close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15985

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2012.06.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 01N 21/35
(2006.01)
МНОГОКОМПОНЕНТНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР
(ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ
В ГАЗОВЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ
(21) Номер заявки: a 20080238
(22) 2008.03.04
(43) 2009.10.30
(71) Заявитель: Бахир Лина Павловна
(BY)
(72) Автор: Бахир Лина Павловна (BY)
(73) Патентообладатель: Бахир Лина Павловна (BY)
BY 15985 C1 2012.06.30
BY (11) 15985
(13) C1
(19)
(56) BY 6450 C1, 2004.
RU 98109215 A, 2000.
RU 53015 U1, 2006.
SU 1616320 A1, 1995.
SU 1146586 A, 1985.
SU 793102 A1, 1991.
UA 72629 C2, 2005.
EP 0349839 A2, 1990.
US 4746218, 1988.
DE 3238179 A1, 1984.
(57)
1. Многокомпонентный оптический газоанализатор для непрерывного во времени измерения концентраций в газовых гетерогенных системах, например, CO, NO, NO2, SO2 и
мелкодисперсных частиц углерода в потоке продуктов сгорания углеводородов, содержащий платино-керамический источник излучения, пироэлектрический приемник излучения, просвечивающий и приемный зеркальные объективы типа Кассегрена, установленные по автоколлимационной схеме и с фокусным расстоянием объективов 250 мм, c
диаметрами большого и малого зеркал 50 и 20 мм соответственно, причем малые зеркала
закреплены на трех перемычках, расположенных под углом 120° между собой; два зеркала
обратного хода из инвара размером 75×60×7 мм, установленные в просвечивающем пучке
с противоположной стороны потока продуктов сгорания; поворотную кассету с приводом
от шагового двигателя на 200 шагов, установленную перед пироэлектрическим приемником и содержащую восемь интерференционных фильтров диаметром 15 мм с длинами
волн максимального пропускания λm = 1,246; 3,78; 3,98; 4,78; 5,25; 6,27; 8,57 мкм и полушириной полосы пропускания ∆λ0,5 ≈ 1 %, один фильтр с λm = 6,27 мкм и ∆λ0,5 ≈ 3 %, размещенные в порядке увеличения длины волны, два корреляционных газовых фильтра в
Фиг. 1
BY 15985 C1 2012.06.30
виде стеклянных кювет с окнами из BaF2 диаметром 15 мм, толщиной приближенно
10 мм, наполненные смесью CO и NO с N2, совмещенные соответственно с двумя дополнительными интерференционными фильтрами с λm = 4,78 мкм для CO и 5,25 мкм для NO
и установленные рядом с ними, все фильтры закреплены в соответствующих гнездах поворотной кассеты посредством диска, выполненного с двенадцатью диафрагмами диаметром 10 мм и двенадцатью прорезями по краю диска, расположенными на осях диафрагм с
обеспечением установки соответствующих фильтров перед пироэлектрическим приемником по сигналу оптопары; два модулятора-прерывателя излучения, выполненные в виде
пластин с отогнутыми к источнику и приемнику под углом 45° концами с зеркальным покрытием с обеих сторон, каждый модулятор-прерыватель закреплен на оси шагового двигателя на 200 шагов, снабжен оптопарой и расположен вплотную соответственно к
входному отверстию просвечивающего и выходному отверстию приемного объективов
типа Кассегрена с возможностью их перекрывания с частотой 10 ± 0,01 Гц по управляющим сигналам контроллера; линзу опорного канала измерений из BaF2, проектирующую
пластину платино-керамического излучателя на пироэлектрический приемник в натуральную величину, с переменной диафрагмой для выравнивания потоков в опорном и измерительном каналах измерений газоанализатора; модулятор селективный, выполненный в
виде трехлопастного диска переключения кювет, снабженного оптопарой, укрепленного
на оси шагового двигателя на 20 шагов, размещенного в тени малого зеркала просвечивающего объектива типа Кассегрена, и блока из шести стеклянных кювет диаметром
15 мм с окнами из BaF2, три из которых заполнены N2, а три другие, чередующиеся с первыми, заполнены корреляционными смесями CO и NO с N2, причем трехлопастный диск
переключения кювет выполнен с возможностью установки в положение открытых троек
кювет с N2 и с корреляционными смесями CO и NO с N2 или с возможностью переключения троек кювет с частотой 2,5 ± 0,0025 Гц по управляющим сигналам контроллера; две
линзы из BaF2 соответственно для сбора расходящегося выходного пучка в фокальной
плоскости между зеркалами обратного хода для исключения потерь просвечивающего потока излучения и формирования симметричного ему поля зрения приемного канала газоанализатора; два зеркала опорного сигнала размером 75×60×7 мм из инвара с приводом от
шагового двигателя на 200 шагов, расположенные перед двумя линзами из BaF2 с возможностью ввода и вывода из пучка по управляющим сигналам контроллера; две черненые,
охлаждаемые проточной водой шторки с датчиками температуры и приводом от электромагнитов для обеспечения ввода или вывода шторок из пучка по управляющим сигналам
контроллера, расположенные за линзами из BaF2; три или четыре проточные измерительные кюветы диаметром 50 мм с окнами из BaF2, расположенные перед зеркалами опорного сигнала; три селективных оптико-акустических приемника излучения с выполненными
из стали приемными камерами глубиной приближенно 10 мм с окнами из BaF2, заполненными одним из упомянутых исследуемых газов или его смесью с N2, снабженными микрофонами, причем селективные оптико-акустические приемники установлены друг за
другом симметрично относительно плоскости изображения источника излучения при введенном зеркале модулятора-прерывателя, установленного на выходе приемного объектива
типа Кассегрена, а в качестве источника излучения выбран инфракрасный платинокерамический излучатель ИККИ-5×5 с размерами керамической пластины 5×5 мм, с напряжением 3 В, электрической мощностью 18 Вт, рабочей температурой 1500 К, в котором для возможности использования в качестве рабочего эталона яркости его платиновая
проволока припаяна к электродам с помощью лазерного луча, размещенный в теплоизоляционной камере, проградуированный по модели абсолютно черного тела (АЧТ) по яркости на фильтре с λm = 6,27 мкм и ∆λ0,5 ≈ 3 % и снабженный таблицей градуировки по
яркости излучения B6,27икки(URJ), записанной в память контроллера, где URJ - напряжение, падающее на образцовом резисторе RJ, впаянном в цепь платиновой проволоки
ИККИ-5×5.
2
BY 15985 C1 2012.06.30
2. Многокомпонентный оптический газоанализатор для непрерывного во времени одновременного измерения концентраций в газовых гетерогенных системах, например, CO,
CO2, H2O, СH4, NO, NO2, N2O, C2H2, C2H4 по их колебательно-вращательным спектрам в
продуктах сгорания углеводородов, отбираемых из реакторов неполного сгорания углеводородов, например, для получения водорода, очищенных от частиц и прокачиваемых через измерительные кюветы, содержащий инфракрасный платино-керамический излучатель ИККИ-5×5 с размерами керамической пластины 5×5 мм, установленный в фокальной
плоскости зеркального объектива типа Кассегрена с фокусным расстоянием 250 мм, с диаметрами большого и малого зеркал 50 и 20 мм, причем малое зеркало закреплено на трех
перемычках, расположенных под углом 120° между собой; один или два блока из шести
стеклянных кювет диаметром 15 мм с окнами из BaF2, три из которых заполнены N2, а три
другие, чередующиеся с первыми, выполнены с возможностью прокачки через них продуктов сгорания, установленные в выходящем из объектива параллельном пучке просвечивающего излучения; переключатель кювет, выполненный в виде трехлопастного диска,
снабженного оптопарой, установленного на оси шагового двигателя на 20 шагов, размещенного в тени малого зеркала просвечивающего объектива типа Кассегрена перед стеклянными кюветами, причем трехлопастный диск переключателя кювет выполнен с
возможностью установки в положение открытых троек кювет с N2 и прокачиваемых или с
возможностью переключения кювет с частотой 2,5 ± 0,0025 Гц по управляющим сигналам
контроллера; селективные оптико-акустические приемники, выполненные в виде двух
блоков из трехсекторных кювет из стали с углом раскрытия 120°, высотой примерно
20 мм и с окнами из BaF2, заполненных одним из исследуемых газов, например CO, СO2,
H2O, СH4, NO, NO2, или его смесью с N2, снабженных микрофонами, установленных друг
за другом после блоков стеклянных кювет симметрично относительно трех пар кювет с N2
и прокачиваемых; модулятор-прерыватель просвечивающего излучения, выполненный в
виде пластины, закрепленной на оси шагового двигателя на 200 шагов, снабженной оптопарой и установленной перед входным отверстием объектива типа Кассегрена с возможностью его перекрывания с частотой 10 ± 0,01 Гц по управляющим сигналам контроллера
и вывода пластины из просвечивающего пучка; газоанализатор выполнен с возможностью
производить измерения концентраций в прокачиваемых через кюветы продуктах сгорания
одновременно шести газов непрерывно во времени по сигналам селективного поглощения
Sαi шести оптико-акустических приемников, заполненных соответствующими корреляционными газами, при открытом модуляторе-прерывателе и качающемся трехлопастном
диске и по периодически измеряемым при работающем модуляторе-прерывателе сигналам
пропускания Sτi в положении трехлопастного диска открытой тройки прокачиваемых кювет и опорных сигналов Soi в положении открытой тройки кювет с N2, используя зависимости относительного корреляционного поглощения αi = Sαi/Soi и пропускания τI =
Sτi/Soi от произведения объемной концентрации Ri компоненты на толщину поглощающего слоя Z в тройке прокачиваемых кювет, по αi(Ri · Z) в нижнем диапазоне измеряемых
концентраций, а по τi(Ri · Z) в верхнем диапазоне.
3. Многокомпонентный оптический газоанализатор для непрерывного во времени одновременного измерения концентраций в газовых гетерогенных системах, например, CO,
CO2, H2O, СH4, NO, NO2, N2O, C2H2, C2H4 по их колебательно-вращательным спектрам в
продуктах сгорания углеводородов, отбираемых из реакторов неполного сгорания углеводородов, например, для получения водорода, очищенных от частиц и прокачиваемых через измерительные кюветы, по п. 2, отличающийся тем, что дополнительно содержит
приемный зеркальный объектив типа Кассегрена с фокусным расстоянием 250 мм, с диаметрами большого и малого зеркал 50 и 20 мм, причем малое зеркало закреплено на трех
перемычках, расположенных под углом 120° между собой, для непрерывного во времени
одновременного измерения концентраций водорода H2, кислорода O2, азота N2; блок из
шести стеклянных кювет диаметром 15 мм с окнами из BaF2, три кюветы в котором за3
BY 15985 C1 2012.06.30
полнены Ne, а три другие, чередующиеся с первыми, выполнены с возможностью прокачки через них продуктов сгорания; переключатель кювет, выполненный в виде трехлопастного диска, закрепленного на оси шагового двигателя на 20 шагов, размещенного в тени
малого зеркала объектива перед блоком кювет, снабженного оптопарой и с возможностью
установки по сигналу контроллера в два положения: на осях симметрии перемычек крепления малого зеркала; открытых троек кювет с Ne и прокачиваемых, а также с возможностью переключения кювет с частотой 2,5 ± 0,0025 Гц; модулятор-прерыватель просвечивающего излучения, выполненный в виде пластины, закрепленной на оси шагового
двигателя на 200 шагов, снабженной оптопарой, установленной перед выходным отверстием объектива с возможностью перекрывания его с частотой 10 ± 0,01 Гц по управляющим сигналам контроллера; просвечивающий источник излучения в трех линиях: 0,161;
0,185; 0,337 мкм электронно-колебательных переходов Лаймана H2, O2, N2, выполненный
в виде блока из трех пар стеклянных кювет диаметром 15 мм с окнами из CaF2, снабженных общими электродами и заполненных соответствующими смесями H2 с Ne, O2 с Ne и
N2 с Ne, с возможностью их возбуждения тлеющим разрядом и установленный перед блоком стеклянных кювет, со стороны которого на каждую пару окон стеклянных кювет нанесены полосовые полупроводниковые покрытия для выделения соответственно
упомянутых линий с длинами волн λi = 0,161; 0,185; 0,337 мкм, причем каждая пара кювет
просвечивающего источника совмещена с двумя кюветами блока стеклянных кювет, одна
из которых заполнена Ne, а вторая - прокачиваемая; три ультрафиолетовых кремниевых
фотодиода, установленные с возможностью регистрации излучения от просвечивающего
источника в линиях 0,161; 0,185; 0,337 мкм, прошедшего через три пары стеклянных кювет и приемный объектив типа Кассегрена, причем фотодиоды размещены за фокальной
плоскостью объектива типа Кассегрена в расходящихся пучках от сдвоенных излучающих
кювет просвечивающего источника на таком расстоянии, при котором оба пучка полностью помещаются на их площадках, а участок между блоком стеклянных кювет и фотодиодами заполнен Ne; кожух, закрывающий газоанализатор с обеспечением возможности
защиты от ультрафиолетового излучения, причем для возможности выбора требуемых
диапазонов измеряемых концентраций H2, O2, N2 каждая из трех прокачиваемых кювет в
блоке выполнена с возможностью изменения своей длины.
