ИЗМЕРИТЕЛЬ КОНЦЕНТРАЦИИ ОЗОНА

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для измерения концентрации озона в газовой среде, и может использоваться в медицине, а также в других областях техники, где требуется измерение концентрации озона.
Измеритель концентрации озона относится к распространенному классу оптических измерителей озона, принцип работы которых основан на поглощении озоном ультрафиолетового излучения с длиной волны 253,7 нм.
Известна конструкция одноканального оптического измерителя концентрации озона «Циклон 5». Измеритель состоит из источника ультрафиолетового излучения с длиной волны 253,7 нм, кюветы, по которой пропускается озоно-газовая смесь, ультрафиолетового фотоприемника и схемы обработки и показа результатов измерений. В качестве источника ультрафиолетового излучения используется газоразрядная лампа. Ультрафиолетовое излучение от источника проходит через кювету с озоном и попадает на фотоприемник. В кювете ультрафиолетовое излучение поглощается в разной степени в зависимости от концентрации озона. Это приводит к тому, что напряжение на выводах фотоприемника зависит от концентрации озона в кювете. Усилив и обработав данное напряжение, можно получить показания концентрации озона (Ф.В.Баллюзек, З.И.Арча, В.П.Челибанов, «Озон в медицине», Санкт-Петербург, 2005 г., стр.57...58).
Недостатком одноканального измерителя такого типа является то, что излучение от обычной ультрафиолетовой лампы нестабильно, что приводит к значительным отклонениям показаний измерителя со временем. Это приводит к необходимости применения дорогой специализированной ультрафиолетовой лампы, работающей при строго фиксированной температуре плазмы.
Также известен двухканальный оптический измеритель концентрации озона, состоящий из ультрафиолетовой лампы, кюветы, измерительного и опорного фотоприемников, микропроцессорного блока управления и дисплея, на котором показываются результаты измерений (Аппарат озонотерапии универсальный медицинский «Озон УМ-80», руководство по эксплуатации и паспорт, Харьков, Институт озонотерапии и медоборудования, 2003 г., стр.12). В этом измерителе для компенсации нестабильности лампы введен опорный канал, содержащий отдельный опорный фотоприемник. Фотоприемник опорного канала располагается с обратной
стороны ультрафиолетовой лампы и ультрафиолетовое излучение на него попадает непосредственно без кюветы. Сопоставляя показания фотоприемников опорного и измерительного каналов, можно скомпенсировать нестабильность газоразрядной лампы.
Однако у газоразрядной ультрафиолетовой лампы имеется также пространственная нестабильность излучения. В столбе газового разряда наблюдаются темные и светлые полосы, иногда винтообразно закрученные, которые при работе лампы могут перемещаться. Это приводит к не связанным между собой изменениям интенсивности ультрафиолетового излучения, попадающего на приемные фотоприемники измерительного и опорного каналов, что приводит к нестабильности показаний измерителя.
Техническая задача заключается в повышении точности и стабильности работы измерителя концентрации озона посредством компенсации временной и пространственной нестабильности горения ультрафиолетовой лампы.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в измеритель концентрации озона, состоящий из ультрафиолетовой лампы, кюветы, измерительного и опорного фотоприемников, микропроцессорного блока управления и дисплея, введен распределитель потока, в котором под углом друг к другу расположены два отверстия для опорного и измерительного каналов, диаметры которых равны между собой, а диаметрально противоположные линии, соосные отверстию и являющиеся продолжением стенок отверстий в плоскости их расположения, пересекаются в точках, находящихся на близлежащей поверхности трубки ультрафиолетовой лампы.
На фиг.1 приведена схема предлагаемого измерителя концентрации озона.
Измеритель концентрации озона состоит из газоразрядной ультрафиолетовой лампы 1, распределителя потока ультрафиолетового излучения 2, кюветы 3, фотоприемника 4 измерительного канала, фотоприемника 5 опорного канала, микропроцессорного блока управления 6 и дисплея 7.
Ультрафиолетовая лампа 1 представляет собой круглую трубку из кварцевого стекла.
В кювете 3 для герметизации озоно-газовой смеси установлены кварцевые стекла 8, пропускающие ультрафиолетовый свет с длиной волны 253,7 нм.
В распределителе потока 2 под углом друг к другу просверлены два отверстия 9 для опорного и измерительного каналов. На выходе одного отверстия расположен фотоприемник 5 опорного канала, на выходе другого установлена кювета 3. На другом конце кюветы 3 установлен фотоприемник 4 измерительного канала. Фотоприемники 4
и 5 подключены к микропроцессорному блоку управления 6, который соединен с дисплеем 7.
Диаметры отверстий 9 равны между собой. Диаметрально противоположные линии, соосные отверстиям 9 и являющиеся продолжением стенок отверстий в плоскости их расположения, пересекаются в точках А и Б, находящихся на близлежащей поверхности трубки ультрафиолетовой лампы 1. При таком условии отверстия измерительного и опорного каналов направлены на один и тот же участок столба газового разряда ультрафиолетовой лампы 1.
Работает измеритель концентрации озона следующим образом.
Ультрафиолетовое излучение лампы 1 попадает на фотоприемник 5 опорного канала непосредственно, а на фотоприемник 4 измерительного канала после прохождения кюветы 3, через которую пропускают озоно-газовую смесь. Вследствие поглощения ультрафиолетового излучения в кювете 3 происходит ослабление потока, попадающего на фотоприемник 4 измерительного канала. Сигналы с фотоприемников 4 и 5 поступают в микропроцессорный блок управления 6, в котором на основе деления показаний фотоприемников измерительного и опорного каналов производится расчет концентрации озона. При указанном выше расположении фотоприемников 4 и 5 отклонения потока ультрафиолетового излучения, падающего на фотоприемники опорного и измерительного каналов, связаны между собой, вследствие чего результат деления практически не зависит от флуктуации излучения ультрафиолетовой лампы 1. Благодаря этому устраняется зависимость показаний измерителя от нестабильности горения ультрафиолетовой лампы 1.
Рассчитанное в блоке управления 6 значение концентрации озона выводится на дисплей 7.
В соответствии с предлагаемым техническим решением на ОАО «Лепсе» был изготовлен и испытан опытный образец измерителя концентрации озона. В нем использовалась кювета длиной 20 мм, предназначенная для измерений концентрации озона в диапазоне 1...10 мг/л. Показания макетного измерителя сопоставлялись с эталонным измерителем «Циклон 5.21». Результаты испытаний представлены в таблицах №1...№3.
В таблице №1 представлены результаты испытаний опытного образца измерителя концентрации озона при различной температуре окружающей среды.
В таблице №2 представлены результаты испытаний опытного образца измерителя концентрации озона при разном напряжении на ультрафиолетовой лампе.
В таблице №3 представлены результаты испытаний опытного образца измерителя концентрации озона при установке разных ламп без какой-либо подстройки измерителя под новую лампу.
Таблица №1
Измеритель концентрац. озона
Концентрация озона, мг/л
Нормальные условия, +18°С
Эталон
0,4
1,0
1,5
2,0
3,3
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
Опыт. образец с лампой №1
0,33
1,03
1,52
1,95
3,22
3,88
5,82
7,85
9,85
11,75
13,65
δ, %
-18
+3
+1
-3
-2
-3
-3
-2
-2
-2
-3
Повышенная температура, +35°С
Эталон
0,4
1,0
1,5
2,0
3,4
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
15,0
Опыт. образец с лампой №1
0,37
1,08
1,57
2,06
3,35
3,8
5,8
7,8
9,8
11,8
14,8
δ, %
-8
+8
+5
+3
-1
-5
-3
-3
-2
-2
-1
Пониженная температура, +10°С
Эталон
0,4
1,1
1,5
2,0
3,3
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
15,0
Опыт. образец с лампой №1
0,43
1,25
1,65
2,15
3,5
4,15
6,25
8,45
10,5
12,6
15,8
δ, %
+8
+14
+10
+3
+6
+4
+4
+6
+5
+4
+5
Таблица №2
Напряжение питания, В
Измеритель концентрации озона
Концентрация озона, мг/л
70
Эталон
1,1
3,3
10,1
Опыт. образец с лампой №1
0,95
3,18
9,9
δ, %
-14
-4
-2
80
Эталон
1,1
3,3
10,0
Опыт. образец с лампой №1
0,96
3,15
9,85
δ, %
-13
-5
-2
100
Эталон
1,1
3,3
10,0
Опыт. образец с лампой №1
1,03
3,08
9,8
δ, %
-6
-7
-2
120
Эталон
1,1
3,3
10,0
Опыт. образец с лампой №1
1,02
3,07
9,7
δ, %
-7
-7
-3
150
Эталон
1,1
3,3
10,0
Опыт. образец с лампой №1
1,02
3,06
9,7
δ,%
-7
-7
-3
Таблица №3
Измеритель концентрации озона
Концентрация озона, мг/л
Эталон
0,4
1,1
1,5
2,0
3,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
15,0
Опыт. образец с лампой №2
0,4
1,13
1,53
2,03
2,92
3,8
5,76
7,93
9,95
11,8
14,5
δ, %
0
+3
+2
+2
-3
-5
-4
-1
-1
-2
-3
Опыт. образец с лампой №3
0,4
1,15
1,53
2,04
2,98
3,9
5,85
7,85
9,95
11,8
15,0
δ, %
0
+5
+2
+2
-1
-3
-3
-2
-1
-2
0
Опыт. образец с лампой №4
0,37
1,07
1,45
1,9
2,9
3,7
5,75
7,8
9,8
11,8
14,8
δ, %
-8
-3
-3
-5
-3
-8
-4
-3
-2
-2
-1
Здесь введено обозначение: δ - отклонение результата измерения от показаний эталонного измерителя «Циклон 5.21» в процентах.
Результаты испытаний показали хорошее согласование показаний опытного образца измерителя концентрации озона с эталонным измерителем. Погрешность измерений не превышало, в основном, 8%. Несколько повышенная погрешность получается при измерении небольшой концентрации (вблизи 1,0 мг/л), но эта погрешность связана с увеличенной ошибкой измерения самого эталонного измерителя «Циклон 5.21». Так, например, при измерении концентрации 1,0 мг/л только ошибка единицы младшего значащего разряда (0,1 мг/л) эталонного измерителя дает погрешность 10%.
Испытания опытного образца измерителя в камере тепла (+35°С) и холода (+10°С) показали, что в указанном диапазоне температур показания измерителя слабо зависят от температуры. Изменение показаний не выходит за допустимый диапазон погрешности измерений.
Испытания показали, что напряжение на ультрафиолетовой лампе очень мало влияет на показания макетного измерителя.
Испытания показали, что смена ультрафиолетовых ламп не приводит к существенному изменению показаний опытного образца измерителя. С четырьмя опробованными лампами (№1...№4) показания измерителя концентрации озона оказались в пределах допустимой погрешности. Вследствие этого при изготовлении и при ремонте при смене лампы не потребуется значительная настройка измерителя концентрации озона, что является существенным плюсом, так как ультрафиолетовая лампа имеет относительно ограниченный срок работы.
Таким образом, результаты испытаний показали малую зависимость показаний предлагаемого измерителя концентрации озона от работы излучающей ультрафиолетовой лампы. Поставленная техническая задача решена.