МНОГОВОЛНОВЫЙ ТРАССОВЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР

Полезная модель относится к системам мониторинга смесей токсичных и горючих газов в воздушной среде, а именно к инфракрасным (ИК) газоанализаторам «открытого пути», и может быть использована для непрерывного мониторинга наличия смесей углеводородов и других газов в воздухе, за счет измерения поглощения многоволнового оптического излучения, проходящего через газовое «облако».
Известен многокомпонентный газовый анализатор (Патент US, # 4914719), в котором определение концентрации многокомпонентной смеси проводится по измерению поглощения на трех длинах волн. В качестве источника излучения выступает термический нагреватель, излучающий в ИК области. Инфракрасное излучение от источников проходит через кювету, в которой находится исследуемый газ, и регистрируется детектором. Интенсивность прошедшего излучения на той или иной длине волны зависит от концентрации газов в кювете. Концентрацию газов в кювете вычисляют, решая систему из трех алгебраических уравнений.
Недостатком данного способа и устройства для проведений измерений является следующие особенности. Так как спектры поглощения исследуемых газов перекрываются, то проведение измерений на трех рабочих длинах волн позволяет определить концентрацию только заранее известных газов. Если вид газа неизвестен, то вычислить их концентрацию данным способом нельзя. Кроме того, в качестве источника излучения используется термический (нагреваемый) источник с широким спектром излучения (в дальнем ИК диапазоне 8.7-12.3 мкм), из которой нужную длину вырезают с помощью поворотного фильтра, располагаемого перед детектором излучения. Это требует использования специального двигателя.
В патенте описано также техническое решение с тремя независимыми детекторами, но при этом требуется использование трех полупрозрачных оптических делителей, что чрезвычайно усложняет конструкцию измерительного устройства.
Важно также отметить, ширина полосы пропускания фильтров сопоставима с шириной спектра излучения современных ИК светодиодов, но светодиоды имеют преимущества в миниатюрных размерах и на несколько порядков меньшем энергопотреблении.
Наиболее близким к описываемому устройству является трассовый газоанализатор метана (Патент на полезную модель РФ, №157463), выполненный в виде двух блоков - источника оптического излучения и приемника оптического излучения, расположенных на одной оси на расстоянии друг от друга. Блок оптического излучения включает в себя оптическую схему формирования параллельного луча с малой расходимостью и электронную схемы управления и питания источника (источников) излучения. Блок приемника оптического излучения включает в себя фотоприемник, оптическую схему фокусирования входящего излучения на чувствительном элементе фотоприемника, электронную схему управления и обработки данных и схему питания фотоприемника. Для исключения влияния неконтролируемых атмосферных факторов (наличие паров воды, температуры, изменения освещенности и др.) на результаты измерения трассовый газоанализатор выполнен по двухволновой оптической системе с измерительным и референтным лучами, на 2.3 мкм и 1.7 мкм, соответственно. Данный трассовый газоанализатор может быть использован для контроля концентраций метана или других горючих газов в воздухе, за счет поглощения оптического излучения, проходящего через газовое «облако».
Недостатком данного устройства является то, что можно контролировать содержания только одного газа в воздухе, например метана. Измерение концентрации многокомпонентных смесей не представляется возможным вследствие использования только одного измерительного луча.
Раскрытие полезной модели
В основу полезной модели поставлена задача расширения спектра возможностей инфракрасных газоанализаторов «открытого» пути за счет использования многоволнового излучения, проходящего через газовое «облако». Использование многоволнового излучения позволяет определить концентрацию отдельных компонентов в воздухе в случае мониторинга многокомпонентных газовых смесей и паров.
Поставленная задача решается тем, что в трассовом газоанализаторе многокомпонентных газовых смесей, содержащем блок источника оптического излучения, выполненным на основе светодиодов, и блок приемника оптического излучения, выполненным на основе фотодиода, расположенные на одной оптической оси на расстоянии друг от друга, источник оптического излучения выполнен с возможностью излучения на трех или более длинах волн в диапазоне 1.3-2.3 мкм, а блок приемника оптического излучения выполнен с полупроводниковым фотодиодом с возможностью приема им волн излучения в диапазоне 1.3-2.3 мкм. При этом может быть, что источником оптического излучения является светодиодная матрица, размещенная в корпусе блока источника; светодиодная матрица размещена в корпусе источника с параболическим отражателем; светоизлучающие диоды выполнены в виде дискретных элементов, размещенных в корпусе передатчика; светоизлучающие диоды выполнены в отдельных корпусах с параболическими отражателями и размещены в корпусе передатчика; светодиодная матрица размещена на охлаждаемом основании, фотодиод расположен на охлаждаемом основании и фотодиод расположен в параболическом корпусе, собирающем оптическое излучение.