4. Способ непрерывного во времени измерения концентраций в газовых гетерогенных
системах, например, CO, NO, NO2, SO2 и мелкодисперсных частиц углерода в потоке продуктов сгорания углеводородов многокомпонентным оптическим газоанализатором по
п. 1, при котором измерения осуществляют в продуктах сгорания природного газа и мазута за дымососом котла на тепловой электростанции на участке потока толщиной 200 см,
выделенного продуваемыми рабочим воздухом трубами, после включения электронной
части и прогрева оптико-механической части газоанализатора выполняют процедуру базирования поворотной кассеты с остановкой на первом фильтре по сигналу оптопары по
прорези на краю диска, последовательно выполняют процедуры перехода на другие
фильтры с остановками по сигналу оптопары по прорезям на краю диска после выполнения шаговым двигателем заданного числа шагов, на всех фильтрах с длинами волн максимального пропускания λm, мкм = 1,246 (частицы углерода); 3,78 (частицы углерода); 3,98
(SO2); 4,78 (CO); 5,25 (NO); 6,27 (NO2); 8,57 (SO2), полушириной полосы пропускания
∆λ0,5 ≈ 1 %, а также на фильтре с λm = 6,27 мкм (Тпс), где Тпс - температура продуктов
сгорания, и ∆λ0,5 ≈ 3 %, для измерения концентраций упомянутых компонент и Тпс, зеркала опорного сигнала выводят из пучка, проточные кюветы диаметром 50 мм из оптикомеханической части газоанализатора удаляют, измеряют сигналы S среднего спектрального пропускания τ продуктов сгорания на одном из фильтров с длиной волны λ, установленных перед пироэлектрическим приемником Sτфλ, для чего трехлопастный диск
селективного модулятора устанавливают в положение открытой тройки кювет с N2 в блоке
из шести кювет, из пучка выводят пластину модулятора-прерывателя, расположенного
4
BY 15985 C1 2012.06.30
между приемным объективом типа Кассегрена и поворотной кассетой с фильтрами, выводят из просвечивающего и приемного пучков обе черненые шторки, включают модуляторпрерыватель, расположенный между источником и просвечивающим объективом типа
Кассегрена, причем излучение инфракрасного платино-керамического излучателя ИККИ5×5 с размером керамической пластины 5×5 мм, расположенной в фокусе просвечивающего объектива типа Кассегрена, прерываемое пластиной модулятора-прерывателя с частотой 10 ± 0,01 Гц и сформированное в параллельный пучок, пропускают через
трехлопастный диск, открытую тройку кювет с N2 блока из шести кювет, выходную линзу
из BaF2, далее через слой продуктов сгорания толщиной 200 см отражают зеркалами обратного хода, вторично пропускают через упомянутый слой продуктов сгорания и возвращают в оптико-механическую часть, причем оптическая толщина исследуемого слоя Z
составляет 400 см, далее упомянутое излучение пропускают через входную линзу из BaF2,
приемный объектив типа Кассегрена, установленный в поворотной кассете фильтр и фокусируют на пироэлектрическом приемнике; на каждом упомянутом фильтре измеряют
опорные сигналы пироэлектрического приемника Sфоλ, причем включают модуляторпрерыватель излучения ИККИ-5×5, вводят в пучок зеркальную пластину модуляторапрерывателя, установленного перед поворотной кассетой с фильтрами, перекрывающую
прошедший через продукты сгорания просвечивающий пучок излучения, причем излучение ИККИ-5×5 прерывают с частотой 10 ± 0,01 Гц, отражают зеркальной пластиной модулятора-прерывателя на линзу из BaF2 опорного канала, а затем отражают зеркальной
пластиной другого модулятора-прерывателя на фильтр и фокусируют на пироэлектрическом приемнике; на каждом упомянутом фильтре измеряют фоновые сигналы пироэлектрического приемника Sффλ, для чего вводят в приемный пучок черненую шторку,
включают модулятор-прерыватель, установленный между поворотной кассетой и приемным объективом типа Кассегрена, на фильтре с λm = 6,27 мкм (Тпс), с ∆λ0,5 ≈ 3 % дополнительно к измеренным сигналам среднего спектрального пропускания Sτф6,27 и фонового
Sфф6,27 измеряют сигнал спектральной яркости излучения продуктов сгорания SВ6,27пс,
для чего выводят черненую шторку из приемного пучка, вводят другую черненую шторку
в просвечивающий пучок и измеряют ее температуру Тш1, выводят из просвечивающего
пучка пластину модулятора-прерывателя и включают модулятор-прерыватель приемного
пучка; измеряют сигнал спектральной яркости излучения ИККИ-5×5 SВ6,27икки, для чего
вводят в просвечивающий пучок пластину модулятора-прерывателя и включают модулятор-прерыватель приемного пучка, одновременно измеряют напряжение URJ на образцовом резисторе RJ в цепи ИККИ-5×5; перед началом измерений сигналов пироэлектрического приемника пластины модуляторов-прерывателей устанавливают по сигналу
контроллера в положение открытого отверстия на упор, после чего пластины совершают
требуемое число шагов до положения закрытого отверстия, после чего их вводят в возвратно-колебательное движение "открыто-закрыто" с частотой 10 ± 0,01 Гц, начинают
оцифровку сигналов аналого-цифровым преобразователем после 5 периодов колебаний и
продолжают в течение 10 периодов колебаний пластин за 1 секунду при измерениях Sτфλ,
Sфоλ и SВ6,27икки, а при измерении Sффλ и SВ6,27пс - в течение 2,5 секунд, оцифрованные
сигналы записывают в оперативную память, соответственно по десяти или двадцати пяти
их максимальным значениям рассчитывают средние квадратичные значения сигналов и
погрешности их измерения и записывают в файл результатов под тем же именем в виде
таблиц изменения их во времени для каждого фильтра, по ним рассчитывают среднее
спектральное пропускание продуктов сгорания τфλ = Sτфλ/Sфоλ·OFλ, где OFλ - коэффициент учета различия светосилы опорного и измерительного каналов измерений; по URj и
таблице градуировки B6,27икки(URJ) находят яркость излучения источника B6,27икки, затем
рассчитывают яркость излучения потока продуктов сгорания, измеренную на фоне черненой шторки, B6,27пс = B6,27икки · SВ6,27пс/SВ6,27икки, Вт/см-1см2ср, значение функции Планка по5
BY 15985 C1 2012.06.30
тока
Bо6,27(Тпс) = (B6,27пс - τфпс6,27 · Во6,27(Тш1))/(1 - τфпс6,27)),
Вт/см-1см2ср,
где
о
B 6,27(Тш1) - значение функции Планка черненой шторки при ее измеренной температуре
Тш1, К, затем рассчитывают температуру потока продуктов сгорания Тпс,
К = 1,439νln(0,1191 · 10-11·ν3/Во6,27(Тпс) + 1), где ν = 1595,4 см-1, ν3 = 4,061 · 109 см-3; по
средним спектральным пропусканиям частиц углерода в продуктах сгорания τф1,246 и
τф3,78 на участках спектра свободных от колебательно-вращательных полос молекул, выделяемых фильтрами с λm = 6,27и 3,78 мкм, находят концентрации частиц углерода по
формулам, полученным из уравнения дисперсии аморфного углерода для релеевских частиц: Gч(1,246) = 103 · lnτф1,246(ч)/(0,0143 · Z), Gч(3,78) = 103 · lnτф3,78(ч)/(0,00495 · Z),
мг/м3, где Z = 400 см - оптическая толщина диагностируемого слоя продуктов сгорания,
по измеренной концентрации частиц углерода Gч находят спектральные пропускания частиц углерода τф3,98(ч), τф6,27(ч), τф8,57(ч) на фильтрах с λm = 3,98; 6,27; 8,57 мкм соответственно, производят учет поглощения частиц углерода делением на них
измеренных значений пропускания продуктов сгорания τфпс3,98/τф3,98(ч) = τф3,98(SO2);
τфпс6,27/τф6,27(ч) = τф6,27(NO2 + H2O); τфпс8,57/τф8,57(ч) = τф8,57(SO2 + H2O, CO2), по
полученным значениям находят объемные концентрации SO2 в двух диапазонах и NO2 путем обращения к таблицам градуировок τрф3,98(SO2) = f(RSO2·Z) и τрф8,57(SO2 + H2O,
CO2) = f(RSO2·Z), τрф6,27(NO2 + H2O) = f(RNO2 · Z), где R - объемная концентрация газа,
рассчитанным для продуктов сгорания природного газа и мазута, с учетом поглощения на
указанных длинах волн основных продуктов сгорания H2O и СO2, содержание которых
составляет 17 и 11 % и 11 и 15 % соответственно; причем используют программу компьютера, содержащую указанные таблицы градуировок при средней температуре продуктов
сгорания 450 К, при этом диапазоны измеряемых концентраций по среднему спектральному пропусканию продуктов сгорания составляют: частиц углерода на фильтре
1,246 мкм от 15 до 300 мг/м3, на фильтре 3,78 мкм от 30 до 650 мг/м3; CO на фильтре
4,78 мкм от 2 до 50/1000 ррМ; NO на фильтре 5,18 мкм от 2 до 100/1000 ррМ; NO2 на
фильтре 6,27 мкм от 5 до 100/500 ррМ; SO2 на фильтре 3,98 мкм от 1500 до 20000 ррМ;
SO2 на фильтре 8,57 мкм от 100 до 4000 ррМ; для расширения нижнего диапазона измерения концентраций CO и NO на фильтрах с λm, мкм = 4,78 (CO) и 5,25 (NO) используют
модулятор селективный, причем выводят из пучков пластины обоих модуляторовпрерывателей, качают трехлопастный диск модулятора селективного с частотой
2,5 ± 0,0025 Гц и проводят измерения сигналов S поглощения α продуктов сгорания при
селективной модуляции просвечивающего излучения корреляционными газами Sαсм в
тройке корреляционных кювет блока из шести кювет селективного модулятора, где
Sαсм4,78(CO) = Sτф4,78 - Sτфк4,78; Sαсм5,25(NO) = Sτф5,25 - Sτфк5,25, находят относительное корреляционное поглощение αсмλ = Sαсмλ/Sτфλ, а затем по зависимостям от
произведения парциального давления газовой компоненты Ri, ppM, на толщину слоя продуктов сгорания Z = 400 см, αсм4,78(RCO · Z) и αсм5,25(RNO · Z), рассчитанным для природного газа и мазута при средней температуре потока 450 К, помещенным в таблицы
градуировок, находят объемные концентрации CO и NO; упомянутые выше измерения
выполняют по циклам, каждый цикл по 30 секунд, после измерения и перед началом измерений по следующим циклам для исключения накопления ошибок исполнения шагов
осуществляют процедуру базирования на первом фильтре; причем обеспечивают измерение вышеуказанного набора параметров с более высокой точностью при отсутствии модулятора селективного при светосиле на порядок большей и большем отношении
сигнал/шум, причем при измерении концентраций CO и NO корреляционным методом после измерения на фильтрах с λm, мкм = 4,78 (CO) и 5,25 (NO) среднего спектрального пропускания измеряют сигналы корреляционного поглощения продуктов сгорания
Sαфк4,78(CO) = Sτф4,78 - Sτфк4,78 и Sαфк5,25(NO) = Sτф5,25 - Sτфк5,25, для чего выводят из обоих пучков зеркальные пластины модуляторов-прерывателей, качают диск с
6
BY 15985 C1 2012.06.30
фильтрами и устанавливают по щелям на краю диска по сигналу оптопары попеременно
соседние гнезда поворотной кассеты, в которых размещены одиночные и совмещенные с
