UA80639C2 - Infrared gas analyzer - Google Patents

Abstract

The proposed infrared gas analyzer contains a measuring cuvette, an infrared radiation source, and an infrared radiation receiver with an input optical filter. The radiation source contains at least two light-emitting diodes rated for the radiation wavelength that corresponds to the absorption of the radiation by the gas. The light-emitting diodes are arranged so that two independent radiation fluxes are generated. Each flux is transmitted through the corresponding measuring cuvette. The cuvettes have different lengths. The air containing the gas to be analyzed is transmitted through the cuvettes alternately. The proposed gas analyzer is distinctive by its enhanced sensitivity and measurement accuracy in an extended concentration range.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід відноситься до сфери аналітичного приладобудування і може бути застосований при розробці 2 малогабаритних інфрачервоних газоаналізаторів для виміру концентрацій найбільш поширених забруднювачів атмосфери газів (СО, СО», СН., МО), які є в складі відпрацьованих газів транспортних засобів, промислових підприємств, енергетичних установок.The invention relates to the field of analytical instrumentation and can be applied in the development of 2 small-sized infrared gas analyzers for measuring the concentrations of the most common atmospheric pollutants of gases (СО, СО», СН., MO), which are part of the exhaust gases of vehicles, industrial enterprises, power plants .

Існуючий інфрачервоний газоаналізатор |В.П. Тхоржевский "Автоматический анализ газов и жидкостей на химических предприятиях". Химия, 1976бг., стр. 108-112), який складається з джерела інфрачервоного 70 випромінювання, що модулюється обтюратором, двох вимірювальних кювет - вимірювальної і порівняльної, інтерференційного фільтра, що пропускає інфрачервоне випромінювання для відповідного газу, приймачів інфрачервоного випромінювання.The existing infrared gas analyzer |V.P. Thorzhevsky "Automatic analysis of gases and liquids at chemical enterprises". Khimiya, 1976bg., p. 108-112), which consists of a source of infrared 70 radiation modulated by an obturator, two measuring cuvettes - measuring and comparative, an interference filter that passes infrared radiation for the corresponding gas, infrared radiation receivers.

Недоліком відомого газоаналізатора є збільшення похибки при вимірюванні малих концентрацій з заданою точністю і чутливістю у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, зв'язаних з забрудненням 72 вікон кювети з часом та зміщення нульових показів газоаналізатора при зміні температури навколишнього середовища.The disadvantage of the known gas analyzer is an increase in the error when measuring small concentrations with a given accuracy and sensitivity in case of an increase in non-selective radiation losses associated with contamination of the 72 cuvette windows over time and a shift in the zero readings of the gas analyzer when the ambient temperature changes.

Відомий газоаналізатор |Патент України Моб9503, (301М421/01 "Інфрачервоний газоаналізатор"|), що містить послідовно оптично з'єднані джерело інфрачервоного випромінювання, вимірювальну і порівняльну кювети заповнену нульовим газом, обтюратор, вимірювальний і порівняльний приймачі інфрачервоного випромінювання з нанесеним на них оптичним інтерференційним фільтром.The famous gas analyzer |Patent of Ukraine Mob9503, (301М421/01 "Infrared gas analyzer"|), which contains a serially optically connected source of infrared radiation, a measuring and comparative cuvette filled with zero gas, an obturator, measuring and comparative receivers of infrared radiation with an applied optical interference filter.

Недоліком даного газоаналізатора є наявність в ньому фіксованої довжини робочого і порівняльного каналів і відповідно збільшення похибки при вимірюванні малих концентрацій з заданою точністю і чутливістю у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, зв'язаних з забрудненням вікон кювети робочого каналу з часом, а порівняльна кювета з нульовим газом закупорена та при неузгодженості спектру джерела с випромінювання і спектральної чутливості приймача випромінювання по відношенню до спектра поглинання Ге) досліджуваного газу під дією температури оточуючого середовища.The disadvantage of this gas analyzer is the presence in it of a fixed length of the working and comparative channels and, accordingly, an increase in the error when measuring small concentrations with a given accuracy and sensitivity in the case of an increase in non-selective radiation losses associated with contamination of the cuvette windows of the working channel over time, and a comparative cuvette with zero blocked by gas and in the case of inconsistency of the spectrum of the radiation source and the spectral sensitivity of the radiation receiver in relation to the absorption spectrum (He) of the studied gas under the influence of the temperature of the surrounding medium.

