Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

RU2244291C2 - Two-component optical gas analyzer - Google Patents

Two-component optical gas analyzer Download PDF

Info

Publication number
RU2244291C2
RU2244291C2 RU2002133432/28A RU2002133432A RU2244291C2 RU 2244291 C2 RU2244291 C2 RU 2244291C2 RU 2002133432/28 A RU2002133432/28 A RU 2002133432/28A RU 2002133432 A RU2002133432 A RU 2002133432A RU 2244291 C2 RU2244291 C2 RU 2244291C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radiation
monochromator
prism
control unit
intensity meter
Prior art date
Application number
RU2002133432/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2002133432A (en
Inventor
А.А. Азбукин (RU)
А.А. Азбукин
М.А. Булдаков (RU)
М.А. Булдаков
В.В. Занин (RU)
В.В. Занин
Б.В. Королев (RU)
Б.В. Королев
В.А. Корольков (RU)
В.А. Корольков
И.И. Матросов (RU)
И.И. Матросов
Original Assignee
Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения РАН (ИМКЭС СО РАН)
ООО "Сибаналитприбор"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения РАН (ИМКЭС СО РАН), ООО "Сибаналитприбор" filed Critical Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения РАН (ИМКЭС СО РАН)
Priority to RU2002133432/28A priority Critical patent/RU2244291C2/en
Publication of RU2002133432A publication Critical patent/RU2002133432A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2244291C2 publication Critical patent/RU2244291C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: measuring engineering.
SUBSTANCE: device has a temperature controlled source, quartz plate, mechanism for orientation of the plate, meter of radiance intensity , and control block.
EFFECT: enhanced accuracy.
3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано для контроля состава газовых сред, поглощающих излучение ультрафиолетового и видимого диапазонов спектра.The invention relates to the field of analytical instrumentation and can be used to control the composition of gaseous media that absorb ultraviolet and visible spectral radiation.

Измерение концентрации молекулярных компонентов газовой смеси является актуальной задачей в области контроля за технологическими процессами в производстве и теплоэнергетике и важно для экологического контроля за выбросами в атмосферу загрязняющих газов. Для решения этой задачи используются различные физико-химические методы газоанализа, среди которых одними из наиболее точных и надежных являются оптические спектроскопические методы. Однако известные в настоящее время технические решения в области создания оптических газоанализаторов не всегда удовлетворяют требованиям потребителей по таким характеристикам как чувствительность, надежность и долговременная стабильность метрологических характеристик.Measurement of the concentration of molecular components of the gas mixture is an urgent task in the field of control of technological processes in production and power engineering and is important for environmental control of emissions of polluting gases into the atmosphere. To solve this problem, various physicochemical methods of gas analysis are used, among which optical spectroscopic methods are among the most accurate and reliable. However, the currently known technical solutions in the field of creating optical gas analyzers do not always satisfy consumers' requirements for such characteristics as sensitivity, reliability and long-term stability of metrological characteristics.

Известен оптический газоанализатор, содержащий источник широкополосного излучения, блок формирования пучка излучения, кювету, термостатированный интерференционный светофильтр, снабженный механизмом изменения его пространственной ориентации с возможностью фиксации двух ориентаций, измеритель интенсивности излучения и блок обработки и управления [1]. При этом источник излучения, светофильтр и измеритель интенсивности излучения выбраны работающими в ультрафиолетовом или видимом диапазонах спектра. Основными недостатками этого газоанализатора являются, во-первых, возможность измерения только одной компоненты газовой смеси, причем ее измерение возможно только при условии неперекрывания ее полосы поглощения с полосами поглощения других компонентов газовой смеси, во-вторых, наличие погрешности измерения концентрации из-за неконтролируемости температуры газовой смеси и, в-третьих, возрастание погрешности измерения концентрации с течением времени, происходящей вследствие неконтролируемого временного дрейфа параметров интерференционного светофильтра и измерителя интенсивности излучения.A known optical gas analyzer containing a broadband radiation source, a radiation beam forming unit, a cuvette, a thermostatically controlled interference filter, equipped with a mechanism for changing its spatial orientation with the possibility of fixing two orientations, a radiation intensity meter and a processing and control unit [1]. In this case, the radiation source, a light filter and a radiation intensity meter are selected operating in the ultraviolet or visible spectral ranges. The main disadvantages of this gas analyzer are, firstly, the ability to measure only one component of the gas mixture, and its measurement is possible only if its absorption band does not overlap with the absorption bands of other components of the gas mixture, and secondly, there is an error in the concentration measurement due to temperature uncontrolled gas mixture and, thirdly, an increase in the measurement error of concentration over time, due to uncontrolled temporary drift of the interference parameters optical filter and radiation intensity meter.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является оптический газоанализатор, который содержит источник широкополосного излучения, блок формирования пучка излучения, термостатированную кювету, термостатированный интерференционный светофильтр, снабженный механизмом изменения его пространственной ориентации с возможностью фиксации трех ориентаций, измеритель интенсивности излучения и блок обработки и управления [2]. При этом источник излучения, светофильтр и измеритель интенсивности излучения выбраны работающими в ультрафиолетовом или видимом диапазонах спектра.The closest to the invention in technical essence is an optical gas analyzer, which contains a broadband radiation source, a radiation beam forming unit, a thermostated cuvette, a thermostatic interference filter, equipped with a mechanism for changing its spatial orientation with the possibility of fixing three orientations, a radiation intensity meter and a processing and control unit [ 2]. In this case, the radiation source, a light filter and a radiation intensity meter are selected operating in the ultraviolet or visible spectral ranges.

