Способ определения концентрации газов в газовой смеси и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к технике анализа газов и может быть использовано для определения содержания таких газов как CO₂, SO₂, NO и т.п. в газовой смеси, образующейся в результате сгорания топлива в промышленных установках, котлах тепловых электростанций, котельных и т.п. Способ осуществляют путем приема оптического излучения, прошедшего через газовую смесь, измерительным и опорными каналами, число которых соответствует числу искомых газов в газовой смеси. При приеме излучения в первый интервал времени фиксируют пространственное положение оптических входов измерительного и опорного каналов для каждого искомого газа, а затем меняют пространственное положение измерительного и опорного каналов так, что оптический вход измерительного канала занимает пространственное положение оптического входа опорного канала и наоборот. После этого во второй измерительный интервал времени принимают прошедшее через газовую смесь оптическое излучение и определяют концентрацию искомого газа по выходным сигналам измерительного и опорного каналов, принятым в два интервала времени. Пространственное положение оптических входов измерительного и опорного каналов изменяют путем закрепления фотоэлектрических приемников каждого канала на насаженном на вал двигателя диске, сместив их друг от друга на угловое расстояние, равное 180^o. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике анализа газов и может быть использовано для определения содержания таких газов как CO₂, SO₂, NO и т.п. в газовой смеси, образующейся в результате сгорания топлива в промышленных установках, котлах тепловых электростанций, котельных и т.п.

В настоящее время для определения содержания газов в газовых смесях широко используется способ, основанный на пропускании через газовую смесь оптического излучения, приеме прошедшего через газовую смесь оптического излучения на частоте поглощения оптического излучения искомым газом и определении концентрации искомого газа по интенсивности принятого излучения, используя закон Бэра (напр. пат. США N 4126396, кл. 356 434, а также цитируемые ниже). Для реализации этого способа в дымоходах выполняют окна, прозрачные для оптического излучения в широком диапазоне частот. В процессе эксплуатации эти окна достаточно быстро загрязняются, покрываются сажей и, как следствие, теряют свою прозрачность. Это приводит к ошибкам, для устранения которых в паузах между приемами излучения в измерительных каналах применяется калибровка. Известна калибровка измерений по эталонному газу, помещенному в трубку, устанавливаемую в дымоходе так, что вдоль пути прохождения через трубку оптического излучения входное и выходное окна трубки не загрязняются. Эти трубки либо периодически вводятся в объем газовой смеси в дымоходах (пат. США N 42472205 кл. 356 438), либо устанавливаются стационарно (пат. США N 4583859 кл. 356 438). В устройстве, приведенном в патенте США N 4583859, применяется также очистка окон измерительного канала воздушным потоком. Основными элементами устройств являются источник света, оптически связанный с ним фотоэлектрический приемник измерительного канала, фотоэлектрический приемник калибровочного канала и блок обработки сигналов, подключенный к выходам фотоэлектрических приемников. Недостаток этих устройств связан со сложностью применения как подвижных, так и стационарных калибровочных трубок в дымоходах больших диаметров.

Известен также способ определения концентрации газов в газовой смеси, включающий пропускание через газовую смесь оптического излучения, одновременный прием оптического излучения, прошедшего через газовую смесь, фотоэлектрическим приемником измерительного канала в полосе частот поглощения искомого газа и фотоэлектрическим приемником опорного канала в полосе частот, не совпадающей с полосой поглощения искомого газа, и определение содержания искомого газа по выходным сигналам измерительного и опорного каналов (патент Германии N 3512861, кл. G 01 N 21/27).

Устройство для реализации этого способа не содержит элементов, помещенных в объем исследуемого газа. Основными элементами его являются источник света, оптически связанные с ним фотоприемники по меньшей мере одного измерительного и одного опорного каналов, выходы которых подключены к логометрической схеме. Фотоэлектрический приемник каждого канала содержит фильтр, жестко связанный с ним фотодетектор и усилитель, а число каналов определяется количеством искомых газов.

Недостатком этого способа и устройства является влияние неравномерности загрязнений окон на результат измерений, поскольку фильтр и фотодетектор измерительного канала и фильтр и фотодетектор опорного канала пространственно разнесены друг от друга.

Технической задачей, решаемой изобретением, является разработка такого способа, который позволил бы исключить влияние загрязнений окон на результаты измерений при обработке сигналов, поступающих с измерительного и опорного каналов.

