Содержание к диссертации
Введение
1. Молекулярный газоанализ на основе абсорбционной спектроскопии УФ диапазона 13
1.1. Физические основы абсорбционной спектроскопии 13
1.2. Особенности абсорбционного газоанализа УФ-диапазона 18
1.3. Стационарные абсорбционные газоанализаторы УФ-диапазона...24
1.4. Выводы 29
2. Однокомпонентные газоанализаторы ДОГ-1 и ДОГ-2 31
2.1. Дифференциальное поглощение в газоанализаторах ДОГ-1 и ДОГ-2 31
2.2. Устройство и работа газоанализаторов ДОГ-1 и ДОГ 37
2.3. Оптимизация режима работы газоразрядной лампы ЛД2(Д) для газоанализаторов ДОГ 42
2.4. Метрологическое обеспечение и основные технические характеристики газоанализаторов ДОГ-1 и ДОГ-2 47
2.5. Опыт эксплуатации газоанализаторов ДОГ-1 52
2.6. Выводы 56
3. Двухкомпонентные газоанализаторы ДОГ-3 и ДОГ-4 58
3.1. Дифференциальное поглощение в газоанализаторах ДОГ-3 и ДОГ-4 58
3.2. Устройство и работа газоанализатора ДОГ-3 62
3.3. Устройство и работа газоанализатора ДОГ-4 67
3.4. Метрологическое обеспечение и основные технические характеристики газоанализаторов ДОГ-3 и ДОГ-4 73
3.5. Производственные испытания газоанализатора ДОГ-4 80
3.6. Выводы 83
4. Двухкомпонентный газоанализатор ВУФ диапазона 85
4.1. Дифференциальное поглощение в газоанализаторе ВУФ диапазона 85
4.2. Устройство и работа двухкомпонентного газоанализатора ВУФ диапазона 89
4.3. Метрологическое обеспечение и основные технические характеристики газоанализатора ВУФ диапазона 95
4.4. Выводы 99
Заключение 101
Список литературы
- Особенности абсорбционного газоанализа УФ-диапазона
- Устройство и работа газоанализаторов ДОГ-1 и ДОГ
- Устройство и работа газоанализатора ДОГ-3
- Устройство и работа двухкомпонентного газоанализатора ВУФ диапазона
Введение к работе
Актуальность темы. Технологические газы традиционно играют важную роль в промышленности. Здесь под термином "технологические газы" понимаются любые газы, используемые в различных технологических процессах или получаемые в результате этих процессов. В огромных количествах они используются в качестве исходного сырья или топлива и в еще больших количествах образуются в виде отходов при горении и других технологических процессах, при этом часто выбрасываются в воздух производственных помещений и нижние слои воздушного бассейна городов и промышленных комплексов. Интенсивное развитие промышленности характеризуется возрастающей сложностью технологических процессов, что способствует увеличению объемов технологических газов и расширению их ассортимента. С другой же стороны наблюдается ужесточение законодательства в сфере охраны окружающей среды и обеспечения экологической безопасности населения. В этих условиях возрастает роль автоматических газоанализаторов для непрерывной диагностики параметров технологических газов и соответственно повышается интерес к разработкам таких газоанализаторов.
В настоящее время для диагностики технологических газов используются газоанализаторы, работа которых основана на самых разнообразных физико-химических методах газоанализа: электрохимическом, абсорбционном, хроматографическом, хемилюминесцентном и ряде других. В последнее время широкое распространение получили портативные электрохимические газоанализаторы, благодаря своим миниатюрным размерам, невысокой стоимости и небольшому энергопотреблению. Однако такие газоанализаторы часто непригодны для продолжительной работы в непрерывном режиме. Наиболее перспективными для диагностики технологических газов в непрерывном режиме являются абсорбционные газоанализаторы. Такое выделение абсорбционных газоанализаторов обусловлено рядом причин, из которых важнейшими являются чрезвычайно высокая селективность к сорту молекул и высокая оперативность газоанализа. Перечисленные преимущества абсорбционных газоанализаторов наряду с высокой концентрационной чувствительностью, конструктивной простотой и сравнительно невысокой стоимостью делают их особо привлекательными для работы в условиях промышленных производств.