каждым из упомянутых фильтров кюветы, заполненные смесями CO и NO с N2 соответственно, с частотой 2,5 Гц, измерения ведут в течение 2,5 секунд, определяют среднеквадратические значения и погрешности измерений, записывают в память результаты, вводят в
оба пучка зеркальные пластины модуляторов-прерывателей и аналогичным образом измеряют сигналы корреляционного поглощения газами CO и NO в кюветах в опорном канале
Sαфкоλ = Sфоλ - Sфкоλ, находят корреляционное пропускание на каждом фильтре
τфкλ = Sαфкλ/Sαфкоλ, затем делением результата на τфλ, измеренного ранее, учитывают
поглощение инородных компонент, по найденным значениям τфк4,78/τф4,78 и
τфк5,25/τф5,25 находят концентрации указанных газов по расчетным таблицам градуировок τрфк4,78(RCO · Z) для CO и τрфк5,25(RNO · Z) для NO при оптической толщине слоя
продуктов сгорания Z = 400 см; причем обеспечивают определение корреляционным методом из числа упомянутых газов концентрации CO, NO, NO2 в более чем на порядок низком диапазоне измеряемых концентраций и при меньшем влиянии поглощения
налагающихся полос основных продуктов сгорания, для чего включают модуляторпрерыватель просвечивающего пучка, выводят зеркальную пластину модуляторапрерывателя из приемного пучка и измеряют опорные сигналы Sкоi одновременно трех
оптико-акустических приемников, вводят зеркальную пластину модулятора-прерывателя
в приемный пучок и измеряют сигналы корреляционного пропускания продуктами сгорания Sτкi, рассчитывают корреляционные пропускания τкi = Sτкi/Sкоi трех упомянутых
компонент и по ним находят концентрации CO, NO, NO2 при помощи рассчитанных зависимостей τркCO(RСО · Z), τркNO(RNO · Z) и τркNO2(RNO2 ·Z); посредством многокомпонентного оптического газоанализатора обеспечивают определение пироэлектрическим
приемником спектрального поглощения αфλ на любом из установленных в поворотной
кассете фильтров и одновременно корреляционные поглощения αкi тремя оптикоакустическими приемниками, для чего включают оба модулятора-прерывателя таким образом, чтобы их пластины соответственно открывали и закрывали выходное и входное отверстия просвечивающего и приемного объективов типа Кассегрена в противофазе, и
измеряют сигналы спектрального поглощения и излучения продуктов сгорания Sф(α + ε)λ
и S(α + ε)i, вводят черненую шторку в просвечивающий пучок, включают модуляторпрерыватель в приемном пучке, выводят пластину модулятора-прерывателя из просвечивающего пучка и измеряют сигналы собственного излучения среды Sфελ и Sεi, включают
модулятор-прерыватель в просвечивающем пучке, вводят в приемный пучок зеркальную
пластину модулятора-прерывателя и измеряют опорный сигнал пироэлектрического приемника Sфоλ, выводят зеркальную пластину модулятора-прерывателя из приемного пучка
и измеряют опорный сигнал оптико-акустического приемника Sоi, находят относительные
поглощения среды αфλ = (Sф(α + ε)λ - Sфελ)/Sфоλ и αi = (S(α + ε)I - Sεi)/Sоi и по найденным αфλ и αi определяют концентрации упомянутых молекулярных газов в нижнем диапазоне по расчетным таблицам градуировок αрфλ(Ri · Z) и αрi(Ri · Z), производят
измерения сигналов пропускания пироэлектрического приемника Sτфλ, для чего включают модулятор-прерыватель в просвечивающем пучке и выводят пластину модуляторапрерывателя из приемного пучка, затем при включенном модуляторе-прерывателе в просвечивающем пучке вводят зеркальную пластину модулятора-прерывателя в приемный
пучок и измеряют сигналы пропускания оптико-акустического приемника Sτi, находят
пропускания продуктов сгорания τфλ = Sτфλ/Sфоλ и τi = Sτi/Sоi и по ним определяют
концентрации в верхнем диапазоне по расчетным таблицам градуировок τрфλ(Ri · Z) и
τрi(Ri · Z), причем переходом от измерения сигналов пропускания к измерениям сигналов
поглощения упомянутым образом многокомпонентный оптический газоанализатор авто7
BY 15985 C1 2012.06.30
матически переключает диапазоны измеряемых концентраций любой из компонент молекулярных газов в процессе измерений.
Настоящее изобретение относится к области дистанционно управляемых компьютером оптических газоанализаторов и может быть использовано для определения непрерывно во времени концентраций токсичных молекулярных примесей CO, NO, NO2, SO2 и
частиц углерода непосредственно в потоке промышленных выбросов (вариант 1), а также
CO, CO2, H2O, CH4, H2, O2, N2 и других компонент в продуктах горения, отбираемых из
реакторов неполного сгорания углеводородов для получения водорода, прокачиваемых
через измерительные кюветы (варианты 2 и 3).
Высокий уровень развития информационных технологий в Беларуси предоставляет в
настоящее время широкие возможности использования управляемых компьютером оптических газоанализаторов в народном хозяйстве для экологического контроля производств
и окружающей среды и делает задачу создания отечественных оптических газоанализаторов особенно актуальной.
В Европе и США промышленностью выпускаются и широко используются дистанционно управляемые компьютером оптические газоанализаторы двух типов: основанные на
использовании интерференционных и газовых корреляционных фильтров или дисперсионных элементов для получения спектра в ультрафиолетовой, видимой или в инфракрасной областях спектра.
Газоанализатор фирмы PROCAL PULSI 5000L с дифракционной решеткой, дейтериевой лампой и кремниевой диодной линейкой с рабочей областью 190 ÷ 450 нм выполнен в
виде зонда с главной линзой из CaF2 и рефлектором, обдуваемых воздухом, с размерами
измерительной щели в нем 0,5 м. Имеет минимальные диапазоны измеряемых концентраций: NO и NO2 (0-50 ppM), SO2, H2S (0-20 ppM) при н.у. на 1 м. Аналогичные дисперсионные газоанализаторы фирмы SICK GM 30-5P и GM 30-6P имеют следующие
максимальные значения измеряемых концентраций в двух диапазонах: для NH3 - 30/150,
SO2 - 150/3500, NO - 10/1000 и соответственно для SO2 - 100/16000, NO - 150/5000, NO2 200/2000 мг/м3 при н.у. на 1 м, быстродействие 100 % шкалы за 4 секунды (минимум).
Недостаток работающих в ультрафиолете газоанализаторов обусловлен тем, что поглощение мелкодисперсных частиц углерода резко возрастает с уменьшением длины волны. Поэтому в измерительную щель зонда необходимо устанавливать керамические
фильтры для улавливания частиц, как это сделано в газоанализаторах PULSI 5000L и GM
30-2P, GM 30-5P и GM 30-6P фирмы SICK. Это существенно усложняет эксплуатацию газоанализаторов.
Актуальным для целей и экологического контроля выбросов, и оптимизации процесса
горения в котлах ТЭС является определение концентрации окиси углерода CO, которое
может быть осуществлено только по основной колебательно-вращательной полосе 0-1 CO,
расположенной в инфракрасной области спектра. И если необходимо измерять в требуемых конечных значениях измерительных диапазонов, наряду с концентрацией CO-150/1000, концентрации NO - 100/500, NO2 - 100/500, SO2 - 2000 мг/м3, то потребуются два
прибора фирмы SICK, один из которых работает в инфракрасном, другой - в ультрафиолетовом диапазоне, а именно: измеритель концентраций оксида углерода GM 910 и многокомпонентный газоанализатор GM 30-6P.
Зарубежные управляемые компьютером оптические газоанализаторы для определения
концентраций в потоке продуктов сгорания имеют высокую стоимость, в связи с чем оказываются недоступными для широкого использования в Беларуси. Кроме того, согласно
данным ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, погрешности их измерений составляют 30 %. Требуется создание отечественных, значительно более точных оптических газоанализаторов.
Прототипом первого варианта газоанализатора МКОГА-1 является инфракрасный газоанализатор PULSI 200LR [6]. Он содержит закрытую нихромовую нить в качестве источника просвечивающего излучения, пироэлектрический приемник излучения, главную и
8
BY 15985 C1 2012.06.30
рабочую линзы из CaF2, формирующие сходящийся просвечивающий пучок, который после прохождения исследуемого потока продуктов сгорания отражается рефлектором и в
виде веерообразно расходящегося пучка возвращается на линзы, проходит через интерференционные и корреляционные газовые фильтры, размещенные во вращающейся кассете,
и фокусируется на приемнике. Рабочий спектральный диапазон 2-12 мкм. Выполнен в виде зонда с измерительной щелью длиной 0,5 м, длиной образца 1 м (двухкратное прохождение пучка излучения через поток). Крепится на стенке газохода, рабочая линза и
рефлектор обдуваются воздухом. Позволяет измерять до 6 компонент с погрешностью
± 2 % от максимума шкалы за 45-90 секунд, минимальные диапазоны для NH3, C4H10, CO2,
C3H6, SO2, C3H2Cl3 0-100 ppM, для CO, C2H6 0-200 ppM, NO, CH4 0-300 ppM, NO2
0-250 ppM, H2O 0-2000 ppM.
При создании отечественных оптических газоанализаторов для контроля промышленных выбросов необходимо учитывать, что в продуктах сгорания наряду с традиционно
контролируемыми примесями NO, NO2, SO2 и CO могут присутствовать CH4, H2CO, N2O,
H2CO2, NH3, O3, OCS, HCN, CS, HNO3, C2H4, C2H6, H2S, H2SO3 и другие токсичные примеси, а также основные продукты сгорания CO2 и H2O, имеющие большое число колебательно-вращательных (К-В) полос, частицы мелкодисперсного углерода со сплошным
спектром поглощения и рассеивающие частицы золы. Они также могут ослаблять просвечивающее излучение на используемых для диагностики участках спектра. В проспектах
выпускаемых оптических газоанализаторов о наложении полос газов, сплошного спектра
частиц, а также их учете ничего не говорится, и они не позволяют это делать.
В связи с этим следует отметить преимущества использования в газоанализаторах селективных оптико-акустических приемников. Модулированное излучение источника,
прошедшее через исследуемую среду, поглощается одним из исследуемых газов, помещенным в кювету приемника, снабженную микрофоном, в большом количестве спектральных линий в пределах всех его колебательно-вращательных полос. Суммарный
поток поглощенного им излучения в связи с этим существенно превышает пороговую
мощность приемника. Это позволяет использовать корреляционные смеси с меньшей поглощающей массой и более узкими линиями и тем самым снизить влияние инородных
молекулярных компонент и частиц на оптико-акустический сигнал, а в ряде случае его
полностью исключить. Благодаря этому корреляционный метод при использовании COАП
позволяет измерять значительно более низкие концентрации и с более высокой точностью, чем при использовании неселективных инфракрасных приемников с интерференционными и газовыми фильтрами.