Для этого способ определения концентрации газов в газовой смеси, включающий пропускание через газовую смесь оптического излучения, одновременный прием прошедшего через газовую смесь оптического излучения фотоэлектрическим приемником измерительного канала в полосе частот поглощения искомого газа и фотоэлектрическим приемником опорного канала в полосе частот, не совпадающей с полосой частот поглощения искомого газа, и определение концентрации искомого газа по выходным сигналам измерительного и опорного каналов в соответствии с изобретением осуществляют в два интервала времени, при этом при приеме оптического излучения в первый интервал времени фиксируют пространственное положение фотоэлектрических приемников измерительного и опорного каналов, прием оптического излучения во второй интервал времени осуществляют при взаимной замене пространственного положения фотоэлектрических приемников измерительного и опорного каналов, а концентрацию искомого газа определяют по формуле N концентрация искомого газа; выходные сигналы измерительного и опорного каналов в первый интервал времени соответственно; выходные сигналы измерительного и опорного каналов во второй интервал времени соответственно; A калибровочный коэффициент; s эффективное сечение поглощения искомого газа; L длина слоя газовой смеси.

Этот способ можно реализовать с помощью устройства, содержащего, как и известный по заявке Германии N 3512861, источник света, оптически связанные с ним фотоэлектрические приемники, по меньшей мере одного измерительного и одного опорного каналов и блок обработки информации, при этом фотоэлектрический приемник каждого канала включает фильтр, жестко соединенный с фотодетектором и усилитель. В соответствии с изобретением фильтр и соответствующий ему фотодетектор измерительного канала и фильтр и соответствующий ему фотодетектор опорного канала закреплены на насаженный на вал двигателя диск на угловом расстоянии друг от друга, равном 180^o, при этом блок обработки информации содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор, двигатель снабжен блоком управления, который через микропроцессор соединен с датчиком угла, а вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходами каналов через коммутатор, управляющий вход которого соединен с микропроцессором.

На фиг.1 изображена схема устройства для определения концентрации одного искомого газа в газовой смеси; на фиг.2 программа работы этого устройства.

Источник света 1 оптически связан с фотоэлектрическим приемником 2 измерительного канала и фотоэлектрическим приемником 3 опорного канала через прозрачные ля оптического излучения окна 4, вмонтированные в стенки дымохода 5 промышленной установки. Фотоэлектрический приемник 2 измерительного канала содержит фильтр 6 в полосе частот поглощения искомого газа, фотодетектор 7 и усилитель 8. Фотоэлектрический приемник 3 опорного канала содержит фильтр 9, в полосе пропускания которого отсутствует полоса частот поглощения искомого газа, фотодетектор 10 и усилитель 11. Фильтр и соответствующий ему фотодетектор каждого канала закреплены на диске 12 на угловом расстоянии друг от друга, равном 180^o. Диск 12 насажен на вал двигателя 13, снабженного блоком 14 управления. Выходы усилителей 8 и 11 подключены к входам коммутатора 15, выход которого соединен с входом блока 16 обработки сигнала. Блок 16 обработки сигнала имеет на входе аналого-цифровой преобразователь АЦП 17 и микропроцессор 18; последний содержит АЛУ 19, оперативное запоминающее устройство ОЗУ 20, постоянное запоминающее устройство ПЗУ 21 и пор ввода-вывода ПВВ 22. Через порт 22 датчик угла 23 подключен к блоку 14 управления двигателем 13, выход порта 22 соединен также с управляющим входом коммутатора 15.

Для определения концентрации нескольких газов в газовой смеси число пар, состоящих из измерительного и опорного каналов, соответствует числу газов, концентрацию которых требуется измерить. При этом фильтры и соответствующим им фотодетекторы измерительных и опорных каналов всех пар каналов закрепляют на одном диске так, что фильтр и соответствующий ему фотодетектор измерительного и опорного каналов каждой пары смещены друг от друга на угловом расстоянии 180^o.

Программа работы устройства задается микропроцессором 18, в ПЗУ которого вносятся также данные калибровки измерительного и опорного каналов: интенсивности I_o и O_c оптического излучения источника 1 света в полосе пропускания фильтров опорного и измерительного каналов каждой пары каналов и калибровочные коэффициенты _o и _c опорных и измерительных каналов, зависящие от ослабления излучения фильтрами, чувствительности фотодетекторов, коэффициентов усиления и преобразования.

На представленном устройстве способ реализуется следующим образом.

