ИНФРАКРАСНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР
INFRARED OPTICAL GAS ANALYZER

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, газовую кювету, основной фотоприемник, блок обработки сигнала, дополнительный фотоприемник. При этом светодиодная матрица излучает опорную и рабочую длины волн. Газовая кювета расположена по ходу излучения. Основной фотоприемник установлен на выходе кюветы для приема опорной и рабочей длин волн. Блок обработки сигнала содержит аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с микропроцессором, устройством индикации. Дополнительный фотоприемник установлен на выходе кюветы. В качестве фотоприемников использованы широкополосные фотоприемники пироэлектрического типа совместно с холодильниками Пельтье. Обработка сигнала ведется с разделением во времени включения источников ИК-излучения на различных длинах волн.
Недостатком является необходимость использования пироэлектрических приемников с идентичными спектральными характеристиками. Пироэлектрический приемник реагирует только на изменение падающего теплового излучения, поэтому применение холодильников Пельтье не решает проблемы наличия отклика приемников на быстрое изменение температуры.
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 нестабильность 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.
Известно устройство для измерения концентрации газа по патенту EP 2293043. Устройство выполнено на основе одноканального принципа измерения концентрации углекислого газа. Конструкция содержит инфракрасный излучатель, трубку, инфракрасный детектор с оптическим фильтром. При запуске устройства сигнал калибруется микропроцессором. Калибровочное напряжение подается на инфракрасную лампу. Величина сигнала запоминается и используется в качестве виртуального опорного канала. В процессе старения лампы изменение её светимости компенсируется программно в соответствии с данными виртуального опорного канала, определенными при калибровке.
Недостатком данного устройства является невозможность учета неравномерного старения лампы. На проводимые измерения сильное влияние может оказывать запыленность, задымленность воздуха. Температурная компенсация затруднена.
Известно устройство для измерения концентрации газа (патент RU 2134874). Устройство содержит кювету с системой отражающих зеркал для направления оптического излучения на отдельный фотоприемник, коллиматор, помещенный на входе оптического излучения в кювету, и объектив, фокусирующий оптическое излучение на фотоприемник. В устройство введен оптический элемент (полупрозрачное зеркало или зеркало со 100%-ным отражением), разделяющий оптическое излучение на два пучка, направляемых на фотоприемник оптическими путями разной длины. Коэффициент ослабления излучения зависит от оптической длины пути. Этот факт используется для расчета концентрации исследуемой газовой смеси.
Недостатки данного устройства заключаются в том, что для перенаправления пучков необходима механическая регулировка зеркала. Что в свою очередь снижает точность определения концентраций газовых компонент исследуемой смеси вследствие появления механических вибраций оптических узлов.
Наиболее близким аналогом является конструкция одноканального оптического газоанализатора (SU 1149146). На оптической оси прибора размещены последовательно основной инфракрасный источник с отражателем, измерительная кювета, дополнительный инфракрасный источник, светофильтр, приёмник излучения, связанный через усилитель с синхронным детектором, и генератор модуляции, связанный с первым излучателем. С целью повышения точности измерения путем исключения погрешности, связанной с нестабильностью характеристик приемника излучения, газоанализатор содержит дополнительный инфракрасный источник, снабженный отражателем и устройством балансировки амплитуды и фазы сигналов.
Недостатком прототипа является отсутствие контроля неравномерного старения излучателей. Дисбаланс, вызванный уменьшением светимости первого излучателя относительно второго, может интерпретироваться как появление газа. Такой эффект приводит к снижению стабильности измерений. При размещении излучателей на одной оси часть излучения первого источника экранируется отражателем второго излучателя. Такое расположение приводит к необходимости повышения интенсивности излучения первого источника, что отрицательно сказывается на его старении.
Задача изобретения заключается в создании устройства с временным разделением активного и опорного сигналов и контролем интенсивности источников излучения, обеспечивающего детектирование присутствия метана или углекислого газа в воздушно-газовой смеси и обладающего повышенной стабильностью по отношению к быстрым температурным изменениям окружающей среды.
Технический результат заключается в повышении стабильности и точности измерения.
Технический результат достигается тем, что инфракрасный оптический газоанализатор содержит основной источник инфракрасного излучения с отражателем, измерительную кювету, интерференционный светофильтр, приемник инфракрасного излучения, размещенные последовательно на одной оптической оси, первый усилитель, дополнительный источник инфракрасного излучения, согласно решению содержит широкополосный фотоприемник и второй усилитель, в измерительной кювете выполнены два отверстия в боковой стенке по разные стороны от оптической оси, в первом отверстии размещен широкополосный фотоприемник, во втором отверстии размещен дополнительный источник инфракрасного излучения, причем расстояние между дополнительным источником инфракрасного излучения и приемником инфракрасного излучения много меньше расстояния между основным источником инфракрасного излучения и приемником инфракрасного излучения, при этом основной и дополнительный источники инфракрасного излучения соединены через соответствующие усилители с микропроцессором.