Поскольку источник оптического излучения выполнен с возможностью излучения на трех и более длинах волн в диапазоне 1.3-2.3 мкм, а блок приемника оптического излучения выполнен с полупроводниковым фотодиодом с возможностью приема им волн излучения в диапазоне 1.3-2.3 мкм, при этом может быть, что источником оптического излучения является светодиодная матрица, размещенная в корпусе блока источника; светодиодная матрица размещена в корпусе источника с параболическим отражателем; светоизлучающие диоды светодиодной матрицы выполнены в отдельных корпусах; светоизлучающие диоды выполнены в отдельных корпусах с параболическими отражателями; светодиодная матрица размещена на охлаждаемом основании, фотодиод расположен на охлаждаемом основании и фотодиод расположен в параболическом корпусе, собирающем оптическое излучение, достигается расширение возможностей и областей применения инфракрасных газоанализаторов на случай мониторинга многокомпонентных газовых смесей и паров и определения концентрации отдельных компонентов смеси в воздухе.
Краткое описание чертежей
2
2
4
На фиг. 1 показана принципиальная схема многоволнового трассового газоанализатора, состоящего из источника 1 и приемника 2 оптического излучения; на фиг. 2 представлен внешний вид 6-элементной светодиодной матрицы; на фиг. 3 представлена зависимость чувствительности фотодиода от длины волны; на фиг. 4 представлены спектры излучения 6-элементной светодиодной матрицы в диапазоне длин волн 1.3-2.3 мкм и спектры поглощения паров воды (НO), углекислого газа (СО), угарного газа (СО) и метана (СН) в воздухе; на фиг. 5 представлена принципиальная схема многоволнового трассового газоанализатора с дискретным набором светодиодов, каждый из которых имеет параболический отражатель.
Осуществление полезной модели
Устройство работает следующим образом.
Оба блока, источник 1 и приемник 2 оптического излучения, устанавливают на одном оптической оси на заданном расстоянии друг от друга (фиг. 1). В качестве источника излучения используется светодиодная матрица 5, состоящая более чем из 2 светодиодов, например, 6-элементная матрица светодиодов, представленная на фиг. 2.
Светодиоды выбираются таким образом, чтобы максимуму их излучения находились в диапазоне длин ИК волн 1.3-2.3 мкм. Меньшая, чем 1.1 мкм, длина волны соответствует светодиодам видимого диапазона. А длина волны более чем 2.5 мкм, требует принудительного охлаждения светодиодов до отрицательных температур, вследствие, малого значения ширины запрещенной зоны полупроводникового материала светодиода и преобладания безизлучательной рекомбинации над излучательной рекомбинацией. В измерительном блоке используется полупроводниковый фотодиод марки Lms24PD-20-TEM.
Мониторинг состава газового состава среды осуществляется на основе последовательных измерений коэффициентов пропускания излучения от всех светодиодов светодиодной матрицы. Для этой цели светодиоды последовательно включаются и испускают оптическое излучение инфракрасного диапазона. Излучение выходит из блока 1 через прозрачное в ИК области стекло 7, распространяется в анализируемой атмосфере и регистрируется фотоприемником в виде фотодиода 6. При этом учитывается разная чувствительность фотодиода на разных длинах волн (Фиг. 3) в диапазоне. Для увеличения сбора излучения перед фотодиодом устанавливается собирающая линза 4. Уменьшение пропускания на измеряемой длине волны свидетельствует о наличии поглощающего соответствующего газа.
Выбор длин волн светодиодов определяется, исходя из положения полос поглощения исследуемых газов, максимумы линий излучения должны попадать (приблизительно) на основные полосы поглощения, а число светодиодов должно быть, как минимум на один больше, чем число газов в газовой смеси. Длина волны референтного светодиода выбирается таким образом, чтобы его длина волны не поглощалась газовой средой данного состава. Для уменьшения расходимости излучения используется параболический отражатель 8.
Для уменьшения влияния температуры светодиоды и фотодиод их температура стабилизируется за счет их расположения на охлаждаемом основании 3.
