднюю грань призмы, выведенной из положения минимума отклонения на 20±5° в сторону больших углов падения. Пройдя призму, разложенное в спектр излучение попадает камерный зеркальный объектив, который направляет его на кварцевую пластину (5) и затем фокусирует в плоскости выходной щели монохроматора. Излучение в участке спектра, выделенном выходной щелью монохроматора, регистрируется измерителем интенсивности излучения (6). Измеренный сигнал поступает в блок обработки и управления (8).

Газоанализатор работает в непрерывном режиме, в ходе которого отрабатывается циклический алгоритм управляющей программы. В начале цикла блок обработки и управления (8) подает команду механизму изменения пространственной ориентации кварцевой пластины (7) на установку ее в положение, соответствующее пропусканию через выходную щель монохроматора (4) участка спектра с центром 230 нм (22 на фиг.2). После этого измеритель интенсивности излучения (6) проводит регистрацию сигнала (I₁), величина которого записывается в память микроконтроллера блока обработки и управления (8). Затем блок обработки и управления (8) подает команду на установку кварцевой пластины (5) в положение, соответствующее пропусканию участка спектра с центром 227 нм (23 на фиг.2). Измеритель интенсивности излучения (6) проводит регистрацию сигнала (I₂), величина которого записывается в память микроконтроллера блока обработки и управления (8). Далее блок обработки и управления (8) подает команду на установку кварцевой пластины (5) в положение, соответствующее пропусканию участка спектра с центром 224 нм (24 на фиг.2). Измеритель интенсивности излучения (6) проводит регистрацию сигнала (I₃), величина которого записывается в память микроконтроллера блока обработки и управления (8). На основании полученных значений I₁, I₂ и I₃ блок обработки и управления (8) проводит расчет концетраций молекул окиси азота N_NO и двуокиси серы N_SO2 в газовой смеси путем решения системы уравнений

I₂/I₁=a₁+а₂N_NO+а₃N_SO2+a₄N

I₃/I₁=b₁+b₂N_NO+b₃N_SO2+b₄N

где а_i и b_i - постоянные коэффициенты, численные значения которых определяются в процессе калибровки газоанализатора. Калибровка газоанализатора заключается в измерении значений I₁, I₂ и I₃ в эталонных газовых средах с известными концентрациями молекул окиси азота N_NO и двуокиси серы N_SO2 и последующем определении коэффициентов а_i и b_i методом наименьших квадратов.

Решение приведенной системы уравнений осуществляется микроконтроллером блока обработки и управления (8) и производится итерационным способом, в котором в качестве "нулевого" приближения используются значения N⁰NO и N

I₂/I₁=а₁+а₂N

I₃/I₁=b₁+b₂N

Этот итерационный алгоритм обеспечивает однозначный расчет концентраций молекул окиси азота N_NO и двуокиси серы N_SO2 в газовых смесях с точностью до 1 мг/м³ уже после двух итераций. Полученные значения концентраций молекул окиси азота N_NO и двуокиси серы N_SO2 пересчитываются для стандартных условий (температура 20°С и давление 101.3 кПа) и затем выводятся на цифровое табло блока обработки и управления (8) и аналоговые токовые выходы (0-5 мА) газоанализатора. На этом цикл алгоритма управляющей программы завершается. Весь цикл выполняется примерно за 10 секунд. Циклический алгоритм управляющей программы повторяется до тех пор, пока на газоанализатор подано питающее напряжение.

Вышеприведенные выражения для отношений измеренных сигналов I₂/I₁ и I₃/I₁ получены стандартным путем в предположении справедливости закона Бугера при небольшом (меньше 0.2) коэффициенте поглощения оптического излучения. В этих выражениях учтено спектральное распределение интенсивности излучения источника (1), спектральное распределение чувствительности приемника (6), спектральное распределение сечений поглощения окиси азота (20 на фиг.2) и двуокиси серы (21 на фиг.2), величины участков спектра (22, 23 и 24 на фиг.2).

Макет предлагаемого газоанализатора и газоанализатор “ДОГ-3” (прототип) испытывались в лабораторных условиях, в ходе которых проверялась долговременная стабильность их показаний при использовании эталонной газовой смеси, содержащей 511 мг/м³ окиси азота и 486 мг/м³ двуокиси серы (остальное азот) в стандартных условиях (температура 20°С и давление 101.3 кПа). Результаты испытаний зафиксированы в акте испытаний. Испытания показали, что за период непрерывной работы газоанализаторов (27 дней) рост величины ошибки измерения концентраций составил:

- NO - 2.5 мг/м³ (0.5%) для предлагаемого макета и 10 мг/м³ (1.7%) для “ДОГ-3” (прототип);

- SO₂ - 3.5 мг/м³ (0.7%) для предлагаемого макета и 25 мг/м³ (4.9%) для “ДОГ-3” (прототип).

Таким образом, газоанализатор может автоматически, непрерывно и в реальном масштабе времени осуществлять измерение концентраций двух компонентов газовой смеси, при этом газоанализатор обладает улучшенной по сравнению с прототипом долговременной стабильностью за счет термостабилизации измерителя интенсивности излучения и замены интерференционного светофильтра кварцевым монохроматором с оригинальным устройством высокоточного сканирования спектра.

Библиография

1. Патент РФ №2029288, 20.02.1995. Бюл. №5.

2. Свидетельство на полезную модель РФ №19169, 21.06.1999.

3. Лебедева В.В. Техника оптической спектроскопии. М.: Изд-во МГУ, 1986. С.201.

4. Окабе X. Фотохимия малых молекул. М.: Мир, 1981. 500 с.