Основными недостатками этого газоанализатора является возрастание погрешности измерения концентраций компонентов газовой смеси, происходящей вследствие, во-первых, неконтролируемого временного дрейфа положения полосы пропускания и коэффициента пропускания интерференционного светофильтра и, во-вторых, изменения чувствительности измерителя интенсивности излучения от колебаний внешней температуры.The main disadvantages of this gas analyzer are the increase in the error in measuring the concentrations of the components of the gas mixture, which is due, firstly, to the uncontrolled temporal drift of the passband position and transmittance of the interference filter and, secondly, to changes in the sensitivity of the radiation intensity meter from fluctuations in external temperature.

Таким образом, как аналог, так и прототип обладают значительной погрешностью измерений концентраций контролируемых компонентов газовой смеси, что ограничивает возможность их применения для долговременного непрерывного контроля многокомпонентных газовых смесей в технологических процессах.Thus, both the analog and the prototype have a significant error in measuring the concentrations of the controlled components of the gas mixture, which limits the possibility of their use for long-term continuous control of multicomponent gas mixtures in technological processes.

Изобретение направлено на создание измерительного устройства, обладающего высокой чувствительностью, обеспечивающего возможность измерения двух компонентов газовой смеси и имеющего низкую погрешность при их долговременных непрерывных измерениях.The invention is directed to the creation of a measuring device with high sensitivity, providing the ability to measure two components of the gas mixture and having a low error during their long-term continuous measurements.

В соответствии с поставленной задачей заявляемое устройство содержит последовательно расположенные на оптической оси источник широкополосного излучения, блок формирования пучка излучения, термостатированную кювету, измеритель интенсивности излучения и подключенный к нему блок обработки и управления.In accordance with the task, the claimed device comprises a broadband radiation source sequentially located on the optical axis, a radiation beam forming unit, a thermostated cuvette, a radiation intensity meter and a processing and control unit connected to it.

Устройство отличается от прототипа тем, что в него между кюветой и измерителем интенсивности излучения введен кварцевый призменный монохроматор, перед выходной щелью которого помещена кварцевая пластина, сопряженная с механизмом изменения пространственной ориентации пластины, который подключен к управляющему выходу блока обработки и управления. При этом кварцевая призма монохроматора выведена из положения минимума отклонения на 20±5° в сторону больших углов падения пучка излучения на первую грань призмы, а механизм изменения пространственной ориентации кварцевой пластины выполнен с возможностью фиксации трех заданных ориентаций пластины. В дополнение к этому, измеритель интенсивности излучения заключен в блок термостатирования.The device differs from the prototype in that a quartz prism monochromator is inserted between the cuvette and the radiation intensity meter, in front of the output slit of which there is a quartz plate coupled to a mechanism for changing the spatial orientation of the plate, which is connected to the control output of the processing and control unit. In this case, the quartz prism of the monochromator is removed from the position of the minimum deviation by 20 ± 5 ° towards large angles of incidence of the radiation beam on the first face of the prism, and the mechanism for changing the spatial orientation of the quartz plate is made with the possibility of fixing three predetermined plate orientations. In addition to this, the radiation intensity meter is enclosed in a temperature control unit.

Введение в газоанализатор призменного монохроматора вместо интерференционного светофильтра позволяет избежать возрастания погрешности измерения концентраций компонентов газовой смеси из-за неконтролируемого временного дрейфа положения полосы пропускания и коэффициента пропускания интерференционного светофильтра, поскольку призма, как диспергирующий элемент призменного монохроматора, этими недостатками не обладает.The introduction of a prism monochromator into the gas analyzer instead of an interference filter allows avoiding an increase in the error in measuring the concentrations of the components of the gas mixture due to uncontrolled temporal drift of the passband position and transmittance of the interference filter, since the prism, as a dispersing element of the prism monochromator, does not have these disadvantages.