Примером этого является инфракрасный газоанализатор Uras14 ABB, являющийся
прототипом второго варианта газоанализатора МКОГА. В нем излучатель из нихромовой
проволоки установлен в фокусе параболического зеркала. Выходящий пучок излучения
просвечивает две полукруглые кюветы, одна из которых наполнена азотом, а через другую прокачиваются отобранные из котла предварительно очищенные от частиц продукты
сгорания. Диск, установленный перед кюветами, при вращении открывает то одну кювету,
то другую с частотой 10 Гц. Прошедшие через кюветы обе части пучка попеременно попадают на два установленных друг за другом селективных оптико-акустических приемника. Каждый из них наполнен одним из двух исследуемых газов. Под действием
прошедшего через кюветы модулированного излучения в результате поглощения изучения молекулярным газом в спектральных линиях их колебательно-вращательных полос
возникают акустические волны интенсивностью, пропорциональной поглощению (концентрации) того же газа в прокачиваемой кювете, регистрируемые микрофоном. При длине прокачиваемой кюветы 10-20 см наименьшие диапазоны измеряемых концентраций,
Ri, ppM, составляют, например, CO 0-20, CO2 0-5, NO 0-150, SO2 0-25, N2O 0-50, H2O 0500. Отметим, однако, что столь высокая чувствительность достигается не только за счет
указанных выше преимуществ селективных оптико-акустических приемников, но и за
9
BY 15985 C1 2012.06.30
счет высокой светосилы параболического зеркала, собирающего излучение нихромовой
проволоки в пределах почти 4π стерадиан.
Задачей первого варианта настоящего изобретения являлось создание многокомпонентного управляемого компьютером газоанализатора для непрерывных во времени измерений концентраций CO, NO, NO2, SO2 и других газообразных компонент, а также частиц
углерода непосредственно в потоке продуктов сгорания природного газа и мазута за дымососом котла на ТЭС, обладающего высокими быстродействием и точностью определения концентраций, простотой конструкции, значительно более широкой областью
применения при низкой удельной стоимости по сравнению с зарубежными аналогами.
При просвечивании протяженных потоков продуктов сгорания на ТЭС реализовать высокую светосилу сложно. И в этом нет необходимости, поскольку такие же низкие диапазоны измеряемых концентраций достигаются за счет большей оптической толщины потоков
продуктов сгорания. Кроме того, поглощающие массы указанных газов в потоке продуктов сгорания достаточно высокие. Очевидные преимущества использования инфракрасной области спектра для диагностики токсичных примесей в продуктах сгорания
углеводородных топлив - это возможность определения концентрации CO и меньшее поглощение частиц.
1. В состав газоанализатора МКОГА-1 для определения концентраций CO, NO, NO2,
SO2 и частиц углерода в потоке продуктов сгорания углеводородных топлив за дымососом
котла на ТЭС входят оптико-механический блок (ОМБ) с размещенной в нем электронной
частью, узел зеркал обратного хода (УЗОХ) и базовый компьютер, снабженный программой управления и обработки данных. ОМБ и УЗОХ устанавливают по разные стороны газохода на участке за дымососом котла на расстоянии друг от друга 5 м. ОМБ
располагается в отапливаемом помещении специально оборудованного домика, а УЗОХ на балке под кожухом. На участках между ОМБ и потоком продуктов сгорания, а также
между потоком продуктов сгорания и УЗОХ установлены трубы, продуваемые рабочим
воздухом для вытеснения из них продуктов сгорания и дыма и выделения участка потока
продуктов сгорания толщиной 200 см. Уменьшение толщины необходимо для снижения
поглощения основными продуктами сгорания CO2 и H2O. В связи с двухкратным прохождением просвечивающего излучения через поток толщина диагностируемого слоя потока
продуктов сгорания составляет Z = 400 см.
Оптико-механическая часть газоанализатора МКОГА-1 представлена на фиг. 1 и содержит: платино-керамический излучатель ИККИ-5×5, 3 В, 18 Вт, с размерами керамической пластины 5×5 мм, рабочей температурой до 1500 К (ИККИ) 1; высокочувствительное
пироэлектрическое устройство "Рута" с размерами площадки 2×2 мм, пороговой чувствительностью Фп ≤ 2×10-10 Вт/ Гц-1/2 (ПЭП) 2; два зеркальных объектива типа Кассегрена
ОБ1 и ОБ2, просвечивающий и приемный, с фокусным расстоянием 250 мм, диаметрами
большого и малого зеркал 50 и 20 мм, малыми зеркалами, закрепленными на трех перемычках, расположенных под углом 120° 3; два зеркала обратного хода размером 75×60×7 мм
из инвара, установленные в просвечивающем пучке с противоположной стороны потока
продуктов сгорания 4; поворотную кассету, имеющую 12 гнезд, с приводом от шагового
двигателя на 200 шагов, установленную перед ПЭП, с восьмью интерференционными
фильтрами диаметром 15 мм с длинами волн максимального пропускания λm = 1,246; 3,78;
3,98; 4,78; 5,25; 6,27; 8,57 мкм, полушириной ∆λ0,5 ≈ 1 % и с λm = 6,27 мкм, ∆λ0,5 ≈ 3 %,
размещенными в порядке увеличения длины волны, двумя корреляционными газовыми
фильтрами, выполненными в виде стеклянных кювет с окнами из BaF2 диаметром 15 мм, с
оптической толщиной примерно 10 мм, наполненных смесями CO и NO с N2, совмещенными соответственно с двумя другими фильтрами с λm = 4,78 мкм для CO и 5,25 мкм для
NO, установленными рядом с соответствующими одиночными фильтрами 5; два модулятора-прерывателя излучения с частотой 10 ± 0,01 Гц, выполненные в виде пластин с отогнутыми к источнику и приемнику под углом 45° концами с зеркальным покрытием с
10
BY 15985 C1 2012.06.30
обеих сторон, закрепленные на осях двух шаговых двигателей на 200 шагов, снабженные
оптопарами и расположенные перед входным и выходным отверстиями объективов 6;
линзу опорного канала измерений из BaF2, проектирующую пластину излучателя ИККИ
на приемник ПЭП, с относительным отверстием, равным относительному отверстию объективов, с диафрагмой для выравнивания потока в опорном и измерительном каналах 7;
один модулятор селективный, включающий в себя 3-лопастный диск переключения кювет
с оптопарой, закрепленный на оси шагового двигателя на 20 шагов, размещенного в тени
малого зеркала объектива 8, блок из 6 стеклянных кювет с окнами из BaF2, три кюветы
которого наполнены азотом, а три другие, чередующиеся с первыми, наполнены смесями
CO и NO с N2 9; две линзы из BaF2, собирающая расходящийся выходной пучок в фокальной плоскости между зеркалами обратного хода 4 для исключения потерь просвечивающего потока излучения и формирующая симметричное поле зрения приемного канала 10;
два зеркала опорного сигнала размером 75×60×7 мм из инвара с приводом от шагового
двигателя на 200 шагов для "ввода-вывода" из пучка 11; черненые, охлаждаемые проточной водой шторки с датчиками для измерения их температуры и приводами от электромагнитов для "ввода-вывода" шторок в пучок 12; две, три проточные измерительные
кюветы диаметром 50 мм с окнами из BaF2 13; два, три селективных оптико-акустических
приемника с выполненными из стали приемными камерами диаметром и глубиной примерно 10 мм, наполненными одним из исследуемых газов или его смесью с азотом, снабженными микрофонами, установленные друг за другом симметрично относительно
плоскости изображения источника при введенной пластине зеркального модулятора на
выходе приемного объектива (COАП) 14.
Инфракрасный платино-керамический излучатель ИККИ-5×5 имеет выравненный
спектр излучения Викки(T,λ) = εикки(λ)В°(T,λ) благодаря запатентованному составу керамической пластины с резко падающей излучательной способностью ε(λ) начиная с 1 мкм в
сторону более коротких длин волн. Благодаря этому при использовании инфракрасных
интерференционных светофильтров фоновая составляющая сигнала в коротковолновой
области становится незначительной. Нагревающая керамическую пластину размерами
5×5 мм платиновая проволока пропущена через три канала в ней, обеспечивая эффективный нагрев ее излучающей поверхности, и припаяна к электродам лазерным лучом. В ее
цепь впаяно образцовое сопротивление величиной RJ ≈ 0,06 ом, по падению напряжения
на котором URJ, mB, измеряют ток накала платиновой проволоки Jикки = URJ ·103/RJ, A. Излучатель ИККИ-5×5 помещен в телоизоляционный кожух, чтобы не создавать конвективных потоков в ОМБ. В таком виде его используют не только в качестве просвечивающего
источника, но и в качестве рабочего эталона спектральной яркости излучения на длине
волны 6,27 мкм. В связи с резким падением сопротивления платиновой проволоки при нагреве зависимость яркости от тока чрезвычайно резкая, благодаря чему контроль яркости
по току осуществляется с высокой точностью. Для определения зависимости Bикки6,27(URJ)
на входе канала измерений ОМБ устанавливают термостат с моделью А.Ч.Т., нагретой до
температуры 180 ÷ 200 ± 0,1 °С, измеряемой хромель-копелевой термопарой. Изменяя ток
накала ИККИ, измеряют напряжения U(RJ), сигналы излучения ИККИ SBикки(URJ) при введенных зеркалах ЗОС1 и ЗОС2 и сигналы излучения модели А.Ч.Т. SBачт(Тачт) при выведенных ЗОС1 и ЗОС2. Спектральную яркость излучения модели А.Ч.Т. определяют по ее
температуре Тачт в градусах К из функции Планка В°6,27(Tачт), а спектральные яркости излучения ИККИ - умножением ее на отношение соответствующих сигналов Викки6,27(URJ) =
В°6,27(Tачт)·SBикки(URJ)/SBачт(Tачт). Полученную зависимость Bикки6,27 (URJ) заносят в таблицу
градуировки.
Базовый компьютер газоанализатора располагают в щитовой котла. Связь компьютера
с газоанализатором, удаленным на 500 м, осуществляется через токовую петлю.
Газоанализатор МКОГА-1 может быть выполнен также в виде зонда, устанавливаемого непосредственно на газоходе.
11
BY 15985 C1 2012.06.30
Задачей второго и третьего вариантов настоящего изобретения является создание многокомпонентного управляемого компьютером газоанализатора для непрерывного измерения во времени одновременно концентраций CO, CO2, H2O, CH4, H2, O2, N2 и других
компонент в продуктах горения, отбираемых из реакторов неполного сгорания углеводородов для получения водорода, предварительно охлажденных и очищенных от частиц, непрерывно прокачиваемых через измерительные кюветы.
Многокомпонентный оптический газоанализатор для определения концентраций CO,
CH4, H2O, CO2, H2, O2, N2 в продуктах неполного сгорания углеводородов, прокачиваемых
через кюветы выполнен по оптико-механической схеме, приведенной на фиг. 2 (второй и
третий варианты). По существу он состоит из двух газоанализаторов, осуществляющих
измерения концентраций CO, CH4, H2O, CO2 и других газов по их пропусканию в колебательно-вращательных полосах в инфракрасной области спектра и концентраций H2, O2, N2
по их пропусканию на электронно-колебательных переходах Лаймана, расположенных в
ближней ультрафиолетовой области, соответственно в линиях 0,161; 0,185; 0,337 мкм
(третий вариант).
