Способ определения концентрации веществ в газах и устройство для бездисперсионного газового анализа

 

Использование: изобретение относится к способу и устройству для определения концентраций веществ, содержащихся в газах. Сущность изобретения: способ заключается в пропускании через газ электромагнитного излучения и измерении интенсивности прошедшего излучения при длине волны, характеристической для регистрируемого вещества, причем измерения проводят по крайней мере при двух различных величинах давления содержащего вещество газа. При этом первое измерение проводят при постоянном первом давлении анализируемого газа, после чего давление газа понижают, и второе измерение ведут при втором постоянном газовом давлении и идентичном порядке измерения, затем из соотношения или разностей замеренных интенсивностей и значений давления определяют концентрацию этого вещества в газе математическим или графическим путем. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способу определения концентрации веществ в газах, при котором через газ пропускают модулированное электромагнитное излучение и измеряют интенсивность пропущенного через газ излучения, а также к устройству для бездисперсионного газового анализа.

Известен способ определения концентрации вещества в газах, заключающийся в пропускании через газ модулированного электромагнитного излучения и измерении интенсивности прошедшего газ излучения на характеристической для регистрируемого вещества длине волны, причем измерения проводят по меньшей мере при двух различных значениях давления газа [1] Однако согласно известному способу измерения возможны только в очень узком диапазоне давлений вокруг давления окружающей среды и давление в системе регулируют и оценивают также не непосредственно, а лишь предполагается посредством вызванного мембраной изменения объема, причем, однако, и это изменение объема из-за сложной формы колебаний давления должно происходить очень быстро, так что измерение представляет собой лишь сообщение о множестве периодически следующих друг за другом измерений. И по множеству измерений при (кратковременно) повышенном и (кратковременно) пониженном давлениях производят усреднение, причем оба этих давления могут отличаться лишь незначительно. Кроме того, согласно известному способу предполагается линейная зависимость между экстинкцией и концентрацией исследуемого вещества, что соответствует действительности только для низких концентраций. При более высоких концентрациях такое предположение приводит, однако, к неправильным результатам.

Известно устройство для бездисперсионного газового анализа, содержащее источник электромагнитного излучения и установленные по ходу излучения модулятор, камеру для анализируемого газа и приемник излучения, соединенный с регистрирующим устройством, причем камера имеет каналы для впуска и выпуска газа, один из которых соединен с насосом, а другой снабжен клапаном, а также датчик давления для регистрации давления в камере и блок управления с устройством измерения времени, соединенный с клапаном, насосом и регистрирующим устройством [2] Однако в известном устройстве сравнение интенсивности прошедшего через исследуемый объем при заданном давлении излучения осуществляется с сигналом, полученным при прохождении через нейтральный газ при атмосферном давлении, а также заложен принцип измерения, который не базируется на необходимости изменения температуры.

По существу это известное устройство сводится к применению нагнетательного насоса, но который имеет тот недостаток, что он, например, в виде испаряющегося насосного масла может содействовать загрязнению газовой смеси.

В основу изобретения положена задача создать такой способ и устройство описанного выше типа, которые позволили бы устранить вышеперечисленные недостатки, а также сравнительно с высокой точностью, очень быстро и простым путем определять концентрацию содержащегося в газах вещества.

Поставленная задача согласно способу решается за счет того, что после впуска газа в камеру при первом давлении камеру герметично закрывают и проводят первое измерение интенсивности при первом давлении, затем часть газа откачивают или выпускают из камеры и давление понижают до второго значения, камеру герметично закрывают и проводят второе измерение при втором давлении, определяют концентрацию вещества в газе из соотношения измеренных интенсивностей, значений давления, используя следующую зависимость: I/I₀ a₁exp(-a₂(p/p₀)c) + (1-a₁)exp(-a₃(p/p₀)c), где a₁, a₂, a₃ постоянные; c концентрация; I интенсивность излучения; I₀- интенсивность излучения при концентрации c=0; p давление; p₀ нормальное давление (1013 мВ).