Выведение призмы монохроматора из положения минимума отклонения в сторону больших углов падения пучка излучения на первую грань призмы позволяет улучшить разрешение монохроматора, так как спектральные линии (изображение входной щели) становятся более узкими при практически той же дисперсии. Выбор величины угла в 20±5°, на который выведена призма из положения минимума отклонения, обусловлен тем, что при этих углах разрешение монохроматора увеличивается в 2-2.5 раза, а увеличение потерь света на отражения от первой грани призмы не превышает 30% [3].Removing the monochromator prism from the position of the deviation minimum towards large angles of incidence of the radiation beam on the first face of the prism improves the resolution of the monochromator, since the spectral lines (image of the entrance slit) become narrower with almost the same dispersion. The choice of the angle of 20 ± 5 °, at which the prism was removed from the position of the minimum deviation, is due to the fact that at these angles the resolution of the monochromator increases by 2-2.5 times, and the increase in light loss due to reflection from the first face of the prism does not exceed 30% [3 ].

Введение кварцевой пластины, снабженной механизмом изменения ее пространственной ориентации, в монохроматор перед его выходной щелью позволяет сканировать спектр в плоскости выходной щели без поворота призмы. Кварцевая пластина с механизмом изменения ее пространственной ориентации является устройством сдвига изображения и позволяет с высокой точностью сканировать спектр в небольшом диапазоне длин волн. Диапазон длин волн определяется толщиной кварцевой пластины и углом ее поворота относительно оси, параллельной выходной щели. Поскольку в газоанализаторе нет необходимости в сканировании спектра в большом участке длин волн, то предлагаемое устройство сканирования спектра проще стандартного механизма поворота призмы и позволяет с более высокой точностью сканировать спектр.The introduction of a quartz plate equipped with a mechanism for changing its spatial orientation into a monochromator in front of its output slit allows you to scan the spectrum in the plane of the output slit without rotating the prism. A quartz plate with a mechanism for changing its spatial orientation is an image shifting device and allows high-precision scanning of the spectrum in a small wavelength range. The wavelength range is determined by the thickness of the quartz plate and the angle of its rotation about an axis parallel to the exit slit. Since the gas analyzer does not need to scan the spectrum over a large portion of wavelengths, the proposed spectrum scanning device is simpler than the standard prism rotation mechanism and allows the spectrum to be scanned with higher accuracy.

Возможность фиксации трех заданных ориентации пластины с помощью механизма изменения пространственной ориентации кварцевой пластины позволяет проводить раздельное определение концентраций двух компонентов газовой смеси. Подключение механизма изменения пространственной ориентации пластины к управляющему выходу блока обработки и управления позволяет фиксировать ориентации пластины, заданные алгоритмом управляющей программы.The ability to fix three predetermined plate orientations using a mechanism for changing the spatial orientation of a quartz plate allows separate determination of the concentrations of two components of the gas mixture. The connection of the mechanism for changing the spatial orientation of the plate to the control output of the processing and control unit allows you to fix the orientation of the plate specified by the algorithm of the control program.

Термостатирование измерителя интенсивности излучения позволяет избежать дополнительных погрешностей измерений, связанных с изменением чувствительности измерителя интенсивности излучения от колебаний внешней температуры.Thermostating of the radiation intensity meter allows avoiding additional measurement errors associated with a change in the sensitivity of the radiation intensity meter from external temperature fluctuations.

На фиг.1 представлена блок-схема газоанализатора. На фиг.2 показаны спектры поглощения двух газовых компонент (окиси азота NO и двуокиси серы SO2) и предпочтительные, с точки зрения получения максимальной точности измерений, участки спектра пропускания монохроматора, заданные фиксированными положениями кварцевой пластины. На фиг.3 показан принцип сканирования спектра с помощью поворота кварцевой пластины.Figure 1 presents a block diagram of a gas analyzer. Figure 2 shows the absorption spectra of two gas components (nitric oxide NO and sulfur dioxide SO 2 ) and preferred, from the point of view of obtaining maximum measurement accuracy, portions of the transmission spectrum of the monochromator specified by the fixed positions of the quartz plate. Figure 3 shows the principle of scanning the spectrum by rotating the quartz plate.

