Пирометрический способ газового анализа продуктов сгорания

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПИРОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ГАЗОВОГО АНАЛИЗА ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Козлов Владимир Леонидович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Способ газового анализа продуктов сгорания печи или котла путем пропускания через контролируемую среду зондирующих излучений с длинами волн, находящимися в центре полосы поглощения и вне полосы поглощения контролируемого газа, отличающийся тем, что в качестве зондирующего излучения используют излучение внутренней полости печи или котла, а концентрацию контролируемого газаопределяют из отношения температур печи или котла, измеренных методом спектрального отношения в полосе поглощения контролируемого газа и вне полосы поглощения, по формуле 1 1 1 1 2 9796 1 2007.10.30 где 2 - коэффициент, равный 1,436 градсм Т - температура печи или котла, измеренная в участке спектра с длиной волныв полосе поглощения контролируемого газа Т - температура печи или котла, измеренная в участке спектра с длиной волнывне полосы поглощения контролируемого газа- дифференциальный коэффициент поглощения- длина контролируемой области печи или котла,причем учитывают собственное излучение газа в зависимости от температуры печи или котла путем определения уточненного значения концентрации газапо формуле Изобретение относится к области оптического спектрального приборостроения и может быть использовано для измерения концентрации различных газов в продуктах сгорания. Известен способ измерения температуры 1, основанный на методе спектрального отношения, заключающийся в измерении интенсивности оптического излучения в двух спектральных каналах и последующем измерении отношения этих сигналов. При этом температура определяется из отношения сигналов в измерительных каналах. Недостатком этого способа является то, что система позволяет измерять только температуру, например,печи и не позволяет измерять концентрацию газов в продуктах сгорания печи. Известен способ измерения концентрации газа на основе дифференциального поглощения 2, сущность которого состоит в том, что через среду пропускают две или более длины волны оптического зондирующего излучения, причем одна длина волны излучения находится вне полос поглощения контролируемых газов, а другая (другие) в центре полосы поглощения контролируемого газа (газов). При этом концентрацию поглощающих частиц газов определяют из отношения интенсивностей зарегистрированных зондирующих сигналов. Недостатком данного способа является ограниченная точность измерений, обусловленная неучетом собственного излучения газа, а также высокая стоимость и сложность конструкции газоанализатора. Задача изобретения - упрощение, повышение точности и расширение функциональных возможностей измерителя концентрации газов в продуктах сгорания. Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность непрерывного измерения концентрации различных газов (например, СО, СО 2, ), измерение температуры рабочей камеры, что расширяет функциональные возможности устройства, а также позволяет значительно снизить стоимость прибора. Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе 2 в качестве источника излучения используется излучение самой печи, а концентрацию газа определяют из значений температур печи, измеренных методом спектрального отношения в полосе поглощения контролируемого газа и вне полосы поглощения, при этом учитывается величина собственного излучения газа. Функциональная схема системы, реализующей предложенный способ, представлена на фиг. 1. Система содержит набор измерительных каналов 1,2 со спектральными диа 2 9796 1 2007.10.30 пазонами 1, 2 соответственно, электрические сигналы, на выходах которых пропорциональны потокам излучения в этих участках спектра и информационно-измерительный блок 3, выполненный на базе микропроцессора. Все спектральные диапазоны имеют одинаковые полосы пропускания . Принцип действия системы основан на измерении интенсивности излучения, внутренней полости печи или котла, в разных участках спектра 1, 2,. Выбор участков спектра производился из условий поглощения контролируемыми газами, например, 1, 2 соответствуют длинам волн, на которых анализируемые газы не поглощают, а 3, 4, соответствуют линиям поглощения контролируемых газов. Существует известная формула 2 для определения концентрации газов где- интенсивность излучения в отсутствии газов,- интенсивность, измеренная прибором в области поглощения газа,- дифференциальный коэффициент поглощения,- длина контролируемой трассы. В выражении (1) присутствуют два неизвестныхи , поэтому в таком виде формула не применима для определения концентрации газа. Для вычисления искомых концентраций газов в предлагаемом способе используется следующий алгоритм. В начале измеряются интенсивности излучения внутренней полости печи или котла Е 1 и 2 в двух участках спектра 1 и 2, в которых газы не поглощают. На основе метода спектрального отношения 1, 4 система определяет температуру печи из измеренных интенсивностей излучения Е 1 и 2, отношение которых будет равно 5 где- температура печи,2 - коэффициент из формулы Планка, равный 21,436 градсм. Из формулы (2) с помощью математических преобразований определяется температура печи, равная 2 (1 / 11 /2 )(3) 