2. Многокомпонентный газоанализатор МКОГА-2 для непрерывных измерений во
времени CO, CO2, H2O, CH4 и других гетерогенных молекулярных газов содержит платино-керамический излучатель ИККИ-5×5 1, установленный в фокальной плоскости зеркального объектива типа Кассегрена с фокусным расстоянием 250 мм, диаметрами
большого и малого зеркал 50 и 20 мм, малым зеркалом, закрепленным на трех перемычках, расположенных под углом 120°, формирующего параллельный пучок просвечивающего излучения 3, два блока из 6 стеклянных кювет диаметром 15 мм с окнами из BaF2,
три кюветы в которых наполнены азотом, а через три другие, чередующиеся с первыми,
непрерывно прокачивают отобранные из реактора продукты неполного сгорания углеводородов 15, переключатель кювет, выполненный в виде 3-лопастного диска, закрепленного на оси шагового двигателя на 20 шагов, размещенного в тени малого зеркала объектива
3, снабженного оптопарой и установленного перед блоками кювет, селективные оптикоакустические приемники, выполненные из стали в виде блоков из 3 секторных кювет с углом раскрытия 120°, высотой примерно 20 мм с окнами из BaF2, снабженных микрофонами, установленные друг за другом 16, модулятор-прерыватель просвечивающего
излучения с частотой 10 ± 0,01 Гц 17, выполненный в виде пластины, закрепленной на оси
шагового двигателя на 200 шагов, снабженной оптопарой и установленный перед входным отверстием объектива 3. С помощью контроллера и программы диск переключения
кювет может быть установлен по осям перемычек в положения открытых троек прокачиваемых кювет и открытых троек кювет с азотом, а также переключать кюветы с частотой
2,5 ± 0,025 Гц. При работающем модуляторе измеряют сигналы пропускания Sτi(t) одновременно шести COАП в положении диска переключения открытых троек прокачиваемых
кювет в течение заданного времени, затем опорные сигналы Soi в положении диска открытых троек кювет с азотом в течение 1 секунды, рассчитывают пропускания
τi(t) = Sτi(t)/Soi и, обращаясь к расчетным таблицам градуировок τpi(Ri·Z), занесенным в
программу, находят объемные концентрации Ri(t). Требуемые диапазоны измеряемых
концентраций CO, CO2, H2O, CH4 и других компонент устанавливают путем изменения
длины каждой из трех прокачиваемых кювет. Для расширения нижнего диапазона измерений проводят измерения сигналов поглощения Sαi(t) при открытой пластине модулятора и качающемся диске переключения кювет в течение заданного времени, затем при
работающем модуляторе в положении диска переключения кювет открытых троек кювет с
азотом измеряют опорные сигналы Soi в течение 1 секунды, рассчитывают поглощения
αi(t) = Sαi(t)/Soi и, обращаясь к расчетным таблицам градуировок αpi(Ri·Z), занесенным в
программу, находят объемные концентрации Ri(t).
Преимущества МКОГА-2 перед газоанализатором Uras-14 состоят в том, что в нем
использован более высокотемпературный источник просвечивающего излучения с вырав12
BY 15985 C1 2012.06.30
ненным спектром излучения, что он позволяет измерять относительные корреляционные
пропускания τкi и поглощения αкi различных гетерогенных молекулярных газов в прокачиваемых через кюветы продуктах сгорания и благодаря этому использовать для определения их концентраций градуировочные таблицы τкi(Ri·Z), αкi(Ri·Z), рассчитанные с
очень подробным шагом по объемным концентрациям Ri, ∆Ri ≤ 1 % Ri, учетом предстоящих кювет COАП и реально снизить погрешности измерений до 2 %. Количество одновременно диагностируемых им газов в три раза больше: шесть вместо двух. Диапазоны
измеряемых концентраций переключаются автоматически путем перехода от измерений
пропусканий τкi к измерениям поглощений αкi.
3. Многокомпонентный газоанализатор МКОГА-3, отличающийся тем, что дополнительно содержит зеркальный объектив типа Кассегрена с фокусным расстоянием 250 мм,
диаметрами большого и малого зеркал 50 и 20 мм, малым зеркалом, закрепленным на трех
перемычках, расположенных под углом 120°, в качестве приемного 3, блок из 6 стеклянных кювет диаметром 15 мм с окнами из BaF2, в котором три кюветы наполнены неоном,
а через три другие, чередующиеся с первыми, непрерывно прокачивают отобранные из
реактора продукты неполного сгорания углеводородов, очищенные от частиц 15, переключатель кювет, выполненный в виде 3-лопастного диска, закрепленного на оси шагового двигателя на 20 шагов, размещенного в тени малого зеркала объектива, устанавливаемый с помощью контроллера и программы по осям перемычек в положения
открытых троек кювет с неоном и прокачиваемых, а также переключающий кюветы с частотой 2,5 ± 0,0025 Гц 8, модулятор-прерыватель излучения с частотой 10 ± 0,01 Гц, выполненный в виде пластины, закрепленной на оси шагового двигателя на 200 шагов,
установленный на выходе объектива 3, при этом использованы три просвечивающих источника излучения в линиях 0,161; 0,185; 0,337 мкм электронно-колебательных переходов
Лаймана водорода H2, кислорода O2, азота N2, выполненные в виде блока из трех пар
стеклянных кювет диаметром 15 мм с окнами из CaF2, снабженных общими электродами,
наполненных каждая своей смесью: H2:Ne, O2:Ne, N2:Ne, с возможностью их возбуждения
тлеющим разрядом, установленные перед блоком из трех пар измерительных кювет, причем на каждую пару окон которой нанесены полосовые полупроводниковые покрытия для
выделения соответственно линий 0,161; 0,185; 0,337 мкм, каждая пара излучающих кювет
совмещена с двумя кюветами измерительного блока, наполненной неоном и прокачиваемой 15, и для регистрации его излучения в указанных линиях, прошедшего через три пары
измерительных кювет, фокусирующий объектив 3, установлены три ультрафиолетовых
кремниевых фотодиода, размещенные за фокальной плоскостью в расходящихся пучках
от 3 сдвоенных излучающих кювет на расстоянии, при котором оба пучка полностью помещаются на их площадках 19, участок между излучающими кюветами и фотодиодами
продувают неоном. Требуемые диапазоны измеряемых концентраций H2, O2, N2 устанавливают путем изменения длины каждой из трех прокачиваемых кювет. Для определения
одновременно и непрерывно во времени концентраций H2, O2, N2 измеряют при работающем модуляторе сигналы пропускания Sτλ(t) одновременно трех фотодиодов в положении
диска переключателя открытых троек прокачиваемых кювет в течение заданного времени,
затем опорные сигналы Soλ в положении диска переключателя открытых троек кювет с
неоном в течение 1 секунды, рассчитывают пропускания τλ(t) = Sτλ(t)/Soλ и по ним, обращаясь к соответствующим расчетным таблицам градуировок τPλ(Ri⋅Z), занесенным в
программу, находят объемные концентрации Ri(t). Для расширения нижнего диапазона
измерений проводят измерения сигналов поглощения во времени Sαλ(t) = [Soλ-Sτλ(t)] при
открытом модуляторе 17 и качающемся диске переключения кювет 8, затем измеряют при
работающем модуляторе опорные сигналы Soλ в положении диска переключения кювет
открытой тройки кювет с неоном в течение 1 секунды, рассчитывают поглощения
αλ(t) = Sαλ(t)/Soλ и по ним находят объемные концентрации Ri(t) с помощью расчетных
таблиц градуировок αpλ(Ri⋅Z), занесенных в программу.
13
BY 15985 C1 2012.06.30
4. Разработан следующий способ определения концентраций гетерогенных молекулярных газов CO, NO, NO2, SO2 и мелкодисперсных частиц углерода в потоке продуктов
сгорания природного газа и мазута за дымососом котла на ТЭС многокомпонентным оптическим газоанализатором МКОГА-1. После включения электронной части и прогрева
оптико-механического блока газоанализатора выполняют процедуру базирования с остановкой на первом фильтре по сигналу оптопары на прорези на краю диска, а затем последовательно выполняют процедуры перехода на другие фильтры с остановками по сигналу
оптопары по прорезям на краю диска после выполнения шаговым двигателем заданного
числа шагов; на всех фильтрах с длинами волн максимального пропускания λm = 1,246
(частицы); 3,78 (частицы); 3,98 (SO2); 4,78 (CO); 5,25 (NO); 6,27 (NO2); 8,57 (SO2) мкм, полушириной полосы пропускания ∆λ0,5 ≈ 1 %, а также фильтре с λm = 6,27 мкм (Тпс),
∆λ0,5 ≈ 3 % для определения концентраций указанных в скобках компонент и температуры
продуктов сгорания Тпс проводят измерения сигналов (S) среднего спектрального (индексы ф и λ) пропускания (индекс τ) продуктов сгорания (индекс пс) пироэлектрического
приемника, Sτфпсλ, при этом зеркала опорного сигнала выведены, проточные кюветы
диаметром 50 мм из оптико-механического блока удалены, трехлопастный диск селективного модулятора установлен в положение открытой тройки кювет с азотом в блоке из
шести кювет, выводят из пучка пластину модулятора-прерывателя, расположенного между приемным объективом и кассетой с фильтрами, выводят из просвечивающего и приемного пучков обе шторки, включают модулятор-прерыватель, расположенный между
источником и просвечивающим объектовом, излучение пластины платино-керамического
излучателя, расположенной в фокусе просвечивающего объектива, прерываемое пластиной модулятора-прерывателя с частотой 10 ± 0,01 Гц, сформированное в параллельный
пучок, проходит через трехлопастный диск, открытую тройку кювет с N2 блока из шести
кювет, выходную линзу из BaF2, через слой продуктов сгорания, отражается зеркалами
обратного хода, второй раз проходит через слой продуктов сгорания, возвращается в оптико-механический блок, где проходит через входную линзу из BaF2, приемный объектив,
установленный в кассете фильтр и фокусируется на пироэлектрическом приемнике; затем
на каждом фильтре (индексы ф и λ) измеряют опорные сигналы (индекс о) пироэлектрического приемника, Sфоλ, при этом включают модулятор-прерыватель излучения источника, вводят в пучок зеркальную платину модулятора-прерывателя, установленного перед
кассетой с фильтрами, перекрывающей прошедший через продукты сгорания просвечивающий пучок излучения, при этом излучение источника прерывается с частотой 10 ± 0,01
Гц и отражается зеркальной пластиной модулятора-прерывателя на линзу из BaF2 опорного канала, а затем отражается зеркальной пластиной другого модулятора на фильтр и фокусируется на пироэлектрическом приемнике; затем на каждом фильтре (индексы ф и λ)
измеряют фоновые (индекс ф) сигналы пироэлектрического приемника, Sффλ, при этом
вводят в приемный пучок шторку, включают модулятор-прерыватель, установленный между кассетой и приемным объективом; на фильтре с λm = 6,27(Тпс), мкм, ∆λ0,5 ≈ 3 % дополнительно к измеренным, как указано выше, сигналам среднего спектрального
пропускания Sτфо6,27 и фонового Sфф6,27 измеряют сигнал спектральной яркости излучения (индекс B_6,27) продуктов сгорания (индекс пс), SB6,27пс, для этого выводят шторку из
приемного пучка, вводят шторку в просвечивающий пучок и измеряют ее температуру
Тш1, выводят из просвечивающего пучка пластину модулятора-прерывателя и включают
