ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ
OPTICAL-ELECTRONIC DEVICE FOR MEASURING CONCENTRATION OF GASES

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, конкретно к оптико-электронным измерениям, и может быть использовано для систем автоматического измерения концентрации газов, например метана, углекислого газа и др. при экологических исследованиях, газовой защиты в горнодобывающей, нефтегазовой, химической и других отраслях промышленности.
Известен прибор для измерения концентрации горючих и токсичных газов. В конструкцию предлагаемого газоанализатора входят источник инфракрасного излучения со сферическим зеркальным отражателем, рабочая и опорные камеры, обтюратор с приводом, оптический фильтр, приемник инфракрасного (ИК) излучения с фокусирующим устройством и блок управления с мини-ЭВМ (патент РФ №2292039 Инфракрасный абсорбционный газоанализатор. Бондарчук Е.Н., Сорокин В.А.: заявл. 18.02.2005, опубл. Бюл. №2, 20.01.2007 - G01N 21/61).
Недостатком известного газоанализатора является сложность конструкции, включающей сферический зеркальный отражатель, обтюратор с приводом, оптический фильтр и фокусирующее устройство на приемнике излучения. Данное конструктивное выполнение малопригодно для измерения концентрации в местах с агрессивной средой и механическими воздействиями.
Известен шахтный интерферометр для определения содержания кислорода, углекислого газа и метана в воздухе, состоящий из газовоздушной камеры, патрона с химическим поглотителем и системы линз, в котором для повышения чувствительности дополнительно введены две газовоздушные камеры, одна из которых выполнена подвижной и может вводиться в поток интерферирующих лучей и выводиться из него (А.с. № SU 147021 Цейслер П.П., Жариков И.И. Шахтный интерферометр: заявл. 1.04.1961, опубл. БИ №9, 1962 г.).
Недостатком данного устройства является невозможность проверки и установки нулевого положения интерференционной картины непосредственно на объекте измерения, отсутствие автоматизации контроля и необходимость присутствия людей при измерении содержания газов.
Известны различные варианты интерферометров, позволяющие определять концентрации атмосферных примесей путем измерения показателя преломления воздуха, например, шахтные интерферометры ШИ-3, ШИ-5, ШИ-6, ШИ-8, ШИ-10, ШИ-12, построенные по оптической схеме интерферометра Жамена, но отличающиеся друг от друга длиной камер, и, соответственно, точностью и пределами измеряемых концентраций газов (Коломийцов Ю.В. Интерферометры. Основы инженерной теории, применение. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние. 1976, 296 с. - C. 61-65, с. 251-253).
Недостатком данных устройств являются отсутствие автоматизации контроля и необходимость присутствия людей при измерении содержания газов.
Известен шахтный интерферометр ШИ-7. Интерферометр содержит металлический корпус прямоугольной формы, с наружной стороны на нем размещены: окуляр, штуцер для присоединения резиновой груши, распределительный кран со штуцером, патрон с лампой накаливания, кнопка для включения источника света и поводок для перемещения интерференционной картины. Внутри корпус прибора разделен перегородками на три отделения: в первом размещены все оптические детали, во втором находится поглотительный патрон, который крепится пружиной, и здесь же укладывается лабиринт, представляющий собой катушку с намотанной на ней трубкой из полихлорвинила. Между патроном и лабиринтом находится штуцер, закрытый резиновым колпачком. На этот штуцер надевается трубка резиновой груши при заполнении воздушной линии чистым атмосферным воздухом. Отделение с поглотительным патроном закрывается крышкой. В третьем отделении корпуса прибора помещается сухой элемент для питания лампочки. Один контакт сухого элемента замыкается на корпус прибора, а другой через изолированный контакт соединен проводами с кнопкой включения. Это отделение прибора закрывается выдвижной крышкой (Цейслер П.П., Жариков И.И. Руководство по ремонту шахтных интерферометров, М.: Недра, 1977, с. 49-50).
Недостатком данного устройства является периодичность контроля и необходимость присутствия людей при измерении содержания газов в шахтной атмосфере.