В настоящее время наиболее широкое распространение получили стационарные абсорбционные газоанализаторы ИК диапазона. Поглощение света в видимой и УФ областях спектра используется для создания стационарных абсорбционных газоанализаторов значительно реже. Это связано с тем, что спектры поглощения молекул в видимой и УФ областях содержат кроме участков, состоящих из наборов отдельных спектральных линий, и участки непрерывного поглощения. Первые обусловлены переходами между отдельными электронно-колебательно-вращательными состояниями молекул, а вторые обусловлены переходами в диссоциирующие возбужденные электронные состояния молекул. В результате этого по селективности спектры электронного поглощения молекул уступают колебательно-вращательным ИК спектрам. Однако сечения поглощения электронных полос превышают, по крайней мере, на порядок, сечения поглощения колебательно-вращательных полос, что обеспечивает более высокую чувствительность газоанализа. Другим важным достоинством УФ области спектра является то, что она наиболее перспективна для диагностики технологических газов, поскольку основные компоненты атмосферы (N2, Ог,
СОг и НгО), в отличие от большинства технологических газов, не имеют в ближней УФ области спектра интенсивных полос поглощения. Несмотря на это, уровень развития стационарных абсорбционных газоанализаторов УФ диапазона в России и странах бывшего СССР значительно уступает мировому. В связи с этим является актуальной проблема разработки таких газоанализаторов.
Цель диссертационной работы - разработка стационарных газоанализаторов на основе метода дифференциального поглощения в УФ области спектра для непрерывного измерения концентраций технологических газов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: исследовать возможности применения метода дифференциального поглощения при перекрывании электронно-колебательно-вращательных полос поглощения технологических газов в УФ области спектра; разработать однокомпонентные газоанализаторы для измерения содержания окиси азота и двуокиси серы в дымовых газах теплоэлектростанций; разработать двухкомпонентные газоанализаторы для одновременного измерения содержания как окиси азота, так и и двуокиси серы в дымовых газах теплоэлектростанций; разработать двухкомпонентный газоанализатор для измерения содержания кислорода и паров воды в водороде, азоте и инертных газах.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Оптимизация режима работы дейтериевой лампы ЛД2(Д) путем уменьшения ее тока разряда до 20 мА, увеличения ее тока накала до 2,3 А и вентиляции отсека лампы позволяет увеличить срок службы лампы в газоанализаторах серии ДОГ не менее чем в 18 раз за счет уменьшения как металлизации внутренней поверхности окна лампы, так и замутнения внешней поверхности окна, вызванного фотохимическими реакциями материала окна лампы с образующимися радикалами ОН и молекулами 03.
Применение узкополосного интерференционного УФ светофильтра, снабженного устройством его поворота с возможностью фиксации в заданных положениях в конструкции газоанализатора, использующего метод дифференциального поглощения, позволяет достичь чувствительности 10 мг/м , необходимой при измерении концентраций молекул N0 и SO2 в дымовом газе.
Предложенный и реализованный способ последовательной спектральной селекции полос УФ поглощения молекул N0 и S02 на основе призменного монохроматора и устройства сдвига изображения полос поглощения с помощью поворота кварцевой пластины позволяет улучшить долговременную стабильность метрологических характеристик газоанализатора по сравнению с газоанализатором, использующим узкополосный интерференционный светофильтр, не менее чем в 3 раза для N0 и не менее чем в 7 раз для SO2.
Газоанализатор, включающий в себя источник излучения со спектральной полушириной 1 нм и перестраиваемый в диапазоне 150 -170 нм на основе совмещения вакуумного монохроматора с источником широкополосного ВУФ излучения, позволяет измерять микропримеси Ог и Н20 в водороде, азоте и инертных газах с чувствительностью 3 * 10"4 %, достаточной для технологий микроэлектроники.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработан способ газоанализа многокомпонентных газовых сред методом дифференциального поглощения с помощью перестраиваемого узкополосного светофильтра в УФ области спектра.
Предложены и реализованы оригинальные конструкции стационарных светофильтровых газоанализаторов (ДОГ-1, ДОГ-1М, ДОГ-2 и ДОГ-3) для определения содержания окиси азота и двуокиси серы в дымовых газах теплоэлектростанций (Патент РФ № 2029288 и Свидетельство РФ на полезную модель № 19169).
Предложена конструкция стационарного газоанализатора дисперсионного типа с оригинальным устройством сканирования спектра (ДОГ-4) для определения содержания окиси азота и двуокиси серы в дымовых газах теплоэлектростанций (Патент РФ № 2244291).
Впервые предложена конструкция высокочувствительного двухкомпонентного дисперсионного газоанализатора, использующего метод дифференциального поглощения в области вакуумного ультрафиолета, для технологий производства полупроводниковых изделий.
Практическая ценность работы.
Разработан газоанализатор ДОГ-1 (ДОГ-1М), предназначенный для измерения концентрации окиси азота в дымовых газах теплоэлектростанций, работающих на природном газе. Налажено мелкосерийное производство этих газоанализаторов и выпущено свыше 70 приборов. Газоанализатор занесен в Государственный реестр средств измерений.
Разработан и изготовлен газоанализатор ДОГ-2, предназначенный для измерения концентрации двуокиси серы в дымовых газах теплоэлектростанций, сжигающих уголь и мазут.
Разработаны и изготовлены газоанализаторы ДОГ-3 и ДОГ-4, предназначенные для одновременного измерения концентраций как окиси азота, так и двуокиси серы в дымовых газах теплоэлектростанций, работающих на любом виде органического топлива. Газоанализатор ДОГ-4 прошел производственные испытания на Томской ГРЭС-2 и подготовлен к сертификации.
Разработан и изготовлен высокочувствительный газоанализатор ВУФ диапазона, предназначенный для измерения содержания кислорода и паров воды в инертных газах, водороде и азоте.
Внедрение результатов работы.
Разработанные газоанализаторы ДОГ-1 и ДОГ-1М размещены на всех крупных теплоэлектростанциях Тюменского региона в качестве штатного средства контроля выбросов оксидов азота в атмосферу, что подтверждается справкой, представленной в Приложении диссертации.
Достоверность результатов подтверждается: - хорошей согласованностью показаний газоанализаторов серии ДОГ с показаниями переносных газоанализаторов TESTO-33 и TESTO-342, полученными в ходе производственных испытаний газоанализаторов ДОГ на Тюменской ТЭЦ-1 и Томской ГРЭС-2 (акты испытаний приведены в Приложении); - сертификатом об утверждении типа средств измерений, выданным Государственным комитетом Российской Федерации по стандартизации и метрологии (см. Приложение).
Публикации и апробация работы. Содержание диссертации опубликовано в 26 работах, из них: 1 опубликована в коллективной монографии, 6 - в отечественных журналах, 3 - в патентах России, 16 - в материалах конференций и сборниках тезисов и докладов.
Материалы, вошедшие в диссертацию, доложены и обсуждены на следующих конференциях: II межреспубликанская конференция "Оптические методы исследования потоков" (Новосибирск, 1993 г.), 9-ое отраслевое совещание "Проблемы и перспективы развития Томского нефтехимического комбината" (Томск, 1995 г.), Семинар РАО ЕЭС России "Проблемы приборного обеспечения природоохранной деятельности в электроэнергетике" (Екатеринбург, 1995 г.), Международная конференция "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды" (Томск, 1995 г.), I, II, III, IV, V международный симпозиум "Контроль и реабилитация окружающей среды" (Томск, 1998, 2000, 2002, 2004, 2006 гг.), VI международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1999 г.), Конференция "Фундаментальные проблемы охраны окружающей среды и экологии природно-территориальных комплексов Западной Сибири" (Горно-Алтайск, 2000 г.), IV и V сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2001, 2003 гг.), 6-ая международная конференция по судостроению, судоходству, оборудованию морских платформ и обеспечивающих их работу плавсредств, морская техника для освоения океана и шельфа "НЕВА 2001" (Санкт-Петербург, 2001 г.), I международная научно-практическая конференция "Управление отходами - основа восстановления экологического равновесия в Кузбассе" (Новокузнецк, 2005 г.).
Газоанализаторы серии ДОГ демонстрировались на российских и международных выставках и награждены дипломами на 3-ей международной выставке-конгрессе "Энергосбережение" (Томск, 2000 г.), на IV международном салоне промышленной собственности "Архимед-2001" (Москва, 2001 г.) и на VII международной специализированной выставке "Уралэнерго-2001" (Уфа, 2001 г.).
Личный вклад. В диссертации автор обобщает свой 16-летний опыт разработки абсорбционных методов и технических средств для диагностики многокомпонентных технологических газов. Лично автору принадлежат результаты разработки оптических схем и узлов всех представленных газоанализаторов, оптимизация режимов работы газоразрядной лампы ЛД2(Д), являющейся источником УФ излучения в газоанализаторах серии ДОГ, для увеличения ресурса ее работы, а также результаты испытаний газоанализаторов ДОГ-1 (ДОГ-1М) и ДОГ-4 на Тюменской ТЭЦ-1 и Томской ГРЭС-2. При непосредственном творческом участии автора разработаны аналоговые части систем обработки и управления газоанализаторов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения общим объемом 121 страница и содержит 27 рисунков, 5 таблиц и 63 наименования в списке литературы.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель диссертационной работы, научная новизна и значимость работы, а также представлены научные положения, выносимые на защиту. Представлен краткий обзор структуры диссертации.
В первой главе рассмотрены основные представления о физических основах абсорбционной спектроскопии и особенностях абсорбционного газоанализа в УФ области спектра. В этой же главе приведен обзор стационарных газоанализаторов УФ диапазона, выпускаемых в нашей стране и за рубежом.
Во второй главе рассмотрены принципы формирования сигналов дифференциального поглощения, а также устройство и работа стационарных однокомпонентных газоанализаторов ДОГ-1 (ДОГ-1М) и ДОГ-2, предназначенных для непрерывного измерения содержания окиси азота и двуокиси серы в дымовых газах теплоэлектростанций. Приведены основные технические характеристики этих газоанализаторов. Описан опыт эксплуатации газоанализаторов ДОГ-1 (ДОГ-1М) на предприятиях Тюменьэнерго.
В третьей главе показаны особенности формирования сигналов дифференциального поглощения в случае перекрывания полос поглощения различных газов. Приведены описания устройства и работы светофильтрового газоанализатора ДОГ-3 и дисперсионного газоанализатора ДОГ-4, предназначенных для непрерывного и одновременного измерения содержания как окиси азота так и двуокиси серы в дымовых газах теплоэлектростанций. Представлены основные технические характеристики этих газоанализаторов и показано, что газоанализатор ДОГ-4 обладает более стабильными метрологическими параметрами по сравнению с газоанализатором ДОГ-3. Описаны результаты производственных испытаний газоанализатора ДОГ-4 на Томской ГРЭС-2.
В четвертой главе показан принцип формирования сигналов дифференциального поглощения в области вакуумного ультрафиолета для случая перекрывающихся полос поглощения, не обладающих выраженной структурой. Описаны конструктивные особенности и работа высокочувствительного двухкомпонентного дисперсионного газоанализатора для измерения микропримесей кислорода и паров воды в азоте, водороде и инертных газах. Приведены основные технические характеристики макета газоанализатора ВУФ диапазона.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
В приложении приведены акты испытания газоанализаторов ДОГ-1 и ДОГ-4 на Тюменской ТЭЦ-1 и Томской ГРЭС-2, сертификат об утверждении типа средств измерений на газоанализатор ДОГ-1, выданный Госстандартом России, акт испытаний газоанализатора ДОГ-1, выданный ГЦИ СИ ГП "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева", а также справка об использовании газоанализаторов ДОГ-1 и ДОГ-1М на предприятиях Тюменьэнерго.
Особенности абсорбционного газоанализа УФ-диапазона
Спектры поглощения молекул располагаются в широком диапазоне спектра электромагнитных излучений, охватывающем области от рентгеновской до радиочастотной. При этом различные участки спектров поглощения отличаются природой молекулярных физических процессов, вызывающих поглощение света. Так поглощение рентгеновских лучей связано с переходами внутренних электронов молекул, ультрафиолетового и видимого излучений - с переходами электронов во внешних оболочках молекул, инфракрасного излучения - с внутримолекулярными переходами, обусловленными колебательно-вращательными движениями ядер молекул, и радиочастотного излучения - с переходами, связанными с изменением чисто
И вращательных движений молекул в целом и ее отдельных частей, а также с переходами внутри тонкой и сверхтонкой структурами термов молекул. Во всех этих диапазонах спектры поглощения молекул строго индивидуальны и могут быть использованы для газоанализа.
В настоящее время для создания абсорбционных газоанализаторов наиболее широко используется поглощение ИК излучения. Значительно меньшее распространение для данной цели получило поглощение в видимой 1 и УФ областях спектра. Поглощения излучения в других диапазонах спектра для создания абсорбционных газоанализаторов используется весьма редко [8,9].
