Багатоканальний автоматизований інфрачервоний газоаналізатор

Винахід відноситься до сфери газового аналізу і може бути застосований при розробці інфрачервоних газоаналізаторів для виміру концентрацій найбільш поширених газів (CO, СО2 , СН, NO), які є в складі відпрацьованих газів транспортних засобів, промислових підприємств, енергетичних установок. Існуючий інфрачервоний газоаналізатор [В.П.Тхоржевский "Автоматический анализ газов и жидкостей на химических предприятиях», Химия, 1976г., стр.108-112],який складається з джерела інфрачервоного випромінювання, фільтра, що пропускає інфрачервоне випромінювання для відповідного газу, наприклад СО або СН. Таким чином основним недоліком знаного газоаналізатора є неможливість одночасного вимірювання концентрації декількох газів. Відомий газоаналізатор, що складається з двох джерел інфрачервоного випромінювання, двох кювет вимірювальної і порівняльної, інтерференційних фільтрів, блоку електронної обробки інформації. Основним недоліком його є неможливість виміру концентрації декількох газів одночасно з малою похибкою вимірювань. Для виміру концентрації одного газу потрібні дві кювети, відповідно якщо потрібно буде виміряти три-чотири концентрації газу одночасно кількість кювет зросте до 6-8, а це ускладнить конструкцію, знизить надійність. Задачею теперішнього виходу є можливість швидкого високоточного виміру концентрацій п-газів одночасно і паралельно. Поставлена задача вирішується тим, що багатоканальний автоматизований інфрачервоний газоаналізатор, що складається з джерела інфрачервоного випромінювання, розміщеного в півсферичному дзеркалі, на оптичній осі джерела інфрачервоного випромінювання послідовно розміщені механічний дисковий обтюратор, який з'єднаний з валом електродвигуна, вимірювальної кювети з вхідними і вихідними вікнами і вхідних і вихідних газових патрубків, п-приймачів інфрачервоного випромінювання розміщені навпроти вихідного вікна вимірювальної кювети, на оптичній осі джерела інфрачервоного випромінювання, на кожному з п-приймачів інфрачервоного випромінювання змонтовано відповідний інтерференційний фільтр, електричні виходи п-приймачів інфрачервоного випромінювання з'єднані з електронними підсилювачами в блоці підсилювачів, виходи електронних підсилювачів з'єднані з блоком обробки аналогових сигналів, виходи останнього з'єднані з входами мікропроцесорного пристрою, вихід мікропроцесорного пристрою з цифровим індикаторним табло. Окрім того, інтерференційні фільтри змонтовані на приймачах інфрачервоного випромінювання і мають відповідні до п-вимірювальних газів різні значення пропускання довжини хвиль інфрачервоного випромінювання, причому один з інтерференційних фільтрів обов'язково розрахований на нульовий газ. Окрім того, на вхідному газопроводі, який з'єднаний з вхідним газовим патрубком вимірювальної кювети послідовно розміщені перший і другий фільтри вологовіддільники, перший вхід-вихід електроклапана нульового газу, компресор, перший вхід-ви хід електроклапана юстирувального газу, фільтри очистки пилу. Окрім того, вихідний газовий патрубок вимірювальної кювети з'єднаний з вихідним газопроводом через сенсор-вимірювач кисню який з'єднано з входом мікропроцесорного пристрою. Окрім того, п-приймачів інфрачервоного випромінювання розміщені в термостатичному корпусі, в якому вмонтовано термосенсор і електронагрівальний елемент, вихід термосенсору з'єднано з входом блока терморегулятора, вихід блока терморегулятора з'єднано з електронагрівальним елементом. Окрім того, на зовнішній поверхні вимірювальної кювети розміщено сенсор-вимірювач температури, а на вихідному газопроводі розміщено сенсор-вимірювач атмосферного тиску, електричні виходи сенсоріввимірювачів температури і атмосферного тиску з'єднані з входами мікропроцесорного