RU2075065C1 - Gas analyzer - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology, analysis of composition of complex gas mixtures of thermal power stations and boiler plants. SUBSTANCE: gas analyzer has radiation source, inlet quartz fibre-optical bundle and probe which housing is used as protective sleeve-dust collector with inlet and outlet layers and is made fast to wall of gas conduit, all optically coupled. Two-passage reflecting dish made of porous material is placed inside housing of probe. Spherical mirror is positioned in dish in path of radiation beam. Gas analyzer also has output quartz fibre-optical bundle optically coupled to probe, dispersive element, scanning outlet slit, photoelectric multiplier connected to recording system. EFFECT: improved operational reliability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к газовому анализу и может быть использовано для анализа сложных газовых смесей, преимущественно для анализа состава отходящего газа тепловых электростанций и котельных установок. The invention relates to gas analysis and can be used to analyze complex gas mixtures, mainly for analyzing the composition of the exhaust gas of thermal power plants and boiler plants.

Известна система газового анализа на основе ИК Фурье-спектрометра и флюоридного оптического волокна (Proceedings SPIE т. 1172, стр. 4), в которой количественный анализ различных концентраций газов производится с использованием инфракрасного ИК Фурье-спектрометра, соединенного с двухпроходовой отражающей газовой кюветой посредством флюоридных оптических волокон. A known gas analysis system based on an IR Fourier spectrometer and a fluoride optical fiber (Proceedings SPIE t. 1172, p. 4), in which a quantitative analysis of various gas concentrations is performed using an infrared IR Fourier spectrometer connected to a two-pass reflective gas cell by means of fluoride optical fibers.

Волокно пропускает световой сигнал в газовую кювету. Вогнутое зеркало в кювете используется для отражения и фокусировки пуска во второе волокно для передачи излучения на приемник. The fiber passes the light signal into the gas cell. A concave mirror in the cuvette is used to reflect and focus the trigger into the second fiber to transmit radiation to the receiver.

Привод ИК Фурье-спектрометра осуществляется от компьютера. The IR Fourier spectrometer is driven by a computer.

ИК Фурье-спектрометр представляет собой однолучевой тип спектрометра и содержит внеосевое параболическое зеркало, объектив микроскопа, приемник на основе НgCdTe, калибровочные трубки, центральный компьютер, флюоридные волокна, газовую отражательную кювету с вогнутым зеркалом. The IR Fourier spectrometer is a single-beam type spectrometer and contains an off-axis parabolic mirror, a microscope objective, a HgCdTe-based receiver, calibration tubes, a central computer, fluoride fibers, a gas reflective cell with a concave mirror.

Сочетание флюоридных волокон к ИК Фурье-спектрометром предназначено для дистанционного количественного анализа газообразных составляющих. The combination of fluoride fibers with an IR Fourier spectrometer is intended for remote quantitative analysis of gaseous components.

Надлежащий выбор длины пути поглощения обеспечивает обнаружение широкого диапазона концентраций и при использовании соответствующего математического обеспечения, компьютерно управляемый ИКФурье-спектрометр способен производить одновременный анализ смеси газов с высоким быстродействием. Появившиеся в настоящее время волокна имеют прозрачность, необходимую для дистанционного анализа с высоким разрешением, но для фактической реализации надежной дистанционной системы обнаружения также должны приниматься во внимание другие факторы, такие как механическая прочность и химическая стойкость. A proper choice of the absorption path length ensures the detection of a wide range of concentrations and, using the appropriate software, a computer-controlled IRFourier spectrometer is capable of simultaneously analyzing a gas mixture with high speed. Current fibers have the transparency required for high resolution remote analysis, but other factors such as mechanical strength and chemical resistance must also be taken into account for the actual implementation of a reliable remote detection system.

Недостатком системы газового анализатора является ее невысокая надежность в условиях длительной непрерывной эксплуатации, невозможность использования ее вне газопровода, а также невысокая точность измерений. The disadvantage of the gas analyzer system is its low reliability under continuous continuous operation, the inability to use it outside the gas pipeline, as well as the low accuracy of the measurements.