Известен шахтный интерферометр ШИ-11, принятый за прототип. Интерферометр содержит лампу накаливания, пучок света от которой, пройдя конденсорную линзу, параллельным пучком попадает на плоскопараллельную пластину и разлагается на два луча. Первый луч, отраженный верхней гранью пластины, проходит через полость газовоздушной камеры, заполненной рудничным воздухом, другой - через полость, заполненную чистым атмосферным воздухом. Оба отражаются призмой на плоскопараллельную пластину, где сходятся в световой пучок, который зеркалом отклоняется в объектив. Верхняя линза объектива подвижна, что дает возможность перемещать интерференционную картину вдоль отсчетной шкалы и устанавливать ее в нулевое положение. Пучок света, выйдя из объектива и пройдя щелевую диафрагму с отсчетной шкалой, попадает в окуляр. В результате прохождения двух интерферирующих лучей через разные газовоздушные среды происходит смещение интерференционной картины, величина которой пропорциональна концентрации газа (Иоффе Б.В. Рефрактометрические методы химии. 3-е изд., перераб., Л.: Химия, 1983. - 352 с. - С. 202-205).
К недостаткам описанного устройства следует отнести отсутствие возможности автоматизации измерения концентрации газа и дистанционной передачи результата измерения, а так же необходимость присутствия людей при измерении содержания газов в шахтной атмосфере. К тому же процесс измерения требует ручных операций и определенных навыков.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение безопасности измерений, возможность осуществления непрерывного автоматизированного контроля, расширение области применения данного вида устройств за счет градуировки шкалы для измерения содержания других газов, повышение точности, оперативности и достоверности измерений, возможность дистанционного снятия результатов измерения.
Поставленная задача достигается тем, что оптико-электронное устройство для измерения концентрации газов, содержащее химический поглотительный патрон, оптическую систему, состоящую из конденсорной линзы, плоскопараллельной пластины (зеркала), подвижной газовоздушной камеры, имеющей три сквозные полости, ограниченные плоскопараллельными стеклянными пластинками, двух призм полного внутреннего отражения, зеркала, зрительной трубы с объективом, окуляра и щелевой диафрагмы с подвижной отчетной шкалой, также содержит электрический насос засасывания измеряемого газа, блок управления электрическим насосом, соленоид перемещения газовоздушной камеры в положение контроля, блок управления соленоидом, светоизлучающий диод, блок управления светоизлучающим диодом, два электромеханических клапана, соответственно, каналов измерения метана и углекислого газа и два блока управления электроклапанами, ПЗС-матрицу, аналого-цифровой преобразователь, DSP-процессор, микроконтроллер, цифровой жидкокристаллический индикатор и интерфейс связи с внешними устройствами.
Устройство для измерения концентрации газов поясняется чертежами (фиг. 1 - фиг. 3).
На фиг. 1 изображена оптическая схема: а) ход лучей при определении концентрации газа, б) ход лучей при установке и проверке нулевого положения интерференционной картины (положение контроля). На фиг. 2 приведена функциональная схема устройства. На фиг. 3 изображен кадр изображения интерференционной картины, получаемый ПЗС для дальнейшей цифровой обработки.
1
1
4
4
2
2
На чертежах (фиг. 1, 2) представлены: светоизлучающий диод СИД; конденсорная линза К; плоскопараллельная пластина (зеркало) З; подвижная газовоздушная камера А, имеющая три сквозные полости - 1, 2, 3, ограниченные плоскопараллельными стеклянными пластинами 4; призма полного внутреннего отражения П; призма полного внутреннего отражения П; зеркало З; зрительная труба с объективом ОБ, окуляром ОК, щелевой диафрагмой F и отсчетной шкалой Ш; поглотительный патрон 5; штуцер 6; лабиринт 7; соединительные резиновые трубки 8; светоизлучающий диод 9; блок управления светоизлучающим диодом 10; электромеханический клапан канала измерения СН (метана) 11; блок управления электромеханическим клапаном канала измерения СН (метана) 12; электромеханический клапан канала измерения CO (углекислого газа) 13; блок управления электромеханическим клапаном канала измерения CO (углекислого газа) 14; ПЗС-матрица 15; аналого-цифровой преобразователь 16; DSP-процессор 17; электрический насос 18 закачки измеряемого газа в полость 2 газовоздушной камеры А; блок управления электрическим насосом 19; соленоид перемещения 20 газовоздушной камеры А в положение контроля; блок управления соленоидом перемещения 21 газовоздушной камеры А; микроконтроллер 22; цифровой индикатор 23; интерфейс связи с внешними устройствами 24.
