Инфракрасный оптический газоанализатор c автоматической температурной коррекцией
INFRARED OPTICAL GAS ANALYZER WITH AUTOMATIC TEMPERATURE CORRECTION

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к приборам для измерения концентрации газа, присутствующего в окружающей среде.
Известен газоанализатор инфракрасного диапазона по патенту РФ № 2287803 (МПК G01N 21/35). Газоанализатор содержит источник электромагнитного излучения в виде светодиодной матрицы, излучающей опорную и рабочие длины волн, расположенную по ходу излучения газовую кювету, основной фотоприемник, установленный на выходе кюветы, для приема излучения опорной и рабочих длин волн, а также блок обработки сигнала, содержащий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выход которого соединен с микропроцессором, устройством индикации, отличающийся тем, что на входе в кювету установлен дополнительный фотоприемник, при этом в качестве обоих фотоприемников используются фотоприемники пироэлектрического типа, которые через предварительные усилители соединены со входами синхронных детекторов, управляемых микропроцессором, выходы синхронных детекторов соединены с входами АЦП микропроцессора, один из выходов которого соединен с цифроаналоговым преобразователем, который соединен со схемой формирования импульсов тока, подключенной к светодиодной матрице, для регулировки интенсивности излучения светодиодов светодиодной матрицы. Недостатком вышеуказанного газоанализатора является необходимость использование фотоприемников с идентичными температурными характеристиками. При дисбалансе температурных характеристик фотоприёмников, либо при неравномерном прогреве газоанализатора, температурная компенсация показаний затруднена.
Известен способ и устройство для инфракрасного зондирования газа (US6067840A). Газовый датчик, имеет источники инфракрасного излучения, включающиеся попеременно, расположенные в газовой камере на разных расстояниях от детектора инфракрасного излучения. Излучение от двух источников фильтруются на длине волны, соответствующей длине волны поглощения газа. Присутствие газа определяется путем сравнения с интенсивностью излучения дополнительного источника, расположенного рядом с детектором. Дифференциальное поглощение между двумя источниками излучения используется для определения концентрации контролируемого газа. В модифицированном датчике один источник излучения помещен в параболический отражатель, находящийся в опорной плите. Излучение отражается от наклонного зеркала и направляется в приёмник ИК излучения, прикрепленным непосредственно к монтажной плате. В другом варианте датчик имеет дополнительный детектор для регистрации излучения на отдельной длине волны. Недостатком является необходимость использования детекторов с идентичными температурными характеристиками, что является затруднительным при массовом производстве.
Известен газоанализатор (патент РФ № 2037809), который содержит источник излучения, оптический фильтр рабочего приемника излучения, отверстие, кювету с отверстием в боковой стенке, в котором установлен опорный приемник излучения с дополнительным оптическим фильтром. Излучение от источника попадает в кювету, в которой делится на два потока. Один поток излучения проходит через оптический фильтр, пропускающий спектральную область, соответствующую полосе поглощения измеряемого газа и фокусируется на рабочий приемник излучения. Другой поток излучения проходит через отверстие и дополнительный оптический фильтр, пропускающий спектральную область, соответствующую минимальному поглощению измеряемого, а также сопутствующих ему газов, и попадает на опорный приемник излучения. Появление в кювете измеряемого газа вызывает дисбаланс между рабочим и опорным приемниками излучения, пропорциональный концентрации измеряемого газа. В данной схеме на результат измерения в большей степени оказывает влияние нестабильности характеристик приемников излучения. В схемах с двумя ИК-фотоприемниками соотношение между измерительным и опорным сигналом зависит от температурных характеристик каждого из приемников и их усилителей в отдельности. При резком изменении температуры из-за наличия переходных процессов в ИК-фотоприемниках и усилителях регистрация состава газовой смеси затруднена.