Известно ИК волоконно-оптическое устройство дистанционного газового анализа на основе Фурье преобразования спектра Proceedings SPIE т. 1172, стр. 20, содержащее ИКФурье-спектрометр, компьютер сбора и обработки данных, модуляционное зеркало, два объектива, входное и выходное волокна, соединитель двухвыводного волоконно-оптического угла. Known IR fiber-optic device for remote gas analysis based on the Fourier transform of the spectrum Proceedings SPIE t. 1172, p. 20, containing an IR Fourier spectrometer, a computer for collecting and processing data, a modulation mirror, two lenses, input and output fibers, a dual-output fiber connector optical angle.

Модулированное излучение от ИК Фурье-интерферометра, являющегося основной спектрометра, вводится в ИК-волокно через алюминиевое внеосевое параболическое зеркало. Modulated radiation from the IR Fourier interferometer, which is the main spectrometer, is introduced into the IR fiber through an aluminum off-axis parabolic mirror.

Излучение из волокна поступает в газовую кювету и оттуда возвращается обратно, направляясь через выходное волокно двухвыводного соединителя на охлаждаемый жидким азотом приемник. The radiation from the fiber enters the gas cell and from there returns back, heading through the output fiber of the two-output connector to the receiver cooled by liquid nitrogen.

Недостатками этого устройства являются его невысокая надежность в условиях длительной непрерывной эксплуатации, невозможность использования ее вне газовода, а также невысокая точность измерений. The disadvantages of this device are its low reliability in conditions of prolonged continuous operation, the inability to use it outside the gas duct, as well as the low accuracy of the measurements.

Наиболее близким по технической сущности является корреляционный анализатор газа по а.с. 1559875 G 01 N 21/61, который содержит источник излучения, кювету с газом, полихроматор, устройство сканирования спектра и систему регистрации. Задание переменной скорости сканирования в соответствии с программой для каждого конкретного газа и измерение сигнала на частоте, определяемой характером спектра и частотой сканирования, обеспечивает необходимую селективность анализа. The closest in technical essence is a correlation gas analyzer by a.s. 1559875 G 01 N 21/61, which contains a radiation source, a gas cell, a polychromator, a spectrum scanning device and a recording system. Setting a variable scanning speed in accordance with the program for each specific gas and measuring the signal at a frequency determined by the nature of the spectrum and the scanning frequency provides the necessary selectivity of analysis.

Корреляционный анализатор газа позволяет расширить диапазон измеряемых газовых компонентов за счет обеспечения анализа компонентов, обладающих апериодической структурой спектра поглощения, сократить время анализа и упростить его процедуру. A correlation gas analyzer allows you to expand the range of measured gas components by providing analysis of components with an aperiodic structure of the absorption spectrum, reduce the analysis time and simplify its procedure.

Недостатками этого анализатора являются невысокая надежность в условиях длительной непрерывной эксплуатации, которая ограничивает его использование в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов, невозможность производить анализ горячей, пыле-и влагосодержащей газовой среды газовода теплоэнергетической станции в условиях воздействия вибрации, а также невысокая точность измерений. The disadvantages of this analyzer are its low reliability in conditions of long-term continuous operation, which limits its use under the influence of external destabilizing factors, the inability to analyze the hot, dusty, and moisture-containing gas environment of the gas duct of a heat power station under vibration conditions, and also the low accuracy of measurements.

Технический результат, который достигается при использовании изобретения, заключается в том, что предлагаемый газоанализатор обладает повышенной надежностью, которая позволяет проводить анализ горячей, пыле- и влагосодержащей газовой среды, химически активизируемой при конденсации влаги, анализ газовой среды в условиях вибрации, а также обладает повышенной технологичностью конструкции, точностью измерений и обеспечивает возможность калибровки газоанализатора при эксплуатации. The technical result that is achieved by using the invention is that the proposed gas analyzer has increased reliability, which allows the analysis of hot, dusty and moisture-containing gas environment, chemically activated by moisture condensation, analysis of the gas environment under vibration, and also has an increased technological design, measurement accuracy and provides the ability to calibrate the gas analyzer during operation.