В первый измерительный интервал времени, которому соответствует некоторое пространственное положение оптических входов измерительного и опорного каналов, т.е. фильтров 6, 9 и фотодетекторов 7, 10, на вход АЦП 17 через коммутатор 15 с выхода усилителей 8, 11 поступают сигналы ¹U_c = I_c^c_мc exp(-NsL) (^c_м ослабление излучения из-за загрязненности окон 4 на участке, соответствующем пространственному положению оптического входа измерительного канала) и ^IU_o = I_o^o_мo (^o_м- ослабление излучения из-за загрязненности окон 4 на участке, соответствующем пространственному положению оптического входа опорного канала). В АЦП 17 эти сигналы преобразуются в цифровые и поступают в ОЗУ 20.

Затем по сигналу с микропроцессора 18 коммутатор 15 отключает выход усилителей 8 от входа АЦП 17 и включается двигатель 13. Диск 12 поворачивается и после поворота его на 180 ^o по сигналу с датчика 23 угла двигатель 13 выключается. В результате оптический вход измерительного канала занимает пространственное положение оптического входа опорного канала и наоборот.

Второй измерительный интервал времени начинается с подачи сигнала с микропроцессора 18 на управляющий вход коммутатора 15. На вход АЦП 17 поступают сигналы т.е. выходной сигнал измерительного канала ²U_c пропорционален ослаблению излучения из-за загрязненности окон 4, соответствующему пространственному положению оптического входа опорного канала ^o_м в предыдущий измерительный интервал времени, а выходной сигнал опорного канала ²U_o пропорционален ^c_м, соответствующему пространственному положению оптического входа измерительного канала в предыдущий измерительный интервал времени. После преобразования сигналов ²U_c, ²U_o в цифровую форму данные заносятся в ОЗУ 20.

АЛУ 19 производит операцию вычисления концентрации искомого газа по занесенной в ОЗУ 20 и ПЗУ 21 информации, используя закон Бэра: поскольку
концентрация N искомого газа равна

где калибровочный коэффициент устройства.

Таким образом, введение в известный способ определения концентрации газа в газовой смеси, основанный на применении двух каналов приема (измерительного и опорного), дополнительной операции приема прошедшего через газовую смесь оптического излучения при взаимной замене пространственного положения оптических входов измерительного и опорного канала позволяет устранить влияние загрязнений окон на результаты измерений путем обработки выходных сигналов измерительного и опорного каналов.

Формула изобретения

1. Способ определения концентрации газов в газовой смеси, включающий пропускание через газовую смесь оптического излучения, одновременный прием прошедшего через газовую смесь оптического излучения фотоэлектрическим приемником измерительного канала в полосе частот поглощения искомого газа и фотоэлектрическим приемником опорного начала в полосе частот, не совпадающей с полосой частот поглощения искомого газа, и определение концентрации искомого газа по выходным сигналам измерительного и опорного каналов, отличающийся тем, что прием прошедшего через газовую смесь оптического излучения осуществляют в два интервала времени, при этом при приеме в первый интервал времени фиксируют пространственное положение фотоэлектрических приемников измерительного и опорного каналов, прием во второй интервал времени осуществляют при взаимной замене пространственного положения фотоэлектрических приемников измерительного и опорного каналов, а концентрацию искомого газа определяют по формуле

где N концентрация искомого газа;
¹U_c, ¹U_o выходные сигналы измерительного и опорного каналов в первый интервал времени соответственно;
²U_c, ²U_o выходные сигналы измерительного и опорного каналов во второй интервал времени соответственно;
A калибровочный коэффициент;
S эффективное сечение поглощения искомого газа;
L длина слоя газовой смеси.

2. Устройство для определения концентрации газов в газовой смеси, содержащее источник света, оптически связанные с ним фотоэлектрические приемники по меньшей мере одного измерительного и одного опорного каналов, каждый из которых включает фильтр, жестко соединенный с ним фотодетектор и усилитель, и блок обработки информации, отличающийся тем, что фильтр и соответствующий ему фотодетектор измерительного канала и фильтр и соответствующий ему фотодетектор опорного канала закреплены на насаженном на вал двигателя диске на угловом расстоянии друг от друга, равном 180^o, при этом блок обработки информации содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор, двигатель снабжен блоком управления, который через микропроцессор соединен с датчиком угла, а выход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходами усилителей измерительного и опорного каналов через коммутатор, управляющий вход которого подключен к микропроцессору.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2