Известен абсорбционный однолучевой бездисперсионный газовый датчик для измерения концентрации газа (Патент US8729475B1). Датчик содержит один источник инфракрасного излучения, газовую кювету, приёмник инфракрасного излучения, механическое устройство, которое перемещает единственный источник инфракрасный между первым положением и вторым положением с уменьшенным расстоянием между источником ИК излучения и приёмником. Использование одного источника ИК излучения и одного приёмника решает проблему неидентичности температурных характеристик отдельных элементов. Недостатки данного устройства заключаются в том, что использование механического устройства снижает общую надёжность датчика, уменьшает быстродействие. Точность определения концентраций газовых компонент исследуемой смеси снижается вследствие появления механических вибраций оптических узлов.
Известен недисперсионный многоканального ИК газового анализатора (RU №2187093, G 01 N 21/61, опубл. 10.08.02), содержащий источник электромагнитного излучения с наличием опорной и рабочей длин волн, интерференционные фильтры для выделения опорной и рабочих длин волн, расположенную по ходу излучения кювету с фокусирующими линзами на входе и выходе, основной фотоприемник резистивного типа, установленный за кюветой, для приема излучения опорной и рабочих длин волн от источника, выход которого через усилитель соединен с блоком обработки сигналов, содержащим АЦП, микропроцессор и устройство индикации. Источник ИК излучения смонтирован на термоэлектрическом холодильнике Пельтье и представляет собой светодиодную матрицу и интерференционные фильтры для выделения опорной и рабочих длин волн излучения, а холодильник Пельтье подключен к дополнительно установленному блоку термостабилизации. При этом основной фотоприемник фоторезистивного типа смонтирован на дополнительном термоэлектрическом холодильнике Пельтье. Использование холодильника Пельтье повышает чувствительность, но не решает проблему температурной стабильности в широком диапазоне изменения температур. Чем больше диапазон изменения температур, тем больший динамический диапазон должен иметь холодильник Пельтье. При этом повышается энергопотребление газоанализатора.
1
2
1
2
Наиболее близким аналогом является конструкция оптического газоанализатора (RU 2109269). Газоанализатор содержит два источника электромагнитного излучения с длиной волны λ из области поглощения и длиной волны λ из области прозрачности анализируемого газа, газовую кювету, выполненную в виде полости, фокусирующим элементом которой является ее внутренняя поверхность со светоотражающим покрытием, два фотоприемника, выполненные с возможностью регистрации излучения при освещении их с двух противоположных сторон. С двух противоположных сторон первого фотоприемника установлены первый и второй оптические фильтры, пропускающие на первый фотоприемник излучение с длиной волны λ из области поглощения анализируемого газа. С двух противоположных сторон второго фотоприемника установлены третий и четвертый оптические фильтры, пропускающие излучение с длиной волны λ из области прозрачности анализируемого газа. Выход первого фотоприемника через первый усилитель соединен с первым входом блока обработки сигналов, выход второго фотоприемника через второй усилитель соединен соответственно со вторым входом блока обработки сигналов, включающего микроЭВМ, выход которой является выходом блока обработки сигналов и соединен с блоком регистрации.
Недостатком прототипа является отсутствие контроля неравномерного отклика излучателей при быстром изменении температуры и при неравномерном прогреве газоанализатора. Дисбаланс, вызванный уменьшением светимости первого излучателя относительно второго, может интерпретироваться как появление газа. Сигнал первого и второго фотоприёмников усиливается отдельным усилителем. Сигнал газоанализатора определяется характеристиками четырёх светофильтров. Различие в температурных характеристиках усилителей и оптических фильтров, а также неравномерный прогрев конструкции приводит к снижению стабильности измерений.
Задача изобретения заключается в создании устройства обеспечивающего корректное детектирование концентрации метана (либо угарного, углекислого газа) при резких изменениях температуры окружающей среды, а также корректное детектирование при одновременном изменении температуры и концентрации определяемого газа.
Технический результат заключается в повышении стабильности и точности измерений.
