Стационарные абсорбционные газоанализаторы УФ диапазона для контроля концентраций технологических газов

Матросов, Иван Иванович

Стационарные абсорбционные газоанализаторы УФ диапазона для контроля концентраций технологических газов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Матросов, Иван Иванович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Стационарные абсорбционные газоанализаторы УФ диапазона для контроля концентраций технологических газов»

Автореферат диссертации на тему "Стационарные абсорбционные газоанализаторы УФ диапазона для контроля концентраций технологических газов"

На правах рукописи

Матросов Иван Иванович

СТАЦИОНАРНЫЕ АБСОРБЦИОННЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ УФ ДИАПАЗОНА ДЛЯ КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВ

специальность 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск-2006 7 . .

Работа выполнена в Институте мониторинга климатических и экологических систем СО РАН и Томском государственном университете

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, доцент Булдаков Михаил Аркадьевич

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, заслуженный деятель науки РФ Ипполитов Иван Иванович

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Пуговкин Алексей Викторович д.ф.-м.н., профессор Кистенев Юрий Владимирович

Ведущая организация:

Институт оптики атмосферы СО РАН

Защита состоится 4 октября 2006 г. в 9 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д212.268.04 в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники, по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40, ауд. 230

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники

Автореферат разослан "¿'^О-Ь^ет* 2006 г.

Ученый секретарь ^ .¿-ч

диссертационного совета

Акулиничев Ю.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 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, хемилюминесценгном 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, также участки непрерывного поглощения. Первые обусловлены переходами между отдельными электронно-колебателыю-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 злектронно-колебательно-вращатслышх полос поглощения в УФ области спектра для диагностики технологических газов;

— 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 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 Оз.

2. 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/м3, необходимой при измерении концентраций молекул NO и SO2 в дымовом газе.

3. Предложенный и реализованный способ последовательной спектральной селекции полос УФ поглощения молекул NO 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 NO и не менее чем в 7 раз для S02.

4. 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 О2 и Н20 в водороде, азоте и инертных газах с чувствительностью 3-Ю"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.

2. 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).

3. Предложена конструкция стационарного газоанализатора дисперсионного типа с оригинальным устройством сканирования спектра (ДОГМ) для определения содержания окиси азота и двуокиси серы в дымовых газах теплоэлектростанций (Патент РФ № 2244291).

4. Впервые предложена конструкция высокочувствительного двухкомпонентного дисперсионного газоанализатора, использующего метод дифференциального поглощения в области вакуумного ультрафиолета, для технологий производства полупроводниковых изделий.

Практическая ценность работы.

1. 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.

2. Разработан и изготовлен газоанализатор ДОГ-2, предназначенный для измерения концентрации двуокиси серы в дымовых газах теплоэлектростанций, сжигающих уголь и мазут.

3. 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.

4. 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.

Достоверность результатов подтверждается: - хорошей согласованностью показаний газоанализаторов серии ДОГ с показаниями

переносных газоанализаторов ТЕБТО-ЗЗ и ТЕ8ТО-342, полученными в ходе производственных испытаний газоанализаторов ДОГ на Тюменской ТЭЦ-1 и Томской ГРЭС-2;

— сертификатом об утверждении типа средств измерений, выданным Государственным комитетом Российской Федерации по стандартизации и метрологии.

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, доложены и обсуждены на следующих конференциях: П межреспубликанской конференции "Оптические методы исследования потоков" (Новосибирск, 1993 г.), 9-ом отраслевом совещании "Проблемы и перспективы развития Томского нефтехимического комбината" (Томск, 1995 г.), Семинаре РАО ЮС России "Проблемы приборного обеспечения природоохранной деятельности в электроэнергетике" (Екатеринбург, 1995 г.), Международной конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды" (Томск, 1995 г.), I, П, III, IV, V международных симпозиумах "Контроль и реабилитация окружающей среды" (Томск, 1998, 2000, 2002, 2004, 2006 гг.), VI международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1999 г.), Конференции "Фундаментальные проблемы охраны окружающей среды и экологии природно-территориалышх комплексов Западной Сибири" (Горно-Алтайск, 2000 г.), IV и V сибирских совещаниях по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2001, 2003 гг.), 6-ой международной конференции 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 международной научно-практической конференции "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.).

Публикации. Содержание диссертации изложено в 26 публикациях, из них: 1 -в коллективной монографии, 6 - в рецензируемых отечественных журналах, 3 — в патентах России, 16 - в материалах конференций и сборниках тезисов и докладов.

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

разделов, заключения, списка литературы и приложения общим объемом 121 страница и содержит 27 рисунков, 5 таблиц и 63 наименования в списке литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи диссертационной работы, показаны научная новизна и практическая значимость работы, а также представлены научные положения, выносимые на защиту. Приведен краткий обзор структуры диссертации.

В первом разделе диссертации рассмотрены основные представления о физических основах абсорбционной спектроскопии и обсуждены особенности электронной абсорбционной спектроскопии в УФ области спектра. Показано, что элеюронные спектры поглощения молекул содержат участки как линейчатого, так и сплошного спектра. Первые обусловлены переходами между отдельными электронно-колебательно-вращательными состояниями молекул, а вторые обусловлены переходами в диссоциирующие возбужденные состояния. В результате этого по селективности электронные спектры поглощения молекул уступают колебательно-вращательным ИК спектрам. С другой стороны сечения поглощения электронных полос заметно превышают сечения поглощения колебательно-вращательных ИК полос, что обеспечивает более высокую чувствительность газоанализа в УФ области спектра.

Рассмотрены оптические материалы, а также различные виды источников и приемников излучения для УФ области спектра, необходимые для построения абсорбционных газоанализаторов УФ диапазона.

В этом_же разделе приведен обзор стационарных газоанализаторов УФ диапазона, выпускаемых в нашей стране и за рубежом. На основании данного обзора сделаны следующие выводы:

1. В настоящее время абсорбционные газоанализаторы являются одними из наиболее широко распространенных стационарных газоаналитических приборов непрерывного действия. Абсорбционные УФ газоанализаторы менее распространены, чем ИК газоанализаторы, но в ряде случаев они являются более перспективными.

2. Спектр современных абсорбционных УФ газоанализаторов довольно широк и включает в себя как однокомпонентные и двухкомпонентные газоанализаторы, так и многокомпонентные газоаналитические комплексы, которые часто используют не только поглощение УФ излучения, но и другие методы газоанализа.

3. Основная тенденция развития однокомпонентных и двухкомпонентных абсорбционных УФ газоанализаторов - на базе современных технологических и схемотехнических решений улучшение таких характеристик газоанализаторов как селективность, чувствительность, быстродействие, надежность работы и удобство обслуживания.

4. Уровень развития стационарных УФ газоанализаторов в России и странах бывшего СССР значительно уступает мировому.

Второй раздел диссертации посвящен рассмотрению принципов формирования сигналов дифференциального поглощения, а также устройству и работе стационарных однокомпонентных УФ газоанализаторов ДОГ-1 (ДОГ-1М) и ДОГ-2. Газоанализаторы ДОГ-1 и его модифицированный вариант ДОГ-1М предназначены для непрерывного измерения содержания окиси азота (N0) в дымовых газах ТЭС, работающих на природном газе. Газоанализатор ДОГ-2 предназначен для непрерывного измерения содержания двуокиси серы (вОг) в дымовых газах ТЭС, сжигающих серосодержащие виды топлива (уголь, мазут).

Работа газоанализаторов ДОГ-1 (Д0Г-1М) и ДОГ-2 базируется на использовании метода дифференциального поглощения в ближней УФ области спектра. Технически дифференциальное поглощение осуществляется с помощью источника континуального УФ излучения и узкополосного интерференционного светофильтра, выделяющего из спектра излучения источника участки спектра, размер которых задается полушириной полосы пропускания светофильтра ¡1,5 нм). Смещение полосы пропускания светофильтра производится путем поворота его на заданный угол. Такой способ перестройки позволяет смещать полосу пропускания светофильтра на несколько полуширин в коротковолновую сторону.

Для проведения дифференциального поглощения в газоанализаторах ДОГ-1 (ДОГ-1М) и ДОГ-2 использована область спектра 219-235 нм, в которой из основных компонентов дымового газа располагаются полосы поглощения только молекул N0, ЫОг и Б02 (рис. 1). Поскольку содержание диоксида азота (ЫОг) в дымовых газах мало (< 5 % от суммы оксидов азота), и его коэффициенты поглощения в данной области спектра сравнимы по величине с коэффициентами поглощения окиси азота и двуокиси серы, то его присутствием в дымовых газах можно пренебречь. Оценки показали, что максимальная погрешность, Рис. 1. Коэффициенты поглощения моле- вносимая в найденные концентрации окиси кул N0, ИОг и БОд в области 219 - 235 нм азота и двуокиси серы, от этого допущения

не превышает 2 %. Исходя из структуры полос поглощения молекул N0 и БОг, полуширины полосы пропускания интерференционного светофильтра и интервала его возможной перестройки, для дифференциального поглощения выбраны участки спектра с центрами 227,6 нм и 230 нм (ДОГ-1 и Д0Г-1М), 221,0 нм и 223,5 нм (ДОГ-2).

Конструктивно газоанализаторы ДОГ-1 (ДОГ-1М) и ДОГ-2 схожи и состоят из двух блоков: измерительной головки и блока управления. Устройство и работа газоанализаторов поясняется структурной схемой приборов (рис. 2), на которой показаны их основные узлы и их взаимосвязь. Источником УФ излучения служит газоразрядная дейтериевая лампа ЛД2(Д), являющаяся источником сплошного спектра в диапазоне 180-400 нм. Кювета представляет собой цилиндрическую камеру длиной 400 мм (200 мм - для ДОГ-2) с кварцевыми окнами на торцах и патрубками для прокачки через нее дымового газа. Светофильтр с перестраиваемой полосой

Х,вм

пропускания представляет собой интерференционный светофильтр с полушириной полосы пропускания ~ 1,5 нм и пропусканием в максимуме ~ 15 %, жестко закрепленный на оси шагового двигателя. Перестройка полосы пропускания светофильтра осуществляется поворотом светофильтра на требуемый угол относительно светового потока. Область перестройки полосы пропускания светофильтра ~ 5 нм. Фотоприемником является солнечнослепой фотоэлемент Ф-29 с усилителем постоянного тока и преобразователем напряжение-частота. Блок управления представляет собой вычислительную микросистему на основе микропроцессора 280 (для ДОГ-1 и ДОГ-2) или микроконтроллера АТп^аЮЗ (ДОГ-1М). Источник излучения, коллиматор, кювета, светофильтр и фотоприемник расположены в измерительной головке.

Рис. 2. Структурная схема газоанализаторов ДОГ-1(ДОГ-1М) и ДОГ-2: 1 -источник УФ излучения; 2 — зеркальный коллиматор; 3 — газовая кювета; 4 — светофильтр с перестраиваемой полосой пропускания; 5 — фотоприемник; 6 — блок управления. Штриховыми линиями показаны термостатированные блоки.

Опытная эксплуатация лампы ЛД2(Д) в газоанализаторах ДОГ показала, что за месяц работы лампы в паспортном режиме (ток разряда - 250 мА, ток накала — 2,0 А) интенсивность ее излучения на X = 230 нм снизилась приблизительно в 250 раз и достигла предельно допустимой для данных газоанализаторов величины. Такое резкое падение интенсивности излучения лампы обусловлено двумя причинами, во-первых, во время работы лампы ее окно и колба изнутри металлизируется распыленным никелем экрана, во-вторых, происходит наружное замутнение окна лампы. Замутнение окна лампы вызвано фотохимическими реакциями материала окна лампы с радикалами ОН и молекулами озона, которые образуются в окрестности окна из атмосферных молекул 02 и Н20 под действием мощного УФ излучения лампы.

50000 Й 40000 | 30000

5 20000

6 10000

• -250 мА

; --- 50 мА

. "V • • ■ 20 мА

Рис. 3. Изменение интенсивности излучения лампы ЛД2(Д) от времени работы при различных токах разряда. Штрихпунктирная линия — минимально допустимый уровень интенсивности излучения лампы в газоанализаторах ДОГ

100 200 300 400 500 600 I, сутки

Проведено исследование влияния этих эффектов на продолжительность службы лампы ЛД2(Д) в газоанализаторах ДОГ при различных режимах ее работы (рис. 3). Показано, что оптимальным режимом работы газоразрядной лампы ЛД2(Д) является режим с током разряда 20 мА, током накала 2,3 А и вентиляцией лампового отсека газоанализатора, который позволяет уменьшить как металлизацию внутренней

поверхности окна лампы так и замутнение внешней поверхности окна лампы, что в свою очередь приводит к увеличению продолжительности непрерывной работы лампы в газоанализаторах ДОГ до 1,5 лет (в 18 раз).

Газоанализаторы ДОГ-1 (ДОГ-1М) и ДОГ-2 имеют единый алгоритм работы и обработки сигналов. Работа газоанализаторов полностью определяется управляющей программой, в которой предусмотрено два режима работы: режим автономной работы и режим работы с пультом. Режим автономной работы является основным режимом, в ходе которого отрабатывается циклический алгоритм управляющей программы. В рамках одного цикла производится последовательное измерение сигналов фотоэлемента при двух положениях светофильтра (сигналы 1\ и Д), на основании которых процессор выполняет расчет концентрации поглощающих молекул в дымовом газе

2 з

N•• с0 +с1-у- + с2 +с3 ^ , (1)

Л м Л

где коэффициенты с, определяются при градуировке газоанализатора. Полученные значения концентрации выводятся на экран дисплея, расположенный на лицевой панели блока управления, и подаются в виде стандартного токового сигнала 0 — 5 мА на внешний самописец. В автономном режиме работы газоанализатор производит измерения концентрации окиси азота автоматически с интервалом в 5 секунд. Циклический алгоритм работы газоанализатора повторяется до тех пор, пока на него подано питание. Режим работы с пультом предназначен для настройки и градуировки газоанализатора.

Градуировка газоанализаторов ДОГ-1 (ДОГ-1М) и ДОГ-2 производится с помощью стандартных двухкомпонентных эталонных газовых смесей, состоящих из азота и измеряемого компонента дымового газа с известным его содержанием. Градуировка газоанализаторов заключается в измерении значений /| и /2 при различных эталонных газовых смесях в кювете газоанализатора и последующем определении коэффициентов С/ методом наименьших квадратов. Типичные градуировочные графики газоанализаторов ДОГ-1 (ДОГ-1М) и ДОГ-2 приведены на рис. 4 и 5, где точками показаны полученные в процессе градуировки значения 1г11\,

0,68 0,69 0,72 0,75 0.78 0,81

У1.

Рис. 4. Типичный градунровочный график газоанализатора ДОГ-1 (ДОГ-IM)

Рис. 5. Типичный градунровочный график газоанализатора ДОГ-2

а сплошными линиями - значения значениям /2//| ■

29 30 40 ^ мин

Рис. 6. Концентрация молекул N0 в дымовых газах при различных режимах сжигания природного газа на котле БКЗ-21-140 Тюменской ТЭЦ-1

кислорода показывает насколько сжигания топлива.

кубического полинома, построенного по этим

Производственные испытания газоанализатора ДОГ-1 проведены на котле БКЗ-210-140 Тюменской ТЭЦ-1 в условиях круглосуточной эксплуатации. В ходе испытаний была проверена работоспособность газоанализатора, быстродействие и достоверность показаний. Были также исследовапы зависимости концентраций молекул N0 в дымовых газах при изменении коэффициента избытка воздуха и паропроизводителыюсти котла (рис. 6). На этом рисунке режимы 1 и 2 соответствуют паропроизводителыюсти котла 170 т/чае при избытке кислорода соответственно 1,4 и 0,8 %. Следующие три режима соответствуют паропроизводителыюсти котла 190 т/час при избытке кислорода соответственно 2,1, 0,8 и 1,3 %. Сильная зависимость концентрации молекул NO в дымовых газах от наличия избыточного важно поддерживать оптимальные режимы

Таблица 1. Основные технические характеристики газоанализаторов ДОГ-1 (ДОГ-1М) и ДОГ-2

Характеристика ДОГ-1, ДОГ-1М ДОГ-2

1. Измеряемый компонент NO SOz

2. Диапазон измеряемых концентраций

молекул, мг/м3 0-1000 0-2500

3. Основная приведенная погрешность

измерения N0 в диапазоне 0-200 мг/м3, % 10

4. Основная относительная погрешность

измерения N0 в диапазоне 200-1000 мг/м3, % 10

5. Основная приведенная погрешность

измерения БОг в диапазоне 0-300 мг/м3, % 10

б. Основная относительная погрешность

измерения БОг в диапазоне 300-2500 мг/м3, % 10

7. Время одного измерения, с 5 5

8. Напряжение питания, В/Гц 220/50 220/50

9. Потребляемая мощность, Вт 150 150

10. Габаритные размеры, мм:

измерительная головка 870140200 670140200

блок управления 280280380 280280380

11. Масса, кг:

измерительная головка 15 12

блок управления 10 10

12. Ресурс работы (до замены лампы), час 9000 9000

По своим техническим характеристикам газоанализатор ДОГ-1 (ДОГ-1М) не уступает лучшим зарубежным приборам аналогичного класса.

В настоящее время газоанализатор ДОГ-1 сертифицирован и его мелкосерийное производство налажено в ИМКЭС СО РАН и ООО "Сибаналитприбор". Выпущено более 70 газоанализаторов, которые размещены на котлах всех крупных теплоэлектростанциях Тюменского региона в качестве платного средства контроля выбросов оксидов азота в атмосферу и оптимизации сжигания природного газа. Опыт эксплуатации газоанализаторов ДОГ-1 и его модифицированного варианта ДОГ-1М на предприятиях Тюменьэнерго показал, что данные приборы обладают необходимыми качествами и удовлетворяют энергетиков.

Третий раздел диссертации посвящен рассмотрению особенностей формирования сигналов дифференциального поглощения в случае перекрывания полос поглощения различных газов, а также устройству и работе стационарных двухкомпоненгных УФ газоанализаторов ДОГ-3 и ДОГ-4. Газоанализаторы ДОГ-3 и ДОГ-4 предназначены для непрерывного измерения содержания окиси азота (N0) и двуокиси серы (802) в дымовых газах ТЭС, работающих на любых видах органического топлива.

Работа газоанализаторов ДОГ-3 и ДОГ-4 также базируется на использовании метода дифференциального поглощения в УФ области спектра. Различие между этими газоанализаторами заключается в расположении участков спектра, выбранных для проведения дифференциального поглощения, и способах их выделения. Особенностью проведения дифференциального поглощения в газоанализаторах ДОГ-3 и ДОГ-4 является то, что в некоторых выбранных участках спектра происходит одновременное поглощение света как окисью азота, так и двуокисью серы. В результате этого, расчет концентраций молекул Ыт и NSOг проводится путем

решения системы нелинейных уравнений вида

= ь\мьо + + Ьз Ы10 + Ь^1ог +

; . (2) -2- = с0 + + с2Ы30г + съЫгт + сАЫ101 + ^ЛОдаМ^ Л

где коэффициенты Ьк и ск определяются при градуировке газоанализатора. Решение системы уравнений производится итерационным способом, где в качестве "нулевого" приближения используются значения Л^ и ЛГ^, которые являются решением упрощенной системы уравнений

! (з)

Значения и Л'^ являются хорошим приближением к "точным" решениям

системы уравнений, поскольку зависимости и Л/Л от и близки к

линейным. Точность решения системы уравнений (2) с помощью данной итерационной процедуры проиллюстрирована на рис. 7. На этом рисунке приведена

зависимость функции

/00 ■

(4)

Рис. 7. Сходимость итерационной процедуры решения системы уравнений (2), использованной при расчете концентраций молекул N0 и БОг в газоанализаторах ДОГ-3 и ДОГ-4

тонн

от п, где и — порядок поправки, a Nmo4H — точное значение решения системы уравнений (2). Хорошо видно, что функции /(и) быстро приближаются к единице и уже при п = 3 превышают значения 0,999. Это показывает, что данный способ обеспечивает однозначный расчет концентраций окиси азота Nno и двуокиси серы iVsoj с систематической погрешностью не

более 1 мг/м3 уже после трех итераций.

Устройство газоанализатора ДОГ-3 полностью совпадает с устройством газоанализатора ДОГ-1М. Отличие же газоанализатора ДОГ-3 от газоанализатора ДОГ-1М заключается в усложнении алгоритма его работы и способе обработки измеренных сигналов. В газоанализаторе ДОГ-3 производится последовательное измерение сигналов фотоэлемента при трех положениях светофильтра (сигналы I\, h и /з), соответствующих участкам спектра с центрами 226,0 нм, 227,6 нм и 230,0 нм.

Дифференциальное поглощение в газоанализаторе ДОГ-4 осуществляется с помощью источника УФ излучения со сплошным спекгром и специального призменного монохроматора, выделяющего из спектра источника излучение в требуемых участках спектра. Для реализации дифференциального поглощения в газоанализаторе ДОГ-4 использованы три непересекающихся участка спектра, центры которых расположены на длинах волн 224,0 нм, 227,6 нм и 230,0 нм.

Конструктивно газоанализатор ДОГ-4 выполнен в виде моноблока, на верхней части которого расположен пульт управления. Оптическая схема газоанализатора приведена на рис. 8. Особенностью призменного монохроматора является то, что его кварцевая призма выведена из положения минимума отклонения на - 20® в сторону больших углов падения пучка излучения на первую грань призмы и жестко закреплена. Такое расположение призмы позволяет увеличить спектральное разрешение монохроматора. Выбор величины угла в — 20° обусловлен тем, что при этих углах разрешение монохроматора увеличивается в - 2,5 раза, а увеличение потерь света на отражение от первой грани призмы не превышают 30 %. Между камерным объективом и выходной щелью монохроматора размещена кварцевая пластина толщиной 1 см, закрепленная на оси шагового двигателя FL39ST. Кварцевая пластина с механизмом ее поворота является устройством сдвига изображения и позволяет с высокой точностью сканировать спектр в плоскости выходной щели без поворота призмы в небольшом диапазоне длин волн. Диапазон сканирования спектра определяется толщиной кварцевой пластины и углом ее поворота. Поскольку в газоанализаторе нет необходимости в сканировании спектра на большом участке длин

волн, то предлагаемое устройство сканирования спектра проще стандартного механизма поворота призмы и позволяет с более высокой точностью сканировать спектр.

Рис. 8. Оптическая схема газоанализатора ДОГ-4: 1 — источник УФ излучения; 2 — осветительное зеркало; 3 — входная щель; 4 и 8 - газовые кюветы; 5 -коллиматорный объектив; б -кварцевая призма; 7 — камерный объектив; 9 - кварцевая пластина; 10 — выходная щель; 11 — фотоприемник.

Блок управления газоанализатора построен на основе микроконтроллера АТп^а128. Микроконтроллер в автоматическом режиме взаимодействует с датчиками и исполнительными устройствами газоанализатора, рассчитывает концентрации молекул N0 и 802, а также осуществляет контроль за состоянием газоанализатора с индикацией его неисправностей. Связь оператора с микроконтроллером осуществляется с помощью встроенного пульта управления и ЖК-дисплея ВУ-20400. Режим работы с пультом предназначен для просмотра и модификации параметров, настройки и калибровки газоанализатора.

Градуировка газоанализаторов ДОГ-3 и ДОГ-4 также производится с помощью эталонных газовых смесей. Отличительной особенностью градуировки газоанализаторов ДОГ-3 и ДОГ-4 является необходимость иметь не только стандартные двухкомпонентные эталонные газовые смеси, но и трехкомпонентные эталонные газовые смеси, необходимые для определения коэффициентов Ь5 и с5 в системе уравнений (2).

Поскольку газоанализаторы ДОГ-3 и ДОГ-4 имеют одинаковое назначение, было проведено сравнение долговременной стабильности их метрологических характеристик (рис. 9). Сравнение характеристик проводилось с помощью эталонных

Т1 8 т

1 / 3 ь 1 х^ч!* *

1 500

1 490

460

470

460

5ю чмц,

ыо

V»,

О 5 10 15 20 25 30 Время, сутки

Рис. 9. Долговременная стабильность показаний газоанализаторов ДОГ-3 и ДОГ-4: квадраты — дисперсионный газоанализатор ДОГ-4, круги - светофильтровый газоанализатор ДОГ-3

газовых смесей периодически (один раз в сутки), которыми заполнялись кюветы работающих в штатном режиме газоанализаторов ДОГ-3 и ДОГ-4. Показано, что долговременная стабильность метрологических характеристик дисперсионного газоанализатора ДОГ-4 выше (в - 4 раза при измерении окиси азота и в - 7 раз при измерении двуокиси серы) аналогичных характеристик светофильтрового газоанализатора ДОГ-3. Анализ показал, что основной причиной, влияющей на долговременную стабильность метрологических характеристик светофильтровых газоанализаторов, является неконтролируемый дрейф положения и полуширины полосы пропускания интерференционного светофильтра, а также неконтролируемый дрейф его коэффициента пропускания.

В отопительный сезон 2003-2004 годов газоанализатор ДОГ-4 прошел производственные испытания на Томской ГРЭС-2. Испытания показали, что газоанализатор ДОГ-4 пригоден как штатное средство контроля концентраций молекул N0 и 502 в дымовых газах котельных установок, работающих на всех видах органического топлива. В настоящее время газоанализатор ДОГ-4 проходит сертификацию для внесения в государственный реестр средств измерений.

Таблица^ Основные технические характеристики газоанализаторов ДОГ-3 и ДОГ-4

Характеристика ДОГ-3 ДОГ-4

1. Измеряемый компонент NO.SOz NO, S02

2. Диапазон измеряемых концентраций

молекул N0 и БОг, мг/м3 0-500 0-500

3. Основная приведенная погрешность

измерения в диапазоне 0-200 мг/м3, % 10 10

4. Основная относительная погрешность

измерения в диапазоне 200-500 мг/м3, % 10 10

5. Время одного измерения, с 10 10

б. Напряжение питания, В/Гц 220/50 220/50

7. Потребляемая мощность, Вт 150 100

8. Габаритные размеры, мм: 770355320

измерительная головка 870140200

блок управления 280280380

9. Масса, кг: 25

измерительная головка 15

блок управления 10

10 Ресурс работы (до замены лампы), час 9000 9000

В четвертом разделе диссертации рассмотрены принцип действия, устройство и работа двухкомпонентного газоанализатора ВУФ диапазона спектра. Газоанализатор относится к классу стационарных газоанализаторов и предназначен для одновременного измерения микропримесей кислорода (02) и паров воды (Н20) в инертных газах, водороде и азоте. Такие газовые среды высокой чистоты используются в технологиях производства полупроводниковых изделий.

Работа газоанализатора основана на использовании метода дифференциального поглощения в области вакуумного ультрафиолета (А. = 150-170 нм) для случая

перекрывающихся полос поглощения, не обладающих выраженной структурой. Выбор этой области спектра обусловлен тем, чгго здесь отсутствует поглощение азотом, водородом и инертными газами, но имеется интенсивное поглощение кислородом и парами воды. Кислород и пары воды в данной области спектра имеют взаимно перекрывающиеся и существенно отличающиеся друг от друга непрерывные спектры поглощения: континуум Шумана-Рунге у молекулы кислорода и диссоциопный континуум у молекулы воды (рис. 10).

Технически дифференциальное поглощение осуществляется с помощью источника широкополосного ВУФ излучения и специализированного монохроматизирующего устройства,

выделяющего из спектра излучения источника участки спектра, спектральная ширина которых определяется размерами входной и выходной щелей монохроматора.

Газоанализатор состоит из источника ВУФ излучения с перестраиваемой длиной волны (рис. 11), кюветного отсека (рис. 12), приемника ВУФ излучения и блока управления. Источник ВУФ излучения с перестраиваемой длиной волны представляет собой специализированный вакуумный монохроматор, внутри которого размещена газоразрядная водородная лампа типа ЛГВ. Состав газовой смеси в лампе специально подобран, чтобы увеличить интенсивность ее непрерывного излучения в диапазоне 140-170 нм. Диспергирующим элементом в данном монохроматоре является вогнутая сферическая дифракционная решетка, жестко закрепленная на оси шагового двигателя. Перед окном кюветного отсека расположена управляемая шторка, перекрывающая ту или другую половину изображения входной щели монохроматора на входном окне кюветного отсека. Кюветный отсек состоит из измерительной кюветы с исследуемым газом и опорной кюветы, из которой удален газ. В качестве приемника ВУФ излучения использован фотоумножитель ФЭУ-170, работающий в режиме счета фотонов. Блок управления содержит модульную микропроцессорную систему на основе К1801ВМ2. В блоке управления размещены источники питания лампы, фотоумножителя и шагового двигателя, а также находится вакуумный пост.

Расчет концентраций молекул кислорода Ы0г и паров воды Мн2о в технологических газах производится на основании решения системы уравнений

ыТ~1°о2Хо2 . (5)

где — сигнал фотоэлемента, при прохождении излучения через кювету с технологическим газом, — сигнал фотоэлемента, при прохождении излучения через опорную кювету, I - длина кюветы, ег^ и - сечения поглощения молекул

кислорода и воды, усредненные для /-го участка спектра. В штатном режиме работы

Рис. 10. Спектры поглощения молекул Н20 и 02 в области 140 -180 нм

газоанализатор использует 6 участков спектра (шириной ДХ ~ 1 им) с цетрами: Х.1 = 151,4 нм, Хг = 154,7 им, Х3 = 158,2 нм, = 162,9 нм, Х5 = 165,7 им, X« = 169,8 нм. В этом режиме работы газоанализатор производит измерения концентраций и

Ыц2о автоматически с интервалом в ~ 70 секунд.

УУ

Ол

Рис. П. Специальный источник ВУФ излучения: Ь — водородная лампа, Я -сферическая дифракционпая решетка, М -поворотное зеркало, V/ — шторка.

Рис. 12. Схема юоветного отсека ВУФ газоанализатора: № - управляемая шторка, перекрывающая одну из кювет (расположена внутри вакуумного монохроматора)

Градуировка двухкомпонентного ВУФ газоанализатора заключается в измерении эффективных сечений поглощения сг^ и <т^0 молекул 02 и Н20 в

выбранных участках спектра, которое производится с помощью специально приготовленных бинарных газовых смесей N2 + Н20 и N2 + 02.

Испытания газоанализатора ВУФ диапазона проведены в лабораторных условиях на модельных газовых смесях И2 + Н20 + 02. Результаты испытаний представлены в таблице 3. Испытания подтвердили, что показания газоанализатора адекватно отражают изменения концентраций молекул Н20 и 02 в модельных газовых смесях. Относительные погрешности измеренных значений концентраций молекул Н20 и 02 варьируются от 5 - 10 % для концентраций молекул 3-Ю15 — 1016 см"3 до 20 -30 % для концентраций молекул 3-Ю14 - 10 см"3. При многократном измерении концентраций молекул Н20 и Ог в одной и той же модельной газовой смеси вариации

Таблица 3. Результаты испытаний ВУФ газоанализатора

№ Концентрация молекул, 1015 см"3 Показания прибора, 1013 см'3

смеси о2 н2о о2 н2о

1 0,3 4,9 0,4 4,4

2 0,9 0,4 1,1 0,5

3 1,5 3,0 1,3 3,6

4 2,3 1,6 2,1 1,9

5 2,9 6,2 за 5,8

6 5,6 0,7 5,4 0,9

показаний газоанализатора, вызванные флуктуациями световых потоков и нестабильностью измерительного тракта, не превышают 10м см"3. Эта величина является оценкой минимально регистрируемых концентраций молекул Н20 и 02 и показывает чувствительность данного газоанализатора.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Рассмотрены различные варианты применения метода дифференциального поглощения в УФ области спектра для измерения концентраций технологических газов в случае перекрывания их элекгронно-колебательно-вращательных полос поглощения.

2. Разработаны и изготовлены однокомпонентные газоанализаторы (ДОГ-1 и ДОГ-2) на основе метода дифференциального поглощения в УФ области спектра, реализованного с помощью источника широкополосного излучения и перестраиваемого интерференционного светофильтра, для непрерывного измерения содержания N0 и вОг в дымовых газах теплоэлектростанций. Газоанализатор ДОГ-1 сертифицирован и выпускается малыми сериями. (Патент РФ № 20292881.

3. Разработан и изготовлен двухкомпонентный газоанализатор ДОГ-3 на основе метода дифференциального поглощения в УФ области спектра, реализованного с помощью источника широкополосного излучения и перестраиваемого интерференционного светофильтра, для непрерывного измерения содержания N0 и 502 в дымовых газах теплоэлектростанций. (Свидетельство РФ на полезную модель № 19169).

4. Разработан и изготовлен двухкомпонентный газоанализатор (ДОГ-4) на основе метода дифференциального поглощения в УФ области спектра, реализованного с помощью призменного монохроматора и устройства сдвига изображения спектра, для непрерывного измерения содержания N0 и 802 в дымовых газах теплоэлектростанций. Газоанализатор прошел производственные испытания и подготовлен к сертификации. (Патент РФ № 2244291).

5. Разработан и изготовлен двухкомпонентный газоанализатор дисперсионного типа на основе метода дифференциального поглощения в ВУФ области спектра для измерения микропримесей 02 и Н20 в водороде, азоте и инертных газах с чувствительностью 3-Ю"4 %.

В приложении представлены: 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", акты испытания газоанализаторов ДОГ-1 и ДОГ-4 на Тюменской ТЭЦ-1 и Томской ГРЭС-2, а также справка об использовании газоанализаторов ДОГ-1 и ДОГ-1М на предприятиях Тюменьэнерго.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Региональный мониторинг атмосферы. Ч. 2. Новые приборы и методики

измерений: Коллективная монография / Азбукин A.A.,. Ипполитов И.И, Матросов И.И. Автоматический газоанализатор окиси азота в дымовых выбросах. - Томск: Изд-во «Спектр» Института оптики атмосферы СО РАН, 1997. С. 202-207.

2. Ипполитов И.И., Буядаков М.А., Жилицкий В.Ф., Королев Б.В., Крайнов В.В., Ловецкий В.Е., Довода С.А., Матросов ИЛ., Тигеев С.В. Газоанализатор для измерения оксида азота в дымовых газах // Теплоэнергетика, 1994, № 10, С. 63-65.

3. Булдаков М.А., Жилщкий В.Ф., Ипполитов И.И, Королев Б.В., Крайнов В.В., Ловецкий В.Е., Довода С.А., Матросов ИМ., Тигеев С.В. Автоматический газоанализатор окиси азота в дымовых газах // Теплофизика и аэромеханика, 1994, Т. 1, № 1,С. 83-86.

4. Булдаков М.А., Вовк В.М., Ипполитов И.И., Королев Б.В., Ловецкий В.Е., Матросов И.И. Оптические газоанализаторы УФ-диапазона для технологических газов И Оптика атмосферы и океана, 1994, Т. 7, № 10, С. 41-48.

5. Ипполитов И.И., Булдаков М.А., Жилтрсий В.Ф., Каранкевин EH., Королев Б.В., Крайнов В.В., Матросов И.И., Тигеев С.В. Опыт эксплуатации газоанализаторов "ОКСИД" на Тюменской ТЭЦ-1 // Теплоэнергетика, 1999, № 10, С. 56-58.

6. Азбукин A.A., Булдаков М.А., Королев Б.В., Корольков В.А., Матросов И.И. Газоанализатор окислов азота и серы в дымовых газах теплоэлектростанций // Теплофизика и аэромеханика, 2000, Т. 7, № 4, С. 613-616.

7. Азбукин A.A., Булдаков М.А., Королев КВ., Корольков В.А., Матросов ИМ. Оптические газоанализаторы серии "ДОГ" II Оптика атмосферы и океана, 2002, Т. 15, №1, С. 87-90.

8. Азбукин A.A., Булдаков М.А., Королев Б.В., Корольков В.А., Матросов ИМ., Тихомиров A.A. Стационарный газоанализатор оксидов азота и серы Н Приборы и техника эксперимента, 2006, № 6 (принята к печати).

9. Azbukin A.A., Buldakov М.А., Korolev В. V., Korolkov V.A., Matrosov I.I. Qas analyzers to detect nitrogen and sulfur oxides in the gas effluents from heat and electric power plants // Proceeding of SPIE, 1999, V. 3983, P. 531-533.

10. Матросов ИМ. Оптимизация режима работы газоразрядной лампы ЛД2(Д) для газоанализаторов серии "ДОГ" Н Материалы докладов V Международного симпозиума "Контроль и реабилитация окружающей среды", Томск, 2006, С. 2223.

11. Патент РФ № 2029288, Газоанализатор / Булдаков М.А., Ипполитов ИИ, Королев Б.В., Ловецкий В.Е., Матросов ИМ. Н Изобретения, 1995, Бюл. 5.

12. Патент РФ № 2244291, Двухкомпонентный оптический газоанализатор / Азбукин A.A., Буядаков М.А., Занин В.В., Королев Б.В., Корольков В.А., Матросов ИМ. И Изобретения, 2005, Бюл. 1.

13. Свидетельство РФ на полезную модель № 19169, Двухкомпонентный оптический газоанализатор / Азбукин A.A., Буядаков М.А., Королев Б.В., Корольков В.А., Матросов ИМ. II Изобретения, 2001, Бюл. 22.

Отпечатано ООО «НИП» г. Томск, ул. Советская, 47, тел.: 53-14-70 Заказ № 1521-05. Тираж 100 экз.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Матросов, Иван Иванович

Введение.

1. Молекулярный газоанализ на основе абсорбционной спектроскопии УФ диапазона.

1.1. Физические основы абсорбционной спектроскопии.

1.2. Особенности абсорбционного газоанализа УФ-диапазона.

1.3. Стационарные абсорбционные газоанализаторы УФ-диапазона.24 1.4. Выводы.

2. Однокомпонентные газоанализаторы ДОГ-1 и ДОГ-2.

2.1. Дифференциальное поглощение в газоанализаторах

ДОГ-1 и ДОГ-2.

2.2. Устройство и работа газоанализаторов ДОГ-1 и ДОГ-2.

2.3. Оптимизация режима работы газоразрядной лампы

ЛД2(Д) для газоанализаторов ДОГ.

2.4. Метрологическое обеспечение и основные технические характеристики газоанализаторов ДОГ-1 и ДОГ-2.

2.5. Опыт эксплуатации газоанализаторов ДОГ-1.

2.6. Выводы.

3. Двухкомпонентные газоанализаторы ДОГ-3 и ДОГ-4.

3.1. Дифференциальное поглощение в газоанализаторах

ДОГ-3 и ДОГ-4.

3.2. Устройство и работа газоанализатора ДОГ-3.

3.3. Устройство и работа газоанализатора ДОГ-4.

3.4. Метрологическое обеспечение и основные технические характеристики газоанализаторов ДОГ-3 и ДОГ-4.

3.5. Производственные испытания газоанализатора ДОГ-4.

3.6. Выводы.

4. Двухкомпонентный газоанализатор ВУФ диапазона.

4.1. Дифференциальное поглощение в газоанализаторе

ВУФ диапазона.

4.2. Устройство и работа двухкомпонентного газоанализатора

ВУФ диапазона.

4.3. Метрологическое обеспечение и основные технические характеристики газоанализатора ВУФ диапазона.

4.4. Выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Стационарные абсорбционные газоанализаторы УФ диапазона для контроля концентраций технологических газов"

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, О2,

СОг и Н2О), 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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 О2 и Н20 в водороде, азоте и инертных газах с чувствительностью 3-10"4 %, достаточной для технологий микроэлектроники.

Научная новизна работы заключается в следующем:

3. 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).

Практическая ценность работы.

Внедрение результатов работы.

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.).

Москва, 2001 г.) и на VII международной специализированной выставке "Уралэнерго-2001" (Уфа, 2001 г.).

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.

Заключение диссертации по теме "Оптика"

4.4. Выводы

1. Впервые разработан и изготовлен двухкомпонентный газоанализатор дисперсионного типа на основе метода дифференциального поглощения в ВУФ области спектра. Газоанализатор позволяет в непрерывном автоматическом режиме измерять микропримеси молекул НгО и 02 в азоте, водороде и инертных газах с чувствительностью 3-10"4 %, достаточной для технологий производства микроэлектронных изделий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Метод дифференциального поглощения развит для случая перекрывающихся молекулярных полос поглощения технологических газов в УФ области спектра.

2. Проведена оптимизация режима работы газоразрядной лампы ЛД2(Д) -источника УФ излучения в газоанализаторах серии ДОГ, что позволило уменьшить металлизацию внутренней поверхности окна лампы и уменьшить замутнение внешней поверхности окна лампы. Оптимизация режима работы лампы привела к увеличению продолжительности ее непрерывной работы в газоанализаторах ДОГ до 1,5 лет (в 18 раз).

3. Разработан оригинальный светофильтровый газоанализатор ДОГ-1 (ДОГ-1М), позволяющий в непрерывном режиме проводить измерения концентраций молекул N0 в дымовых газах теплоэлектростанций, работающих на природном газе. Газоанализатор зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений, выпускается малыми сериями и используется на всех крупных газовых теплоэлектростанциях Тюменского региона.

4. Разработан оригинальный светофильтровый газоанализатор ДОГ-2, позволяющий в непрерывном режиме проводить измерения концентраций молекул S02 в дымовых газах теплоэлектростанций, сжигающих серосодержащие виды топлива (уголь, мазут).

5. Разработан двухкомпонентный светофильтровый газоанализатор ДОГ-3, который позволяет в непрерывном автоматическом режиме одновременно проводить измерения концентраций молекул N0 и S02 в дымовых газах теплоэлектростанций, работающих на любых видах органического топлива.

6. Разработан двухкомпонентный газоанализатор ДОГ-4 дисперсионного типа, который позволяет в непрерывном автоматическом режиме одновременно проводить измерения концентраций молекул N0 и S02 в дымовых газах теплоэлектростанций, работающих на любых видах органического топлива. Показано, что дисперсионный газоанализатор ДОГ-4 обладает улучшенной долговременной стабильностью метрологических характеристик по сравнению с светофильтровым газоанализатором ДОГ-3. Газоанализатор

ДОГ-4 успешно прошел производственные испытания на Томской ГРЭС-2 и подготовлен к сертификации.

7. Впервые разработан и изготовлен двухкомпонентный газоанализатор дисперсионного типа на основе метода дифференциального поглощения в ВУФ области спектра. Газоанализатор позволяет в непрерывном автоматическом режиме измерять микропримеси молекул Н20 и 02 в азоте, водороде и инертных газах с чувствительностью 3-Ю"4 %, достаточной для технологий производства микроэлектронных изделий.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Матросов, Иван Иванович, Томск

1. B.C. Антонов, Г.И. Беков, М.А. Большаков, В.П. Жаров, B.C. Летохов, Ю.А. Курицын, Р.И. Персонов, А.Н. Шибанов. Лазерная аналитическая спектроскопия. М.: Наука, 1986. - 318 с.

2. Г.С. Лансберг. Оптика. М.: Наука, 1976. - 928 с.

3. С.И. Вавилов. Микроструктура света. М.: Изд-во АН СССР, 1950. - 198 с.

4. П.А. Апанасевич. Некоторые вопросы нелинейной спектроскопии. В кн. Квантовая электроника и лазерная спектроскопия. Минск: Наука и техника, 1974.-С. 301-315.

5. В.Е. Зуев. Распространение лазерного излучения в атмосфере. М.: Радио и связь, 1981. - 288 с.

6. Физическая энциклопедия. Т. 1. М.: Сов. энциклопедия, 1988. - 704 с.

7. А.Н. Зайдель, Г.В. Островская, Ю.И. Островский. Техника и практика спектроскопии. М.: Наука, 1972. - 376 с.

8. В.М. Немец, А.А. Петров, А.А. Соловьев. Спектральный анализ неорганических газов. Л.: Химия, 1988. - 240 с.

9. В.А. Павленко. Газоанализаторы. М.-Л.: Машиностроение, 1965. - 296 с.

10. У. Флайгер. Строение и динамика молекул. М.: Мир, 1982. - 872 с.

11. А.Н. Зайдель, Е.Я. Шрейдер. Вакуумная спектроскопия и ее применение. -М.: Наука, 1976.-432 с.

12. В.В. Лебедева. Техника оптической спектроскопии. М.: Изд-во МГУ, 1986.-352 с.

13. Л.В. Вилков, Ю.А. Пентин. Физические методы исследования в химии. -М.: Высшая школа, 1987. 367 с.

14. Справочник по лазерам. Т. 1. М.: Сов. радио, 1978. - 504 с.

15. М.Д. Аксененко, M.JI. Бараночников. Приемники оптического излучения. Справочник. М.: Радио и связь, 1987. - 296 с.

16. Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков, A.J1. Андреев, Г.В. Полыциков. Источники и приемники излучения. СПб.: Политехника, 1991. - 240 с.

17. Э.В. Чубарова, Н.В. Дунаевская и др. Фотокатоды для ультрафиолетовой области спектра из сплавов на основе теллура // Электронная техника. Сер. 4. 1976. - Вып. 5. - С. 65-68.

18. А.Г. Барковский, В.А. Галанин, И.Н. Зайдель. Вакуумные фотоэлектронные приборы. М.: Радио и связь, 1988. - 272 с.

19. В.П. Тхоржевский. Автоматический анализ химического состава газов. -М.: Химия, 1969.-324 с.

20. Я.А. Иванов. Приборы газового анализа, выпускаемые фирмами США, Англии, ФРГ. М.: ЦИНТИ, 1963. - 48 с.

21. Я. Ваня. Анализаторы газов и жидкостей. М.: Энергия, 1970. - 552 с.

22. Контроль химических и биологических параметров окружающей среды. Под ред. Исаева JI.K. СПб.: Эколого-аналитический центр "Союз", 1998.-896 с.

23. В.М. Новиков, Р.А. Ахмеджанов, В.В. Язенков. Оптический анализатор содержания оксидов азота и серы в дымовых газах топливосжигающих установок // Энергетик 1976. - № 6. - С. 10.

24. Р.А. Ахмеджанов, М.А. Гаврилова, Д.Б. Радищев, В.В. Язенков. Анализатор содержания окислов азота и серы в дымовых газах топливосжигающих установок // ПТЭ. 1977. - № 1. - С. 165.

25. Патент России № 2029288, Газоанализатор / М.А. Булдаков, И.И. Ипполитов, Б.В. Королев, В.Е. Лобецкий, И.И. Матросов // Изобретения 1995. -Бюл. 5.

26. И.И. Ипполитов, М.А. Булдаков, В.Ф. Жилицкий, Б.В. Королев, В.В. Крайнов, В.Е. Лобецкий, С.А. Лобода, И.И. Матросов, С.В. Тигеев. Газоанализатор для измерения оксида азота в дымовых газах // Теплоэнергетика. 1994. - № 10. - С. 63-65.

27. М.А. Булдаков, В.Ф. Жилицкий, И.И. Ипполитов, Б.В. Королев, В.В. Крайнов, В.Е. Лобецкий, С.А. Лобода, И.И. Матросов, С.В. Тигеев. Автоматический газоанализатор окиси азота в дымовых газах // Теплофизика и аэромеханика 1994.-T.l.-№ 1.-С. 83-86.

28. М.А. Булдаков, В.М. Вовк, И.И. Ипполитов, Б.В. Королев, В.Е. Лобецкий, И.И. Матросов. Оптические газоанализаторы УФ-диапазона для технологических газов // Оптика атмосферы и океана 1994. - Т.7. -№ Ю.-С. 41-48.

29. И.И. Ипполитов, М.А. Булдаков, В.Ф. Жилицкий, Е.Н. Каранкевич, Б.В. Королев, В.В. Крайнов, И.И. Матросов, С.В. Тигеев. Опыт эксплуатации газоанализаторов "ОКСИД" на Тюменской ТЭЦ-1 // Теплоэнергетика. -1999.-№ 10.-С. 56-58.

30. А.А. Азбукин, М.А. Булдаков, Б.В. Королев, В.А. Корольков, И.И. Матросов. Оптические газоанализаторы серии "ДОГ" // Оптика атмосферы и океана 2002. - Т. 15. - № 1. - С. 87-90.

31. А.А. Azbukin, М.А. Buldakov, B.V. Korolev, V.A. Korolkov, I.I. Matrosov. Gas analyzers to detect nitrogen and sulfur oxides in the gas effluents fromheat and electric power plants // Proceeding of SPIE 1999. - V.3983. - P. 531-533.

32. И.И. Матросов. Оптимизация режима работы газоразрядной лампы ЛД2(Д) для газоанализаторов серии "ДОГ" // Материалы докладов V Международного симпозиума "Контроль и реабилитация окружающей среды", Томск, 2006. С. 22-23.

33. М.А. Булдаков, В.Ф. Жилицкий, И.И. Ипполитов, Б.В. Королев, В.В. Крайнов, В.Е. Лобецкий, С.А. Лобода, И.И. Матросов, С.В. Тигеев.

34. Газоанализатор для измерения окиси азота в дымовых газах // Тезисы докладов II Межреспубликанской конференции "Оптические методы исследования потоков", Новосибирск, 1993. С. 97-98.

35. А.А. Азбукин, М.А. Булдаков, Б.В. Королев, В.А. Корольков, И.И. Матросов. Газоанализаторы окислов азота и серы в дымовых газах теплоэлектростанций // Тезисы докладов VI Международного симпозиума "Оптика атмосферы и океана", Томск, 1999. С. 121.

36. X. Окабе. Фотохимия малых молекул. М.: Мир, 1981. - 500 с.

37. И.Я. Сигал. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. Л.: Недра, 1977.-294 с.

38. B.C. Гребеньков, Б.П. Лавров, М.В. Тютчев. Капиллярно-дуговая спектральная лампа ЛД2-Д // Оптико-механическая промышленность -1982.-№2.-С. 47-50.

39. Техническое описание и инструкция по эксплуатации лампы ЛД2(Д). -Владикавказ, завод "Разряд", 1994.

40. Д.О. Горелик. Метрологическое обеспечение газоаналитических измерений. М.: Госстандарт, 1976. - 73 с.

41. Д.К. Коллеров. Газоанализаторы. Проблемы практической метрологии. -М.: Изд-во стандартов, 1980. 174 с.

42. Физико-химические методы анализа. Практическое руководство. Под ред. Алесковского В.Б. Л.: Химия, 1988. - 376 с.

43. Патент России № 2244291, Двухкомпонентный оптический газоанализатор / А.А. Азбукин, М.А. Булдаков, В.В. Занин, Б.В. Королев, В.А. Корольков, И.И. Матросов // Изобретения 2005. - Бюл. 1.

44. Свидетельство РФ на полезную модель № 19169, Двухкомпонентный оптический газоанализатор / А.А. Азбукин, М.А. Булдаков, Б.В. Королев, В.А. Корольков, И.И. Матросов // Изобретения 2001. - Бюл. 22.

45. А.А. Азбукин, М.А. Булдаков, Б.В. Королев, В.А. Корольков, И.И. Матросов. Газоанализатор окислов азота и серы в дымовых газах теплоэлектростанций // Теплофизика и аэромеханика 2000. - Т.7. - № 4.-С. 613-616.

46. А.А. Азбукин, М.А. Булдаков, Б.В. Королев, В.А. Корольков, И.И. Матросов. Дисперсионный двухкомпонентный газоанализатор «ДОГ-4» // Материалы докладов Пятого Сибирского совещания по климато-экологическому мониторингу, Томск, 2003. С. 159-162.

47. А.А. Азбукин, М.А. Булдаков, Б.В. Королев, В.А. Корольков, B.C. Купреков, И.И. Матросов. Двухкомпонентный газоанализатор «ДОГ-4» // Материалы докладов IV Международного симпозиума "Контроль и реабилитация окружающей среды", Томск, 2004. С. 29-30.

48. Д.К. Коллеров. Метрологические основы газоаналитических измерений. М.: Изд-во Комитета стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР, 1967. - 396 с.

49. В.В. Клименко, А.Г. Терешин. Эмиссия оксидов азота из антропогенных источников: воздействие на атмосферу и климат. История и прогноз до 2100 г. // Теплоэнергетика 1999. -№ 12. - С. 57-61.

50. В.П. Глебов. Перспективные воздухоохранные технологии в энергетике // Теплоэнергетика 1996. -№ 7. - С. 54-61.

51. Ю.С. Ходаков. Оксиды азота и теплоэнергетика: проблемы и решения. -М.: ООО «ЭСТ-М», 2001. 432 с.

52. В.Р. Котлер. Решение проблемы выбросов оксидов азота на тепловых электростанциях Италии // Теплоэнергетика 2000. - № 8. - С. 70-74.

53. ГОСТ 9293-74. Азот газообразный и жидкий. Технические условия. М.: Госстандарт, 1974.-31 с.