Технический результат достигается за счет того, что в известное решение, содержащее источник излучения, зонд, сканирующую выходную щель, механически связанную с приводом, фотоэлектрический умножитель, подключенный к системе регистрации, содержащей селективные блоки, введены между источником излучения и зондом по ходу излучения входной кварцевой световолоконный жгут, а между зондом и дисперсионным элементом по ходу излучения установлен выходной кварцевый световолоконный жгут, обращенные к дисперсионному элементу волокна которого расположены линейно вдоль оси, перпендикулярной плоскости дисперсий, причем кожух зонда выполнен в виде защитного стакана пылеотбойника с входным окнами и жестко соединен со стенкой газохода, при этом входное окно выполнено вблизи днища кожуха зонда, а выходное окно на его противоположной стенке вблизи стенки газохода, при этом внутри кожухи зонда соосно с ним жестко установлена двухпроходовая отражательная кювета, корпус которой выполнен из пористого материала, а внутри корпуса кюветы по ходу излучения установлено сферическое зеркало, причем с внешней стороны кожуха штуцером, расположенным во внешней среде, а другой конец змеевика соединен с кюветой. The technical result is achieved due to the fact that in a known solution containing a radiation source, a probe, a scanning exit slit mechanically connected to the drive, a photovoltaic multiplier connected to a recording system containing selective blocks is introduced between the radiation source and the probe along the radiation input quartz fiber optic bundle, and between the probe and the dispersion element along the radiation there is an output quartz fiber optic bundle facing the dispersion fiber element of which laid linearly along an axis perpendicular to the plane of dispersions, and the probe casing is made in the form of a dust collector protective cup with inlet windows and is rigidly connected to the duct wall, while the inlet window is made near the bottom of the probe casing, and the exit window on its opposite wall near the duct wall, in this case, a two-pass reflective cuvette is rigidly mounted coaxially with it inside the probe covers, the casing of which is made of porous material, and a spherical mirror is installed inside the casing of the cuvette along the radiation path, When in use, the outside of the fitting housing disposed in the external environment, and the other end of the coil is connected to the cuvette.

На чертеже изображена структурная схема анализатора газа, где 1 - источник излучения; 2 входной кварцевый световолоконный жгут; 3 измерительная кювета; 4 сферическое зеркало; 5 выходной кварцевый световолоконный жгут; 6 дисперсионный элемент; 7 вращающийся диск; 8 - привод; 9 фотоэлектрический умножитель; 10 система регистрации; 11 - змеевик; 12 входной штуцер змеевика; 13 зонд; 14 первое окно; 15 - второе окно; 16 стенка газохода. The drawing shows a structural diagram of a gas analyzer, where 1 is the radiation source; 2 input quartz fiber optic harness; 3 measuring cell; 4 spherical mirror; 5 output quartz fiber optic harness; 6 dispersion element; 7 rotating disk; 8 - drive; 9 photoelectric multiplier; 10 registration system; 11 - coil; 12 inlet fitting of the coil; 13 probe; 14 first window; 15 - second window; 16 wall of the flue.

Излучение источника излучения 1 с помощью входного кварцевого световолоконного жгута 2 подается в измерительную кювету 3. Отразившиеся от сферического зеркала 4, размещенного в кювете 3, УФ-излучение попадает во входной кварцевый световолоконный жгут 5, выходной торец которого является входной щелью полихроматора, образованного дисперсионным элементом 6. The radiation of the radiation source 1 using the input quartz fiber optic bundle 2 is fed into the measuring cell 3. Reflected from the spherical mirror 4 located in the cell 3, the UV radiation enters the input quartz fiber optic bundle 5, the output end of which is the entrance slit of the polychromator formed by the dispersion element 6.

В выходной фокальной плоскости дисперсионного элемента установлен подключенный к приводу 8 вращающийся диск 7 с нарезанными на нем щелями. Эти щели поочередно сканируют фокальную плоскость дисперсионного элемента 6. Излучение, проходящее через щели при сканировании, регистрируется фотоэлектрическим умножителем 9. Электрический сигнал с ФЭУ поступает в систему регистрации 10, где селективными блоками осуществляется вычисление концентрации газа, находящегося на момент измерения в измерительной кювете 3. In the output focal plane of the dispersion element, a rotating disk 7 connected to the drive 8 is installed with slits cut thereon. These slots alternately scan the focal plane of the dispersion element 6. Radiation passing through the slots during scanning is detected by a photoelectric multiplier 9. An electric signal from a photomultiplier enters the registration system 10, where the concentration of the gas present in the measurement cell 3 is calculated by selective blocks.

Боковые стенки измерительной кюветы 3 выполнены из пористого материала, например из металокерамики, за счет чего в кювету под воздействием диффузии поступает газ, находящийся внутри кожуха зонда 13, а пыль задерживается. The side walls of the measuring cell 3 are made of a porous material, such as cermet, due to which gas, inside the probe casing 13, enters the cell under the influence of diffusion, and the dust is retained.

Кожух зонда 13 имеет два окна, одно из которых 15 расположено вблизи стенки газохода 16 против потока, а другое окно 14 выполнено на противоположной стенки кожуха зонда вблизи его днища и расположено навстречу потоку анализируемого газа. The probe casing 13 has two windows, one of which 15 is located near the wall of the gas duct 16 against the flow, and the other window 14 is made on the opposite wall of the probe casing near its bottom and is located opposite the flow of the analyzed gas.

При таком расположении в области перед первым отверстием устанавливается полное давление потока Р₁ P_ст + P_дин., где Р_ст. cтатическое давление газа
P_дин.

динамическое давление,
где ρ плотность анализируемого потока газа;
V скорость анализируемого потока газа.With this arrangement, the total flow pressure P ₁ P _st + P _dyne is set in the region in front of the first hole _. where R _Art. static gas pressure
P _din

dynamic pressure
where ρ is the density of the analyzed gas flow;
V is the speed of the analyzed gas flow.

Вблизи второго окна 15 давление устанавливается Р₂ P_ст..Near the second window 15, the pressure is set P ₂ P _Art. .

Таким образом, за счет разных давлений Р₁ P₂ P_дин. внутри кожуха зонда 13 возникает поток газа от окна 14 ко второму окну 5, а анализируемый газ, попавший в измерительную кювету 3, имеет такой же состав, что и в основном потоке вне кожуха зонда 13.Thus, due to different pressures P ₁ P ₂ P _dyne. inside the probe casing 13, a gas stream arises from the window 14 to the second window 5, and the analyzed gas entering the measuring cuvette 3 has the same composition as in the main stream outside the probe casing 13.

Для калибровки, установки нуля и продувки измерительной кюветы эталонный газ с нужным составом подается на входной штуцер 12 змеевика 11, который установлен вдоль кожуха зонда 13 с его внешней стороны. For calibration, zeroing and purging of the measuring cell, the reference gas with the desired composition is supplied to the inlet fitting 12 of the coil 11, which is installed along the casing of the probe 13 from its outer side.

Проходя по змеевику 11, эталонный газ нагревается до температуры анализируемого газа и поступает в измерительную кювету 3, вытесняя из нее анализируемый газ. При равенстве температуры эталонного и анализируемого газа не происходит конденсация паров компонентов анализируемого газа (например, воды, окислов серы, азота.). Passing through the coil 11, the reference gas is heated to the temperature of the analyzed gas and enters the measuring cell 3, displacing the analyzed gas from it. If the temperature of the reference and the analyzed gas is equal, the vapor of the components of the analyzed gas does not condense (for example, water, sulfur oxides, nitrogen.).

Технический результат, который обеспечивается введением отличительных признаков, cледующий повышена надежность анализатора газа за счет использования световолоконных жгутов, которые позволяют расположить источник излучения, дисперсионный элемент, вращающийся диск, фотоэлектрический умножитель, систему регистрации вне газовода, где установлен зонд с кюветой. The technical result, which is provided by the introduction of distinctive features, the following increases the reliability of the gas analyzer through the use of fiber optic bundles that allow you to position the radiation source, dispersion element, rotating disk, photomultiplier tube, a registration system outside the gas duct where the probe with the cell is installed.

Кроме того, надежность повышается совокупно за счет особой конструкции кожуха зонда и корпуса двухпроходовой отражательной кюветы. In addition, reliability is improved collectively due to the special design of the probe housing and the body of the two-pass reflective cell.