Интерференционный светофильтр может быть выполнен встроенным в приемник инфракрасного излучения.
В измерительной кювете второе отверстие закрыто отражателем, огибающим дополнительный источник инфракрасного излучения.
Заявляемое устройство поясняется Фиг.1- Фиг.3:
Фиг.1 - чертеж устройства,
Фиг. 2 - характеристика сигнала: (а) управляющего сигнала основного источника инфракрасного излучения - сплошная линия, и управляющего сигнала дополнительного источника инфракрасного излучения - пунктир (величина сигнала дана в относительных единицах); (б) сигнала, зарегистрированного приемником инфракрасного излучения (величина сигнала дана в относительных единицах); (в) сигнала, зарегистрированного широкополосным фотоприемником (величины сигнала даны в относительных единицах).
4
Фиг. 3 - временная зависимость амплитуд сигналов, зарегистрированных приемником 4 ИК-излучения и рассчитанная концентрация метана: (а) при тестировании газовой смесью воздух-метан, объемное содержание метана (CH) - 0.44%, температура окружающей среды +22°С; б) при изменении температуры от +22°С до -18°С фактическая концентрация метана равна нулю. Линия (1) - амплитуда измерительного сигнала, зарегистрированного приемником 4 ИК-излучения, при этом основной источник 1 ИК-излучения включен, дополнительный источник 2 ИК-излучения выключен; линия (2) - амплитуда опорного сигнала, зарегистрированного приемником 4 ИК-излучения, при этом дополнительный источник 2 ИК-излучения включен, основной источник 1 ИК выключен; линия (3) - концентрация метана, рассчитанная с использованием амплитуд измерительного и опорного сигналов.
Позициями 1-13 обозначены:
1 - основной источник инфракрасного (ИК) излучения,
2 - дополнительный источник инфракрасного излучения,
3 - измерительная кювета,
4 - приемник инфракрасного излучения,
5 - интерференционный светофильтр,
6 - отражатель,
7 - широкополосный фотоприемник,
8 - микропроцессор,
9 - первый усилитель,
10 - второй усилитель,
11 - первое отверстие в измерительной кювете,
12 - второе отверстие в измерительной кювете,
13 - второй отражатель.
Заявляемое устройство представляет собой измерительную кювету 3 в виде цилиндрической трубки с отражающими внутренними стенками. С одной торцевой стороны измерительной кюветы 3 установлен основной 1 источник ИК-излучения с отражателем 6. С другой торцевой стороны измерительной кюветы 3 - приемник 4 ИК-излучения с узкополосным интерференционным светофильтром 5. Интерференционный светофильтр 5 может быть встроенным в приемник 4 ИК-излучения. Приемник 4 ИК-излучения выполнен с температурным датчиком. Заявляемое устройство также содержит широкополосный фотоприемник 7, дополнительный источник 2 ИК-излучения и два усилителя: первый 9 и второй 10. Основной источник 1 ИК-излучения с отражателем 6, измерительная кювета 3, интерференционный светофильтр 5 и приемник 4 ИК-излучения размещены последовательно на одной оптической оси. В боковой стенке измерительной кюветы 3 выполнены два отверстия 11 и 12 в непосредственной близости к приемнику 4 ИК-излучения по разные стороны от оптической оси. При этом первое отверстие 11 выполнено ближе к приемнику 4 ИК-излучения, чем второе отверстие 12. В первом отверстии 11 размещен широкополосный фотоприемник 7 для регистрации интенсивности света основного 1 и дополнительного 2 источников ИК-излучения, во втором отверстии 12 размещен дополнительный источник 2 ИК-излучения в стороне от оптической оси, свет от которого падает под углом к оптической оси. Расстояние между дополнительным источником инфракрасного излучения и приемником инфракрасного излучения много меньше расстояния между основным источником инфракрасного излучения и приемником инфракрасного излучения.
Область чувствительности широкополосного фотоприемника 7 находится за пределами полосы поглощения исследуемого газа. Второе отверстие 12 может быть закрыто вторым отражателем 13, огибающим дополнительный источник 2 ИК-излучения. Приемник 4 ИК-излучения и широкополосный фотоприемник 7 соответственно через первый 9 и второй 10 усилители соединены с микропроцессором 8, который содержит аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Микропроцессор 8 через соответствующие транзисторы соединен с основным 1 и дополнительным 2 источниками ИК-излучения. Микропроцессор 8 выполнен с функцией включения и выключения основного 1 и дополнительного 2 источников ИК-излучения, регистрации сигналов с приемника 4 ИК-излучения и широкополосного фотоприемника 7, обработки полученных результатов.
