Спектральный способ оперативного определения малых концентраций азота и кислорода в газовых смесях с гелием и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к методам оперативного измерения малых концентраций азота (20...500 ррм) и кислорода (5...50 ррм) в смесях газов азота, кислорода и гелия. Техническим результатом является обеспечение одновременного измерения малых концентраций азота и кислорода в газовых смесях с гелием при давлении 0,2...2,0 атм. Сущность изобретения: в спектральном способе оперативного определения малых концентраций азота в газовых смесях с гелием, при котором измеряются и анализируются интенсивности спектральных линий возбуждаемых газовых смесей, одновременно с измерением интенсивности излучения азота и гелия дополнительно измеряют интенсивность излучения атомарного кислорода на λ_max=777,2 нм, а концентрации азота и кислорода вычисляют по формулам, приведенным в описании изобретения. Кроме того, предложенное устройство для осуществления способа содержит газовую камеру с оптическими окнами и разрядником, подключенным к источнику высокочастотного высоковольтного напряжения, датчик давления, светофильтр, пропускающий излучение азота, фотодиоды и связанный с ними вычислитель. Дополнительно в устройство введен интерференционный светофильтр на λ_max=777,2 нм и связанный с ним дополнительный фотодиод для регистрации излучения атомарного кислорода, с помощью которого с учетом излучения азота и гелия определяют концентрации кислорода и азота в газовых смесях с гелием. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к области эмиссионного спектрального анализа, а именно к датчикам измерения малых концентраций азота (20-500 ррм) и кислорода (5...50 ррм) в смесях с гелием.

Известны спектральные способы и устройства для их осуществления для определения концентрации азота в гелии [1] и кислорода в гелии [2].

Недостатком этих способов и устройств является невозможность одновременного измерения переменных концентраций азота и кислорода в гелии, либо измерения концентрации одного из этих компонентов в присутствии неизвестной концентрации другого компонента, поскольку наличие кислорода в гелии уменьшает интенсивность люминесценции азота, а наличие азота в гелии уменьшает интенсивность люминесценции кислорода.

Наиболее близким из известных технических решений к заявляемому техническому решению является выбранный в качестве прототипа спектральный способ оперативного определения малых концентрации азота в газовых смесях с гелием, при котором измеряется и анализируется интенсивность спектральных линий возбуждаемой газовой смеси, и устройство, содержащее газовую камеру с оптическими окнами, светофильтрами, фотоприемниками и газовым разрядником, на который подается высокочастотное высоковольтное напряжение [3].

Недостатком этого способа и устройства для его осуществления является невозможность точного измерения (+/- 20%) малых концентраций азота (20-500 ррм) при наличии кислорода в гелии, а также невозможность измерения концентрации кислорода в гелии.

Задачей изобретения является создание способа и устройства для оперативного и одновременного измерения малых концентраций азота в гелии при неизвестной или изменяющейся во времени концентрации кислорода, а также малых концентраций кислорода в гелии при неизвестной или переменной концентрации азота при давлениях смеси 0,2...2,0 атм.

Поставленная задача достигается тем, что в спектральном способе оперативного определения малых концентраций азота в газовых смесях с гелием, при котором измеряются и анализируются интенсивности спектральных линий возбуждаемых газовых смесей, одновременно с измерением интенсивности излучения азота и гелия дополнительно измеряют интенсивность излучения атомарного кислорода на λ_mах=777,2 нм, а концентрации азота и кислорода вычисляют по формулам:

[N₂]=A*K_О2+B*+K_N2+C*K²_О2+D*K²_N2+E*K_О2*K²_N2;

[O₂]=A’*K_О2+B’*K_N2+C’*K²_О2+D’*K²_N2+E’*K_О2*K_N2,

где K_О2=(U₀₂-U_О2t)/(U_He-U_Het); K_N2=(U_N2-U_N2t)/(U_He-U_Het);

[N₂] и [O₂] - концентрации азота и кислорода;

U_О2 - сигнал фотодиода, регистрирующего излучение атомарного кислорода на длине волны 777,2 нм;

U_N2 - сигнал фотодиода, регистрирующего излучение азота в диапазоне длин волн 390...560 нм;

U_Hе - сигнал фотодиода, регистрирующего излучение газовой смеси (гелия) в диапазоне длин волн 350...1100 нм;

U_О2t, U_Het, U_N2t - темновые сигналы фотодиодов;

А, А’, В, В’, С, С’, D, D’, Е, Е’ - коэффициенты, определяемые по калибровочным кривым для данного давления смеси методом наименьших квадратов в приближении двухмерной поверхности второго порядка.

Данная задача решается также тем, что устройство для оперативного определения малых концентраций азота в газовых смесях с гелием, содержащее газовую камеру с оптическими окнами и разрядником, подключенным к источнику высокочастотного высоковольтного напряжения, датчик давления, светофильтр, пропускающий излучение азота, фотодиоды и связанный с ними вычислитель, снабжено дополнительным интерференционным светофильтром на λ_max=777,2 нм и связанным с ним дополнительным фотодиодом для регистрации излучения атомарного кислорода, с помощью которого с учетом излучения азота и гелия определяют концентрации кислорода и азота в газовых смесях с гелием.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показано устройство, реализующее предложенный способ.