Действие оптико-электронного устройства основано на измерении смещения интерференционной картины, происходящего вследствие изменения состава исследуемой газовой среды, которая находится на пути одного из лучей, способных интерферировать. Величина смещения пропорциональна разности между показателями преломления света исследуемой газовой смеси и атмосферного воздуха.
Рассмотрим работу оптической части оптико-электронного устройства для измерения концентрации газов.
1
На фиг. 1, а показан ход лучей при определении содержания метана или углекислого газа. В этом случае свет от светоизлучающего диода СИД проходит через конденсорную линзу К и параллельным пучком падает на зеркало З, где пучок света разлагается на два интерферирующих луча. Первый луч света отражается верхней гранью зеркала З, проходит по полостям 1 и 3 газовоздушной камеры, которые заполнены чистым атмосферным воздухом, отражается призмами Π, Π и после двукратного прохождения по полостям 1 и 3 выходит из камеры.
1
Второй луч света, отразившись от нижней посеребренной грани зеркала З и преломившись на его верхней грани, проходит через полость 2 газовоздушной камеры, заполненной рудничным воздухом, после отражения призмами Π, П и четырехкратного прохождения полости 2 выходит из нее.
1
Оба луча света, выйдя из камеры, попадают на зеркало З и отраженные его верхней и нижней гранями сходятся в один световой пучок, который зеркалом З отклоняется под прямым углом и направляется в объектив ОБ.
Выйдя из объектива ОБ, пучок света проходит через щелевую диафрагму F с отсчетной шкалой Ш в окуляр ОК, через который наблюдается интерференционная картина. При этом интерферирующие лучи проходят через разные газовоздушные среды, в результате чего происходит смещение интерференционной картины относительно нулевой отметки шкалы. По величине смещения интерференционной картины, которая пропорциональна концентрации газа, производится определение процентного содержания метана или углекислого газа. Величину смещения определяют, используя цифровую обработку изображений.
На фиг. 1, б показан ход лучей при установке и проверке нулевого положения интерференционной картины (положение контроля). В этом случае свет от свтоизлучающего диода СИД проходит через конденсорную линзу К и параллельным пучком падает на зеркало З, где пучок света разделяется на два интерферирующих луча.
1
Оба луча света, отразившись от верхней и нижней граней зеркала, дважды проходят через полости 1 и 2 газовоздушной камеры в результате отражения катетными гранями призм Π и П.
1
Затем оба луча света попадают на зеркало З, отражаются его нижней и верхней гранями и сходятся в один световой пучок, который зеркалом З отклоняется под прямым углом и направляется в объектив ОБ. Верхняя линза объектива выполнена подвижной, что дает возможность перемешать интерференционную картину вдоль отсчетной шкалы и устанавливать ее в нулевое положение.
Выйдя из объектива ОБ, пучок света проходят через щелевую диафрагму F с отсчетной шкалой Ш и попадает в окуляр ОК. В этом случае на пути интерферирующих лучей находятся полости 1 и 2 газовоздушной камеры. Так как оптическая длина пути обоих интерферирующих лучей света одинакова, независимо от того, будет ли в газовой полости 2 газовоздушной камеры воздух или газ, интерференционная картина смещаться не будет, т.е. останется в исходном нулевом положении. Данное изображение используется в качестве эталонного для дальнейшей обработки цифровых изображений.
Поглотительный патрон 5 (фиг. 2) разделен на две части. Одна часть патрона заполняется химическим поглотителем известковым (ХПИ) для поглощения углекислого газа из газовой смеси, другая часть - гранулированным силикагелем марок КСК, КСМ для поглощения паров воды. Обе части поглотительного патрона имеют фильтры для улавливания пыли. Лабиринт 7 представляет собой катушку с намотанной на ней трубкой из полихлорвинила и предназначен для поддерживания воздушной линии прибора давления, равного атмосферному давлению, и сохранения чистого атмосферного воздуха. Штуцер 6 необходим для заполнении воздушной линии чистым атмосферным воздухом в начале эксплуатации устройства. Все газовоздушные соединения обеспечивают соединительные резиновые трубки 8. Направление движения атмосферного воздуха и измеряемого газа при засасывании их в устройство показано на фиг. 2 стрелками.