модулятор-прерыватель приемного пучка; затем измеряют сигнал спектральной яркости
излучения платино-керамического источника (индекс икки), SB_6,27_икки, для этого вводят в
просвечивающий пучок пластину модулятора-прерывателя и включают модуляторпрерыватель приемного пучка, одновременно измеряют напряжение URj на образцовом
резисторе RJ в цепи источника; перед началом измерений на каждом фильтре сигналов
пироэлектрического приемника пластины модуляторов-прерывателей устанавливают по
14
BY 15985 C1 2012.06.30
сигналу контроллера в положение открытого отверстия на упор, после чего пластины делают требуемое число шагов до положения закрытого отверстия, и затем их вводят в возвратно-колебательное движение "открыто-закрыто" с частотой 10 ± 0,01 Гц, оцифровку
сигналов АЦП начинают спустя 5 периодов колебаний и продолжают в течение 10 периодов колебаний пластин, то есть в течение 1 секунды, при измерениях Sτфпсλ, Sфоλ,
SB6,27пс, SB6,27икки, а при измерениях Sффλ - в течение 25 периодов, то есть в течение 2,5 секунд, оцифрованные сигналы записывают в оперативную память, считывают десять или
двадцать пять максимальных значений, рассчитывают по ним средние квадратичные значения сигнала и погрешности их измерения 10Sτфпсλ ± δ10Sτфпсλ, 10Sфоλ ± δ10Sфоλ,
25
Sффλ ± δ25Sффλ, 10SB6,27пс ± δ10SB6,27пс, 10SB6,27икки ± δ10SB6,27икки, URj, Tш1, по ним рассчитывают значения сигналов Sτпс_λ = 10Sτфпсλ - 25Sффλ, Sфоλ = 10Sфоλ - 25Sффλ, SB6,27пс =
=10SB6,27пс - 25Sфф6,27, SB6,27икки = 10SB6,27икки - 25Sфф6,27, каждое значение сигнала и погрешности считывается и записывается в файл результатов в виде таблиц изменения их во
времени для каждого фильтра, по ним рассчитывают средние спектральные пропускания
продуктов сгорания τфпсλ = Sτфпсλ/Sфоλ ⋅ OFλ, где OFλ - коэффициенты учета различия
светосил опорного и измерительного каналов; по URj и таблице градуировки B6,27икки(URJ)
находят яркость излучения источника B6,27икки, затем рассчитывают яркость излучения
потока
продуктов
сгорания,
измеренную
на
фоне
шторки,
B6,27пс
=
-1
2
= B6,27икки · SB_6,27пс / SB_6,27_икки, Вт/см ⋅ср⋅см , значение функции Планка потока
Bo6,27(Tпс) = [B6,27пс - τфпс6,27 · Bo6,27(Tш1)] / [1 - τфпс6,27)], Вт/см-1⋅ср⋅см2, где Bo6,27(Tш1) значение функции Планка шторки при ее измеренной температуре Tш1, К, затем рассчитывают температуру потока продуктов сгорания Tпс, К = 1,439νln[0,1191 · 10-11·
· ν3/Bo6,27(Tпс) + l], где ν = 10000/6,268 мкм = 1595,4 см-1, ν3 = 4,061 · 109 см-3; по средним
спектральным пропусканиям частиц в продуктах сгорания на участках спектра, свободных
от колебательно-вращательных полос молекул, выделяемых фильтрами с λm = 1,246 и
3,78 мкм, τф1,246(Ч) и τф3,78(Ч), находят концентрации частиц по формулам, полученным из уравнения дисперсии аморфного углерода для релеевских частиц Kν = 0,28e-3⋅
⋅ (0,4 ⋅ ν/10000 + 3,36)/[(0,4 + 33600/ν)2 + 25], см2/мг, Gч(1,246) = 103 ⋅ lnτф1,246 (Ч)/(0,0143 ⋅ Z),
Gч(3,78) = 103 ⋅ lnτфч_3,78/(0,00495 ⋅ Z), мг/м3, где Z = 400 см - оптическая толщина диагностируемого слоя продуктов сгорания, по измеренной концентрации частиц Gч находят
пропускания частиц на фильтрах 3,98; 6,27; 8,57 мкм по формулам τф3,98(Ч) =
ехр(-4,519 ⋅ 10-6 ⋅ 400 ⋅ Gч), τф6,27(Ч) = ехр(-1,974 ⋅ 10-6 ⋅ 400 ⋅ Gч), τф8,57(Ч) =
ехр(-1,087 ⋅ 10-6 ⋅ 400 ⋅ Gч), учитывают поглощение частиц делением на них измеренных
значений пропускания продуктов сгорания τфпс3,98/τф3,98(Ч) = τф3,98(SO2),
τфпс6,27/τф6,27(Ч) = τф6,27(NO2 + H2O), τфпс8,57/τф_8,57(Ч) = τф8,57(SO2 + H2O + CO2),
по полученным значениям находят объемные концентрации RSO2 (в двух диапазонах) и
RNO2 путем обращения к таблицам градуировок τpф3,98(SO2) = f(RSO2 ⋅ Z) и
τpф8,57(SO2 + H2O + CO2) = f(RSO2 ⋅ Z), τpф6,268(NO2 + H2O) = f(RNO2 ⋅ Z), рассчитанным
для продуктов сгорания природного газа и мазута, с учетом поглощения на указанных
длинах волн основных продуктов сгорания H2O и CO2, содержание которых составляет
соответственно 17 и 11 % и 11 и 15 %, слабо зависит от коэффициента избытка воздуха,
благодаря чему и возможен их учет; программа содержит указанные таблицы градуировок
при средней температуре продуктов сгорания 450 К и температурах 400 К и 500 К, в начале концентрацию определяют по таблице для температуры 450 К, затем при найденной
концентрации определяют поправочные коэффициенты ∆τpф_λ/50 и проводят линейную
интерполяцию к измеренной температуре продуктов сгорания Tпс; при этом диапазоны
измеряемых концентраций по среднему спектральному пропусканию продуктов сгорания
составляют: частиц на фильтре 1,246 мкм - 15 ÷ 300 мг/м3; на фильтре 3,78 мкм 30 ÷ 650 мг/м3, CO на фильтре 4,78 мкм >1000; NO на фильтре 5,18 мкм >1000; NO2 на
15
BY 15985 C1 2012.06.30
фильтре 6,27 мкм - 20 ÷ 400; SO2 на фильтре 3,98 мкм - 1200 ÷ 30000; на фильтре 8,57 мкм 200 ÷ 5000, ppM; для расширения нижнего диапазона измерения концентраций CO и NO
на фильтрах с λm, мкм = 4,78 (CO) и 5,25 (NO) используют модулятор селективный, при
этом выводят из пучков пластины обоих модуляторов-прерывателей и дополнительно
проводят измерения при качающемся с частотой 2,5 ± 0,0025 Гц трехлопастном диске
сигналов (символы s) корреляционного поглощения CO и NO (индекс к) в продуктах сгорания (индекс пс) селективно модулированного (индекс см) поглощением газами CO и NO
в тройке корреляционных кювет блока из шести кювет селективного модулятора просвечивающего излучения, Sαсмпс4,78(CO) = Sτфпс4,78 - Sτфкпс4,78 и Sαсмпс5,25(NO) =
= Sτфпс5,25 - Sτфкпс5,25,
находят
относительное
корреляционное
поглощение
αсмпсλ = Sαсмпсλ/Sτфпсλ, а затем по зависимостям от произведения парциального давления газовой компоненты Ri, ppM, на толщину слоя продуктов сгорания Z = 400 см,
αcмпc4,78(RCO ⋅ Z) и αcмпc5,25(RNO ⋅ Z), рассчитанным для природного газа и мазута при
средней температуре потока 450 К, помещенным в таблицы градуировок, находят объемные концентрации CO и NO, при этом поглощение частиц может уменьшать величину
сигналов Sαсмпс4,78(CO) и Sαcмпc5,25(NO), но не влияет на величины относительного
селективного поглощения αсмпс4,78(CO) и αсмпс5,25(MO), не требуется учета поглощения частиц, температуры и собственного излучения продуктов сгорания, диапазоны измеряемых концентраций следующие: CO - 10 ÷ 10 ppM, NO - 40 ÷ 500 ppM; указанные выше
измерения выполняют по циклам, время исполнения цикла 30 секунд, после измерения и
перед началом измерений по следующим циклам для исключения накопления во времени
ошибок исполнения шагов производится процедура базирования на первом фильтре; газоанализатор позволяет измерять вышеуказанный набор параметров и в отсутствии селективного модулятора (модулятор удален) при светосиле на порядок большей и
соответственно большем отношении сигнала к шуму и с более высокой точностью, с тем
отличием, что при измерениях концентрации CO и NO корреляционным методом после
измерения на фильтрах с λm = 4,78 мкм и λm = 5,25 мкм среднего спектрального пропускания измеряют сигналы (символ S) корреляционного (индекс к) поглощения (индекс α)
продуктов сгорания (индекс пс), Sαкпс4,78(CO) = Sτфпс4,78 - Sτфкпс4,78 и Sαкпс5,25(NO) =
= Sτфпс5,25 - Sτфкпс5,25, следующим образом: выводят из обоих пучков зеркальные пластины модуляторов-прерывателей, качают диск с фильтрами и устанавливают по щелям
на краю диска по сигналу оптопары попеременно соседние гнезда кассеты, в которых помещены одиночные и совмещенные с каждым из фильтров кюветы, заполненные смесями
с N2 соответственно CO и NO, с частотой 2,5 Гц, измерения ведут в течение 2,5 секунд,
находят их среднеквадратичные значения и погрешности измерений, производят запись
результатов, затем вводят в оба пучка зеркальные пластины модуляторов-прерывателей и
таким же образом измеряют сигналы корреляционного поглощения газами CO и NO в кюветах в опорном канале Sαфкоλ = Sфоλ - Sфкоλ, находят корреляционное пропускание на
каждом фильтре τфкλ = Sαкпсλ/Sαкоλ; затем делением его на τфλ, измеренного ранее,
учитывают поглощение инородных компонент, по найденным значениям τфк4,78/τф4,78 и
τфк5,25/τф5,25 находят концентрации указанных газов по расчетным таблицам градуировок τpфк4,78(Rco ⋅ Z) для CO и τpфк5,25(RNO ⋅ Z) для NO в диапазонах Rco = 1 ÷ 10 ppM и
RNO = 4 ÷ 40 ppM при оптической толщине слоя продуктов сгорания Zпс = 400 см; газоанализатор позволяет определять корреляционным методом из числа вышеуказанных газов концентрации CO, NO, NO2 еще в более чем на порядок низком диапазоне измеряемых
концентраций и при меньшем влиянии поглощения налагающихся полос основных продуктов сгорания 4,3 мкм - CO и 6,3 мкм - H2O, если заполнить ими или их смесями с N2
три оптико-акустических приемника, следующим образом: включают модуляторпрерыватель просвечивающего пучка, выводят зеркальную пластину модуляторапрерывателя приемного пучка и измеряют опорные сигналы одновременно трех оптико16
BY 15985 C1 2012.06.30
акустических приемников Sкoi; затем вводят зеркальную пластину модуляторапрерывателя приемного пучка и измеряют сигналы корреляционного пропускания продуктами сгорания Sτкпсi, рассчитывают корреляционные пропускания τкi = Sτкпсi/Sкоi
трех указанных компонент и по ним находят концентрации CO, NO, NO2 с помощью рассчитанных зависимостей τpкCO(RСО ⋅ Z); τpкNO(RNO ⋅ Z); τpкNO2(RNO2 ⋅ Z); газоанализатор
позволяет определять спектральное поглощение на любом из установленных в кассете
фильтров пироэлектрическим приемником αфпсλ и одновременно корреляционные поглощения αпсi тремя оптико-акустическими приемниками, первоначально для этого
включают оба модулятора-прерывателя так, что их пластины открывают и закрывают выходное и входное отверстия просвечивающего и приемного объективов в противофазе, и
измеряют сигналы спектрального (индексы ф и λ) поглощения (индекс α) и излучения
(индекс ε) продуктов сгорания (индекс пс), Sфпс(α + ε)λ и Sпс(a + ε) i, затем вводят шторку в просвечивающий пучок, включают модулятор-прерыватель в приемном пучке, выводят пластину модулятора-прерывателя из просвечивающего пучка и измеряют сигналы
собственного излучения среды, Sфпсελ и Sпсεi, затем включают модулятор-прерыватель в
просвечивающем пучке, вводят зеркальную пластину модулятора-прерывателя, установленного между кассетой и приемным объективом, и измеряют опорный сигнал пироэлектрического приемника, Sфоλ, затем выводят зеркальную пластину модуляторапрерывателя, установленного между кассетой и приемным объективом, и измеряют опорные сигналы оптико-акустических приемников Soi, далее находят относительные поглощения среды αфпсλ = [Sф(α + ε)λ - Sфελ]/Sфоλ и αi = [S(α + ε)i-Sεi]/Soi и по найденным
αфпсλ и aпсi в пределах значений 0,01-0,1 определяют концентрации молекулярных газов
в нижнем диапазоне по расчетным таблицам градуировок αpфпсλ(Ri ⋅ Z) и αpпсi(Ri ⋅ Z);