Устройство работает следующим образом.
От микропроцессора 8 попеременно на основной 1 и дополнительный 2 источники ИК-излучения подают управляющее напряжение (Фиг.2а) со сдвигом фаз таким образом, что электрические сигналы, формируемые приемником 4 ИК-излучения от основного источника 1 ИК-излучения и дополнительного источника 2 ИК-излучения, разнесены по времени и не перекрываются (Фиг.2б, Фиг.2в). На Фиг. 2а управляющий сигнал основного источника 1 ИК-излучения - сплошная линия, и управляющего сигнала дополнительного источника 2 ИК-излучения - пунктир (величина сигнала дана в относительных единицах).
Сначала микропроцессор 8 через транзистор подает прямоугольное напряжение на основной источник 1 ИК-излучения. Возникший при этом поток после отражения от отражателя 6 поступает в измерительную кювету 3, которая заполнена анализируемой газовой смесью. При этом одна часть потока попадает через интерференционный светофильтр 5 в приемник 4 ИК-излучения, другая часть потока отражается от внутренних стенок измерительной кюветы и попадает в широкополосный фотоприемник 7. При этом интерференционный светофильтр 5 пропускает поток в диапазоне длин волн, соответствующих спектру поглощения газа, который необходимо детектировать. При нормальном падении излучения на интерференционный светофильтр полоса пропускания этого светофильтра 5 совпадает с полосой поглощения детектируемого газа.
Два электрических сигнала, преобразованных из оптических соответственно в приемнике 4 ИК-излучения и широкополосном фотоприемнике 7, усиливаются при помощи соответственно первого 9 и второго 10 усилителей, оцифровываются АЦП и обрабатываются микропроцессором 8.
При подаче прямоугольного напряжения на дополнительный источник 2 ИК-излучения поток проходит через измерительную кювету 3, и практически не поглощаясь измеряемым газом, попадает на приемник 4 ИК-излучения, т.к. расстояние от дополнительного источника 2 ИК-излучения до приемника инфракрасного излучения мало. Электрические сигналы, преобразованные из оптических сигналов в приемнике 4 ИК-излучения и в широкополосном фотоприемнике 7 соответственно, также усиливаются соответственно первым 9 и вторым 10 усилителями, оцифровываются АЦП и обрабатываются микропроцессором 8.
<mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mn>1</mn></msub><mtext> </mtext><mi>exp</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>−</mo><mi>K</mi><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mo>⋅</mo><mi>L</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msubsup><mi>A</mi><mi>T</mi><mrow /></msubsup></mrow>
1
T
Интерференционный светофильтр 5 пропускает излучение с центральной частотой, соответствующей линии поглощения исследуемого газа. Интенсивность прошедшего излучения регистрируется приемником 4 ИК-излучения. Амплитуда электрического сигнала, формируемого от основного 1 источника ИК-излучения, зависит от концентрации газа
, где A - сигнал, вырабатываемый в отсутствие исследуемого газа (C=0), K - коэффициент поглощения газа, L - расстояние от основного источника 1 ИК-излучения до приемника 4 ИК-излучения с интерференционным светофильтром 5, A - дополнительный сигнал, зависящий от температуры окружающей среды.
<mrow><mi>B</mi><mo>=</mo><msub><mi>B</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>B</mi><mi>T</mi></msub></mrow>
T
T
T
Расстояние от дополнительного 2 источника ИК-излучения до приемника 4 ИК-излучения много меньше L. Кроме того, излучение падает под углом на интерференционный светофильтр 5, в результате чего полоса пропускания интерференционного светофильтра 5 смещается в сторону от полосы поглощения газа. Поэтому для дополнительного источника 2 ИК-излучения амплитуда электрического сигнала
и практически не зависит от наличия исследуемого газа, B определяется температурой. Величина A является измерительным сигналом, величина B - опорным. Так как используется один и тот же приемник 4 ИК-излучения с усилителем 9, то при постоянной температуре величина S=A=B является одной и той же, как для измерительного сигнала A, так и для опорного B. На Фиг.3а показано изменение измерительного (линия 1) и опорного (линия 2) сигналов при тестировании воздушно-газовой смесью с концентрацией метан 0.44% по объему. Концентрация исследуемого газа (линия 3) определяется по разности измерительного и опорного сигналов. При изменении температуры измерительный и опорный сигналы изменяются синхронно (Фиг.2б). Синхронное изменение этих сигналов обеспечивает автоматическую компенсацию температурного дрейфа. При быстром изменении температуры  скорость компенсации температурных изменений ограничена только временем отклика основного 1 и дополнительного 2 источника ИК-излучения и приемника 4 ИК-излучения. При использовании быстродействующих приемников 4 ИК-излучения (фотодиоды) и быстродействующих источников ИК-излучения (светодиоды) точность и стабильность измерений повышается.
