анализатор газа

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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.

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.

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.

Привод ИК Фурье-спектрометра осуществляется от компьютера.

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.

Сочетание флюоридных волокон к ИК Фурье-спектрометром предназначено для дистанционного количественного анализа газообразных составляющих.

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.

Недостатком системы газового анализатора является ее невысокая надежность в условиях длительной непрерывной эксплуатации, невозможность использования ее вне газопровода, а также невысокая точность измерений.

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.

Модулированное излучение от ИК Фурье-интерферометра, являющегося основной спектрометра, вводится в ИК-волокно через алюминиевое внеосевое параболическое зеркало.

Излучение из волокна поступает в газовую кювету и оттуда возвращается обратно, направляясь через выходное волокно двухвыводного соединителя на охлаждаемый жидким азотом приемник.

Недостатками этого устройства являются его невысокая надежность в условиях длительной непрерывной эксплуатации, невозможность использования ее вне газовода, а также невысокая точность измерений.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 плотность анализируемого потока газа;

V скорость анализируемого потока газа.

Вблизи второго окна 15 давление устанавливается Р₂ P_ст..

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.

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.

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.).

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.

Кроме того, надежность повышается совокупно за счет особой конструкции кожуха зонда и корпуса двухпроходовой отражательной кюветы.

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.

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.

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.

Анализатор газа является новым и обладает изобретательским уровнем и может быть использован в промышленности.