ШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ 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.
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, что приводит к нестабильности показаний измерителя.
Также известен оптический измеритель концентрации озона, состоящий из ультрафиолетовой лампы, кюветы, измерительного и опорного фотоприемников, распределителя потока, микропроцессорного блока управления и дисплея, на котором показываются результаты измерений (патент РФ №60726 от 26.07.2006).
В этом измерителе для устранения влияния временной и пространственной нестабильности горения ультрафиолетовой лампы вводится специальный
распределитель ультрафиолетового потока. Благодаря данной конструкции удается добиться высокой точности и стабильности работы измерителя концентрации озона.
Однако иногда возникает задача измерения концентрации озона в широком диапазоне. В частности, при использовании медицинских озонаторов необходимо измерять концентрацию озона в диапазоне 0,2...100 мг/л. Применение измерителя с одной кюветой для такого широкого диапазона проблематично. При оптимуме измерений в одном диапазоне полезный сигнал на выходе измерительного фотоприемника в другом диапазоне становится слишком малым и соизмеримым с помехами и флуктуациями сигнала, вследствие чего проведение измерений становится проблематичным. Ситуация становится еще хуже в связи с нелинейностью измерительного тракта. Так при испытаниях измерителя в диапазоне концентраций озона 1...10 мг/л (т.е. при изменении концентрации в 10 раз) полезный сигнал изменялся приблизительно в 60 раз, т.е. потребовался существенно больший диапазон полезного сигнала.
Для измерений в широком диапазоне можно использовать несколько приборов, рассчитанных для работы каждый в своем диапазоне, но это связано с большими габаритными размерами и финансовыми затратами.
Техническая задача заключается в обеспечении точной и стабильной работы измерителя при измерении в широком диапазоне значений концентрации озона.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в измеритель концентрации озона, состоящий из ультрафиолетовой лампы, кюветы с распределителем потока, измерительного и опорного фотоприемников, микропроцессорного блока управления и индикатора введены дополнительно одна или несколько кювет разной длины с распределителями потока и измерительными и опорными фотоприемниками, подключенными к входам усилителей, выходы которых соединены с аналогово-цифровым преобразователем, встроенным в микроконтроллер микропроцессорного блока управления.
На фиг.1 приведена схема предлагаемого широкодиапазонного измерителя концентрации озона с двумя кюветами.
Широкодиапазонный измеритель концентрации озона состоит из газоразрядной ультрафиолетовой лампы 1, кювет разной длины с распределителями потока 2 и 3, фотоприемников измерительных каналов 4 и 5, фотоприемников опорных каналов 6 и 7, микропроцессорного блока управления 8 и индикатора 9. Фотоприемники подключены к входам усилителей 10. Выходы усилителей 10 соединены с входами аналогово-цифрового преобразователя (не показан), встроенного в микроконтроллер
11 микропроцессорного блока управления. К микроконтроллеру 11 микропроцессорного блока управления подключен индикатор 9.
Усилители 10 предназначены для усиления аналоговых сигналов до уровня, оптимального для работы аналогово-цифрового преобразователя.
Все кюветы имеют разную длину. Длина каждой кюветы выбирается оптимальной для работы в каком-то одном узком диапазоне концентраций озона. Для небольших концентраций озона кювета должна быть длинной, для больших концентраций - короткой. Диапазоны концентраций озона, в которых работают кюветы, выбираются так, чтобы обеспечивалось небольшое перекрытие. Например, одна кювета перекрывает диапазон 0,8...12 мг/л, вторая - 8...100 мг/л.
Для упрощения конструкции кюветы разной длины могут быть выполнены в виде одного конструктивного блока.
Работает измеритель концентрации озона следующим образом.
При работе ультрафиолетовой лампы 1 излучение поступает на все фотоприемники. При прохождении озоно-кислородной смеси через кюветы происходит ослабление сигналов измерительных фотоприемников 4 и 5. Сигналы с фотоприемников после усилителей 10 поступают на входы аналогово-цифрового преобразователя, встроенного в микроконтроллер 11 микропроцессорного блока управления.
Микроконтроллер 11 начинает анализ сигналов с самой длинной кюветы 3, рассчитанной на малые концентрации. Если сигналы с фотоприемников 5 и 7 соответствуют диапазону работы этой кюветы, то микроконтроллер 11 рассчитывает концентрацию озона и выводит результаты на индикатор 9. Если сигналы с фотоприемников 5 и 7 превышают диапазон работы данной кюветы, то микроконтроллер 11 приступает к обработке сигналов с фотоприемников 4 и 6 следующей более короткой кюветы 2, рассчитанной на большие концентрации озона. Анализируя таким образом сигналы с фотоприемников 4, 5, 6 и 7, микроконтроллер 11 в конечном итоге выбирает оптимальную для данной концентрации озона кювету, рассчитывает концентрацию озона и выводит ее на индикатор 9.
Таким образом, для измерения каждого значения концентрации выбирается оптимальная кювета, вследствие чего обеспечиваются точные и стабильные измерения. А благодаря применению нескольких кювет разной длины обеспечиваются измерения в широком диапазоне концентраций.
В соответствии с предлагаемым техническим решением на ОАО «Лепсе» был изготовлен и испытан опытный образец широкодиапазонного измерителя
концентрации озона. В нем использовалась две кюветы длиной 2 мм и 20 мм. Кювета 2 мм предназначена для диапазона 10...100 мг/л, кювета 20 мм предназначена для диапазона 1...10 мг/л. Показания опытного образца измерителя сопоставлялись с эталонным измерителем «Циклон 5.11». Результаты испытаний представлены в таблице №1.
Таблица №1
Измеритель концентрации озона
Концентрация озона, мг/л
Циклон 5.11
0,7
0,9
1,4
2,0
2,9
4,0
6,1
7,7
Опыт. образец
0,79
0,96
1,48
2,11
3,0
4,0
6,13
7,9
Погрешность δ, %
+12,8
+6,7
+5,7
+5,5
+3,4
0
+0,5
2,6
Циклон 5.11
9,4
14,9
20,6
29,9
52,1
73,8
86,5
Опыт. образец
9,7
15,7
20,6
30,9
53,6
75,5
89,0
Погрешность 5, %
+3,2
+5,4
0
+3,4
+2,9
+2,3
+2,9
Здесь введено обозначение: 5 - отклонение результата измерения от показаний эталонного измерителя «Циклон 5.11» в процентах.
Результаты испытаний показали хорошее согласование показаний опытного образца измерителя концентрации озона с эталонным измерителем. Погрешность измерений в диапазоне 1...100 мг/л не превышала 7%. 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 5.11». Так, например, при измерении концентрации 1,0 мг/л только ошибка единицы младшего значащего разряда эталонного измерителя дает погрешность 10%.
Время прогрева предлагаемого измерителя оказалось небольшим - 5 минут. Это является существенным плюсом предлагаемого измерителя, т.к. в известных измерителях, например, «Циклон 5-11» время прогрева достигает значения около одного часа.
Таким образом, результаты испытаний показали высокую точность и стабильность предлагаемого измерителя при работе в широком диапазоне концентраций озона. Поставленная техническая задача решена.