5(1 /2 )(2 /1 ) Затем измеряются интенсивности излучения 3, Е 4 в участках спектра 3,4, в которых поглощают контролируемые газы. Если в качестве одной из спектральных полос в соотношении (3) взять полосу поглощения контролируемого газа, то при наличии контролируемого газа получим значение температуры печи , которое будет отличаться от температуры , измеренной в участках спектра, в которых контролируемые газы не поглощают 2 (1 / 11 /)(4) 5(1 /)(/1 ) Это будет обусловлено ослаблением излучения в данном участке спектра в результате его поглощения контролируемым газом. Температурыибудут различаться в зависимости от концентрации контролируемого газа. Преобразовывая формулы (2-4) и подставляя в (1), получаем, что по измеренным температурамиможно вычислить концентрацию контролируемого газа по формуле Таким образом, сущность предложенного пирометрического способа измерения концентрации газов в продуктах сгорания заключается в том, что в системе измеряется температура печи или котла методом спектрального отношения в спектральной области с отсутствием поглощения газов и в области поглощения контролируемого газа, и затем по значениям измеренных температур по формуле (5) рассчитывается искомая концентрация газа. Формула для расчета концентрации будет иметь вид (5) при условии, что не будет учитываться излучение самого газа, который при данных температурах может спонтанно испускать электромагнитную энергию. Для молекул газа существуют вероятности поглощения Рпогл и спонтанного излучения Ризл, для которых из соотношений для коэффициентов Эйнштейна 2 можно установить связь Зависимости отношения вероятностей спонтанного излучения Ризл к вероятности поглощения Рпогл от температуры для спектральных областей поглощения СО, СО 2,представлены на фиг. 2. Из графика видно, что в области невысоких температур (до 700800 ) собственным излучением газов можно пренебречь (вклад порядка 1-2 ). Для более высоких температур (Т 1300 ) необходимо учитывать собственное излучение газов, так как вклад собственного излучения по отношению к поглощению может составить 20-30 припорядка 2000 . Следовательно, при этих температурах для повышения точности измерения концентрации необходимо учитывать собственное излучение контролируемого газа. Поскольку при больших температурах явление излучения нагретыми газами части поглощенной ими энергии увеличивает интенсивность излучения, пришедшую на приемник излучения, то результаты измерений концентраций будут занижены и не будут соответствовать истинному значению. Поэтому с учетом формулы (6) выражение для интенсивности излучения Е на длине волныбудет иметь вид В формуле (7) первый член справа от знака равенства представляет собой величину поглощенного газом излучения, а второй член - интенсивность собственного излучения газа, которая зависит от температуры печи . Подставляя выражение (7) в формулу (1) для расчета концентрации газа и проведя математические преобразования, можно оценить,какую погрешность дает неучет собственного излучения газа в зависимости от температуры. Истинная концентрация контролируемого газа, вычисленная с учетом собственного излучения, будет отличаться от концентрации , вычисленной по формуле (5), в соответствии со следующим выражением Очевидно, что при низких температурах (400 К), когда (/)1,. Расчеты по формулам (8), (9) показывают, что при невысоких температурах (до 700 ) погрешность, обусловленная собственным излучением, не превысит 0,5 , а при температурах (2000 ) может превысить 10 . Формулы (8) или (9) записываются в память микропроцессора блока 3, и в зависимости от полученной температуры печи производится уточнение рассчитанной по формуле (5) искомой концентрации газа. Следовательно,учет собственного излучения газа позволяет повысить точность измерения концентрации газа пирометрическим методом при высоких температурах , при которых интенсивность собственного излучения газа имеет существенное значение. Таким образом, разработанный пирометрический способ измерения концентрации газов в продуктах сгорания по сравнению с прототипом 2 и построенными на его основе известными измерителями концентрации газов имеет следующие преимущества использование собственного излучения печи в качестве источника зондирующего сигнала значительно упрощает структуру измерителя и делает его более дешевым, не требуя использования набора дорогостоящих лазеров и систем стабилизации их параметров в отличие от известных методов газового анализа, в разработанной системе измеряется температура печи в различных спектральных областях, и затем по значениям измеренных температур рассчитываются искомые концентрации газов, что упрощает процесс измерений система позволяет наряду с дистанционным проведением газового анализа продуктов сгорания определять температуру печи, что расширяет ее функциональные возможности в системе учитывается влияние собственного излучения газа на результат измерения концентрации, что увеличивает точность измерений. Источники информации 1. Патент РБ 6736, МПК 501 5/00, 2004. 2. Лазерный контроль атмосферы / Под ред.Э.Д. Хинкли. Пер. с англ. - . Мир, 1979. С. 124-127, 313-316. 3. Патент РФ 2059225, МПК 5 01 3/12, 1996. 4. Поскачей А.А., Чубаров .П. Оптико-электронные системы измерения температуры. - . Энергоатомиздат, 1988. - С. 58-67. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.