Знаний також інфрачервоний газоаналізатор (А.с. СССР Мо1528124, (301М421/61, "Абсорбционньїй анализатор газа"| вибраний в якості прототипу, що складається з кювети, розміщеної в робочому каналі, джерела інфрачервоного випромінювання з двома близькими по складу випромінюючими кристалами, приймача о інфрачервоного випромінювання розташованого в напівсферичному дзеркалі на вході якого розміщений со оптичний фільтр і разом з джерелом інфрачервоного випромінювання з'єднані з електричною схемою.Also known is the infrared gas analyzer (AS USSR Mo1528124, (301М421/61, "Absorption gas analyzer"| selected as a prototype, consisting of a cuvette placed in the working channel, a source of infrared radiation with two emitting crystals close in composition, a receiver o infrared radiation located in a hemispherical mirror at the entrance of which an optical filter is placed and together with the source of infrared radiation are connected to the electrical circuit.

Недоліком даного абсорбційного аналізатора газу є збільшення похибки при вимірюванні малих концентрацій ее, з заданою точністю і чутливістю у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, зв'язаних з о забрудненням вікон кювети з часом та при неузгодженості спектру джерела випромінювання і спектральноїThe disadvantage of this gas absorption analyzer is an increase in the error when measuring small concentrations of ee, with a given accuracy and sensitivity in the event of an increase in non-selective radiation losses associated with contamination of the cuvette windows over time and in case of inconsistency of the spectrum of the radiation source and the spectral

Зо чутливості приймача випромінювання по відношенню до спектра поглинання досліджуваного газу під дією со температури оточуючого середовища за рахунок того, що кювета з аналізуючим газом розміщена в робочому каналі, а випромінювання еталонного каналу не проходить через кювету з аналізуючим газом.From the sensitivity of the radiation receiver in relation to the absorption spectrum of the gas under study under the influence of the temperature of the surrounding medium due to the fact that the cuvette with the analyzing gas is placed in the working channel, and the radiation of the reference channel does not pass through the cuvette with the analyzing gas.

В основу винаходу поставлено задачу підвищення чутливості і точності виміру в широкому діапазоні « концентрацій газів. З 70 Поставлена задача вирішується тим, що інфрачервоний газоаналізатор складається з оптично зв'язаних с джерела інфрачервоного випромінювання, робочих кювет з вхідними і вихідними газовими патрубками, вхіднимиThe invention is based on the task of increasing the sensitivity and accuracy of measurement in a wide range of gas concentrations. With 70 The problem is solved by the fact that the infrared gas analyzer consists of optically connected with the source of infrared radiation, working cuvettes with input and output gas nozzles, input

Із» і вихідними прозорими вікнами, приймача інфрачервоного випромінювання на вході якого розміщений оптичний фільтр смуга пропускання якого співпадає з смугою поглинання аналізуючого газу, джерело і приймач інфрачервоного випромінювання розташовані в напівсферичних дзеркалах і з'єднані з електричною схемою, джерело інфрачервоного випромінювання містить не менше двох випромінюючих діодів з довжиною хвилі со випромінювання в максимумі, що співпадає з максимумом смуги поглинання аналізуючого газу, розміщених на ав | одній підкладці відносно оптичної осі джерела інфрачервоного випромінювання так, що утворюють два однакові незалежні потоки випромінювання, робочі ковети мають різну довжину, причому газові входи робочих кювет б зв'язані між собою таким чином, що газ одночасно прокачується через кювети. со 20 Вимірювання концентрації газів в широкому діапазоні з заданою точністю і чутливістю у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, зв'язаних з забрудненням вікон кювети з часом та при неузгодженості с спектру джерела випромінювання і спектральної чутливості приймача інфрачервоного випромінювання по відношенню до спектра поглинання аналізуючого газу під дією температури оточуючого середовища досягається за рахунок того, що аналізуючий газ прокачується одночасно через робочі кювети в яких потоки випромінювання 25 зазнають однакових змін не пов'язаних з поглинанням аналізуючого газу. В процесі обробки електричнихWith" and output transparent windows, the infrared receiver at the entrance of which has an optical filter whose transmission band coincides with the absorption band of the analyzing gas, the source and receiver of infrared radiation are located in hemispherical mirrors and connected to the electrical circuit, the source of infrared radiation contains at least two emitting diodes with a wavelength of radiation at a maximum that coincides with the maximum of the absorption band of the analyzing gas, placed on av | one substrate relative to the optical axis of the infrared radiation source so that they form two identical independent streams of radiation, the working cuvettes have different lengths, and the gas inlets of the working cuvettes are interconnected in such a way that the gas is simultaneously pumped through the cuvettes. so 20 Measurement of the concentration of gases in a wide range with the specified accuracy and sensitivity in the event of an increase in non-selective radiation losses associated with the contamination of the cuvette windows over time and in case of inconsistency with the spectrum of the radiation source and the spectral sensitivity of the infrared radiation receiver in relation to the absorption spectrum of the analyzing gas under effect of the temperature of the surrounding environment is achieved due to the fact that the analyzing gas is pumped simultaneously through the working cuvettes in which the radiation streams 25 undergo the same changes not related to the absorption of the analyzing gas. In the process of processing electrical

ГФ) сигналів з виходу приймача інфрачервоного випромінювання ці зміни взаємокомпенсуються.HF) signals from the output of the infrared receiver, these changes are mutually compensated.

На кресленні наведена функціональна схема інфрачервоного газоаналізатора. Джерело 1 інфрачервоного о випромінювання, що містить випромінюючі 2 і З діоди, розташоване в напівсферичному 4 дзеркалі. Випромінюючі 2 і З діоди розміщені відносно оптичної осі джерела 1 випромінювання таким чином, щоб створити два робочих 60 незалежних потоки випромінювання. На одній оптичній осі, за робочими 7 і 8 кюветами розміщений в напівсферичному 13 дзеркалі приймач 11 інфрачервоного випромінювання з оптичним 12 фільтром на вході.The drawing shows the functional scheme of the infrared gas analyzer. The source 1 of infrared radiation, containing emitting diodes 2 and 3, is located in a hemispherical mirror 4. Emitting diodes 2 and C are placed relative to the optical axis of the radiation source 1 in such a way as to create two working 60 independent radiation streams. On one optical axis, behind the working cuvettes 7 and 8, the receiver 11 of infrared radiation with an optical filter 12 at the entrance is placed in a hemispherical mirror 13.

Вихід приймача 11 інфрачервоного випромінювання через логарифмічний 14 підсилювач з'єднаний з блоком 15 електронної обробки інформації, який в свою чергу з'єднаний з масштабуючим 17 підсилювачем, реєструючим 18 пристроєм та джерелом 16 живлення випромінюючих 2 і З діодів. Газові входи робочих 7 і 8 кювет зв'язані 62 між собою таким чином, що газ одночасно прокачується через кювети.The output of the receiver 11 of infrared radiation through a logarithmic 14 amplifier is connected to the electronic information processing unit 15, which in turn is connected to the scaling amplifier 17, the recording device 18 and the power source 16 of the emitting diodes 2 and 3. The gas inlets of working cuvettes 7 and 8 are connected 62 to each other in such a way that the gas is simultaneously pumped through the cuvettes.

Інфрачервоний газоаналізатор працює наступним чином: аналізуючий газ прокачується одночасно Через робочі 7 і 8 кювети. Блок 15 електронної обробки інформації через джерело 16 живлення випромінюючих 2 і З діодів керує почерговим їх включенням. Випромінюючі 2 і З діоди з довжиною хвилі випромінювання в максимумі,The infrared gas analyzer works as follows: the analyzing gas is pumped simultaneously through working cuvettes 7 and 8. Block 15 of electronic information processing through power source 16 of emitting diodes 2 and 3 controls their alternate inclusion. Emitting diodes 2 and 3 with the wavelength of emission at a maximum,

Що співпадає з максимумом смуги поглинання аналізуючого газу, знаходяться на одній підкладці, мають однакову потужність випромінювання та однаковий температурний зсув максимуму в спектрі випромінювання і розміщені відносно оптичної осі джерела інфрачервоного випромінювання так, що утворюють два однакові незалежні робочі потоки випромінювання Фо.Which coincides with the maximum of the absorption band of the analyzing gas, are located on the same substrate, have the same radiation power and the same temperature shift of the maximum in the radiation spectrum, and are placed relative to the optical axis of the infrared radiation source in such a way that they form two identical independent working streams of radiation Fo.

Потік Фо випромінювання, створений випромінюючим 2 діодом, направляється напівсферичним 4 дзеркалом уо чна робочу 7 кювету з прозорими вхідним 5 і вихідним 10 вікнами, проходить через аналізуючий газ, де частково поглинається до величини Ф. потоку та за допомогою напівсферичного 13 дзеркала направляється на приймач 11 інфрачервоного випромінювання з оптичним 12 фільтром на вході. Потік Ф на виході приймача 11 інфрачервоного випромінювання створює електричний сигнал, який пропорційний величині поглинутого потоку, що проходить через робочу 7 кювету.The flow of radiation Fo, created by the emitting diode 2, is directed by the hemispherical mirror 4 to the optical working cuvette 7 with transparent inlet 5 and outlet 10 windows, passes through the analyzing gas, where it is partially absorbed to the value of the flow F, and is directed to the receiver 11 with the help of the hemispherical mirror 13 infrared radiation with an optical 12 filter at the entrance. The flow F at the output of the receiver 11 of infrared radiation creates an electrical signal that is proportional to the amount of the absorbed flow passing through the working cuvette 7.

Потік Фо випромінювання, створений випромінюючим З діодом, направляється напівсферичним 4 дзеркалом на робочу 8 кювету з прозорими вхідним 6 і вихідним 9 вікнами, проходить через аналізуючий газ, де частково поглинається до величини Фо потоку та за допомогою напівсферичного 13 дзеркала направляється на приймач 11 інфрачервоного випромінювання з оптичним 12 фільтром на вході. Потік Фо на виході приймача 11 інфрачервоного випромінювання створює електричний сигнал, який пропорційний величині поглинутого потоку, що проходить через робочу 8 кювету.The Fo radiation flow created by the emitting Z diode is directed by the hemispherical 4 mirror to the working cuvette 8 with transparent inlet 6 and outlet 9 windows, passes through the analyzing gas, where it is partially absorbed to the value of the Fo flow, and is directed to the infrared radiation receiver 11 with the help of the hemispherical mirror 13 with an optical 12 filter at the input. The flow Fo at the output of the receiver 11 of infrared radiation creates an electrical signal that is proportional to the value of the absorbed flow passing through the working cuvette 8.

Потоки Фу та Фо відрізняються між собою по інтенсивності внаслідок проходження випромінювання через робочі 7 і 8 кювети різної довжини, що містять аналізуючий газ. При відсутності аналізуючого газу робочі 7 і 8 кювети прокачуються нульовим газом, внаслідок чого, потік Фо не зазнає поглинання і на виході приймача 11 інфрачервоного випромінювання створює електричний сигнал - нуль шкали приладу. При прокачуванні с ов аналізуючого газу через робочі 7 і 8 кювети, величини електричних сигналів на виході приймача 11 інфрачервоного випромінювання підсилюються логарифмічним 14 підсилювачем, фіксуються і обробляються і) блоком 15 електронної обробки інформації. З виходу блока 15 електронної обробки інформації результуючий електричний сигнал поступає на масштабуючий 17 підсилювач, в якому величина електричного сигналу пропорційна концентрації аналізуючого газу, а потім на реєструючий 18 пристрій. Блок 15 електронної обробки Ге! зо Інформації через джерело 16 живлення випромінюючих 2 і З діодів забезпечує також корекцію нуля, вирівнюючи величину сигналів при відсутності поглинання. оThe Fu and Fo streams differ in intensity due to the passage of radiation through the working cuvettes 7 and 8 of different lengths containing the analyzing gas. In the absence of analyzing gas, the working cuvettes 7 and 8 are pumped with zero gas, as a result of which the flow Fo is not absorbed and at the output of the receiver 11 of infrared radiation creates an electrical signal - the zero of the instrument scale. When pumping s of analyzing gas through the working cuvettes 7 and 8, the values of electrical signals at the output of the infrared receiver 11 are amplified by a logarithmic amplifier 14, fixed and processed i) by the electronic information processing unit 15. From the output of the electronic information processing unit 15, the resulting electrical signal is fed to the scaling amplifier 17, in which the magnitude of the electrical signal is proportional to the concentration of the analyzing gas, and then to the recording 18 device. Block 15 of electronic processing Ge! zo Information through the power source 16 of the emitting 2 and 3 diodes also provides zero correction, equalizing the magnitude of the signals in the absence of absorption. at