производят измерения сигналов пропускания пироэлектрического приемника Sτфпсλ, для
чего включают модулятор-прерыватель в просвечивающем пучке, выводят пластину модулятора-прерывателя приемного пучка и включают модулятор-прерыватель просвечивающего пучка, вводят зеркальную пластину модулятора-прерывателя в приемный пучок
и измеряют сигнал пропускания оптико-акустического приемника Sτпсi, находят пропускания продуктов сгорания τфпсλ = Sτфλ/Sфоλ и τпсi = Sτпсi/Soi в пределах значений 0,90,1 и по ним определяют концентрации в высоком диапазоне по расчетным таблицам градуировок τpфλ(Ri ⋅ Z) и τpi(Ri ⋅ Z), переходом от измерения пропускания к измерениям поглощения указанным образом газоанализатор позволяет автоматически переключать
диапазоны измеряемых концентраций в процессе измерений; после установки газоанализатора за дымососом котла на ТЭС производят его юстировку при неработающем котле,
включают продув труб, измеряют начальные (индекс н) сигналы в опорном канале (ОК)
пироэлектрического приемника на всех фильтрах Sофнλ(ОК) и одновременно трех оптико-акустических приемников Soнi(OK), затем в канале измерений (КИ) Sофнλ(КИ) и
Soнi(КИ), вводят зеркала опорного сигнала (ЗОС) и измеряют таким же образом сигналы
Sофнλ(ЗОС) и Soнi(ЗOC), записывают все измеренные сигналы в файл начальных параметров, находят отношения светосил при измерениях сигналов пропускания и опорных
сигналов OFλ = Sфнλ(ЗОС)/Sфонλ(ОК) и OFi = Sнi(ЗОС)/Soнi(ОК), которые используют
при расчетах среднего спектрального и корреляционного пропускания продуктов сгорания τфпсλ = Sτфпсλ/Sфоλ·OFλ и τпci = Sτпci/Soi·OFi, а также и при периодическом контроле запыленности зеркал обратного хода (ЗОХ) при выключенном котле в процессе
эксплуатации по отношению сигналов в канале измерений при контроле к начальным,
OFλ(ЗОХ) и OFi(ЗOX); таблицы градуировок τpфкλ(Ri ⋅ Z), τpфλ(Ri ⋅ Z) и τpi(Ri ⋅ Z) рассчитывают для каждой исследуемой молекулярной составляющей используемого с пироэлектрическим приемником интерференционного фильтра и фильтров, совмещенных с
корреляционными кюветами, для каждого корреляционного газа в камерах оптикоакустических приемников с учетом наличия других корреляционных газов в предстоящих
17
BY 15985 C1 2012.06.30
камерах оптико-акустических приемников в виде зависимости от произведения парциального давления исследуемой компоненты в среде Ri, ppM, на оптическую толщину исследуемого слоя среды Z, см, при этом используют пакет программ "MIXING" для расчета
спектрального пропускания атмосферы в области 0,55-15 мкм Института оптики атмосферы CO РАН с использованием международного банка спектроскопических данных для 37
молекулярных газов [5], позволяющий вести расчеты для лореценцевского и комбинированного контуров спектральных линий с любым необходимым спектральным разрешением с учетом изотопов, наложения крыльев линий, давления и температуры среды;
зависимости среднего спектрального поглощения среды находят вычитанием τpλ(Ri ⋅ Z) и
τpi(Ri ⋅ Z) из единицы, αpλ(Ri ⋅ Z) = 1-τpλ(Ri ⋅ Z) и αpi(Ri ⋅ Z) = 1-τpi(Ri ⋅ Z); данные расчета
вводятся в память компьютера в виде таблиц градуировок в заданных пределах измеряемых концентраций Ri с шагом ∆Ri = 1 % от нижнего значения Ri деления шкалы, что необходимо для получения точности определения концентраций по таблицам градуировок с
погрешностью не более 1 %; перед обращением к таблицам градуировок по измеренным
среднеквадратичным значениям и погрешностям измерения сигналов, 10S ± δ10S, рассчитывают среднеквадратичные значения среднего спектрального поглощения 10δα_λ, 10δαi и
пропускания 10δτλ, 10δτi среды и их абсолютные погрешности ±∆αλ, ±∆αi, ±∆τλ, ±∆τi, затем по соответствующим таблицам градуировок находят значения концентраций Ri, их
абсолютные ±∆Ri и относительные ±δRi = ±∆Ri/Ri погрешности измерений, при этом линейная интерполяция данных измерений производится только в пределах каждого шага
таблиц градуировок ∆Ri ≤ 1 % Ri.
Предлагаемый для промышленного применения многокомпонентный оптический газоанализатор МКОГА-1 имеет следующие преимущества перед газоанализатором
PULSI 200LR. Он позволяет использовать одновременно ультрафиолетовые и инфракрасные источники и приемники излучения, а также видимого диапазона спектра, проводить
измерения непосредственно в потоках продуктов сгорания и загрязненного ими воздуха
объемных концентраций большего числа гетерогенных молекулярных газов с более высокой точностью и спектральных характеристик частиц в более широкой области спектра
непрерывно во времени, позволяет измерять температуру потока по поглощению яркости
излучения на длине волны 6,27 мкм, производить учет температуры, поглощения частиц,
наложения инородных молекулярных полос, варьировать диапазоны измеряемых концентраций программным способом и определять погрешности их измерений.
Создан экспериментальный образец управляемого компьютером газоанализатора
МКОГА-1 с программой автоматического управления и обработки данных для измерений
концентраций CO, NO, NO2, SO2 и частиц углерода в потоке продуктов сгорания природного газа и мазута за дымососом котла на ТЭС. Алгоритм его работы следующий.
1. После включения питания газоанализатора модулятор просвечивающего излучения
закрыт; зеркала опорного сигнала выведены из пучка; трехлопастный диск установлен в
положение открытой тройки кювет с азотом; излучатель ИККИ включен; кассета с фильтрами установлена в базовое положение на фильтр 1,246 мкм с использованием процедуры
остановки по щели с оптопарой и базирования (ставится метка 0 для дальнейшего отсчета
шагов).
2. Имеются режимы работы для измерений непрерывно во времени концентраций указанных в скобках примесей: Sτф1,245(Ч)→, Sτф3,78(Ч)→, Sτф3,98(SО2)→, Sτф,
Sτфк4,78(CO)→, Sαсм4,78(CO)→, Sτф, Sτфк5,25(NO)→, Sαсм5,25(NO)→, Sτф6,27(NO2)→,
Sτф8,57(SO2)→, для измерения температуры Tпс6,27→ и измерений концентраций указанных примесей по циклу, Цикл Б→.
3. После запуска любого режима в файле данных записываются имя версии программы, имя, дата и время запуска режима.
18
BY 15985 C1 2012.06.30
4. Измерения начинаются с процедуры установки кассеты с фильтрами на выбранный
фильтр. При этом шаговый двигатель на 200 шагов кассеты с фильтрами делает заданное
число шагов и останавливается на соответствующем гнезде по щели с помощью оптопары. Далее выполняется процедура измерения опорного сигнала: вводят пластину модулятора в приемный пучок, включают модулятор-прерыватель просвечивающего пучка, производят оцифровку сигналов ПЭП после каждого периода колебаний пластины модулятора и их запись в оперативную память в течение 1 секунды, статистическую обработку
амплитуд сигналов, а именно расчет среднеквадратичных значений сигнала 10Sфоλ и погрешности его измерения δ10Sфоλ, %.
5. Затем на каждом фильтре выполняют процедуру измерения нулевого сигнала АЦП
Zeroλ: вводят шторку в премный пучок; устанавливают пластину модулятора-прерывателя
просвечивающего излучения в положение открыто; включют модулятор-прерыватель
приемного пучка; измеряют сигнал АЦП Zeroλ; записывают значения Zeroλ в файл и на
экран; вычитают из 10Sфоλ Zeroλ и определяют значения Sфоλ = 10Sфо - Zeroλ.
6. Затем выполняют процедуру измерения сигнала пропускания Sτфλ: переключают
трехлопастный диск в положении открытой тройки кювет с азотом; выводят пластину модулятора-прерывателя из приемного пучка; включают модулятор-прерыватель просвечивающего пучка; производят измерения сигналов Sτфλ в течение 1 секунд, рассчитывают
среднеквадратичные значения сигнала 10Sτфλ, погрешности его измерения δ10Sτфλ, %,
аналогично описанному выше, вычитают из 10Sτфλ Zeroλ и определяют значения
Sτфλ = 10Sτфλ - Zeroλ.
7. По величине Sτфλ рассчитывают пропускание среды τфλ = Sτфλ/Sфоλ, по измеренным τфλ на режимах Sф1,25(Ч)→, Sф3,78(Ч)→ рассчитывают концентрации частиц мелкодисперсного углерода, на режимах Sф3,98(SO2)→, Sф6,27(NO2)→, Sф8,57(SO2)→
измеренные τфλ делят на рассчитанные по измеренной концентрации частиц τф3,98(Ч),
τф6,27(Ч), τф8,57(Ч), затем находят объемные концентрации Ri, ppM, газообразных примесей NO2 и SO2 (в двух диапазонах) путем обращения к таблицам градуировок
τpфλ = f(R ⋅ Z), где Z - толщина потока, см.
8. На режимах Sτф, Sτфк4,78(CO)→ и Sτф, Sτфк5,25(NO)→ извлекают из массива
Sαсмоλ, Sфооλ, αфкоλ, затем для реализации корреляционного метода после измерения
сигналов Sτфλ проводят измерения сигналов Sτфλ в положении трехлопастного диска переключения кювет открытой тройки кювет, наполненной корреляционной смесью CO и
NO с N2, измеряют опорный сигнал Sфоλ и рассчитывают τфλ и τсмλ, в меню параметров
измерений имеется два вида таблиц градуировок τфλ = f(Rфλ) и τсмλ = f(Rсмλ), по τфλ
находят Rфλ, по τсмλ - Rсмλ.
9. На режимах Sαсм4,78(CO)→ и Sαсм5,25(NO)→, связанных с предыдущими Sτф,
Sτфк4,78(CO)→ и Sτф, Sτфк5,25(NO)→, измеряют дополнительно при более высоком коэффициенте усиления сигналы поглощения продуктов сгорания при селективной модуляции корреляционными газами в кюветах при качающемся трехлопастном диске
Sαсмпсλ = (Sτфпсλ - Sτфкпсλ). По результатам измерений и данных предыдущих режимов Sфоλ и параметрам блока измерительных кювет для CO и NO αфкоλ находят
τсм_λ = (Sαсмпс/Sфоλ)/αфкоλ. В меню параметров каждого из этих режимов имеется по 3
таблицы градуировки τсмλ(Rсмλ), 0, 1, 2. Обращаясь к ним, находят Rсмλ.
10. На режиме Тпс(6,27мкм)→ вводят фильтр с λm = 6,27 мкм, ∆λ0,5 ≈ 3 %, измеряют
сигнал пропускания Sτфпс6,27, опорный сигнал Sфо6,27, находят среднее спектральное
пропускание продуктов сгорания τфпс6,27 = Sτфпс6,27/Sфо6,27. Затем вводят в просвечивающий пучок шторку, включают модулятор-прерыватель приемного пучка, измеряют
сигнал излучения потока SB6,27 на фоне шторки в течение 5 секунд, затем вводят шторку в
приемный пучок, измеряют сигнал излучения шторки Sш2 в течение 5 секунд, измеряют
19
BY 15985 C1 2012.06.30
температуры шторок Tш1 и Tш2 датчиками. Затем выводят из пучка обе шторки, вводят
пластину модулятора-прерывателя в просвечивающий пучок, включают модуляторпрерыватель в приемном пучке и измеряют сигнал излучения ИККИ SB_6,27икки и напряжение на образцовом резисторе RJ, в цепи накаливания платиновой проволоки излучателя,
URJ. По URj и таблице градуировки B6,27икки(URJ) находят яркость излучения ИККИ B6,27икки,
затем рассчитывают яркость излучения продуктов сгорания, измеренную на фоне шторки,
B6,27пс = B6,27иккиSB_6,27пс/SB_6,27_икки, Вт/см-1⋅ср⋅см2 и значение функции Планка потока
Во6,27(Tпс) = [B6,27пс-τфпс6,27 ⋅ Bo6,27(Tш1)] / [1 - τфпс6,27)], Вт/см-1⋅ср⋅см2, где Вo6,27(Tш1) значение функции Планка шторки при ее измеренной температуре Tш1,К, затем из функции Планка Bo6,27(Tпс) находят температуру потока продуктов сгорания Tпс,К.
