Актуальность работы
В металлургии измерение концентрации такого ядовитого газа, каким является оксид углерода, является задачей, важной в двух значениях.
Во-первых, точный газовый анализ, если данные его представить в цифровой форме, а затем передать в ЭВМ для последующей обработки, может быть использован в системе тотального контроля за протеканием технологического процесса. Сегодня подобные системы, большего или меньшего масштаба, успешно работают на большинстве металлургических предприятиях. Они позволяют контролировать дистанционно тот или иной технологический процесс. В перспективе можно предвидеть создание автоматизированных систем управления технологическим процессом, которые будут давать возможность не только наблюдать, правильно ли работает технологический объект, но и самостоятельно корректировать его работу на всех этапах.
Во-вторых, в связи с высокой степенью токсичности СО, обеспечение его контроля является важнейшей экологической задачей. На различных этапах металлургических процессов, в частности, доменного производства, производится сжигание доменного газа. Кроме углекислого газа, пыли, кислорода, азота и метана, результатом такого горения является и ядовитый оксид углерода СО. Учитывая масштабы металлургических комбинатов, экологическая обстановка в их окрестностях является крайне критической.
Несмотря на глубокий прогресс в области газового спектрального анализа многие решения постепенно становятся морально устаревшими. Все актуальней становится выбор структуры прибора, которая учитывала бы и современные технические возможности.
Перечень решаемых в работе задач
В рамках выполнения магистерской работы предполагается наметить разрешение следующих проблем.
Во-первых, вечной проблемой в сфере непрерывного газового анализа является борьба с пылью и прочими частицами, рассеивающими излучение и могущими существенно влиять на показания газоанализатора. Предполагается проанализировать имеющиеся измерительные схемы газоанализаторов, с тем чтобы выбрать оптимальную из них.
Во-вторых, существенным недостатком газоанализаторов ГИАМ-14, до последнего времени широко применявшихся на многих металлургических комбинатах Украины, является отсутствие микропроцессорной обработки результатов измерений непосредственно в самом приборе. Прибор вырабатывает аналоговый сигнал, который затем поступает на специализированный модуль, включенный в глобальную систему наблюдения (контроля) за ходом процесса. И уже в этой системе производится анализ и хранение информации. Однако сам прибор подобных функций не выполняет. На наш взгляд, наличие микропроцессорной обработке, а также устройства хранения информации непосредственно в приборе является не только обоснованным, но и необходимым.
В-третьих, предполагается построить математическую модель измерения, начиная от получения спектра источника излучения, взаимодействующего со средой поглощения, также имеющей свой спектр, и заканчивая описанием процессов, происходящих в приемнике излучения. Предполагается исследовать несколько альтернативных вариантов источников излучения, с тем чтобы обосновать, какой источник является наиболее приемлемым для решения подобных задач.
Наконец, в-четвертых, предполагается наметить перспективы создания газоанализатора, который позволял бы производить одновременный анализ сразу двух газовых компонент - оксида углерода СО и углекислого газа СО2. Интерес к подобному прибору для области доменного производства очевиден, поскольку здесь при нагревательных процессах важную роль играет доменный газ, по сжигании которого практически всегда остаются и СО, и СО2, и анализ концентрации которых содержит в себе важную информацию о правильности протекания процесса сжигания.
В рамках данного автореферата будет рассмотрен лишь первый вопрос - вопрос выбора оптимальной измерительной схемы для оптико-акустического газоанализатора, измеряющего оксид углерода СО. Материалы для написания автореферата взяты из [3].
Научная и практическая новизна
Что дает прибор, измеряющий одновременно и СО, и СО2? Ведь стандартно подобную проблему решали, отделяя на анализ каждой из компонент отдельный газоанализатор. Основным преимуществом нового прибора будет являться универсальность: его можно будет применять как для анализа отдельно взятой компоненты, так и для совместного их анализа. При этом предполагается таким образом спроектировать измерительную схему, подобрать такую элементную базу, чтобы стоимость прибора возросла незначительно в сравнении с имеющимися промышленными образцами.
Следующее, что следует отметить, это наличие современной электронно-вычислительной базы в самом приборе. Конечно, подобная функция может не всегда иметь смысл при использовании газоанализатора в глобальной контрольно-измерительной системе, когда он выполняет роль весьма и весьма локальную. Но даже и в этом случае оправдано наличие устройства памяти, сохраняющее историю измерений в самом приборе. Почему оправдано? Потому что в глобальных системах нередки сбои, и в подобных случаях информация о том, было ли превышение предельно допустимого выброса ядовитого СО или нет, оказывается потерянной. И если для руководства предприятия подобная ситуация является скорее положительной, то для экологических служб это неприемлемо. Если же речь идет об использовании газоанализатора самостоятельно, без связи его с системой, то аналитическая обработка результатов измерений и наличие устройства памяти просто необходимы.
Наконец, интересным, на наш взгляд, является построение математической модели измерений. У выпускников кафедры ЭТ подобные наработки имеются, однако полностью отнести эти исследования к нашей задаче было бы неверно. К примеру, у магистра А. Алдохиной в качестве анализируемой компоненты выступал метан. У А. Вовны же, хотя анализировался, как и у нас, СО, был выбран абсорбционный метод, а не оптико-акустический. Поэтому математическая модель, которую мы в будущем планируем вывести, будет очередным этапом в доскональном изучении абсорбционных процессов поглощения.
Теоретический анализ
Существуют две основные схемы недисперсионных ОАГ: одноканальные и двухканальные. Недостатками одноканальной схемы являются большая погрешность определения и существенное влияние внешних условий.
Более точными и стабильными являются двухканальные ОАГ, существенным отличием которых от одноканальных является наличие канала, формирующего опорный сигнал сравнения.
Двухканальные ОАГ (рис. А1) имеют различные варианты. Рассмотрим несколько вариантов ОАГ.
Рисунок А1 - Основная схема оптико-акустического газоанализатора
1, 2 - источники зондирующего излучения; 3, 4 - оптические фильтры; 5 - рабочая кювета; 6 - сравнительная кювета; 7, 8 - уравновешивающие заслонки; 9, 10 - ОА-приемник (лучеприемная камера); 11 - ОА-датчик; 12 - усилитель с измерительным устройством; 13 - обтюратор; 14 - привод обтюратора; lp - длина рабочей кюветы; lф - длина фильтровой кюветы.
Дифференциальный ОАГ с непосредственным отсчетом. В этом случае модулированное излучение от источников света 1,2 проходит одновременно рабочую абсорбционную кювету 5 и кювету сравнения 6, а затем попадает в ОА-приемник с общей лучеприемной камерой 10. Излучение, прошедшее кювету сравнения 6, дает опорный сигнал, и ОА-датчик выделяет разностный сигнал от двух каналов.
В отсутствие определяемого компонента в рабочей кювете система балансируется путем диафрагмирования потока через кювету сравнения и на выходе ОА-датчика сигнал равен нулю. При напуске в рабочую кювету анализируемого газа ОА-датчик фиксирует разбаланс каналов. Сигнал разбалансировки каналов является аналитическим.
Комбинированный ОАГ с двухкамерным ОА-приемником. В этом случае излучения в рабочем и сравнительном каналах модулируются обтюратором 13 в противофазе, а прошедшее излучение попадает в ОА-приемник, содержащий две расположенные последовательно лучеприемные камеры. В первой поглощается излучение, попадающее в центр полосы поглощения определяемых молекул, а во второй - на крылья полосы. Конфигурацию и заполнение камер ОА-приемника подбирают так, чтобы в отсутствие поглощающего газа в рабочей кювете раскомпенсация фаз сигналов в камерах при поглощении излучения, прошедшего сравнительный канал, была бы минимальной. При напуске в рабочую кювету анализируемого газа сигнал в рабочем полупериоде уменьшается, и возникающий сигнал разбалансировки является мерой содержания определяемого компонента.
Компенсационный ОАГ, в котором разностный сигнал от рабочего и сравнительного каналов поступает на компенсирующие устройства: ослабляющие поток диафрагмы и заслонки или кюветы переменной длины, меняющие толщину поглощающего слоя газа. Отсчет по шкале компенсирующего устройства при нулевом сигнале ОА-датчика является мерой содержания примесного компонента.
Лазерные ОАГ работают по однолучевой схеме, а конкретные ОАГ отличаются используемыми источниками излучения, способами его модуляции, типами спектрофонов: резонансных и нерезонансных, с однократным или многократным прохождением излучения, конфигурацией и типом ОА-датчиков. Основные проблемы лазерного ОА-анализа связаны с повышением точности и чувствительности определений. Эти характеристики газоанализаторов определяются возможностью стабилизации и учета флуктуации мощности лазерного излучения, снижения фонового шума окошек абсорбционных кювет, стабилизации температурных параметров спектрофонов, а также возможностями градуировки и калибровки ОАГ.
Альтернативы измерительных схем ОА-газоанализаторов
Хотя схема ОАГ, принятая за основную (см. рис. А1), применяется во многих моделях приборов, ее использование сопряжено с рядом трудностей. Во-первых, случайные загрязнения анализируемого газа воздействуют только на один (рабочий) поток ЛЭ, что может привести к ощутимым нарушениям стабильности показаний и, в конечном итоге, к увеличению погрешности измерений. Во-вторых, наличие в анализируемой смеси мешающих анализу компонентов (полосы поглощения которых перекрываются либо с полосами определяемого компонента, либо с полосами примесей в газе, находящемся в камере ОА-приемника) во многих случаях сильно снижает избирательность анализа и повышает требования к чистоте газовых смесей, используемых для заполнения ОА-приемников.
Усовершенствование схем ОАГ с непосредственным измерением сигнала происходило в том направлении, чтобы или обеспечить пропускание анализируемого газа как через рабочую, так и через сравнительную кюветы, или вообще получить однолучевую схему без сравнительной кюветы.
На рис. А2 изображена схема ОАГ с комбинированной положительной и отрицательной фильтрацией. Эта схема является двухлучевой и двухканальной, но позволяет пропускать анализируемую смесь через рабочую кювету, перекрывающую обе половины потока ЛЭ. Она обеспечивает высокую избирательность при анализе углеводородных газов с перекрывающимися спектрами поглощения. Однако чувствительность схемы ввиду использования элементов отрицательной фильтрации может быть меньше, если сравнивать с основной схемой ОАГ (см. рис. А1).
На рис. А3 приведена схема ОАГ со спектральным разделением каналов, в которой сравнительный канал образован в спектральном интервале, отличном от рабочего интервала, путем добавления в газовую смесь, находящуюся в камере ОА-приемника, газа Е, полосы поглощения которого не совпадают с полосами ни одного из компонентов, содержащихся в анализируемой газовой смеси. Одновременно в смесь, содержащуюся в фильтровой кювете сравнительного канала, добавляется анализируемый компонент А, толщина слоя которого значительно больше эквивалентной толщина слоя анализируемого компонента в ОА-приемнике, что обеспечивает отсутствие чувствительности сравнительного канала к газу А.
Рисунок А2 - Схема оптико-акустического газоанализатора с комбинированной положительной и отрицательной фильтрацией
1 - источник зондирующего излучения; 2 - обтюратор с приводом; 3 - фильтровая кювета с мешающими анализу газами М; 4 - рабочая кювета; 5 - нулевые заслонки; 6 - сравнительная кювета с непоглощающим (балластным) газом Б; 7 - селективная кювета со смесью определяемого газа А и баластного газа Б; 8 - селективная кювета со смесью определяемого газа А и газа У, усиливающего сигнал ОА-приемника; 9 мембрана микрофона; 10 - неподвижный электрод микрофона; 11 - усилитель с измерительным устройством
Рисунок А4 - Схема оптико-акустического газоанализатора с комбинированной положительной и отрицательной фильтрацией
1, 2 - источники зондирующего излучения; 3 - обтюратор с приводом; 4-рабочая кювета; 5-селективная фильтровая кювета, заполненная смесью определяемого газа А и мешающих газов М; 6-фильтровая кювета рабочего канала, заполненная смесью мешающих газов М и газа Е; 7-лучеприемники; 8-мембрана микрофона; 9-неподвижный электрод микрофона; 10 - усилитель с измерительным устройством
Схема со спектральным разделением каналов легче, чем схема рис.A1, поддается юстировке (уравновешиванию) на нулевой отметке шкалы и не требует при этом искусственного ослабления потоков зондирующего излучения. Некоторым недостатком этой схемы является зависимость равновесия от изменения спектрального распределения излучения источников ЛЭ при изменении их температуры.
Если допустить, что определяемый компонент А и газ сравнения Е имеют по одной полосе поглощения, причем поглощение в слоях "Омега"А и "Омега"Е в лучеприемниках и в слоях uАф и uЕф в фильтровых кюветах следует "закону квадратного корня", то условие равновесия рассматриваемой схемы имеет вид:
 |
(1) |
Компенсационные схемы применяют в анализаторах тогда, когда стремятся избежать необходимости стабилизировать отдельные элементы схемы. Как уже отмечалось выше, в ОАГ применяются различные компенсационные схемы, как неселективные, так и селективные.
Большой интерес представляет схема с селективной (газовой) компенсацией, принцип действия которой ясен из рис. А4. Сигнал, развиваемый ОА-приемником, зависящий от содержания газа А в анализируемой смеси, компенсируется в сравнительном канале слоем газа А известной концентрации САк, причем толщина этого слоя в момент, когда амплитуда сигнала ОА-приемника равна нулю, является однозначной мерой искомого содержания газа А. В том случае, если объем компенсационной кюветы отделен от окружающей среды гибкой стенкой, причем сброс газа из рабочей кюветы после анализа происходит в окружающую среду, то осуществляется частичная компенсация влияния температуры и давления окружающей среды на показания газоанализатора. Погрешность ("Дельта"С/С)Р,Т, обусловленная одновременным изменением температуры Т на "Дельта"Т и атмосферного давления Р на "Дельта"Р, не превышает:
 |
(2) |
где F0 - -относительное изменение сравнительного потока, возникающее при полном перемещении подвижного элемента компенсационной кюветы и при отсутствии газа А в ней; s - - эффективная площадь гибкой стенки (сильфона); (Vк + Vс) - - полный внутренний объем компенсационной кюветы с сильфоном; G - - жесткость стенки.
Для разработанных ОАГ: g <= 38 Н/см; s = 35см2; (Vк + Vс) <= 200 см3; Fп > 0,1; F0 < 0,01, поэтому при "Дельта"Р = 1,33 кПа и "Дельта"Т = 10о С погрешность ("Дельта"С/С) приближенно равна 1,8 %, тогда как в схеме с непосредсвенным измерением сигнала эта погрешность при отсутствии термостатирования составляет около 4,6 % .
Рисунок А4 - Схема оптико-акустического газоанализатора с газовой компенсацией
1 - источник зондирующего излучения; 2 - обтюратор с приводом; 3 - фильтровые кюветы, заполненные мешающими газами М; 4 - компенсационная кювета с внутренним объемом Vк, заполненная смесью определяемого газа А и непоглощающего газа Б; 5 - дополнительный сильфон с внутренним объемом; 6 - сравнительная кювета; 7 - лучеприемники со смесью газа А и газа У, усиливающего сигнал ОА-приемника; 8 - мембрана микрофона; 9 - неподвижный электрод микрофона; 10 - реверсивный двигатель; 11 - первичный преобразователь измерительного устройства 12; 13 - фазочувствительный усилитель; 14 - нулевые заслонки; 15 - рабочая кювета; 16 - первичный преобразователь фазочувствительного устройства усилителя
В автоматическом ОАГ сигнал ОА-приемника после усиления усилителем 13 используется с помощью фазочувствительного устройства 16 для управления реверсивным двигателем 10, регулирующим длину lк компенсационной кюветы и одновременно используемым для ее измерения. Шкала ОАГ с газовой компенсацией должна быть практически равномерной, причем не только тогда, когда газовая характеристика близка к линейной, но и в области нелинейного поглощения. Однако вследствие невозможности обеспечить lк = 0 при САР = 0, имеется остаточная нелинейность шкалы, которая вполне ощутима, когда класс точности прибора достаточно высок. Для устранения этой трудности можно добавить в фильтровую кювету 3 в рабочем канале газ А, толщина слоя которого равна начальной толщине слоя этого газа в компенсационном кювете.
К числу наиболее перспективных схем ОАГ относятся схемы с так называемой параметрической модуляцией, в которых модуляция потока зондирующего излучения осуществляется периодическим изменением числа молекул анализируемого вещества на пути потока от источника к приемнику. Достоинствами подобных анализаторов являются исключительно высокая стабильность нуля и значительно меньшая, чем в двухлучевых приборах, зависимость показаний от стационарных изменений потока зондирующего излучения, не связанных с анализируемым веществом.
Рисунок А5 - Различные варианты (а-в) анализаторов с клиновидными кюветами
1 - ОА-приемник; 2, 6, 7, 11 - рабочие кюветы; 3 - источник зондирующего излучения; 4 - фильтровая кювета; 5 - дополнительная кювета; 12 - дополнительный клин; б - газ, не поглощающий ИК-излучение; М - газы, мешающие анализу; У - газ, усиливающий сигнал ОА-приемника
На рис. А5, а изображена схема ОАГ с двумя встречными кюветами 2 и 5. Через кювету 2 пропускают смесь, содержащую определяемый компонент А концентрации СА и неопределяемые компоненты М. Дополнительная кювета 5 заполняется непоглощающим радиацию газом Б. Фильтровая камера 4 заполняется, как и обычно, поглощающим зондирующее излучение неопределяемым газом М, мешающим определению компонента А. Если для заполнения кюветы 5 подобрать газовую смесь с некоторой промежуточной концентрацией компонента А, то может быть построен газоанализатор с безнулевой шкалой.
Схема газоанализатора, показанная на рис. 2.6, в, отличается от схемы 2.6, а тем, что дополнительная кювета заменена клином 12, выполненным из того же материала, что и окно кюветы. При удалении из схем 2.6, а и в верхних окон рабочих кювет получаются схемы газоанализаторов для определения содержания газа А непосредственно в окружающей среде.
На рис. А5, б изображен газоанализатор, содержащий две встречных рабочих кюветы, каждая из которых продувается соответствующей анализируемой смесью. При этом в кювете 6 концентрация определяемого компонента А равна СА1, а в кювете 7- СА2. Выходной сигнал приблизительно пропорционален разности СА\-СА2- Таким образом, схема А5, б является схемой газоанализатора, предназначенного для определения разности концентраций одного компонента в различных газовых смесях или в различных точках одного объема газа.
Подводя итоги, выберем измерительную схему, наиболее подходящую для решения поставленной задачи. Основное требование к измерительной схеме – независимость показаний от содержания пыли и сажи в пробе газовой смеси. На наш взгляд, наиболее данному требованию удовлетворяет схема, изображенная на рис. А2. Действительно, в ней содержание в анализируемой газовой пробе, поступающей в рабочую кювету, частиц пыли равным образом влияет на оптический сигнал и рабочего канала, и сравнительного, и, таким образом, показания анализатора от пыли не зависят. Как и говорилось, недостатком схемы является относительно малая чувствительность.
Ниже приведена анимация, наглядно иллюстрирующая работу выбранной нами схемы. Источник ИК-излучения 1 модулируется обтюратором 2. Проходя через фильтровую камеру М, в которой содержатся те газы, спектры которых пересекаются с анализируемыми компонентами, излучение фильтруется. На выходе кюветы получаем оптический сигнал, не поглощаемый мешающими компонентами. В рабочей камере 4, в которую непрерывно поступают газовые пробы, сигналы обоих каналов поглощаются, во-первых, анализируемым компонентом, а во-вторых, частицами пыли, которые могут поступить в камеру. Проходя далее через камеру 5, сигналы обоих каналов поглощаются в ней по-разному: сигнал сравнительного канала, проходя через камеру Б, заполненную балластным газом, практически не поглощается вовсе, сигнал же, проходящий через камеру А, поглощается существенно. Таким образом, на выходе камеры 5 имеем два переменных оптических сигнала различной интенсивности, поступающих на ОА-приемник 6 в противофазе. ОА-приемник, заполненный анализируемым газом А и газом, усиливающим чувствительность к излучению, воспринимает дифференциальный сигнал обоих каналов как разность между интенсивностями потоков. При нулевой концентрации анализируемого компонента в рабочей кювете 4 ОА-колебаний в приемнике все же имеются, но определенной амплитуды, которую можно зафиксировать. В случае же, когда в рабочую кювету 4 поступает газ А, амплитуда сигнала на выходе ОА-приемника увеличивается. Это увеличение фиксируется регистрирующей системой, условно показанной на рисунке в виде устройства 7.
Анимация 1: общий объем файла: 105 кБ; количество кадров: 8; количество циклов повторений: 10; формат файла: GIF
Анимация 1 - Описание работы измерительной схемы О-А газоанализатора
с комбинированной положительной и отрицательной фильтрацией
1 - источник зондирующего излучения; 2 - обтюратор с приводом; 3 - фильтровая кювета с мешающими анализу газами М; 4 - рабочая кювета; 5 - сравнительная кювета с непоглощающим (балластным) газом Б и селективная кювета со смесью определяемого газа А и баластного газа Б; 6 - селективный оптико-акустический приемник со смесью определяемого газа А и газа У, усиливающего сигнал приемника (здесь содержится неподвижный электрод и гибкая мембрана, образующие конденсаторный микрофон); 7 - устройство регистрации
Чтобы еще раз просмотреть анимацию, нажмите клавишу F5 (обновить)
В настоящий момент магистерская работа является незаконченной. Окончание ее планируется в декабре 2007 года. После этого информацию о работе можно будет получить, связавшись с автором по электронной почте, либо по адресу:
Украина, Донецкая область, г. Донецк, ул. Вышнеградского, д. 10, кв. 11
Литература
1. Полтавец В.В. Доменное производство. М.: "Металлургия". - 1981.
2. Щербаков В.П. Основы доменного производства. М.: "Металлургия". - 1969.
3. Бреслер П.И. Оптические абсорбционные газоанализаторы и их применение. Л.: 1980.
4. Павленко В. Газоанализаторы. М.-Л.: - 1965.
5. Зуев В.Е. Распространение лазерного излучения в атмосфере. М.: - 1981.
6. Немец В.М. и др. Спектральный анализ неорганических газов. Л.: - 1988.
7. Зуев В.Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере. М.: - 1970.