Підвищення чутливості виміру концентрацій газів в широкому діапазоні роботи інфрачервоного Ге газоаналізатора досягається вибором співвідношення довжин робочих кювет в залежності від поглинаючої здатності аналізуючого газу. оIncreasing the sensitivity of measuring gas concentrations in the wide operating range of the infrared Ge gas analyzer is achieved by choosing the ratio of the lengths of the working cuvettes depending on the absorbing capacity of the analyzing gas. at

Збільшення точності вимірювання приладу у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, со зв'язаних з забрудненням вікон кювети з часом та при неузгодженості спектру джерела випромінювання і спектральної чутливості приймача інфрачервоного випромінювання по відношенню до спектра поглинання аналізуючого газу під дією температури оточуючого середовища досягається за рахунок того, що аналізуючий газ прокачується одночасно через робочі 7 і 8 кювети в яких потоки Ф. і Фо випромінювання зазнають однакових «An increase in the measurement accuracy of the device in the event of an increase in non-selective radiation losses associated with the contamination of the cuvette windows over time and in the case of inconsistency of the spectrum of the radiation source and the spectral sensitivity of the infrared radiation receiver in relation to the absorption spectrum of the analyzing gas under the influence of the temperature of the surrounding environment is achieved due to the fact that that the analyzing gas is pumped simultaneously through working cuvettes 7 and 8, in which the fluxes of F. and Fo radiation undergo the same "

Змін не зв'язаних з поглинанням аналізуючого газу. В процесі обробки електричних сигналів блоком 15 з с електронної обробки інформації ці зміни взаємокомпенсуються.The change is not related to the absorption of the analyzing gas. In the process of processing electrical signals by unit 15 with electronic information processing, these changes are mutually compensated.

Запропоноване технічне рішення дозволить підвищити чутливість і точність виміру концентрацій газів в ;» широкому діапазоні роботи інфрачервоного газоаналізатора.The proposed technical solution will increase the sensitivity and accuracy of measuring gas concentrations in wide range of operation of the infrared gas analyzer.

Claims (1)

Формула винаходу (ее) о Інфрачервоний газоаналізатор, що складається з оптично зв'язаних джерела інфрачервоного ФО випромінювання, робочих кювет з вхідними і вихідними газовими патрубками та вхідними і вихідними прозорими вікнами, приймача інфрачервоного випромінювання, на вході якого розміщений оптичний фільтр, смуга о пропускання якого співпадає з смугою поглинання аналізованого газу, джерело і приймач інфрачервоного Ге; випромінювання розташовані в півсферичних дзеркалах і з'єднані з електричною схемою, який відрізняється тим, що джерело інфрачервоного випромінювання містить щонайменше два випромінюючі діоди з максимальною довжиною хвилі випромінювання, що співпадає з максимумом смуги поглинання аналізованого вв тазу, та розміщені на одній підкладці відносно оптичної осі джерела інфрачервоного випромінювання так, що утворюють два однакові незалежні потоки випромінювання, а робочі кювети мають різну довжину, причому газовіThe formula of the invention (ee) o Infrared gas analyzer, consisting of optically connected sources of infrared FO radiation, working cuvettes with input and output gas nozzles and input and output transparent windows, an infrared radiation receiver, at the input of which an optical filter is placed, a transmission band which coincides with the absorption band of the analyzed gas, the source and receiver of infrared Ge; radiations are located in hemispherical mirrors and connected to an electrical circuit, which is characterized by the fact that the source of infrared radiation contains at least two emitting diodes with a maximum emission wavelength that coincides with the maximum of the absorption band of the analyzed UV basin, and are placed on the same substrate relative to the optical axis sources of infrared radiation so that they form two identical independent streams of radiation, and the working cuvettes have different lengths, and the gas (Ф) входи робочих кювет зв'язані між собою таким чином, що газ одночасно прокачується через обидві кювети. іме)(F) the inlets of the working cuvettes are interconnected in such a way that the gas is simultaneously pumped through both cuvettes. name) 60 б560 b5