Конструкция анализатора газа позволяет эксплуатировать его в горячей, пыле- и влагосодержащей газовой среде газовода теплоэлектростанций, химически активизируемой при конденсации влаги, и в условиях мешающих механических воздействий. The design of the gas analyzer allows it to be operated in a hot, dusty, and moisture-containing gaseous environment of a gas duct in heat and power plants, which is chemically activated during moisture condensation, and under conditions of interfering mechanical influences.

Повышение эксплуатационных характеристик обеспечивается также за счет использования введенного змеевика, который расположен с внешней стороны кожуха зонда в анализируемой газовой среде и обеспечивает разрежение газа в кювете, периодическое принудительное очищение от пыли пористой стенки фильтра кюветы подачей воздуха через трубку, поверку и автоматическую калибровку в процессе эксплуатации, что повышает долговременную стабильность показаний анализатора газа. Improving operational characteristics is also ensured by using the introduced coil, which is located on the outside of the probe casing in the analyzed gas environment and provides gas rarefaction in the cuvette, periodic forced cleaning of the porous wall of the cuvette filter from dust by supplying air through the tube, calibration and automatic calibration during operation , which increases the long-term stability of the gas analyzer.

Введение оптоволоконных жгутов (входного и выходного), пространственно и спектрально согласованных с источником, дисперсионным элементом, зеркалом кюветы повышает чувствительность, уменьшает погрешность измерения за счет уменьшения потерь мощности светового сигнала. The introduction of fiber optic bundles (input and output), spatially and spectrally matched with the source, the dispersion element, and the cell mirror, increases the sensitivity and reduces the measurement error by reducing the power loss of the light signal.

Анализатор газа является новым и обладает изобретательским уровнем и может быть использован в промышленности. The gas analyzer is new and inventive and can be used in industry.

Claims (1)

Анализатор газа, содержащий оптически связанные источник излучения, зонд, дисперсионный элемент, сканирующую выходную щель, механически связанную с приводом, фотоэлектрический умножитель, подключенный к системе регистрации, содержащей селективные блоки, отличающийся тем, что между источником излучения и зондом по ходу излучения установлен входной кварцевый световолоконный жгут, а между зондом и дисперсионным элементом установлен выходной кварцевый световолоконный жгут, волокна которого, обращенные к дисперсионному элементу, расположены линейно вдоль оси, перпендикулярной плоскости дисперсии, причем кожух зонда выполнен в виде защитного стакана-пылеотбойника, с входным и выходным окнами и жестко соединен со стенкой газохода, при этом входное окно выполнено вблизи днища кожуха зонда, а выходное окно на его противоположной стенке вблизи стенки газохода, внутри кожуха зонда соосно с ним жестко установлена двухпроходовая отражательная кювета, корпус которой выполнен из пористого материала, а внутри корпуса кюветы по ходу излучения установлено сферическое зеркало, причем с внешней стороны кожуха зонда установлен змеевик, один конец которого соединен с входным штуцером, расположенным во внешней среде, а другой конец змеевика соединен с кюветой. A gas analyzer containing an optically coupled radiation source, a probe, a dispersion element, a scanning exit slit mechanically coupled to the drive, a photoelectric multiplier connected to a recording system containing selective blocks, characterized in that an input quartz is installed between the radiation source and the probe along the radiation fiber optic bundle, and between the probe and the dispersion element there is an output quartz fiber optic bundle, the fibers of which are facing the dispersion element, located wife linearly along an axis perpendicular to the dispersion plane, and the probe cover is made in the form of a protective dust collector cup, with inlet and outlet windows and rigidly connected to the duct wall, while the inlet window is made near the bottom of the probe cover, and the exit window on its opposite wall is near the gas duct wall, inside the probe casing, a two-pass reflective cuvette is rigidly coaxially mounted with it, the casing of which is made of porous material, and a spherical mirror is installed inside the cuvette casing along the radiation path, than the outside casing of the probe coil is mounted, one end of which is connected to the inlet located in the external environment, and the other end of the coil is connected to the cuvette.