Рассмотрим работу устройства. Светоизлучающим диодом 9, формирующим световой поток в оптической схеме, управляет микроконтроллер 22 через блок управления светоизлучающим диодом 10. При определении метана измеряемый газ с помощью электрического насоса 18, включаемого микроконтроллером 22 через блок управления электрическим насосом 19, всасывается через открываемый микроконтроллером 22 электромагнитный клапан 11 при помощи блока управления электромагнитным клапаном 12 и попадает в отделение поглотительного патрона 5, заполненного химическим поглотителем известковым (ХПИ). Затем измеряемый газ, очищенный от углекислого газа, по соединительной трубке попадает в отделение поглотительного патрона, заполненное силикагелем. Далее измеряемый газ, очищенный от углекислого газа, паров воды и пыли, попадает в полость 2 газовоздушной камеры, откуда с помощью электрического насоса 18 выводится в атмосферу.
Если набранная в устройство измеряемая проба содержит метан, то интерференционная картина сместится вправо вдоль шкалы. При наблюдении в окуляр по смещенному положению полос интерференционной картины производится отсчет делений шкалы. Для автоматизации процесса наблюдения устройство содержит ПЗС-матрицу 15, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 16, DSP-процессор 17. ПЗС-матрица 15 фиксирует полученное изображение на окуляре (фиг. 3), затем происходит его оцифровка при помощи АЦП 16. DSP-процессор 17 выделяет из полученного изображения интерференционной картины одну строку и сохраняет ее в виде массива (матрицы) по каждому пикселю трех RGB цветовых составляющих. Затем происходит сравнение полученного массива той же строки изображения эталонного массива, которое получается смещением подвижной газовоздушной камеры (фиг. 1, б) при помощи соленоида перемещения 20 газовоздушной камеры в положение контроля (фиг. 2). Соленоид управляется микроконтроллером 22 через блок управления соленоидом 21. Момент совпадения интенсивности по всем пикселям для всех цветовых составляющих фиксируется DSP-процессором 17, и полученное среднее значение разности (смещения) характеризует концентрацию измеряемого газа. Микроконтроллер 22 вычисляет полученную концентрацию в процентах и далее результат выводится на цифровой индикатор 23, а также может быть передан через интерфейс соединения с внешними устройствами 24.
При определении процентного содержания углекислого газа измеряемый газ с помощью электрического насоса 18, включаемого микроконтроллером 22, через блок управления электрическим насосом 19 всасывается через открываемый микроконтроллером 22 электромагнитный клапан 13 при помощи блока управления электромагнитным клапаном 14 и попадает в отделение поглотительного патрона 5, заполненное силикагелем. Очищенный от влаги и пыли измеряемый газ попадает в полость 2 газовоздушной камеры, откуда с помощью электрического насоса 17 выводится в атмосферу.
ПЗС-матрица 15 фиксирует полученное изображение на окуляре (фиг. 3), затем происходит его оцифровка при помощи АЦП 16. DSP-процессор 17 выделяет из полученного изображения интерференционной картины одну строку и сохраняет ее в виде массива (матрицы) по каждому пикселю трех RGB цветовых составляющих. Затем происходит сравнение полученного массива той же строки изображения эталонного массива, которое получается смещением подвижной газовоздушной камеры (фиг. 1, б) при помощи соленоида перемещения 20 газовоздушной камеры в положение контроля (фиг. 2). Соленоид управляется микроконтроллером 22 через блок управления соленоидом 21. Момент совпадения интенсивности по всем пикселям для всех цветовых составляющих фиксируется DSP-процессором 17, и полученное среднее значение разности (смещения) характеризует концентрацию суммарного содержания в воздухе метана и углекислого газа. Далее микроконтроллер 22 вычисляет процентное содержание углекислого газа, вычитая из суммарного содержания газа процентное содержание метана, полученное на предыдущем этапе измерения, и выводит полученный результат на экран цифрового индикатора 23. Полученные результаты измерения могут быть переданы через интерфейс соединения с внешними устройствами 24.
Для измерения содержания других газов предусматривается градуировка шкалы, которая, по необходимости, настраивается на нужный газ путем загрузки градуировочного массива в память микроконтроллера 22.
Таким образом, применение оптико-электронного устройства для измерения концентрации газов обеспечивает следующие преимущества: повышение безопасности измерений, возможность осуществления непрерывного автоматизированного контроля, расширение области применения данного вида устройств за счет измерения содержания других газов, повышение точности, оперативности и достоверности измерений, дистанционное снятие результатов измерения.