Устройство для оперативного и одновременного определения концентраций кислорода и азота в газовой смеси с гелием содержит газоразрядную камеру 1 с оптическими окнами 2, разрядником 3, датчиком давления 4, светофильтр 5, пропускающий диапазон длин волн λ=390...550 нм, интерференционный светофильтр 6, пропускающий длину волны λ=777,2 нм, три фотодиода, предназначенные для регистрации излучения азота 7, кислорода 8 и суммарного излучения 9 (в основном, излучения гелия), источник высокочастотного высоковольтного напряжения 10 и вычислитель 11, связанный с тремя фотодиодами и датчиком давления.

Способ осуществляется следующим образом.

Смесь газов азота, кислорода и гелия произвольной концентрации под давлением 0,2...2,0 атм возбуждается с помощью тлеющего высокочастотного газового разряда.

Возникающее при этом свечение азота в спектральном интервале λ=390...550 нм регистрируется фотодиодом 7, свечение кислорода на длине волны λ_мах=777,2 регистрируется фотодиодом 8, а полное свечение газового разряда, определяемое в основном свечением гелия (([N₂]+[O₂])/[Не])≤(6*10^-4) регистрируется фотодиодом 9.

Как показали наши исследования, наличие примесного газа кислорода в гелии до нескольких раз уменьшает измеренную без учета наличия кислорода концентрацию азота [3], а наличие примеси азота в гелии значительно уменьшает измеряемую без учета наличия азота концентрацию кислорода. Одновременная регистрация свечения азота, кислорода и гелия позволяет по вышеприведенным формулам вычислять малые концентрации азота и кислорода в гелии.

Устройство работает следующим образом.

Через герметичную газоразрядную камеру 1 с оптическими окнами 2, прозрачными в области длин волн излучения азота, кислорода и гелия (350...1100 нм), в которой размещается разрядник 3, датчик давления 4, продувается или после предварительной откачки камеры напускается смесь газов азота кислорода и гелия под давлением 0,2...2,0 атм. Концентрация азота не превышает 500 ррм, а концентрация кислорода не превышает 50 ррм. Газовая смесь возбуждается в газовом разряднике, подключенном к источнику 10 высокочастотного высоковольтного напряжения, при этом в тлеющем разряде генерируется излучение определенного спектрального состава. Интенсивность излучения, проходящего через оптическое окно 2 и светофильтр 5 с полосой пропускания 390...550 нм, регистрируется фотодиодом 7, интенсивность излучения, проходящего через оптическое окно 2 и интерференционный светофильтр 6 с λ_max=777,2 нм, регистрируется фотодиодом 8, полное излучение газовой смеси (гелия) регистрируется фотодиодом 9 в диапазоне длин волн 350...1100 нм. Одновременно датчиком давления 4 измеряется давление газовой смеси. Сигналы с фотодиодов 7, 8, 9 и датчика 4 поступают на вычислитель 11, который по предварительно измеренным темновым сигналам фотодиодов в отсутствие возбуждения смеси и сигналам фотодиодов при горении разряда вычисляет концентрации азота и кислорода по приведенным выше формулам.

Пример осуществления способа.

На макете устройства, выполненного в соответствии с чертежом, были проведены измерения интенсивности излучения азота и кислорода в смесях с гелием марки “А” при давлении 1,05 атм в режиме продувки газовой смеси из смесительного баллона объемом 2 л давлением 4 атм. Смесь продувалась с расходом 0,25 л/мин. Парциальное давление азота изменялось в пределах 20...540 ррм, а парциальное давление кислорода - в пределах 5...50 ррм. Излучение азота и кислорода, проходящие соответственно через светофильтр 5 из оптического стекла СЗС-23 и интерференционный светофильтр с λ_max=777,2 нм регистрировались высокочувствительными фотодиодами 7 и 8, а полное излучение газовой смеси регистрировалось фотодиодом ФД-256. Газовая смесь возбуждалась в тлеющем разряде с помощью разрядника с межэлектродным зазором 0,5 мм от источника напряжения 3 кВ, 20 кГц через балластное сопротивление 0,5 мОм.