Газоанализатор содержит источник широкополосного излучения 1, блок формирования пучка излучения 2, термостатированную кювету 3, кварцевый призменный монохроматор 4, кварцевую пластину 5 и измеритель интенсивности излучения 6. Кварцевая пластина 5 сопряжена с механизмом изменения ее пространственной ориентации 7. Выход измерителя интенсивности излучения 6 подключен к входу блока обработки и управления 8. Механизм изменения пространственной ориентации пластины 7 подключен к управляющему выходу блока обработки и управления 8.The gas analyzer contains a broadband radiation source 1, a radiation beam forming unit 2, a thermostated cuvette 3, a quartz prism monochromator 4, a quartz plate 5 and a radiation intensity meter 6. Quartz plate 5 is coupled with a mechanism for changing its spatial orientation 7. The output of the radiation intensity meter 6 is connected to the input of the processing and control unit 8. The mechanism for changing the spatial orientation of the plate 7 is connected to the control output of the processing and control unit 8.

В реализованном устройстве для определения концентраций окиси азота (NO) и двуокиси серы (SO2) в дымовых газах топливосжигающих установок в качестве источника широкополосного излучения 1 использована газоразрядная дейтериевая лампа ЛД2(Д). Блок формирования пучка излучения 2 представляет собой сферическое вогнутое зеркало, фокусирующее излучение лампы на входную щель монохроматора 4. Между блоком формирования пучка излучения 2 и входной щелью монохроматора 4 помещена термостатированная кювета 3 длиной 40 см и диаметром 3 см. Входное и выходное оптические окна кюветы выполнены из оптического кварца, прозрачного в ультрафиолетовой области спектра. Терморегулятор кюветы 3 настроен на температуру 40°С. Монохроматор 4 состоит из входной щели шириной 2 мм, коллиматорного зеркального объектива, кварцевой призмы с преломляющим углом 60°, камерного зеркального объектива и выходной щели шириной 1 мм. Между камерным зеркальным объективом и выходной щелью монохроматора размещена кварцевая пластина 5 толщиной 1 см. В качестве измерителя интенсивности излучения 6 использован фотоэлемент Ф-29.In the implemented device for determining the concentrations of nitric oxide (NO) and sulfur dioxide (SO 2 ) in the flue gases of fuel-burning plants, an LD2 (D) discharge lamp was used as a broadband radiation source 1. The radiation beam forming unit 2 is a spherical concave mirror focusing the radiation of the lamp onto the entrance slit of the monochromator 4. A temperature-controlled cell 3 with a length of 40 cm and a diameter of 3 cm is placed between the radiation beam forming unit 2 and the entrance slit of the monochromator 4. The input and output optical windows of the cell are made from optical quartz, transparent in the ultraviolet region of the spectrum. The temperature regulator of the cell 3 is set to a temperature of 40 ° C. Monochromator 4 consists of an entrance slit 2 mm wide, a collimator mirror lens, a quartz prism with a refracting angle of 60 °, a chamber mirror lens and an output slit 1 mm wide. A quartz plate 5 1 cm thick is placed between the chamber specular lens and the output slit of the monochromator. An F-29 photocell was used as a radiation intensity meter 6.

Механизм изменения пространственной ориентации кварцевой пластины 7 состоит из шагового двигателя ДШИ-200 с блоком управления и оптопары, излучатель и приемник которой пространственно разделены позиционирующим масочным фильтром (непрозрачный диск с узкой радиальной прорезью), закрепленным, как и кварцевая пластина, на валу двигателя.The mechanism for changing the spatial orientation of the quartz plate 7 consists of a DSHI-200 stepper motor with a control unit and optocouplers, the emitter and receiver of which are spatially separated by a positioning mask filter (an opaque disk with a narrow radial slot), mounted, like a quartz plate, on the motor shaft.

Структурные элементы блока обработки и управления 8 выполнены на основе серийно выпускаемых микросхем и других электрорадиоэлементов: операционные усилители К544УД1А и К140УД1208, преобразователь напряжение-частота К1108ПП1, датчик температуры ТМР01, датчик давления МРХ4115, микроконтроллер ATmega-103 и пр.The structural elements of the processing and control unit 8 are based on commercially available microchips and other electrical radio elements: operational amplifiers K544UD1A and K140UD1208, voltage-frequency converter K1108PP1, temperature sensor TMP01, pressure sensor MPX4115, microcontroller ATmega-103, etc.