Технический результат достигается тем, что инфракрасный оптический газоанализатор содержит корпус, внутри которого размещена измерительная кювета, выполненная в виде цилиндрической трубки с отражающими внутренними стенками, в которой размещены последовательно на одной оптической оси основной источник инфракрасного излучения с отражателем, дополнительный источник инфракрасного излучения, датчик инфракрасного излучения, также размещен усилитель с коммутатором, микроконтроллер, коммутаторы питания источников инфракрасного излучения и ограничитель тока источников инфракрасного излучения, при этом датчик инфракрасного излучения объединяет в своём корпусе два приёмника инфракрасного излучения и температурный сенсор, при чем перед первым приёмником инфракрасного излучения установлен интерференционный оптический фильтр, полоса пропускания которого соответствует полосе поглощения исследуемого газа, перед вторым приёмником инфракрасного излучения установлен интерференционный оптический фильтр, полоса пропускания которого находится за пределами полосы поглощения исследуемого газа, при этом расстояние между дополнительным источником инфракрасного излучения и датчиком инфракрасного излучения много меньше расстояния между основным источником инфракрасного излучения и датчиком инфракрасного излучения, при этом основной и дополнительный источники инфракрасного излучения соединены через ограничитель тока с источником питания, и их включение управляется микроконтроллером. Приёмники инфракрасного излучения смещены от оси трубки измерительной кюветы таким образом, что дополнительный источник инфракрасного излучения, установленный непосредственно перед корпусом датчика не экранирует излучение основного источника инфракрасного излучения.
Заявляемое устройство поясняется чертежами:
Фиг.1 – принципиальная схема устройства (а) и вариант его реализации (б)
Фиг. 2 – характеристика сигнала: (а) управляющий сигнал основного источника инфракрасного излучения – сплошная линия и управляющий сигнал дополнительного источника инфракрасного излучения – пунктир; (б) сигнал на выходе блока усилителя.
Фиг. 3 – калибровочный график газоанализатора. Кружками отмечены экспериментальные точки, линия соответствует аппроксимации степенной функцией.
o
Фиг. 4 – показания газоанализатора при изменении температуры от -20°C до +60C. Газоанализатор находился в воздушной среде в отсутствии метана. Верхний график показывает скорость изменения температуры. На нижнем графике -  точки (1) показывают данные при отсутствии термокоррекции, точки (2) - при наличии предложенной термокоррекции.
Фиг. 5 – показания газоанализатора при одновременном изменении температуры и подаче смеси воздух-метан с концентрацией метана 0.22% по объёму метана. Верхний график показывает изменение температуры, полученной по внутреннему температурному сенсору ИК датчика. Пунктиром (2) приведены показания при отсутствии термокоррекции, сплошная кривая (3) соответствует показаниям при наличии предложенной термокоррекции.
Позициями на чертеже обозначены:
1 – отражатель,
2 – световодная трубка с отражающими внутренними стенками,
3 – основной источник ИК излучения,
4 – дополнительный источник ИК излучения,
5 – датчик с температурным сенсором и двумя приемниками инфракрасного излучения, перед которыми установлены интерференционные светофильтры
6 – блок усилителя с коммутатором, управляемым микроконтроллером MCU
7 – микроконтроллер MCU,
8 – ограничитель тока источников инфракрасного излучения,
9 – коммутатор питания основного источника ИК излучения,
10 – коммутатор питания дополнительного источника ИК излучения,
11 – корпус газоанализатора,
12 – электрическая плата датчика,
13 – электрическая плата микроконтроллера,
14 – держатель световодной трубки.
Инфракрасный оптический газоанализатор представляет собой измерительную кювету в виде цилиндрической трубки 2 с отражающими внутренними стенками. С одной стороны трубки 2 установлен отражатель 1 с основным источником инфракрасного (ИК) излучения 3. С другой торцевой стороны измерительной кюветы находится датчик 5 с двумя приёмниками ИК излучения, формирующие активный и опорный каналы измерения. Перед каждым из приемников установлен узкополосный интерференционный светофильтр. Для активного канала полоса пропускания светофильтра совпадает с полосой поглощения газа, для опорного канала находится за пределами полосы поглощения. Датчик выполнен с температурным сенсором. Заявляемое устройство также содержит дополнительный источник 4 ИК излучения, установленный непосредственно перед датчиком 5. Расстояние между дополнительным источником инфракрасного излучения и приемником инфракрасного излучения много меньше расстояния между основным источником инфракрасного излучения и приемником инфракрасного излучения.
Датчик 5 через коммутатор подключен к выводам усилителя 6, общего, как для активного, так и для опорного измерительного каналов.