Путем замера двух различных величин давления можно получить согласно вышеприведенному уравнению концентрацию x вещества, потому что на основании обеих известных величин давлений, по меньшей мере, также известно соотношение объемных концентраций, если в основу кладут общее уравнение состоянии для идеальных газов (в случае необходимости также и для реальных газов). В случае использования воздуха в качестве газа-носителя, комнатной температуры и атмосферного давления можно при хорошем приближении принять объемную концентрацию как пропорциональную давлению (идеальный газ).

Согласно предпочтительному примеру выполнения способа давление при первом измерении больше или равно внешнему атмосферному давлению.

Кроме того, по способу согласно изобретению давление при втором измерении меньше половины давления при первом измерении.

Кроме того, согласно изобретению желательно использовать принцип переменного света, когда измерение проводят в области инфракрасного диапазона и при комнатной температуре, потому что при комнатной температуре уже обнаруживается значительный фон инфракрасного излучения, который элиминируется измерением с переменным светом.

Желательно также наряду с давлением определять и температуру в камере и в случае необходимости провести математическую корректуру давления, если температуры между измерениями при различных давлениях явно отличаются друг от друга. Только из-за повышения избыточного давления или откачивания и достижения пониженного давления может произойти в газе, находящемся в камере, значительное изменение температуры, которое необходимо корректировать математически, применяя для этой цели вышеназванный закон, потому что ясная взаимосвязь между давлением и концентрацией имеет силу только в случае постоянной температуры. Однако можно также не приступать к измерениям до тех пор, пока не произойдет выравнивание температуры, что происходит в случае камер с небольшими объемами сравнительно скоро. Так для этого желательно использовать датчик температуры, например температурный зонд, который указывает выравнивание температуры. С целью достижения скорейшего выравнивания температуры газ можно при впуске в камеру предварительно нагреть до определенной величины, причем в случае необходимости можно также саму камеру сохранять с определенной температурой.

Поставленная задача согласно изобретению касательно устройства для бездисперсионного газового анализа решается за счет того, что в качестве насоса использован вакуумный насос, подсоединенный к каналу для выпуска газа, а блок управления соединен с датчиком температуры, установленным в тепловом контакте с камерой.

Предпочтительно, чтобы блок управления был соединен с датчиком давления.

Также предпочтительно, когда устройство согласно изобретению содержит устройства для нагрева камеры и/или канала для впуска газа, при этом камера и канал для впуска газа выполнены из материала с высокой теплопроводностью. Само собой разумеется, что можно оснастить соответствующими устройствами для нагрева также и канал выпуска. При помощи таких устройств и соответствующего управления термостатом можно поддерживать температуру камеры на постоянном уровне, вследствие чего также и газ в ней независимо от давления за очень короткое время принимает ее температуру. Это имеет силу, в частности, тогда, когда нагревают канал впуска газа и имеется сравнительное узкое проходное сечение. Само собой разумеется, что торцевые стенки камеры должны иметь окна для пропускания через них лучей. Для быстрого выравнивания температуры поперечные размеры камеры должны быть небольшими, благодаря чему быстро темперируют соответственно небольшой объем газа.

Дальнейшие преимущества, а также возможности применения настоящего изобретения рассмотрены ниже с помощью чертежей, на которых представлены предпочтительные примеры выполнения изобретения.

На фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства; на фиг.2 проведение цикла измерений (в схематическом виде); на фиг.3 -сравнительное протекание излучения в зависимости от концентрации абсорбирующего компонента в исследуемом газе и давлении.