При изменении температуры на 40°C (от +22°С до -18°С) погрешность в определении концентрации газа не превышает 0.1% (Фиг. 2в). Возникновение данной погрешности связано с нелинейностью характеристик усилителей 9 и 10. Погрешность может компенсироваться с использованием данных температурного датчика, встроенного в приемник 4 ИК-излучения. Компенсация осуществляется программно с использованием микроконтроллера 8.
<mrow><msub><mi>A</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>B</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>A</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>B</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
Соотношение между величинами
и
изменяется в результате старения основного 1 и дополнительного 2 источников ИК-излучения. Для корректировки данного соотношения используется широкополосный фотоприемник 7, который принимает рассеянное излучение от основного 1 и дополнительного 2 источников ИК-излучения (Фиг.2в). Применение дорогостоящего интерференционного светофильтра для широкополосного фотоприемника 7 не требуется. Широкополосный фотоприемник 7 измеряет интенсивность излучения основного 1 и дополнительного 2 источника ИК-излучения. Измеренные значения усредняются за длительный период и используются для корректировки соотношения между величинами
и
.
Таким образом, в заявляемом устройстве в единицу времени на микропроцессор 8 поступает сигнал либо от основного 1, либо от дополнительного 2 источников ИК-излучения. В случае наличия в газовой смеси анализируемого газа инфракрасное излучение от основного источника 1 ИК-излучения частично поглощается, и амплитуда электрического сигнала уменьшается. Если электрический сигнал уменьшается при включенном основном источнике 1 ИК-излучения, а при включенном дополнительном 2 источнике ИК-излучения электрический сигнал постоянен, то это свидетельствует о наличии в воздушной смеси газа. В заявляемом устройстве используется дополнительный канал измерения на основе широкополосного фотоприемника 7, область чувствительности которого находится за пределами полосы поглощения исследуемого газа. Широкополосный фотоприемник 7 выполняет функцию контроля изменения интенсивности основного 1 и дополнительного 2 источников ИК-излучения в результате их естественного старения. Для расчета концентрации газа используется сигнал, полученный с приемника 4 ИК-излучения. Заявляемое устройство позволяет существенно снизить влияние температурного дрейфа приемно-усилительного тракта на результаты измерений, компенсировать естественное старение основного 1 и дополнительного 2 источников ИК-излучения, и, соответственно, полученные измерения позволяют более точно вычислить концентрацию анализируемого газа и, соответственно, проанализировать его состав. Заявляемое устройство не требует фазовой и амплитудной подстройки сигналов.
Для промышленной апробации был изготовлен экспериментальный образец заявляемого устройства. Длина измерительной кюветы 3 в экспериментальном устройстве - 70 мм. В качестве основного 1 и дополнительного 2 источников ИК-излучения были использованы микролампы накаливания. Расстояние между дополнительным источником 2 ИК-излучения и приемником 4 ИК-излучения в 10 раз меньше, чем расстояние между основным источником 1 ИК-излучения и приемником 4 ИК-излучения. Широкополосный фотоприемник 7 был расположен на таком расстоянии, что амплитуды сигналов от основного и дополнительного источников ИК-излучения были примерно равны. Диаметр второго отражателя, огибающего дополнительный источник ИК-излучения, - 15 мм. Для измерений в качестве приемника 4 ИК-излучения использован термопарный приемник. При длине измерительной кюветы 3, равной 70 мм, и частоте управляющего сигнала основного 1 и дополнительного 2 источников ИК-излучения, равной 1 Гц, без использования программной коррекции температурных изменений точность измерения составила 0.1% объемного содержания газа.
4
o
o
Заявляемое устройство тестировали газовой смесью воздух-метан. На Фиг.3а и Фиг.3б представлена временная зависимость амплитуды сигнала, зарегистрированного приемником 4 ИК-излучения, и рассчитанная концентрация метана CH. При тестировании объемное содержание метана - 0.44% (Фиг. 3а). На Фиг.3б показаны результаты тестирования температурной стабильности показаний инфракрасного оптического газоанализатора. Температура изменялась от +22С до -18С, концентрация метана равна нулю. Программная коррекция рассчитанной концентрации (Фиг. 3б) с использованием данных температурного датчика, встроенного в приемник 4 ИК-излучения, не применялась.