Измерительная кювета подключена к источнику питания через микроконтроллер 7, ограничитель тока 8 и коммутатор питания 9 основного источника ИК излучения и коммутатор питания 10 дополнительного источника ИК излучения.
Все элементы газоанализатора жестко закреплены в общем корпусе. Отражатель и световодная трубка выполнены из коррозионно-стойкого материала.
Устройство работает следующим образом. По управляющему сигналу (Фиг.2а) микроконтроллера 7 попеременно на основной 3 и дополнительный 4 источники ИК излучения через ограничитель тока 8 подают питающее напряжение +V (Фиг.1а) со сдвигом фаз таким образом, что электрические сигналы, формируемые приемником 5 ИК излучения от основного источника 3 ИК излучения и дополнительного источника 4 ИК излучения разнесены по времени и не перекрываются (Фиг.2б). На Фиг. 2а управляющий сигнал основного источника 3 ИК излучения – сплошная линия и управляющий сигнал дополнительного источника 4 ИК излучения – пунктир. Ограничитель тока используется для продления срока службы источников ИК излучения. Поскольку ограничитель тока 8 используется один и тот же, как для основного источника ИК излучения, так и для дополнительного, то влияние температурных характеристик ограничителя 8 на излучение источников 3 и 4 нивелируется.
При подаче прямоугольного импульса напряжения на основной источник 3 ИК излучения, возникший световой поток распространяется через трубку 2, которая заполнена анализируемой газовой смесью. При этом одна часть потока регистрируется в активном канале, другая часть потока регистрируется в опорном канале. Приемники ИК излучения, соответствующие активному и опорному каналу по команде микропроцессора 7, через коммутатор поочередно подключаются к усилителю. Частота переключения коммутатора в десятки раз превышает частоту переключения источников ИК излучения. Сигнал на выходе усилителя показан на Фиг.2б. Использование одного и того же усилителя как для сигнала активного канала, так и для сигнала опорного канала существенно снижает температурный дрейф показаний. Тогда как использование усилителей отдельно для активного канала и отдельно для опорного канала в типовой схеме инфракрасных газоанализаторов приводит к температурному дисбалансу.
Сигнал блока коммутатора с усилителем 6 поступает на вход АЦП микропроцессора 7. После цифровой обработки получаем амплитуду A сигнала активного канала и амплитуду R сигнала опорного канала. Интерференционный светофильтр активного канала пропускает излучение с центральной частотой, соответствующей линии поглощения исследуемого газа. Интенсивность прошедшего излучения регистрируется приемником 5 ИК излучения. Амплитуда сигнала активного канала формируемого при помощи основного источника 3 ИК излучения зависит от концентрации газа:
1
T
где A – сигнал, вырабатываемый в отсутствие исследуемого газа (C=0), K – коэффициент поглощения газа, L – расстояние от основного источника 3 ИК излучения до приемника 5 ИК излучения с интерференционным светофильтром, A – дополнительный сигнал, зависящий от температуры окружающей среды. Амплитуда сигнала опорного канала не зависит от концентрации газа и определяется, главным образом, температурой:
Стандартная схема определения концентрации газа [2] базируется на расчете поглощения
где ,  - величины A (1) и R (2), определяемые при нулевой концентрации газа (C=0). Концентрация рассчитывается по закону Бугера [2]. При небольших концентрациях (ABS~1) можно использовать аппроксимацию степенной функцией
cal
где B и r определяются калибровочными данными, T - текущая температура в Кельвинах, T - температура в Кельвинах, заданная при определении , .