При построении абсорбционных газоанализаторов УФ диапазона необходимо учитывать ряд особенностей, связанных как со структурой спектров поглощения на электронных (электронно-колебательно-вращательных) переходах молекул, так и выбором оптических материалов, источников и приемников излучения для данной области спектра.
Прежде всего, спектры поглощения молекул в видимой и УФ областях спектра кроме участков спектра, состоящих из наборов отдельных спектральных линий, содержат и участки непрерывного поглощения. Первые обусловлены переходами между отдельными электронно-колебательно-вращательными состояниями молекул, а вторые обусловлены переходами в диссоциирующие возбужденные электронные состояния молекул. В результате этого по селективности спектры электронного поглощения молекул уступают колебательно-вращательным ИК спектрам. С другой стороны сечения поглощения электронных полос те превышают, по крайней мере, на порядок, сечения поглощения колебательно-вращательных полос где ve и vv - частоты соответствующих переходов, что обеспечивает более высокую чувствительность газоанализа.
В настоящее время круг оптических материалов, используемых для изготовления оптических деталей газоанализаторов УФ диапазона, неширок и включает в себя увиолевое стекло, плавленный и кристаллический кварц, сапфир, флюорит (CaF2) и фтористый литий (LiF). Увиолевое стекло, кварц и сапфир пригодны для изготовления оптических деталей для ближней УФ области спектра (Х 180 нм), а флюорит и фтористый литий - для дальней УФ или вакуумной области спектра (X 180 нм). Кристаллы фтористого лития оптически прозрачны до X = 105 нм и пока не известно ни одного кристалла, прозрачного в области с X, 105 нм. Основным недостатком кристалла фтористого лития является его гигроскопичность. Флюорит оптически прозрачен до X = 125 нм, негигроскопичен и применяется в тех случаях, когда не требуется работать с излучением с X 125 нм. Другие кристаллы, прозрачные в вакуумной области спектра, такие как MgF2, BaF2, SrF2 и ВеО в оптическом приборостроении используются очень редко [11]. Более подробно области прозрачности, показатели преломления и другие физико-химические свойства данных оптических материалов, а также правила обращения с ними приведены в [12]. Здесь же следует отметить, что воздух также является оптической средой, обладающей собственным поглощением. Так с 1 200 нм начинается поглощение атмосферным кислородом, а с X 160 нм начинает поглощать и атмосферный азот. Следствием этого является необходимость удаления воздуха из оптического тракта газоанализаторов ВУФ диапазона, или замена его какими-нибудь непоглощающими газами, например, благородными газами.
Устройство и работа газоанализаторов ДОГ-1 и ДОГ
Полагая, что мощность излучения лампы ІО{У), чувствительность фотоприемника К(у) и пропускание светофильтра M,(v) имеют не изменяющиеся со временем спектральные характеристики, выражение (2.3) можно переписать в виде -7- = a0-a]NNO+a2N NO, (2.4) Li где коэффициенты а,- - постоянные величины, которые могут быть найдены при калибровке газоанализатора. В данном случае отношение интенсивностей является нелинейной функцией относительно концентрации молекул N0, так как спектр поглощения молекул N0 в рабочей области газоанализатора линейчатый и, следовательно, сечение поглощения rN0(y) сильно изменяется внутри каждой спектральной линии.
Концентрация молекул N0 может быть рассчитана путем непосредственного решения квадратного уравнения (2.4), однако такой подход является неудачным из-за неоднозначности выбора одного из двух корней уравнения. Более разумно взаимосвязь между отношением интенсивностей и концентрацией молекул N0 представить в виде где коэффициенты ci могут быть найдены в процессе калибровки газоанализатора. Выражение (2.5) обеспечивает однозначное нахождение концентрации молекул N0 по измеренному отношению интенсивностей
Конструктивно газоанализаторы ДОГ-1 (Д0Г-1М) и ДОГ-2 схожи и состоят из двух блоков: измерительной головки и блока управления. Внешний вид газоанализатора приведен на рис. 4. Устройство и работа газоанализаторов ДОГ-1 (Д0Г-1М) и ДОГ-2 поясняется структурной схемой прибора (рис. 5), на которой показаны основные узлы газоанализатора и их связь. Газоанализатор состоит из источника УФ излучения (1), коллиматора (2), кюветы (3), перестраиваемого светофильтра (4), фотоприемника (5) и блока управления (6).