На фиг. 1 показан источник излучения в виде излучателя 1, излучение которого проходит через камеру 3, причем это излучение попадает на приемник излучения 2 в виде детектора. Кроме того, схематически показан модулятор 12 и фильтр 13, причем этот фильтр пропускает только излучение, которое модулировано упомянутым модулятором частот, так что весь инфракрасный фон элиминируется и приемник излучения 2 принимает только исходящий из инфракрасного излучателя 1, модулированный модулятором свет. Камера 3 содержит канал впуска 4, запираемый магнитным клапаном 7, и канал выпуска 5, соединенный с вакуумным насосом 6. В закрытом между магнитным клапаном 7 и насосом 6 объеме находится датчик давления 10, причем в выпускном канале 5, а также датчик температуры в виде температурного зонда 11 в непосредственном контакте с содержащимся в камере 3 газом, причем здесь имеются не показанные на схеме средства защиты от прямого инфракрасного облучения излучением, исходящим из излучателя 1. По выбору температурный зонд можно устанавливать также в канале 4 впуска или же в канале выпуска 5.

Детектор 2 соединен с регистрирующим устройством 9, которое ведет регистрацию величин интенсивности инфракрасного излучателя 1 отмеченную детектором 2. Всей системой управляет блок управления 8, включающий в себя устройство для измерения времени.

Управление устройством согласно фиг. 1 лучше всего описано при помощи схемы последовательности операций, показанной на фиг.2. На этой схеме (фиг. 2) вдоль горизонтальной оси нанесено время t, а вдоль вертикальной оси давление p в камере 3. По существу можно различать четыре обозначенные цифрами с I по IV фазы. В начале измерительного цикла открыванием клапана 7 канал впуска 4 камеры 3 соединяется с источником подлежащего измерению газа. Поскольку еще не проводились никакие измерения с этим газом, можно включить насос 6 и сделать промывку камеры 3 для проведения первого измерения. После промывки насос 6 отключают.

Как только давление в камере 3 достигнет желаемой величины или установится равновесие давления с давлением источника газа, клапан 7 запирается (при постоянном давлении источника газа может сначала оставаться открытым). Такое наполнение камеры 3 и достижение постоянной величины давления p1 обозначено на фиг.2 как фаза I. После этого начинается фаза измерения, при которой устройство 8 управления заставляет регистрировать регистрирующее устройство 9 полученные детектором 2 величины. При этом устройство управления 8 или регистрирующее устройство одновременно ведут регистрацию определенного датчиком давления 10 давления и в случае необходимости также и определенную температурным зондом 11 температуру. Эта фаза измерения обозначена на фиг.2 цифрой II.

Поскольку клапан 7 перед этим не был заперт, то самое позднее к завершению фазы II магнитный клапан 7 запирается устройством управления 8. Тут же после этого в фазе III приводят в действие насос 6 и газ из камеры 3 откачивают до установления давления p2. В схеме последовательности операций, изображенной на фиг.2, величина давления p2 составляет приблизительно половину давления p1, но оно может быть также существенно более низким. При достижении давления p2 в конце фазы III насос отключают. Поскольку конструкция насоса не исключает возможности обратного потока газа, то в выпускном канале 5 перед насосом 6 следует точно так же устанавливать клапан, который может в случае необходимости запираться устройством управления до конца проведения фазы III.

Поскольку отсасывание происходит в медленном темпе, то малозаметное изменение температуры не должно регистрироваться. Если все же изменение температуры в камере 3 произошло, то по выбору проведение фазы III при отключенном насосе можно продолжать до тех пор, пока завершится выравнивание температуры. Альтернативно можно определять температуру, зарегистрированную температурным зондом 11, также и устройством управления и учитывать математическим путем проведения корректуры давления, замеренного датчиком давления 10.

Кроме того, газ можно темперировать уже на впуске, а также посредством стенки камеры 3, предварительно подогревая его управляемым устройством для нагрева, выполненным в виде термостата, до фиксированной величины. Выравнивание температуры происходит прежде всего относительно быстро также и тогда, когда стенка камеры и/или канала впуска и выпуска изготовлены из материала с хорошей теплопроводностью и когда весь объем устройства сравнительно небольшой, следовательно, камера 3 имеет незначительные поперечные размеры.