Спектры поглощения окиси азота (NO) и двуокиси серы (SO2) расположены в ближней ультрафиолетовой области спектра (фиг.2), причем спектр окиси азота (20) представляет собой набор отдельных хорошо разрешенных электронно-колебательных полос, одна из которых показана на фиг.2, а спектр двуокиси серы (21) имеет вид единой полосы со слабо разрешенной колебательной структурой [4]. При этом полосы поглощения окиси азота полностью перекрываются полосой двуокиси серы. В качестве аналитической области спектра в устройстве, предлагаемом в данной заявке, использовался спектральный диапазон 225-230 нм. Выбор этого участка спектра обусловлен тем, что в нем сечения поглощения окиси азота и двуокиси серы имеют сравнимые по величине значения (~10-18 см2), что позволяет проводить измерения обоих компонентов газовой смеси с примерно одинаковой точностью. При измерениях окиси азота и двуокиси серы предлагаемым устройством использовались три фиксированных положения кварцевой пластины, соответствующих участкам спектра пропускания монохроматора с центрами 230 нм, 227 нм и 224 нм (22, 23 и 24 соответственно). Сканирование спектра с помощью поворота кварцевой пластины поясняется фиг 3.The absorption spectra of nitric oxide (NO) and sulfur dioxide (SO 2 ) are located in the near ultraviolet region of the spectrum (FIG. 2), and the spectrum of nitric oxide (20) is a set of separate well-resolved electron-vibrational bands, one of which is shown in FIG. .2, and the spectrum of sulfur dioxide (21) has the form of a single band with a weakly resolved vibrational structure [4]. In this case, the absorption bands of nitric oxide are completely overlapped by the strip of sulfur dioxide. As the analytical region of the spectrum in the device proposed in this application, the spectral range of 225-230 nm was used. The choice of this part of the spectrum is due to the fact that the absorption cross sections of nitric oxide and sulfur dioxide in it have comparable values (~ 10 -18 cm 2 ), which makes it possible to measure both components of the gas mixture with approximately the same accuracy. When measuring nitric oxide and sulfur dioxide, the proposed device used three fixed positions of a quartz plate corresponding to parts of the transmission spectrum of a monochromator with centers of 230 nm, 227 nm and 224 nm (22, 23 and 24, respectively). Scanning the spectrum by rotating the quartz plate is illustrated in FIG. 3.

Режим работы газоанализатора определяется программой, находящейся в памяти микроконтроллера блока обработки и управления (8). Газоанализатор работает следующим образом. При его включении источник (1) начинает испускать оптическое излучение, которое блоком (2) формируется в пучок, проходящий через термостатированную кювету (3), и фокусируется на входной щели монохроматора (4). Излучение, прошедшее входную щель монохроматора, попадает на коллиматорный зеркальный объектив, который формирует пучок, близкий к параллельному, и направляет его на переднюю грань призмы, выведенной из положения минимума отклонения на 20±5° в сторону больших углов падения. Пройдя призму, разложенное в спектр излучение попадает камерный зеркальный объектив, который направляет его на кварцевую пластину (5) и затем фокусирует в плоскости выходной щели монохроматора. Излучение в участке спектра, выделенном выходной щелью монохроматора, регистрируется измерителем интенсивности излучения (6). Измеренный сигнал поступает в блок обработки и управления (8).The gas analyzer operating mode is determined by the program located in the memory of the microcontroller of the processing and control unit (8). The gas analyzer operates as follows. When it is turned on, the source (1) begins to emit optical radiation, which is generated by the block (2) into a beam passing through the thermostated cell (3) and focuses on the entrance slit of the monochromator (4). The radiation passing through the entrance slit of the monochromator enters the collimator specular lens, which forms a beam close to parallel and directs it to the front face of the prism, which is extracted from the position of the minimum deflection by 20 ± 5 ° towards large incidence angles. After passing through a prism, the radiation decomposed into the spectrum enters a chamber mirror lens, which directs it to a quartz plate (5) and then focuses in the plane of the exit slit of the monochromator. The radiation in the spectral region identified by the output slit of the monochromator is recorded by a radiation intensity meter (6). The measured signal enters the processing and control unit (8).