Источник УФ излучения (1) состоит из газоразрядной дейтериевой лампы ЛД2(Д) с устройством ее поджига и блоком питания. Дейтериевая лампа излучает широкополосное континуальное излучение в спектральном диапазоне 180 - 400 нм. Устройство поджига лампы представляет собой удвоитель выпрямленного напряжения сети. Блок питания лампы состоит из источника постоянного напряжения (170 В), подключенного к цепи лампы через стабилизатор тока, и источника стабилизированного питания накала лампы. Конструктивно лампа размещена в измерительной головке, а блок питания лампы с устройством ее поджига размещен в блоке управления.
Коллиматор (2) представляет собой вогнутое зеркало диаметром 30 мм и фокусным расстоянием 65 мм с узлом его крепления и настройки. Конструктивно коллиматор размещен в измерительной головке.
Кювета (3) представляет собой термостабилизированную цилиндрическую камеру (внутренний диаметр 45 мм, длина 400 мм для ДОГ-1 (ДОГ-1М) и длина 200 мм для ДОГ-2) с кварцевыми окнами на торцах. Кювета снабжена двумя патрубками для прокачки через нее дымового газа. Кювета термостабилизирована и размещена в измерительной головке.
Перестраиваемый светофильтр состоит из собственно светофильтра и устройства по перестройке полосы его пропускания. Светофильтр представляет собой термостабилизированный интерференционный светофильтр с полушириной полосы пропускания 1,5 нм и пропусканием в максимуме полосы 15 %. Устройство по перестройке полосы пропускания светофильтра состоит из шагового двигателя с блоком питания и датчика положения светофильтра. Датчик положения светофильтра представляет собой диск с отверстием и оптопару открытого типа, подключенную к модулятору-усилителю. Светофильтр и диск с отверстием жестко закреплены на оси шагового двигателя ДШИ-200-1-2. Перестройка полосы пропускания светофильтра осуществляется поворотом светофильтра относительно светового потока. Область перестройки полосы пропускания светофильтра 5 нм. Конструктивно светофильтр, датчик положения и шаговый двигатель размещены в измерительной головке, а блок питания шагового двигателя - в блоке управления.
Фотоприемником (5) является фотоэлемент Ф-29 с усилителем постоянного тока и преобразователем напряжение-частота. Усилитель постоянного тока выполнен по электрометрической схеме на операционных усилителях К544УД1А и К140УД1208. Преобразование выходного сигнала
УПТ в частотный сигнал осуществляется с помощью преобразователя напряжение-частота К1108ПП1. Фотоэлемент, усилитель постоянного тока и преобразователь напряжение-частота - термостабилизированы. Блок питания фотоэлемента представляет собой стабилизированный источник постоянного напряжения (100 В). Конструктивно фотоэлемент с УПТ и преобразователем напряжение-частота размещен в измерительной головке, а их блоки питания - в блоке управления.
Устройство и работа газоанализатора ДОГ-3
Газоанализатор ДОГ-3, основанный на дальнейшем развитии физических принципов и технических идей, заложенных в газоанализаторах ДОГ-1 и ДОГ-2, во многом похож на своих предшественников. Так, устройство газоанализатора ДОГ-3 совпадает с устройством газоанализатора Д0Г-1М, подробно описанным в разделе 2.2, а внешний вид газоанализатора ДОГ-3 совпадает с внешним видом газоанализаторов ДОГ-1 и ДОГ-2 (см. рис. 4). Отличие же газоанализатора ДОГ-3 от своих предшественников заключается в усложнении алгоритма его работы и способе обработки измеренных сигналов.
Работа газоанализатора ДОГ-3 полностью определяется управляющей программой, "зашитой" в памяти программ, и набором параметров (коэффициентов), сохраняемых в памяти констант вычислительной микросистемы. Вычислительная микросистема собрана на основе микроконтроллера ATmegal03 производства фирмы Atmel. Характеристики микросистемы приведены в разделе 2.2.