Как только фаза III завершена и достигнуто постоянное давление p2, устройство управления 8 вновь приводит в действие устройство регистрации 9 для регистрации полученных детектором величин интенсивности инфракрасного излучения. Эту фазу можно видеть на фиг.2, где она обозначена цифрой IV. При условии, что в обоих замерах была отмечена одинаковая температура и при сложившихся условиях давления и температуры применимо уравнение состояния для идеальных газов, можно передать протекание интенсивности в зависимости от концентрации и давления в очень хорошем приближении следующим уравнением:

при этом c (относительная) концентрация вещества при давлении p₀;
p фактическое давление;
a₁, a₂ и a₃ константы.

Ход этой кривой схематически показан на фиг.3, причем для имеющегося и не изменяющегося газа концентрацию следует считать постоянной. Соответствующие кривые для различных концентраций отличаются только фиксированным фактором, который кривая продлевает или сжимает.

Поскольку константы указанной выше функции можно получить одноразовым тарировочным измерением, кривая однозначно устанавливается измерением двух пунктов при различных давлениях и благодаря этому получают искомую концентрацию подлежащих установлению компонентов газа. На практике концентрацию получают из приведенного выше уравнения при помощи численного приближенного метода.

При помощи настоящего изобретения создан простой и в то же время сравнительно точный фотометрический метод газового анализа, причем соответствующее устройство отличается особенно простой конструкцией, потому что не требуется проведения ни отклонения измерительного инфракрасного луча, ни замены упомянутой камеры, ни замены газа на калибровочный или тарировочный газ.

Благодаря этому одновременно устраняется также и ряд источников ошибок, которые могут вызвать прежде всего длительные изменения основы измерения, как например постепенно загрязняющиеся окна заменяемых камер, постепенно меняющиеся температуры и временные изменения излучателя и детектора, которые при следующих одна за другой операциях измерения согласно изобретению не могут иметь существенного значения.

Формула изобретения

1. Способ определения концентрации веществ в газах, заключающийся в пропускании через газ модулированного электромагнитного излучения и измерении интенсивности прошедшего газ излучения на характеристической для регистрируемого вещества длине волны, причем измерения проводят по меньшей мере при двух различных значениях давления газа, отличающийся тем, что после впуска газа в камеру при первом давлении камеру герметично закрывают и проводят первое измерение интенсивности при первом давлении, затем часть газа откачивают или выпускают из камеры и давление понижают до второго значения, камеру герметично закрывают и проводят второе измерение при втором давлении, определяют концентрацию вещества в газе из соотношения измеренных интенсивностей, значений давления, используя следующую зависимость
I/I_о a₁exp(-a₂(Р/Р_о)c) + (1 a₁)exp (-a₃(Р/Р_о)c),
где a₁, a₂, a₃ постоянные;
c концентрация;
I интенсивность излучения;
I_о интенсивность излучения при концентрации c 0;
Р давление;
Р_о нормальное давление (1013 мВ).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление при первом измерении больше или равно внешнему атмосферному давлению.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что давление при втором измерении меньше половины давления при первом измерении.

4. Устройство для бездисперсионного газового анализа, содержащее источник электромагнитного излучения и установленные по ходу излучения модулятор, камеру для анализируемого газа и приемник излучения, соединенный с регистрирующим устройством, причем камера имеет каналы для впуска и выпуска газа, один из которых соединен с насосом, а другой снабжен клапаном, а также датчик для регистрации давления в камере и блок управления с устройством измерения времени, соединенный с клапаном, насосом и регистрирующим устройством, отличающееся тем, что в качестве насоса использован вакуумный насос, подсоединенный к каналу для выпуска газа, а блок управления соединен с датчиком температуры, установленным в тепловом контакте с камерой.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что блок управления соединен с датчиком давления.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что оно содержит устройства для нагрева камеры и/или канала для впуска газа, при этом камера и канал для впуска газа выполнены из материала с высокой теплопроводностью.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3