пристрою. Окрім того, джерело інфрачервоного випромінювання з'єднано із стабілізатором інфрачервоного випромінювання. Окрім того, електродвигун механічного дискового обтюратора з'єднано із стабілізатором обертів. Окрім того, другі входи електроклапанів нульового і юстирувального газів відповідно з'єднані з нульовим і юстирувальним газопроводами, причому на нульовому газопроводі розміщено фільтр - поглинач вуглеводнів. Окрім того, ви ходи першого і другого фільтрів вологовіддільників з'єднані з компресором вологи. Окрім того, електричні виходи електроклапанів нульового і юстирувального газів з'єднані з виходами мікропроцесорного пристрою. Окрім того, електричні виходи блока електроживлення з'єднані з блоком терморегуляторів, з мікропроцесорним пристроєм, блоком підсилювачів, стабілізатором інфрачервоного випромінювання, стабілізатором обертів. На Фігурі наведена функціональна схема багатоканального автоматизованого інфрачервоного газоаналізатора, де введені наступні позначення: 1 - вхідний газопровід; 2, 3 - фільтри-вологовіддільники; 4 - електроклапан нульового газу; 5 - компресор; 6 - електроклапан юстирувального газу; 7 - фільтр очистки пилу; 8 - вхідний газовий патрубок; 9 - компресор вологи; 10 - вихідний газопровід; 11 - нульовий газопровід; 12 - юстирувальний газопровід; 13 - вихідний газопровід; 14 - механічний дисковий обтюратор; 15 - електродвигун; 16 - стабілізатор обертів; 17 - півсферичне дзеркало; 18 - джерело інфрачервоного випромінювання; 19 - стабілізатор інфрачервоного випромінювання; 20 - вимірювальна кювета; 21 - вхідне вікно; 22 - вихідне вікно; 23 - вихідний газовий патрубок; 24 - інтерференційні фільтри; 25 - приймачі інфрачервоного випромінювання; 26 - блок терморегуляторів; 27 - термосенсор; 28 - електронагрівальний елемент; 29 - термостатичний корпус; 30 - блок підсилювачів; 31 - блок електроживлення; 32 - блок обробки аналогового сигналу; 33 - мікропроцесорний пристрій; 34 - цифрове індикаторне табло; 35 - сенсор-вимірювач атмосферного тиску; 36 - сенсор-вимірювач температури; 37 - сенсор-вимірювач кисню; 38 - фільтр-поглинач вуглеводнів. Багатоканальний автоматизований інфрачервоний газоаналізатор працює таким чином. Джерело інфрачервоного випромінювання (ДІЧВ) 18 розміщено в півсферичному дзеркалі 17. На оптичній осі ДІЧВ 18 розміщено механічний обтюратор 14, який механічно з'єднано з валом електродвигуна 15 та вимірювальна кювета 20. Вимірювальна кювета 20 має вхідні 21 і вихідні 22 вікна. В вимірювальній кюветі 20 є вхідний 8 і вихідний 23 газові патрубки. Навпроти вихідного вікна 22 вимірювальної кювети 20, на оптичній вісі ДІЧВ 18 розміщено п-приймачів інфрачервоного випромінювання (ПІЧВ) 25. На кожному з ПІЧВ 25 змонтовано інтерференційні фільтри 24 (кожен з фільтрів має "свою" смугу пропускання інфрачервоного випромінювання, відповідно до аналізованого газу). Приймачі ПІЧВ 25 встановлені в термостатичний корпус 29, в якому встановлені нагрівальний елемент 27 і термосенсор 28 які з'єднані з блоком терморегулятора 26. Електричні виходи ПІЧВ 25 з'єднані з блоком підсилювачів 30, виходи останніх з'єднані з блоком обробки аналогового сигналу 32. Виходи блоку обробки аналогового .сигналу 32 з'єднані з входами мікропроцесорного пристрою 33. Вихід мікропроцесорного пристрою 33 з'єднано з цифровим індикаторним табло 34. На вхідному газопроводі 1 послідовно розміщені перший 2 і другий 3 фільтри вологовіддільники, перший вхід-вихід електроклапана нульового газу 4, компресор 5, перший вхід-вихід електроклапана юстирувального газу 6, фільтр очистки пилу 7. Ви хід фільтру очистки пилу 7 з'єднано з вхідним газовим патрубком 8, вимірювальної кювети 20. Виходи фільтрів вологовіддільників 2 і 3 з'єднані з компресором вологи 9. Нульовий газопровід 11 через