При включении газоанализатора управляющая программа включает дейтериевую лампу, излучение которой коллиматор формирует в параллельный пучок и направляет в кювету с дымовым газом, и затем поворотом светофильтра проводит его спектральную привязку. После этого начинает отрабатываться циклический алгоритм управляющей программы. Прежде всего светофильтр настраивается на пропускание участка спектра с центром на 230,0 нм и измеряется сигнал фотоэлемента (її). Затем светофильтр настраивается на пропускание участка спектра с центром на 227,6 нм и регистрируется сигнал фотоэлемента Ь. Далее светофильтр настраивается на пропускание участка спектра с центром на 226,0 нм и регистрируется сигнал фотоэлемента Із. На основании полученных значений 1ь 12 и 13 вычислительная микросистема выполняет расчет концентрации молекул N0 и SO2 в дымовом газе. Полученные значения концентраций окиси азота и двуокиси серы выводятся на экран дисплея, расположенный на лицевой панели блока управления, и подаются в виде стандартных токовых сигналов (0-5 мА) на внешние регистрирующие устройства. В автономном режиме работы газоанализатор производит измерения концентрации окиси азота автоматически с интервалом в 10 секунд. Циклический алгоритм работы газоанализатора повторяется до тех пор, пока на него подано питание.
Полученные значения N 0 и N$1 являются точными для системы уравнений (3.9), но оказываются приближенными для системы (3.8) и соответственно для системы (3.5). Для более точного решения системы уравнений (3.5) необходимо учесть поправки второго приближения, которые вводятся как N =Ni0) +Nm +N{2) Поправки второго приближения N o и N$ находятся таким же способом как и поправки первого приближения N$0 и N$1. Аналогичным образом могут введены и поправки более высоких приближений.
Точность решения системы уравнений (3.5) с помощью данной итерационной процедуры проиллюстрирована на рис. 13. На этом рисунке приведена зависимость функции fin) = - - (ЗЛІ) точн от п, где п - порядок поправки, a Nm04H - точное значение решения системы уравнений (3.5). Хорошо видно, что приведенная на рисунке функция f(n) быстро приближается к единице и уже при п = 3 имеет значение 0,9992 для N и 0,9996 для S02 (Nm04H = 489,7 мг/м3 для NO и Nm04H = 1791,1 мг/м3 для S02), что составляет ошибку в 0,4 мг/м3 для NN0 и 0,7 мг/м3 для Nso
Таким образом, реализованный в газоанализаторе ДОГ-3 способ решения системы нелинейных уравнений (3.5) обеспечивает однозначный расчет концентраций окиси азота NN0 и двуокиси серы Nso с систематической погрешностью не более 1 мг/м3 уже после трех итераций.
Газоанализатор ДОГ-4 по устройству, работе и внешнему виду значительно отличается от газоанализаторов ДОГ-1, ДОГ-2 и ДОГ-3. Устройство и работа газоанализатора ДОГ-4 поясняется структурной схемой прибора (рис. 14), на которой показаны основные узлы газоанализатора: источник излучения (1), оптическая система (2), кювета (3), диспергирующий элемент (5), фотоприемник (6), устройство сканирования спектра (7) и блок управления (8). Диспергирующий элемент и устройство сканирования спектра образуют призменный монохроматор (4) оригинальной конструкции, внутри которого размещена кювета. Конструктивно газоанализатор ДОГ-4 выполнен в виде моноблока, на верхней части которого расположен пульт управления. Внешний вид газоанализатора приведен на рис 15.
Устройство оптического тракта газоанализатора ДОГ-4 показано на его оптической схеме (рис. 16). Оптический тракт газоанализатора образован источником излучения (1), осветительным зеркалом (2), входной щелью (3), кюветами (4) и (8), коллиматорным объективом (5), кварцевой призмой (6), камерным объективом (7), кварцевой пластиной (9), выходной щелью (10) и фотоприемником (11). Источником УФ излучения (1) является газоразрядная деитериевая лампа ЛД2(Д), подробно описанная в разделе 2.3. Кюветы (4) и (8) представляют собой цилиндрические камеры внутренним диаметром 40 мм и длиной 300 мм с кварцевыми окнами на торцах. Кюветы снабжены датчиками температуры и управляемыми нагревательными элементами, поддерживающими температуру кювет 40 С. Каждая кювета снабжена двумя патрубками для прокачки через нее дымового газа. Для уменьшения габаритов газоанализатора кюветы размещены внутри монохроматора. Фотоприемником (11) является фотоэлемент Ф-29 с усилителем постоянного тока и преобразователем напряжение-частота
Устройство и работа двухкомпонентного газоанализатора ВУФ диапазона
Схема кюветного отсека ВУФ газоанализатора. W - управляемая шторка, перекрывающая одну из кювет (расположена внутри вакуумного монохроматора) измерительной кюветы служат для прокачки через нее исследуемого газа, а патрубки опорной кюветы - для ее вакуумизации. Кюветный отсек герметично соединен с вакуумным монохроматором.
В качестве приемника ВУФ излучения использован фотоумножитель ФЭУ-170 с полупрозрачным теллуро-рубидиевым фотокатодом на входном окне из фтористого магния, предназначенный для измерения ультрафиолетового излучения в области 112-350 нм. Конструктивно фотоумножитель подсоединен непосредственно к выходному окну кюветного отсека. Использована стандартная схема питания ФЭУ, предназначенная для его работы в режиме счета фотонов.
Блок управления выполняет основную работу по управлению газоанализатором и обработке измеренных сигналов ФЭУ. Блок управления содержит модульную микропроцессорную систему, в которую входят процессорный модуль на основе К1801ВМ2, модуль управления шаговым двигателем ШДР-711 монохроматора, модуль обработки сигнала ФЭУ-170, модуль управления световыми потоками через кюветный отсек и модуль сопряжения с алфавитно-цифровым дисплеем и встроенным клавишным пультом. В модуле управления шаговым двигателем применен метод электронного дробления шага на цифроаналоговых преобразователях. Применение электронного дробления шага позволило уменьшить шаг двигателя в 128 раз, в результате чего был обеспечен спектральный шаг монохроматора, равный примерно 0,41 нм. Модуль обработки сигнала ФЭУ выполнен по стандартной схеме счета фотонов и состоит из усилителя-дискриминатора-стандартизатора с коэффициентом усиления одноэлектронных импульсов порядка 100 и счетчика импульсов. Модуль управления световыми потоками через кюветный отсек представляет собой шторку "W", управляемую электромагнитным переключателем. Связь оператора с системой осуществляется с помощью встроенного в блок управления клавишного пульта (матрица 5x6 со звуковой сигнализацией) и алфавитно-цифрового дисплея (две строки по 16 символов). В блоке управления также размещены источники питания лампы, фотоумножителя, шагового двигателя и электромагнитного переключателя шторки "W". Кроме того в блоке управления находится вакуумный пост.
Подготовка газоанализатора к работе заключается в вакуумизации монохроматора, а также измерительной и опорной кювет. Для этого с помощью вакуумного поста производят откачку газа из монохроматора и кювет, далее производится заполнение их азотом (аргоном), а затем снова производится откачка газа. Остаточное давление в монохроматоре и кюветах не должно превышать 3-Ю 3 мм рт. ст. Допускается заполнение монохроматора инертным газом (до 1,2 атм), при этом суммарные примеси в нем не должны превышать 5 ррт.
Газоанализатор работает следующим образом. При его включении подается питание на ФЭУ, а управляющая программа начинает спектральную привязку монохроматора. При этом программно включается светодиод АЛ-307 и шаговый двигатель начинает поворачивать дифракционную решетку до тех пор, пока изображение светодиода (спектр нулевого порядка) не попадет на фотодиод ФД-256. На этом позиционирование решетки монохроматора завершается, светодиод АЛ-307 и фотодиод ФД-256 отключаются, и производится включение водородной лампы ЛГВ. В это же время (в случае необходимости) с клавишного пульта производится замена спектральных участков, изменение их числа или изменение времени накопления фотоотсчетов. В штатном режиме работы газоанализатора используются шесть спектральных участков и время накопления фотоотсчетов 5 с. Положение спектральных участков определяется числом шагов шагового двигателя от положения спектральной привязки. Величины эффективных сечений поглощения кислорода и паров воды в выбранных спектральных участках находятся в процессе калибровки газоанализатора.
После прогрева лампы (30 мин) измерительная кювета заполняется исследуемой газовой смесью и начинает отрабатываться циклический алгоритм управляющей программы. Прежде всего решетка монохроматора устанавливается в положение, когда пропускается излучение лампы в первом спектральном участке (Я 151,4 нм). В данном положении решетки производятся измерения светового потока, прошедшего через опорную кювету
(7,), а затем и измерительную кювету (7,). Далее решетка монохроматора устанавливается в положение "2" и снова производятся измерения сигналов l\ и 1г. Аналогичная процедура производится и для остальных четырех положений решетки монохроматора. На основании полученных значений if и /,. процессор решает систему уравнений (4.5) методом наименьших квадратов. Полученные значения концентраций молекул кислорода N„ и молекул воды Nu 0 в исследуемой газовой смеси выводятся на экран дисплея