11. На режиме Цикл Б→ осуществляют процедуры базирования кассеты с фильтрами,
а затем последовательный переход на фильтры и измерения сигналов, предусмотренных
режимами Sτф1,246 мкм(Ч)→, Sτф3,78 мкм(Ч)→, Sτф3,98 мкм (SO2)→, Sτф,
Sτфк4,78(CO)→, Sτф, Sαфк4,78(CO)→, Sτф, Sτфк5,25(NO)→, Sαф, Sαфк5,25(NO)→,
Sτф6,27(NO2)→, Тпс(6,27мкм)→, Sτф8,57(SO2)→. После чего осуществляется обработка
данных и их запись на экран и в файл.
Экспериментальный образец газоанализатора МКОГА-1 снабжен следующими средствами метрологической аттестации и поверки.
Термостат с возможностью помещения в него поверочной кюветы диаметром 50 мм,
длиной 100 мм с окнами из BaF2 или модели абсолютно черного тела (А.Ч.Т.), выполненной в виде шести стеклянных трубок диаметром 15 мм, длиной 100 мм, с вваренными посредине стеклянными пластинами, и нагрева их до температур 100 ÷ 200 ± 0,1 °С.
Используют для измерений концентраций газовых компонент в поверочных смесях при
температуре потока продуктов сгорания при поверке газоанализатора и для тарировки
ИККИ-5×5 по спектральной яркости излучения на длине волны 6,27 мкм.
Две измерительные кюветы с длиной оптического пути 100 см, с окнами диаметром
50 мм из BaF2 (ИК-100) располагают между ОМБ и УЗОХ, наполняемые аттестованными
поверочными смесями газов при лабораторных испытаниях и метрологической аттестации
газоанализатора.
Проведены лабораторные испытания экспериментального образца, измерения концентраций CO, NO и NO2 в их смесях с азотом и воздухом, помещаемых в измерительную кювету ИК-100. Установлены следующие диапазоны измеряемых объемных концентраций Ri,
ppM, на указанных в скобках длинах волн, мкм, при толщине потока продуктов сгорания
400 см: Ч(1,246) 15 ÷ 300; Ч(3,78) 30 ÷ 650; CO(4,78) 2 ÷ 50/1000; N0(5,18) 2 ÷ 100/1000;
NO2(6,27) 5 ÷ 100/500; SO2(3,98) 1500 ÷ 20000; SO2(8,57) 100 ÷ 4000 при погрешности измерений не более 1 % от максимума шкалы. Время измерения концентрации одной компоненты 1-2 секунды, а исполнения цикла измерений всех указанных компонент 30 секунд.
Разброс результатов измерений концентраций находится в пределах 0,5 % в течение
длительного времени (час, сутки, месяц) при погрешностях измерений сигналов ПЭП
меньше 0,1 %.
Максимумы пропускания интерференционных фильтров с λm = 4,782; 5,175; 8,56 мкм,
выбранных для диагностики CO, NO, SO2, расположены в максимумах их основных колебательно-вращательных полос при нормальной температуре для получения максимально
возможной чувствительности газоанализатора. Фильтр с λm = 6,27 мкм для диагностики
NO2 сдвинут к центру полосы 6,3 мкм-H2O для уменьшения вклада поглощения H2O.
Фильтры для диагностики частиц углерода λm = 1,246 и 4,78 мкм выделяют участки спектра между колебательно-вращательными полосами.
Положения максимумов используемых в газоанализаторе интерференционных фильтров и требования к их полуширинам полос пропускания, определенных на основании рас-
20
BY 15985 C1 2012.06.30
четов градуировочных зависимостей, отношений сигналов к шуму и погрешностей измерений, подлежат защите настоящим патентом.
Для них были рассчитаны значения измеряемых газоанализатором МКОГА-1 средних
спектральных характеристик CO, NO, NO2, SO2 для набора значений парциальных их давлений Ri в поверочной кювете (ПК) и в потоке продуктов сгорания природного газа (Г) и
мазута (М) при температуре 450 К и толщине слоя 400 см.
Из их анализа установлено.
Чтобы определять концентрации CO, NO, NO2, SO2 в потоке продуктов сгорания углеводородных топлив с погрешностью не более 2 %, расчет зависимостей αpфλ, αpфкλ и τpфλ,
τpфкλ от Ri необходимо выполнять с шагом δRi ≤ 1 %.
При использовании ПЭП корреляционный метод (КМ) целесообразно применять только для двухатомных гетерогенных молекул CO, NO, HCl и других с редким расположением спектральных линий в их колебательно-вращательных полосах. КМ позволяет снизить
диапазон измеряемых концентраций CO, NO на два порядка, исключить влияние собственного излучения нагретых продуктов сгорания и увеличить точность.
Спектральные линии исследуемых компонент частично или полностью поглощаются
основными продуктами сгорания H2O и CO2, их учет необходим не только при использовании фильтрового, но и корреляционного метода как с применением ПЭП, так и с применением COАП и возможен только расчетным путем.
Газоанализатор МКОГА-1 снабжен набором проточных кювет для диагностики прокачиваемых через них продуктов сгорания, отобранных на выходе из котла или реактора,
предварительно охлажденных и очищенных от частиц. Общая оптическая толщина проточных кювет, располагаемых в ОМБ, достигает 100 см, на выходе ОМБ может быть установлена многоходовая кювета с оптической толщиной 1000 см, длиной 100 см. ОМБ
при использовании проточных кювет может быть расположен в отдельном отапливаемом
помещении, удаленном от точек отбора. Следует, однако, помнить, что при отборе, охлаждении и очистке от частиц продуктов сгорания состав газов в них изменяется. Здесь также может быть установлен УЗОХ на расстоянии до 5000 см от ОМБ. Измерительный
канал с УЗОХ может быть помещен в трубу и выведен за пределы помещения горизонтально через стену или вертикально через крышу. Забор воздуха из окружающей среды
без его очистки, прокачка его через измерительный канал газоанализатора длиной до 5000
см (оптической толщиной до Z = 1000 см) позволят измерять концентрации большего
числа различных молекулярных газов (до 37) и частиц.
Многокомпонентные оптические газоанализаторы МКОГА-1 необходимо внедрить на
крупных тепловых электростанциях, являющихся наиболее интенсивными источниками
вредных выбросов. Управляемые от компьютера газоанализаторы МКОГА-1 могут по мере оснащения ими ТЭС Беларуси включаться в компьютерную сеть экологического контроля. Это позволит приступить к решению задач по оптимизации процесса сжигания
топлив для целей энергосбережения и минимизации экологического ущерба, получать в
любое время объективную информацию о полноте сжигания топлив, размере выбросов
каждым котлом в режиме реального времени и экологического ущерба наносимого электростанциями.
Актуально создание специально для МЧС и Министерства охраны окружающей среды
газоанализаторов типа МКОГА-1 с измерительным каналом, размещенным в трубе длиной 5 м, снабженной системами забора воздуха, стационарных или передвижных, устанавливаемых на транспортных средствах, для мобильного и непрерывного во времени
экологического контроля с применением интернет-технологий концентраций максимально большого числа разнообразных молекулярных газов и частиц непосредственно в потоках воздуха, загрязняемого различными переменными источниками выбросов
промышленного и природного типа. Например, вулканическая деятельность, взрывы, пожары, свалки и т.д. Следует отметить, что концентрация H2O в воздухе не превышает 3 %,
21
BY 15985 C1 2012.06.30
ее поглощение в основной колебательно-вращательной полосе 6,3 мкм-H2O заметно
меньше, чем в продуктах сгорания, даже при оптической толщине диагностируемого слоя
воздуха Z = 1000 см и может быть корректно учтено. COАП наиболее пригодны для измерений концентраций CH4, NH3, C2H2, C2H4, C6H6, H2CO, OCS и др., спектры которых хаотичны или имеют сосредоточенные в нескольких узких интервалах группы спектральных
линий и распределены в очень широком спектральном диапазоне. Для увеличения числа
одновременно диагностируемых COАП компонент до девяти они могут быть выполнены в
виде трех блоков из 3 секторных кювет. Кроме того, COАП могут быть использованы с
источниками видимого или ультрафиолетового излучения, установленными на оптической оси опорного канала на двойном фокусном расстоянии от линзы 7, совмещенном с
фокальной плоскостью просвечивающего объектива типа Кассегрена 3. Для регистрации
их излучения в расходящихся пучках опорного канала и измерительного канала, прошедшего через исследуемую среду, за каждой тройкой COАП могут быть также установлены
три пары кремниевых фотодиодов, включенных по мостовой схеме, снабженных интерференционными фильтрами для выделения участков поглощения частиц, электронноколебательных и колебательно-вращательных спектров различных молекул в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях спектра.
На диске кассеты по окружности радиусом 43 мм, проходящей через оптическую ось,
в ячейки диаметром 10 мм, расположенные на расстоянии семи целых шагов шагового
двигателя ШД-200 размером 1,8° друг от друга, может быть установлено 20 интерференционных фильтров. На четыре пары фильтров могут быть установлены четыре пары кювет, одна из которых наполнена азотом, а другая - корреляционным газом для реализации
корреляционного метода измерения концентраций четырех компонент путем переключения этих пар кювет с частотой 2,5 Гц.
Таким образом, число компонент, диагностируемых газоанализатором МКОГА-1 в
воздухе за один цикл измерений длительностью 30-40 секунд, можно увеличить до 25-28.
Диапазоны измеряемых концентраций любой из компонент переключаются в пределах
двух порядков автоматически путем перехода от измерений пропусканий к измерениям
поглощений. В процессе измерений ведется установка фильтров по оптопаре, статистическая обработка измеряемых в течение 1 или 2,5 секунд сигналов, расчет погрешностей измерений, учет дрейфа нуля по величине фонового излучения шторки, вводимой в пучок,
определение концентрации частиц, учет наложения инородных молекулярных полос и
частиц углерода. Парциальные давления молекулярных компонент Ri находят по градуировочным таблицам τpфλ(Ri ⋅ Z), αpфλ(Ri ⋅ Z), τpфкλ(Ri ⋅ Z), αpфкλ(Ri ⋅ Z) и τpi(Ri ⋅ Z),
αpi(Ri ⋅ Z), рассчитанным с шагом ∆Ri ≤ 1 % Ri. Благодаря этому и всем указанным выше
отличительным признакам газоанализатора МКОГА-1 погрешности измерений концентраций реально не превышают 2 %.
Источники информации:
1. Coздание селективного ИК-радиометра-газоанализатора выcoкого разрешения для
непрерывного экологического контроля выброcoв из труб ТЭС. Научно-технический отчет о НИР. Институт физики НАНБ. - Минск, 30 июня 1993. - 7 с.
2. Coздание ИК-радиометра-газоанализатора выcoкого разрешения для непрерывного
экологического контроля выброcoв из труб ТЭС. Научно-технический отчет о НИР. Институт физики НАНБ. - Минск, 15 июня 1998. - 74 с.
3. Coздание селективного ИК-радиометра-газоанализатора выcoкого разрешения для
непрерывного экологического контроля выброcoв из труб ТЭС. Отчет о научноисследовательской работе. Институт физики НАНБ. - Минск, 1999. - 80 с.
22
BY 15985 C1 2012.06.30
4. Coздание селективного ИК-радиометра-газоанализатора выcoкого разрешения для
непрерывного экологического контроля выброcoв из труб ТЭС/ Отчет о научноисследовательской работе. Институт физики НАНБ. -Минск, 31 июля 2000. - 76 с.
5. Пакет прикладных программ и спектральные данные для расчета пропускания атмосферы в диапазоне 0,55-15 мкм (Банк данных "GEIZA" версии 1984, программа "MIXING"). Институт оптики атмосферы CO РАН. - Томск, 1991.
6. PULSI 200LR CEM SYSTEM, 1032_allegati_3_allegato.
7. www.gasanalyzers.com/prod/sick/i.
8. ABB Analitical Hartmann & Braun, 50/24-02 EN 10.99, Infrared Analyzer Module Uras14.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
23
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
305 Кб
Теги
by15985, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа