Корреляционный газоанализатор
Полезная модель направлена на повышение точности и достоверности измерений. Указанный технический результат достигается тем, что в газоанализаторе, содержащем источник излучения, коллиматор, модулятор-коммутатор, измерительную и опорную кюветы, фокусирующую оптику, приемник излучения, блок аналоговой обработки, блок аналого-цифрового преобразователя, блок синхронизации и стабилизации работы двигателя, блок математической обработки, блок индикации, опорная кювета выполнена в виде полуцилиндра, модулятор-коммутатор выполнен в виде полуцилиндра, совпадающего по форме и размеру с поперечным сечением опорной кюветы, при этом ось вращения модулятора-коммутатора лежит на оси опорной кюветы.
Полезная модель относится к области измерения концентраций газов и может быть применена при экологическом мониторинге окружающей среды, контроле концентраций различных газов в производственных и жилых помещениях, выявлении утечек газов, а также в медицине для выполнения дыхательных тестов.
Известен бездисперсионный инфракрасный газоанализатор [1], предназначенный для определения концентраций различных газов по изменению потока инфракрасного излучения, вызываемого селективным поглощением этими газами инфракрасного излучения. С помощью этого газоанализатора измеряется концентрация определенного газа (газов) в газовой смеси, помещенной в измерительную кювету. В газоанализаторе используется модулятор, снабженный окном в виде оптического фильтра, полоса пропускания которого согласована с полосой поглощения газа, концентрация которого измеряется. Возможно одновременное измерение концентраций нескольких газов, для чего модулятор снабжается несколькими окнами в виде оптических фильтров с полосами пропускания, соответствующими полосам поглощения газов, концентрации которых определяются. Информация о фазе сигнала считывается непосредственно с выхода приемника излучения и используется электронным блоком обработки сигнала.
Недостатком описанного газоанализатора является зависимость показаний от неселективной составляющей потока излучения, вызванной, например, флуктуациями яркости источника. При использовании этой схемы для дистанционных измерений существенный вклад в изменения неселективный составляющей потока излучения могут вносить флуктуации неселективной составляющей пропускания среды.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является двухканальный газоанализатор, описанный в [2] и содержащий оптически сопряженные источник излучения с коллиматором, модулятор-коммутатор, измерительную и опорную кюветы, оптический фильтр, фокусирующую оптику, приемник излучения, электрическую схему обработки сигнала и блок индикации.
В этом устройстве поток от источника излучения коллиматором преобразуется в квазипараллельный поток, который частично проходит через отверстия вращающегося модулятора-коммутатора. На измерительную кювету, через которую пропускается исследуемая газовая смесь, и опорную кювету цилиндрической формы, заполненную известным количеством газа, идентичного измеряемому, падают модулированные в противофазе потоки излучения, которые фокусирующей оптикой фокусируются на фотоприемник с оптическим фильтром, пропускающим излучение в полосе поглощения измеряемого газа. Усилитель усиливает переменную составляющую сигнала фотоприемника, детектор, управляемый схемой синхронизации, связанной с модулятором-коммутатором, выделяет первую гармонику частоты коммутации, и его выходное напряжение характеризует наличие измеряемого газа в смеси. В электронный блок введена схема выделения из сигнала усилителя какой-либо четной гармоники частоты коммутации, при этом эта схема также управляется схемой синхронизации. Блок автоматической регулировки усиления работает таким образом, что напряжение поступающей на него выделенной четной гармоники частоты коммутации поддерживается постоянным. При этом коэффициент усиления усилителя обратно пропорционален амплитуде этой же четной гармоники в сигнале фотоприемника, и напряжение на выходе детектора пропорционально отношению амплитуды первой гармоники сигнала фотоприемника к амплитуде выделенной четной гармоники и поэтому не зависит от величины неселективной составляющей потока излучения.
Основным недостатком этого газоанализатора является серьезное влияние на точность измерений «мешающих» газов, имеющих полосы поглощения, близкие к полосам поглощения измеряемого газа, которые также попадают в полосу пропускания используемого в газоанализаторе оптического фильтра. Наличие в исследуемой газовой смеси «мешающих» газов приводит к завышению значения концентрации измеряемого газа (газов).
Задачей заявляемой полезной модели является создание корреляционного газоанализатора, позволяющего получить технический результат, заключающийся в повышении точности и достоверности измерений, а также в повышении оперативности определения концентраций газов в окружающем воздухе.
Для достижения этого технического результата в двухканальном газоанализаторе, содержащем оптически сопряженные источник излучения с коллиматором, модулятор-коммутатор, измерительную и опорную кюветы, оптический фильтр, фокусирующую оптику, приемник излучения, опорная кювета выполнена в форме полуцилиндра, механический модулятор-коммутатор выполнен в форме полудиска, совпадающего по размеру с поперечным сечением опорной кюветы, двигатель модулятора-коммутатора снабжен блоком синхронизации и стабилизации работы двигателя модулятора-коммутатора, выход приемника излучения соединен с входом блока аналоговой обработки, выход которого соединен с входом блока аналого-цифрового преобразователя, а его выход соединен с первым входом блока математической обработки, реализованного на основе микроконтроллера, выход блока синхронизации и стабилизации работы двигателя соединен со вторым входом блока математической обработки, выход блока математической обработки соединен с входом блока индикации.
Выполнение опорной кюветы в форме полуцилиндра и модулятора-коммутатора в форме полудиска позволяет осуществлять модулирование потока только в диапазоне спектра, соответствующем линиям поглощения исследуемого газа. В результате
напряжение на выходе приемника излучения имеет постоянную и переменную составляющие. При этом переменная составляющая по спектральному составу соответствует линиям поглощения исследуемого газа, а постоянная составляющая - неселективной части потока в полосе оптического фильтра. Максимумы напряжения соответствуют максимальному пропусканию системы опорная кювета - модулятор-коммутатор в районе полос поглощения газа, а минимумы - полной непрозрачности системы в этом спектральном диапазоне. При наличии определяемого газа в тестовой кювете уровень максимумов уменьшится за счет селективного поглощения, в то время как уровень минимумов не изменится. Разность между максимальным и минимальным значениями переменной составляющей сигнала по сравнению со значениями, соответствующими отсутствию определяемого газа в тестовой кювете, определяет концентрацию этого газа. При этом наличие в среде «мешающих» газов, линии поглощения которых расположены поблизости от используемых для измерений линий определяемого газа, в случае некоррелированных спектров не влияет на показания газоанализатора. В этом случае происходит равномерное уменьшение величины потока на протяжении всего периода модуляции на величину поглощения излучения «мешающими» газами. При этом амплитуда переменной составляющей сигнала не меняется и по-прежнему зависит только от концентрации определяемого газа.
Предложенная конфигурация модулятора-коммутатора и опорной кюветы позволяет также осуществить режим модуляции потока, при котором средний за период сигнал зависит только от неселективной составляющей потока излучения. Благодаря нормированию сигнала, зависящего от концентрации определяемого газа, средним за период модуляции сигналом показания газоанализатора являются независимыми от изменений неселективной составляющей потока, вызванных флуктуациями яркости источника и неселективной составляющей коэффициента пропускания среды.
Использование в блоке математической обработки микроконтроллера позволяет увеличить оперативность получения конечных данных о концентрации определяемого газа за счет программного выделения сигналов в различных фазах периода модуляции и их математической обработки.
Заявляемая полезная модель поясняется следующими фигурами:
Фигура 1 - функциональная схема заявляемой полезной модели корреляционного газоанализатора;
Фигура 2 - конструкция модулятора-коммутатора газоанализатора;
Фигура 3 - конструкция опорной кюветы газоанализатора (поперечное сечение);
Фигура 4 - взаимное положение модулятора-коммутатора и опорной кюветы.
Корреляционный газоанализатор содержит (фиг.1):
источник 1 излучения;
линзу 2;
входную диафрагму 3;
коллиматор 4;
измерительную кювету 5;
оптический фильтр 6;
модулятор-коммутатор 7 с двигателем 8;
опорную кювету 9;
фокусирующую линзу 10;
фотоприемник 11;
блок 12 аналоговой обработки сигнала;
блок 13 аналого-цифрового преобразователя;
блок 14 математической обработки;
блок 15 индикации;
блок 16 синхронизации и стабилизации работы двигателя модулятора-коммутатора;
оптронную пару 17.
В качестве источника излучения может быть использована лампа накаливания. Оптический фильтр может представлять собой узкополосный интерференционный фильтр. В качестве приемника излучения может быть использован фотодиод. При этом полоса пропускания интерференционного фильтра и спектральный диапазон чувствительности фотодиода выбираются исходя из диапазона спектра, в котором лежат линии поглощения исследуемого газа. Блок индикации может быть выполнен в виде двухстрочного шестнадцатиразрядного жидкокристаллического индикатора.