Наши исследования показали, что интенсивность излучения азота, пропорционального (U_N2-U_N2t), и интенсивность излучения кислорода, пропорционального (U_O2-U_O2t), сильно зависит от концентрации и азота и кислорода. Причем полная интенсивность излучения газовой смеси (U_He-U_Het) слабо зависит от концентрации кислорода и в большей степени зависит от концентрации азота в указанных выше пределах концентраций. Например, присутствие в гелии 50 ррм кислорода изменяет интенсивность излучения азота более чем в два раза, а наличие 100 ррм азота изменяет интенсивность излучения кислорода более чем в два раза. Вычисления методом наименьших квадратов в приближении двухмерной поверхности второго порядка показали, что концентрация азота с точностью не хуже 15% при разбиении концентрации на два диапазона, и концентрация кислорода с точностью не хуже 8% во всем диапазоне описывается формулами

[N₂]=-24,17*K_N2-33,71*K_O2-59,38*K_O2+22,99*K²_N2

- для диапазона [N2]=20...100 ppm;

[N₂]=-159,15*K_O2-34,8*K_N2-5,97*K²_O2+26,9*K²_N2+177,2’*K_O2*K_N2

- для диапазона [N2]=100...500 ppm;

[O₂]=-15,27*K_O2-5,22*K_N2+8,56*K²_O2+0,39*K²_N2+51*K_O2*K_N2, гдe K_O2=(U_O2-U_O2t)/(U_He-U_Het); K_N2=(U_N2-U_N2t)/(U_He-U_Het);

[N₂] и [O₂] - концентрации азота и кислорода, ррм;

U_O2 - сигнал фотодиода, регистрирующего излучение атомарного кислорода на длине волны λ=777,2 нм;

U_N2 - сигнал фотодиода, регистрирующего излучение азота в диапазоне длин волн 390...560 нм;

U_Hе - сигнал фотодиода, регистрирующего излучение газовой смеси гелия в диапазоне 350...1100 нм;

U_O2t U_Het, U_N2t - тeмновые сигналы фотодиодов, измеряемые при выключенном разряде.

Сравнение экспериментальных данных с результатами расчетов и ошибка приближения приведены в таблице.

Предложенный способ и устройство позволяют обеспечить одновременное измерение малых концентраций азота и кислорода в газовых смесях с гелием при давлении 0,2...2,0 атм.

Источники информации, принятые во внимание

1. О.П. Бочкова, Е.Я. Шрейдер Спектральный анализ газовых смесей. Под ред. чл.-корр. АН СССР проф. С.Э. Фриша. Гос. издательство физ-мат. литературы, 1963 г., стр. 184, 185.

2. О.П. Бочкова, Е.Я. Шрейдер Спектральный анализ газовых смесей. Под ред. чл.-корр. АН СССР проф. С.Э. Фриша. Гос. издательство физ-мат. литературы, 1963 г., стр. 187.

3. Аристов Л.И., Керимов О.М. и др. Разработка аппаратуры измерения концентрации азота в гелии для топливных систем криогенных двигателей. Сборник тезисов третьего международного аэрокосмического экономического конгресса IAG-2000, Москва, август 2000 г., стр. 124, 125 (прототип).

Формула изобретения

1. Спектральный способ оперативного определения малых концентраций азота в газовых смесях с гелием, при котором измеряются и анализируются интенсивности спектральных линий возбуждаемой газовой смеси, отличающийся тем, что в газовой смеси гелия с азотом и кислородом неизвестной концентрации одновременно с измерением интенсивности излучения азота и гелия дополнительно измеряют интенсивность излучения атомарного кислорода на λ_max=777,2 нм, а концентрации азота и кислорода вычисляют по формулам

[N₂]=A·K_О2+B·K_N2+C·K²_О2+D·K²_N2+E·K_О2·K_N2;

[O₂]=A’·K_О2+B’·K_N2+C’·K²_О2+D’·K²_N2+E’·K_О2·K_N2,

где K_О2=(U_О2-U_О2t)/(U_He-U_Het);

K_N2=(U_N2-U_N2t)/(U_He-U_Het);

[N₂] и [O₂] - концентрации азота и кислорода;

U_О2 - сигнал фотодиода, регистрирующего излучение атомарного кислорода на длине волны 777,2 нм;

U_N2 - сигнал фотодиода, регистрирующего излучение азота в диапазоне длин волн 390...560 нм;

U_He - сигнал фотодиода, регистрирующего излучение газовой смеси (гелия) в диапазоне длин волн 350...1100 нм;

U_O2t, U_Het, U_N2t - темновые сигналы фотодиодов;

А, А’, В, В’, С, С’, D, D’, Е, Е’ - коэффициенты, определяемые по калибровочным кривым для данного давления смеси методом наименьших квадратов в приближении двухмерной поверхности второго порядка.

2. Устройство для оперативного определения малых концентраций азота в газовых смесях с гелием, содержащее газовую камеру с оптическими окнами и разрядником, подключенным к источнику высокочастотного высоковольтного напряжения, датчик давления, светофильтр, пропускающий излучение азота, фотодиоды и связанный с ними вычислитель, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным интерференционным светофильтром λ_max=777,2 нм и связанным с ним дополнительным фотодиодом для регистрации излучения атомарного кислорода, с помощью которого с учетом излучения азота и гелия определяют концентрации кислорода и азота в газовых смесях с гелием.

РИСУНКИ

Рисунок 1