фільтр-поглинач вуглеводнів 38 з'єднаний з другим входом електроклапана нульового газу 4. Юстирувальний газопровід 12 з'єднано з другим входом електроклапана юстирувального газу 6. Електричні входи електроклапану нульового газу 4 і електроклапану юстирувального газу 6 з'єднані з виходами мікропроцесорного пристрою 33. Вихідний газовий патрубок 23 вимірювальної кювети 20 з'єднано з вихідним газопроводом 13 через сенсор вимірювач кисню 37. В вихідному газопроводі 13 також встановлено сенсор - вимірювач атмосферного тиску 35. Електричний вихід сенсора - вимірювача кисню 37 з'єднано з входом мікропроцесорного пристрою 33. Електродвигун 15 з'єднано з стабілізатором обертів 16. Джерело інфрачервоного випромінювання 18 з'єднано з стабілізатором інфрачервоного випромінювання Сенсор - вимірювач температури 36 встановлено на зовнішній поверхні вимірювальної кювети 20. Електричні виходи сенсорів 35 і 36 з'єднані з входами мікропроцесорного пристрою 33. Блок електроживлення 31 з'єднано відповідними виходами з стабілізатором обертів 16, стабілізатором інфрачервоного випромінювання 19, блоком підсилювачів 30, блоком терморегуляторів 26, блоком обробки аналогового сигналу 32 і мікропроцесорним пристроєм 33. Газоаналізатор працює наступним чином. Прилад має три режими роботи: АН АЛІЗ КАЛІБРУВАННЯ НУЛЯ ЮСТИРУВАННЯ ШКАЛИ В режимі "Аналіз" по команді з мікропроцесорного пристрою 33 відкриваються електроклапани нульового газу 4 і юстирувального газу 6 в напрямку вхідного газопроводу 1 (вхід 1 електроклапанів 4 і 6). За рахунок роботикомпресора 5 аналізована багатокомпонентна газова суміш попадає на вхідний газопровід 1. Далі суміш проходить через два послідовно з'єднані фільтри - вологовіддавачі 2 і 3 де відбувається видалення вологи з газової суміші. Далі волога за допомогою компресора вологи 9 видаляється з фільтрів вологовіддавачів 2 і 3. Газова суміш через фільтр очистки пилу 7, вхідний газовий патрубок 8 попадає в вимірювальну кювету 20. Далі газ з вимірювальної кювети 20, через вихідний газовий патрубок 23 і сенсор-вимірювач кисню 37 видаляється через вихідний газопровід 13. В вимірювальній кювети 20 газова суміш попадає під дію переривчатого току інфрачервоного випромінювання від джерела інфрачервоного випромінювання 18. Джерело інфрачервоного випромінювання 18, з метою стабілізації інтенсивності випромінювання, живиться від стабілізатора інфрачервоного випромінювання 19, який забезпечує коливання інтенсивності потоку випромінювання на рівні 0,1 %. Тим самим досягається висока стабільність потоку інфрачервоного випромінювання. Потік випромінювання переривається механічним дисковим обтюратором 14, який з'єднано з електродвигуном 15. Електродвигун 15, з метою стабілізації обертів механічного дискового обтюратора 14, живиться від стабілізатора обертів 16, тим самим досягається висока стабільність обертів механічного дискового обтюратора 14. Переривчатий потік інфрачервоного випромінювання діє на аналізовану газову суміш, що проходить через вимірювальну кювету 20. Згідно закону Ламберта-Бугера-Бера гази, що складаються з двох молекул (CO, CO2, SO 2, NO, CH 4 і інші) мають властивість поглинати інфрачервоне випромінювання на довжині хвилі характерній для кожного газу. Таким чином, переривчатий потік інфрачервоного випромінювання в вимірювальній кюветі 20 поглинається кожним газом на "своїй" довжині хвилі. Далі цей потік проходить через інтерференційні фільтри 24, кожен з яких пропускає тільки "свій" ослаблений потік випромінювання. Один з інтерференційних фільтрів налаштований на нульовий газ, звичайно це очищене повітря, або азот. Випромінювання, пройшовши через інтерференційні фільтри 24 попадає на приймачі інфрачервоного випромінювання 25. Електричні сигнали приймачів інфрачервоного випромінювання 