Модулятор - коммутатор 7 (фиг.2) выполнен в форме полукруга. Опорная кювета 9 выполнена в форме полуцилиндра, при этом поперечное сечение опорной кюветы (фиг.3) по форме и размеру совпадает с модулятором-коммутатором. Ось вращения модулятора-коммутатора совпадает с осью опорной кюветы (фиг.4).
Газоанализатор работает следующим образом. Поток излучения от источника 1 линзой 2 отображается на плоскости входной диафрагмы 3. Далее коллиматором 4 формируется параллельный поток, который пропускается через измерительную кювету 5 с исследуемой газовой смесью. После этого оптическим фильтром 6, полоса пропускания которого согласована с полосой поглощения исследуемого газа, выделяется соответствующий информативный спектральный диапазон. Модулятор-коммутатор 7 с двигателем 8 обеспечивает модуляцию потока, после чего поток пропускается через опорную кювету 9, которая содержит газ, идентичный по химическому составу определямому, в количестве, достаточном для обеспечения практической непрозрачности кюветы в районе соответствующих линий поглощения. Форма и взаимное положение модулятора-коммутатора 7 и опорной кюветы 9 обеспечивают режим прерывания потока, позволяющий при обработке сигнала увеличить достоверность измерений за счет независимости результата от наличия в исследуемой среде «мешающих» газов. Фокусирующей линзой 10 поток направляется на приемную площадку фотоприемника 11.
Сигнал с выхода приемника излучения проходит первичную обработку в блоке 12 аналоговой обработки сигнала и через блок 13 аналого-цифрового преобразователя поступает на блок 14 математической обработки, реализованный на основе микроконтроллера. Для учета флуктуации скорости вращения модулятора-коммутатора используется блок 16 синхронизации и стабилизации работы двигателя модулятора-коммутатора, сигнал на который поступает с оптронной пары 17. Сигнал на выходе блока математической обработки определяется следующей формулой:
(Мах-Min)/Sср, где
Мах - уровень максимумов;
Min - уровень минимумов;
S ср - среднее за период значение сигнала.
Таким образом осуществляется нормирование сигнала, соответствующего концентрации определяемого газа, средним за период модуляции сигналом, что позволяет сделать показания газоанализатора независимыми от флуктуации неселективной составляющей потока излучения и, следовательно, увеличить точность измерений.
С блока математической обработки отградуированный в единицах концентрации сигнал подается на блок 15 индикации.
Корреляционный газоанализатор обладает:
- повышенной точностью измерений за счет нормирования полезного сигнала средним сигналом за период вращения модулятора-коммутатора, что позволяет избежать погрешности, связанной с флуктуациями неселективной составляющей потока излучения;
- повышенной достоверностью измерений за счет использования фильтровой кюветы и модулятора-коммутатора предложенных конструкций, что позволяет избежать влияния на результаты измерений наличия в среде «мешающих» газов;
- повышенной оперативностью получения данных о концентрации газов за счет использования микропроцессора в блоке математической обработки.
Использованные источники
1. Патент США 4100791, МПК G 01 J 001/00. Газоанализатор и метод газового анализа. Gas analyzer and gas analyzing method /Irvin G. Burough /Опубл. 29.04.1980.
2. А.с. 1176220 СССР. Двухканальный газоанализатор /Г.С.Тележко //Б.И. 1985, №32.
(прототип)
Корреляционный газоанализатор, содержащий оптически сопряженные источник излучения с коллиматором, модулятор-коммутатор, измерительную и опорную кюветы, оптический фильтр, фокусирующую оптику, приемник излучения, отличающийся тем, что опорная кювета выполнена в форме полуцилиндра, механический модулятор-коммутатор выполнен в форме полудиска, совпадающего по размеру с поперечным сечением опорной кюветы, двигатель модулятора-коммутатора снабжен блоком синхронизации и стабилизации работы двигателя модулятора-коммутатора, выход приемника излучения соединен с входом блока аналоговой обработки, выход которого соединен с входом блока аналого-цифрового преобразователя, а его выход соединен с первым входом блока математической обработки, реализованного на основе микроконтроллера, выход блока синхронизации и стабилизации работы двигателя соединен со вторым входом блока математической обработки, выход блока математической обработки соединен с входом блока индикации.