Газоанализатор работает в непрерывном режиме, в ходе которого отрабатывается циклический алгоритм управляющей программы. В начале цикла блок обработки и управления (8) подает команду механизму изменения пространственной ориентации кварцевой пластины (7) на установку ее в положение, соответствующее пропусканию через выходную щель монохроматора (4) участка спектра с центром 230 нм (22 на фиг.2). После этого измеритель интенсивности излучения (6) проводит регистрацию сигнала (I1), величина которого записывается в память микроконтроллера блока обработки и управления (8). Затем блок обработки и управления (8) подает команду на установку кварцевой пластины (5) в положение, соответствующее пропусканию участка спектра с центром 227 нм (23 на фиг.2). Измеритель интенсивности излучения (6) проводит регистрацию сигнала (I2), величина которого записывается в память микроконтроллера блока обработки и управления (8). Далее блок обработки и управления (8) подает команду на установку кварцевой пластины (5) в положение, соответствующее пропусканию участка спектра с центром 224 нм (24 на фиг.2). Измеритель интенсивности излучения (6) проводит регистрацию сигнала (I3), величина которого записывается в память микроконтроллера блока обработки и управления (8). На основании полученных значений I1, I2 и I3 блок обработки и управления (8) проводит расчет концетраций молекул окиси азота NNO и двуокиси серы NSO2 в газовой смеси путем решения системы уравненийThe gas analyzer operates in a continuous mode, during which a cyclic control program algorithm is worked out. At the beginning of the cycle, the processing and control unit (8) gives a command to the mechanism for changing the spatial orientation of the quartz plate (7) to set it to the position corresponding to passing through the output slit of the monochromator (4) a portion of the spectrum centered at 230 nm (22 in FIG. 2). After that, the radiation intensity meter (6) records the signal (I 1 ), the value of which is recorded in the memory of the microcontroller of the processing and control unit (8). Then, the processing and control unit (8) gives the command to install the quartz plate (5) in the position corresponding to the transmission of the spectral section centered at 227 nm (23 in FIG. 2). The radiation intensity meter (6) registers the signal (I 2 ), the value of which is recorded in the memory of the microcontroller of the processing and control unit (8). Next, the processing and control unit (8) gives the command to install the quartz plate (5) in the position corresponding to the transmission of the spectrum with the center 224 nm (24 in figure 2). The radiation intensity meter (6) registers the signal (I 3 ), the value of which is recorded in the memory of the microcontroller of the processing and control unit (8). Based on the obtained values of I 1 , I 2 and I 3, the processing and control unit (8) calculates the concentration of nitrogen oxide molecules N NO and sulfur dioxide N SO2 in the gas mixture by solving the system of equations

I2/I1=a12NNO3NSO2+a4N 2 NO +a5N 2 SO2 +a6NNONSO2 I 2 / I 1 = a 1 + a 2 N NO + a 3 N SO2 + a 4 N 2 NO + a 5 N 2 SO2 + a 6 N NO N SO2

I3/I1=b1+b2NNO+b3NSO2+b4N 2 NO +b5N 2 SO2 +b6NNONSO2,I 3 / I 1 = b 1 + b 2 N NO + b 3 N SO2 + b 4 N 2 NO + b 5 N 2 SO2 + b 6 N NO N SO2 ,

где аi и bi - постоянные коэффициенты, численные значения которых определяются в процессе калибровки газоанализатора. Калибровка газоанализатора заключается в измерении значений I1, I2 и I3 в эталонных газовых средах с известными концентрациями молекул окиси азота NNO и двуокиси серы NSO2 и последующем определении коэффициентов аi и bi методом наименьших квадратов.where a i and b i are constant coefficients, the numerical values of which are determined during the calibration of the gas analyzer. Calibration of the gas analyzer consists in measuring the values of I 1 , I 2 and I 3 in reference gas environments with known concentrations of molecules of nitric oxide N NO and sulfur dioxide N SO2 and the subsequent determination of the coefficients a i and b i by the least squares method.

Решение приведенной системы уравнений осуществляется микроконтроллером блока обработки и управления (8) и производится итерационным способом, в котором в качестве "нулевого" приближения используются значения N0NO и N 0 SO2 , являющиеся решением упрощенной системы линейных уравненийThe solution of the given system of equations is carried out by the microcontroller of the processing and control unit (8) and is iterated in which the values of N 0 NO and N are used as the “zero” approximation 0 SO2 being a solution to a simplified system of linear equations

I2/I112N 0 NO 3N 0 SO2 I 2 / I 1 = a 1 + a 2 N 0 NO + a 3 N 0 SO2

I3/I1=b1+b2N 0 NO +b3N 0 SO2 .I 3 / I 1 = b 1 + b 2 N 0 NO + b 3 N 0 SO2 .

Этот итерационный алгоритм обеспечивает однозначный расчет концентраций молекул окиси азота NNO и двуокиси серы NSO2 в газовых смесях с точностью до 1 мг/м3 уже после двух итераций. Полученные значения концентраций молекул окиси азота NNO и двуокиси серы NSO2 пересчитываются для стандартных условий (температура 20°С и давление 101.3 кПа) и затем выводятся на цифровое табло блока обработки и управления (8) и аналоговые токовые выходы (0-5 мА) газоанализатора. На этом цикл алгоритма управляющей программы завершается. Весь цикл выполняется примерно за 10 секунд. Циклический алгоритм управляющей программы повторяется до тех пор, пока на газоанализатор подано питающее напряжение.This iterative algorithm provides an unambiguous calculation of the concentrations of molecules of nitric oxide N NO and sulfur dioxide N SO2 in gas mixtures with an accuracy of 1 mg / m 3 after two iterations. The obtained values of the concentrations of molecules of nitric oxide N NO and sulfur dioxide N SO2 are recalculated for standard conditions (temperature 20 ° С and pressure 101.3 kPa) and then displayed on a digital display of the processing and control unit (8) and analog current outputs (0-5 mA) gas analyzer. This completes the cycle of the control program algorithm. The entire cycle takes about 10 seconds. The cyclic algorithm of the control program is repeated until the supply voltage is applied to the gas analyzer.