Полученные фотодиодом сигналы фильтруются от шумов, усиливаются, преобразуются в цифровые сигналы и обрабатываются с целью получения концентраций целевых газов в воздухе. В зависимости от заложенного программного обеспечения на диспетчерский пульт контроля могут поступать либо только данные о концентрации газов в воздухе, либо сигналы предупреждения о разных уровнях опасности, связанных с превышением установленных норм и требований по отдельным газам.
2
2
4
Пример. Измерение концентрации выхлопных газов. Детектируется содержание НO, СO, СО и СН в воздухе.
2
2
4
Выбор длин волн светодиодов для детектирования НO, СO, СО и СН в воздухе определяется, исходя из положения полос поглощения исследуемых газов. Методика выбора длин волн основана на следующем. Во-первых, хотя бы одна характеристическая полоса поглощения каждого газа должна накрываться одной из всех линий светодиодной матрицы. Если полосы поглощения различных газов не перекрываются, то этого достаточно. Если же полосы поглощения различных газов перекрываются, то нужно добавить еще одну длину волны, накрывающую вторую полосу поглощения одного из газов. Если вероятность перекрытия одной полосы для нескольких газов достаточно велика, то сразу двух и с одним и тем же коэффициентом поглощения - очень мала (за исключением случая двух газов из одного гомологического ряда). Длина волны референтного светодиода выбирается таким образом, чтобы его длина волны не поглощалась газовой средой данного состава.
2
2
4
2
2
4
2
Работа трассового газоанализатора проиллюстрирована на примере детектирования выхлопных газов (НO, СO, СО и СН) (фиг. 4). В качестве источника излучения выбрана 6-ти светодиодная матрица. Пять светодиодов работают в измерительном режиме, один - в качестве референтного (не поглощающегося в исследуемой газовой смеси). В качестве реферетного выбран луч на длине волны 1.3 μm, поскольку практически не перекрывается ни с одной из полос поглощения. Длина волны 1.4 μm выбирается в этом интервале длин волн для характеризации паров воды (НO), длина волны 2.0 μm - диоксида углерода (СO), 1.6 μm - метана (СН), 2.3 μm - оксида углерода (СО). В принципе этих четырех длин волн для выбранных спектров поглощения достаточно, но для повышения точности восстановления концентраций в силу частично перекрывающихся спектров воды (НO) и диоксида углерода (СО) используется еще линия 1.8 μm.
Мониторинг состава газового состава среды осуществляется на основе последовательных измерений коэффициентов пропускания излучения от всех светодиодов светодиодной матрицы на длинах волн 1.4, 1.5, 1.6, 1.8, 2.0 и 2.3 мкм. Для этой цели светодиоды последовательно включаются и испускают оптическое излучение инфракрасного диапазона. Излучение распространяется в анализируемой атмосфере и регистрируется фотоприемником в виде фотодиода 6. При этом учитывается разная чувствительность фотодиода на разных длинах волн. Уменьшение пропускания на измеряемой длине волны свидетельствует о наличии поглощающего соответствующего газа.
Коэффициенты прохождения света от пяти измерительных светодиодов нормируются на коэффициент прохождения от референтного светодиода для исключения влияние не контролируемых атмосферных факторов (температуры, давлении, ветра, тумана и др.), эффектов рассеяния и поглощения света в измерительном тракте.
После такой нормировки данные по коэффициентам прохождения подвергаются очистке от шумов и обрабатываются на основании закона поглощения света Бера-Ламберта. Как правило, не удается добиться того, чтобы спектр одной линии светодиода перекрывал только одну полосу поглощения, возникает перекрестная чувствительность, но за счет использовании нескольких светодиодов, тем не менее, возможно определение концентраций всех газов исследуемой смеси.
Полученные результаты представлены Таблице 1.
Излучение светодиодов имеет широкую расходимость излучения. Это ограничивает расстояние между источником и приемником оптического излучения вследствие уменьшения интенсивность излучения попадающего в приемник излучения. Использование параболических отражателей 8 (фиг. 1) позволяет уменьшить расходимость излучения в несколько раз, тем самым повышается направленность оптического луча.
Кроме того светодиодной матрицы в качестве источников излучения в блоке 1 могут использоваться отдельные светоизлучающие светодиоды в параболических корпусах (фиг. 5).
Спектр излучения светодиодов зависит от их температуры, которая может увеличиваться за счет выделения тепла в процессе излучения. Для исключения данного эффекта светодиоды располагают на охлаждаемом основании 3, которое позволяет стабилизировать температуру светодиода.