25 пропорційні концентрації відповідних газів в вимірювальній кюветі 20. Сигнали з приймачів інфрачервоного випромінювання 25 підсилюються в блоці підсилювачів 30 і далі попадають в блок обробки аналогового сигналу 32. З метою зменшення впливу температури приймачів інфрачервоного випромінювання 25 останні розміщені в термостатичному корпусі 29. Корпус 29 нагрівається за допомогою електронагрівального елементу 28 та контролюється і стабілізується за допомогою терморегулятора 26, що керується термодатчиком 27. В блоці обробки аналогового сигналу 32, сигнали з блоку підсилювачів 30, додатково оброблюються (масштабне перетворення, лінеаризація і т.і.) і попадають на вхід мікропроцесорного пристрою 33. Цифровий код, пропорційний концентрації кожного з газів, обробляється в мікропроцесорному пристрої 33 і виводиться на цифрове індикаторне табло 34. Застосування "нульового" приймача інфрачервоного випромінювання в приймачах інфрачервоного випромінювання 25 дозволяє суттєво знизити похибку вимірювання газоаналізатора, тому, що всі дестабілізуючі фактори ( температура, тиск, волога ) діють в однаковій мірі як на вимірювальні гази, так і на нульовий газ. А за рахунок диференціальної різницевої взаємодії сигналів з нульового приймача інфрачервоного випромінювання 25 і відповідно приймачів інфрачервоного випромінювання 25 кожного з вимірювальних газів всі дестабілізуючі фактори взаємно компенсуються і тим самим знижується похибка і підвищується точність вимірювань. Сенсори - вимірювачі температури 36 і атмосферного тиску 35 видають електричні сигнали пропорційні температурі аналізуючого газу і атмосферному тиску. Ці сигнали попадають на мікропроцесорний пристрій, по заданому алгоритму додатково корегують ви хідні сигнали з приймачів інфрачервоного випромінювання 25 і тим самим, додатково, знижують похибку вимірювань. За рахунок установки на вихідному газопроводі 13 сенсора - вимірювача кисню 37 газоаналізатор може вимірювати кисень ( одномолекулярний газ ), що вкрай важливо для налагодження енергетичних об'єктів, двигунів а втомобілів. Є можливість регулювання співвідношення повітря-паливо. Сигнал з сенсора - вимірювача кисню 37 обробляється в мікропроцесорному пристрої і виводиться на цифрове індикаторне табло 34. В режимах "Калібрування нуля" і "Юстирування шкали" на вхід нульового 11 і юстирувального 12 газопроводів позачергово подаються відповідно "нульовий" і юстирувальний гази. При цьому електроклапани нульового газу 4 і юстир увального газу 6 переходять по сигналу з мікропроцесорного пристрою 33 в режим коли вхід 1 закривається, а відкривається вхід 2. Таким чином закривається доступ аналізованому газу і в вимірювальну кювету 20 надходить нульовий газ очищений від вуглеводнів в фільтрі - поглиначі вуглеводнів 38, або юстирувальний газ, що відповідає реперній точці (найчастіше це кінець діапазону) кожного з вимірювальних газів. Далі робота аналізатора аналогічна. Всі електроні блоки газоаналізатора 16, 19, 26, 32, 33 живляться від високостабільного блока електроживлення 31. Таким чином за рахунок комплексного вирішення наступних те хнічних проблем: - фільтрації і очистки газів; - стабілізації інфрачервоного випромінювання; - термостабілізаціі приймачів інфрачервоного випромінювання; - корегування вихідного сигналу за параметрами атмосферного тиску і температури газу; - одночасного вимірювання багатьох газів в одній кюветі; - диференційного включення сигналів з нульового приймача і приймачів кожного з вимірювальних газів, в газоаналізаторі вирішується задача високоточного виміру концентрації п-газів одночасно і паралельно. Газоаналізатор дозволив знизити похибку вимірювань, підняти швидкодію, застосувати газоаналізатор для широкого кола споживачів в енергетиці, транспорті, промисловості.