Вышеприведенные выражения для отношений измеренных сигналов I2/I1 и I3/I1 получены стандартным путем в предположении справедливости закона Бугера при небольшом (меньше 0.2) коэффициенте поглощения оптического излучения. В этих выражениях учтено спектральное распределение интенсивности излучения источника (1), спектральное распределение чувствительности приемника (6), спектральное распределение сечений поглощения окиси азота (20 на фиг.2) и двуокиси серы (21 на фиг.2), величины участков спектра (22, 23 и 24 на фиг.2).The above expressions for the ratios of the measured signals I 2 / I 1 and I 3 / I 1 were obtained in the standard way under the assumption that the Bouguer law is valid for a small (less than 0.2) absorption coefficient of optical radiation. In these expressions, the spectral distribution of the radiation intensity of the source (1), the spectral distribution of the sensitivity of the receiver (6), the spectral distribution of the absorption cross sections of nitric oxide (20 in FIG. 2) and sulfur dioxide (21 in FIG. 2), and the values of the spectral regions (22) are taken into account , 23 and 24 in figure 2).

Макет предлагаемого газоанализатора и газоанализатор “ДОГ-3” (прототип) испытывались в лабораторных условиях, в ходе которых проверялась долговременная стабильность их показаний при использовании эталонной газовой смеси, содержащей 511 мг/м3 окиси азота и 486 мг/м3 двуокиси серы (остальное азот) в стандартных условиях (температура 20°С и давление 101.3 кПа). Результаты испытаний зафиксированы в акте испытаний. Испытания показали, что за период непрерывной работы газоанализаторов (27 дней) рост величины ошибки измерения концентраций составил:The model of the proposed gas analyzer and the DOG-3 gas analyzer (prototype) were tested in laboratory conditions, during which the long-term stability of their readings was checked using a reference gas mixture containing 511 mg / m 3 nitric oxide and 486 mg / m 3 sulfur dioxide (the rest nitrogen) under standard conditions (temperature 20 ° С and pressure 101.3 kPa). The test results are recorded in the test report. Tests have shown that over the period of continuous operation of gas analyzers (27 days), the increase in the concentration measurement error was:

- NO - 2.5 мг/м3 (0.5%) для предлагаемого макета и 10 мг/м3 (1.7%) для “ДОГ-3” (прототип);- NO - 2.5 mg / m 3 (0.5%) for the proposed layout and 10 mg / m 3 (1.7%) for “DOG-3” (prototype);

- SO2 - 3.5 мг/м3 (0.7%) для предлагаемого макета и 25 мг/м3 (4.9%) для “ДОГ-3” (прототип).- SO 2 - 3.5 mg / m 3 (0.7%) for the proposed layout and 25 mg / m 3 (4.9%) for “DOG-3” (prototype).

Таким образом, газоанализатор может автоматически, непрерывно и в реальном масштабе времени осуществлять измерение концентраций двух компонентов газовой смеси, при этом газоанализатор обладает улучшенной по сравнению с прототипом долговременной стабильностью за счет термостабилизации измерителя интенсивности излучения и замены интерференционного светофильтра кварцевым монохроматором с оригинальным устройством высокоточного сканирования спектра.Thus, the gas analyzer can automatically, continuously and in real time measure the concentrations of two components of the gas mixture, while the gas analyzer has improved long-term stability compared to the prototype due to thermal stabilization of the radiation intensity meter and replacement of the interference filter with a quartz monochromator with an original high-precision spectrum scanning device .

БиблиографияBibliography

1. Патент РФ №2029288, 20.02.1995. Бюл. №5.1. RF patent No. 2029288, 02.20.1995. Bull. No. 5.

2. Свидетельство на полезную модель РФ №19169, 21.06.1999.2. Certificate for a utility model of the Russian Federation No. 19169, 06/21/1999.

3. Лебедева В.В. Техника оптической спектроскопии. М.: Изд-во МГУ, 1986. С.201.3. Lebedeva VV The technique of optical spectroscopy. M .: Publishing house of Moscow State University, 1986. С.201.

4. Окабе X. Фотохимия малых молекул. М.: Мир, 1981. 500 с.4. Okabe X. Photochemistry of small molecules. M .: Mir, 1981. 500 s.