При подаче прямоугольного напряжения на дополнительный источник 4 ИК излучения световой поток практически не поглощается измеряемым газом, поскольку расстояние от дополнительного источника 4 ИК излучения до приемника 5 ИК излучения много меньше L. Кроме того, излучение падает под углом на интерференционный фильтр, в результате чего полоса пропускания интерференционного фильтра смещается в сторону от полосы поглощения газа. Поэтому для дополнительного источника 4 ИК излучения амплитуда электрического сигнала активного канала
и амплитуда электрического сигнала опорного канала:
T
T
T
T
T
T
практически не зависят от наличия исследуемого газа, I и F определяются температурой T. При быстром изменении температуры отношение величин I/F даёт информацию, связанную только с изменением температуры. Тогда как отношение величин A/R связано как с изменением концентрации, так и с изменением температуры. Так как используется один и тот же приемник 5 ИК излучения с общим усилителем 6, то величины A≈I и R≈F изменяются практически одинаково. Это дает возможность задать термокомпенсацию с использованием активного I и опорного F сигналов, возникающих при включении дополнительного источника ИК излучения. Согласно решению, поглощение излучения определяется величиной
где A - амплитуда сигнала активного канала формируемого при помощи основного источника ИК излучения,  - амплитуда сигнала активного канала, формируемого при помощи основного источника ИК излучения, при нулевой концентрации исследуемого газа, R - амплитуда сигнала опорного канала формируемого при помощи основного источника ИК излучения,  - амплитуда сигнала опорного канала, формируемого при помощи основного источника ИК излучения, при нулевой концентрации исследуемого газа, I - амплитуда сигнала активного канала формируемого при помощи дополнительного источника ИК излучения,  - амплитуда сигнала активного канала, формируемого при помощи дополнительного источника ИК излучения, при нулевой концентрации исследуемого газа, R - амплитуда сигнала опорного канала формируемого при помощи дополнительного источника ИК излучения,  - амплитуда сигнала опорного канала, формируемого при помощи дополнительного источника ИК излучения, при нулевой концентрации исследуемого газа, f=f(T) – температурный калибровочный коэффициент, определяемый ходе калибровки по температуре T при нулевой концентрации исследуемого газа, исходя из условия Absorbance=0 в (7). Величина f=f(T) апроксимируется кусочно-линейной функцией по двум или более точкам и записывается в энергонезависимую память микроконтроллера. Концентрация исследуемого газа определяется по формуле
cal
cal
где, T - текущая температура в Кельвинах, T - температура в Кельвинах, заданная при калибровке. Константы B и r определяются в ходе предварительной калибровки, которая осуществляется при постоянной температуре T подачей газо-воздушной смеси с известной концентрацией исследуемого газа. При помощи микроконтроллера коэффициенты B и r рассчитываются по методу наименьших квадратов и записываются в энергонезависимую память микроконтроллера.
Для промышленной апробации был изготовлен экспериментальный образец заявляемого устройства (Фиг.1б). Оптическая длина измерительной кюветы 2 в экспериментальном устройстве – 60 мм. В качестве основного 3 и дополнительного 4 источников ИК излучения были использованы микролампы накаливания. Расстояние между дополнительным источником 4 ИК излучения и датчиком 5 ИК излучения - 1 мм. Для измерений в качестве датчика 5 ИК излучения использован приемник термопарного типа. На Фиг.3 показана зависимость концентрации C от величины Absorbance, полученной в ходе калибровки по газу.
При длине измерительной кюветы 2, равной 60 мм, и частоте управляющего сигнала основного 3 и дополнительного 4 источников ИК излучения, равной 0,5 Гц, погрешность измерения составила 0.1% объемного содержания газа в диапазоне температур от -20°С до +60°С и максимальной скорости изменения температуры 7 °С/мин. Стандартная методика расчета с использованием формул (3), (4) и только основного источника ИК излучения даёт увеличение погрешности в 4 раза (Фиг.4).
При одновременном изменении температуры и подаче газовой смеси заявляемое устройство даёт корректные значения концентрации, тогда как при учете излучения только основного источника (формулы (3) и (4)), показания оказываются завышенными (Фиг.5).
Как известно, дифференциальные методики предполагают сравнение в процессе измерения неизвестной концентрации, определяемого компонента с репером, причем сравнение должно производиться либо одновременно на двух фотоприемниках, либо на одном фотоприемнике с разделением во времени включения источников ИК излучения на различных длинах волн. Заявляемое устройство использует оба подхода, что позволяет существенно снизить влияние температурного дрейфа приемно-усилительного тракта на результаты измерений, и соответственно, полученные измерения позволяют более точно вычислить концентрацию анализируемого газа, и соответственно проанализировать его состав.