Claims (4)

1. Двухкомпонентный оптический газоанализатор, содержащий последовательно расположенные на оптической оси источник широкополосного излучения, блок формирования пучка излучения, термостатированную кювету, измеритель интенсивности излучения и подключенный к нему блок обработки и управления, отличающийся тем, что в него между кюветой и измерителем интенсивности излучения введен кварцевый призменный монохроматор, перед выходной щелью которого помещена кварцевая пластина, сопряженная с механизмом изменения пространственной ориентации пластины, которой подключен к управляющему выходу блока обработки и управления.1. A two-component optical gas analyzer containing a broadband radiation source sequentially located on the optical axis, a radiation beam forming unit, a thermostated cuvette, a radiation intensity meter and a processing and control unit connected to it, characterized in that a quartz crystal is inserted between the cuvette and the radiation intensity meter a prism monochromator, in front of the exit slit of which a quartz plate is placed, coupled with a mechanism for changing the spatial orientation plate, which is connected to the control output of the processing and control unit. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем кварцевая призма монохроматора выведена из положения минимума отклонения на 20±5° в сторону больших углов падения пучка излучения на первую грань призмы.2. The device according to claim 1, characterized in that the quartz prism of the monochromator is removed from the position of the minimum deviation of 20 ± 5 ° towards large angles of incidence of the radiation beam on the first face of the prism. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем механизм изменения пространственной ориентации кварцевой пластины выполнен с возможностью фиксации трех заданных ориентаций пластины.3. The device according to claim 1, characterized in that in it the mechanism for changing the spatial orientation of the quartz plate is made with the possibility of fixing three predetermined orientations of the plate. 4. Устройство по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что в нем измеритель интенсивности излучения термостатирован.4. The device according to claim 1, or 2, or 3, characterized in that in it the radiation intensity meter is thermostatically controlled.
RU2002133432/28A 2002-12-10 2002-12-10 Two-component optical gas analyzer RU2244291C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002133432/28A RU2244291C2 (en) 2002-12-10 2002-12-10 Two-component optical gas analyzer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002133432/28A RU2244291C2 (en) 2002-12-10 2002-12-10 Two-component optical gas analyzer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2002133432A RU2002133432A (en) 2004-06-10
RU2244291C2 true RU2244291C2 (en) 2005-01-10

Family

ID=34880823

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2002133432/28A RU2244291C2 (en) 2002-12-10 2002-12-10 Two-component optical gas analyzer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2244291C2 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nelson et al. New method for isotopic ratio measurements of atmospheric carbon dioxide using a 4.3 μm pulsed quantum cascade laser
Zahniser et al. Measurement of trace gas fluxes using tunable diode laser spectroscopy
Auble et al. An open path, fast response infrared absorption gas analyzer for H 2 O and CO 2
Crosson A cavity ring-down analyzer for measuring atmospheric levels of methane, carbon dioxide, and water vapor
CA1127865A (en) Method and device for analysis with color identification test paper
Rand Practical spectrophotometric standards
ES2212646T3 (en) PHOTOMETRIC PROCEDURE FOR THE DETERMINATION OF THE CALORIFY POWER OF A TEST GAS.
US4916645A (en) Continuous monochrometer drift compensation of a spectral monochromator
US3794425A (en) Scanning infrared spectroscopic analyzer using rotating variable filter
CN206740638U (en) A kind of double air chambers of parallel spectrochemical analysis for gases
RU2244291C2 (en) Two-component optical gas analyzer
JP2001516016A (en) NDIR photometer for measuring multiple components
Liu et al. A detection method for low concentrations of SO₂ and NO
Naciri et al. Fixed polarizer, rotating-polarizer and fixed analyzer spectroscopic ellipsometer: accurate calibration method, effect of errors and testing
JPH07198600A (en) Fourier transform multi-component continuous absorption analyzer
RU103400U1 (en) LABORATORY STAND FOR CREATION AND CONTROL OF CONCENTRATIONS OF GASES IN THE FORMATION OF THE BASIS OF SPECTRAL DATA AND ASSESSMENT OF TECHNICAL CHARACTERISTICS OF FOURIER SPECTRADRADIOMETERS
Bak et al. Signal-to-noise ratio of FT-IR CO gas spectra
Golden et al. Analytical lines for long-path infrared absorption spectrometry of air pollutants
Weidner Spectral reflectance
Grishkanich et al. SRS-sensor 13C/12C isotops measurements for detecting Helicobacter Pylori
RU2029288C1 (en) Gas analyzer
Geiko et al. Development and implementation of UV absorption gas analysis techniques for ecological monitoring of the atmosphere
RU19169U1 (en) TWO COMPONENT OPTICAL GAS ANALYZER
Kebabian et al. Nitrogen dioxide sensing using a novel gas correlation detector
CN118310983B (en) Gas concentration detection method and system

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE

Effective date: 20110817

PD4A Correction of name of patent owner
PD4A Correction of name of patent owner
QZ41 Official registration of changes to a registered agreement (patent)

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20110817

Effective date: 20130122