Способ определения изменения содержания вредоносных газов в воздухе
METHOD OF DETERMINING CHANGE IN CONTENT OF HARMFUL GASES IN AIR

Изобретение относится к области электрических измерений и может быть использовано для определения изменения содержания вредоносных газов в воздухе, которое необходимо при организации производств, предполагающих выброс вредных для здоровья человека газов и пыли.
Известны различные способы контроля состава газовой среды и содержания в ней различной пыли, влаги, паров, органических веществ (угольная пыль, древесная пыль, торф, пары растворителей) и др. компонентов, например: оптические, массово-весовые и ультразвуковые способы (см., например, Туричин A.M. Электрические измерения неэлектрических величин / A.M. Туричин, Б.Э. Аршанский, И.А. Зограф и др. / Под общей ред. П.В. Новицкого. - М.-Л.: Энергия, 1966. - 690 с). Перечисленные способы обладают рядом недостатков при использовании их в ограниченных, замкнутых пространствах, с периодически работающей вентиляцией, например в шахтах, тоннелях, закрытых помещениях. К недостаткам относятся: слабая защищённость датчиков от пыли, влаги, паров, длительное время измерения и возможность проведения только локального контроля газовой среды. Так, например, примеси газов и пыли в угольных шахтах неравномерно распределены по объёму, поэтому перечисленные датчики могут не обнаружить вовремя выброс подземных газов, либо превышение предельно допустимой концентрации пыли даже на расстоянии нескольких метров от датчика. Это негативно сказывается на состоянии здоровья людей, работающих в этих зонах или находящихся в непосредственной близости от них, а также может привести к взрыву пыли или газа. Это распространяется и на другие виды человеческой деятельности и производства с токсичной и вредной средой, а также на пожароопасные и взрывоопасные производства.
В отличие от перечисленных способов измерения, микроволновые фазометрические способы контроля состава газовой среды дают возможность осуществлять мониторинг состава газовой среды на протяжённых трассах и даже в больших объёмах пространства. Поэтому они представляют особый интерес при осуществлении мониторинга состава воздуха в замкнутых пространствах, в шахтах и тоннелях, для экологического мониторинга окружающего воздуха, а также изучении распространения микроволн в атмосферных каналах связи.
Наиболее близким по технической сути к предполагаемому изобретению является способ контроля изменений интегрального состава газовой среды (патент РФ № 2584970 опубл. в бюл. № 14, 2016).
По этому способу контроля изменений интегрального состава газовой среды генерируют непрерывные микроволновые колебания с частотой . После этого эти колебания подают на амплитудный модулятор, где их модулируют низкочастотными колебаниями с частотой . Далее модулированные по амплитуде микроволновые колебания с частотой  подают на микроволновую антенну первичного излучения и вторичного приема, с помощью которой первично излучают эти микроволновые колебания в направлении микроволновой антенны первичного приема и вторичного излучения. При этом первично принятые микроволновые колебания усиливают и подают одновременно на сигнальный вход управляемого микроволнового фазовращателя и на амплитудный детектор. Полученные после демодуляции низкочастотные колебания с частотой , подают на систему фазовой автоподстройки частоты, а сигнал с частотой , полученный путём деления частоты сигнала высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора управляемого напряжением, подают на управляющий вход управляемого микроволнового фазовращателя, в котором осуществляют сдвиг частоты микроволнового сигнала с частотой  на величину равную частоте . После чего трансформированные по частоте микроволновые колебания излучают при помощи микроволновой антенны первичного приема и вторичного излучения в направлении микроволновой антенны первичного излучения и вторичного приема. Далее микроволновые колебания с частотой  принимают и подают на первый вход смесителя, при этом на второй вход смесителя подают исходные микроволновые колебаниями с частотой . После гомодинного преобразования частоты в смесителе преобразованный низкочастотный сигнал с частотой  ограничивают по амплитуде в избирательном усилителе-ограничителе и подают на первый вход фазового детектора. На второй вход фазового детектора подают низкочастотный опорный сигнал с частотой , сформированный путём деления частоты высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора. Таким образом, на выходе фазового детектора получают сигнал пропорциональный набегу фазы микроволнового сигнала, при его двукратном прохождении измерительной трассы, по изменению которого контролируют изменения интегрального состава газовой среды.
Однако приведенный способ контроля изменений интегрального состава газовой среды не учитывает влагосодержание и температуру исследуемой среды, что не позволяет достичь высокой точности измерений при попытке анализировать изменение содержания вредоносных газов. Такой способ применим для контроля изменений интегрального состава воздуха в шахтах, где влажность воздуха и температура практически постоянны круглые сутки и круглый год. Надо понимать, что изменение содержания паров воды существенно влияют на электродинамические свойства смеси, так как диэлектрическая проницаемость воды много больше диэлектрической проницаемости воздуха в целом и отдельных газов в частности. Таким образом, изменение влагосодержания влияет в большей степени на изменение интегральной диэлектрической проницаемости среды, чем изменение содержания в ней других газов. В результате чего не представляется возможным точно определить изменение содержания вредоносных газов в окружающем воздухе.
<mrow><msub><mi>f</mi><mtext>1</mtext></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>F</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>F</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>F</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mtext>1</mtext></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>F</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>F</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
В основу изобретения поставлена задача повышения точности определения изменения содержания вредоносных газов в воздухе. Поставленная цель достигается путём того, что по способу определения изменения содержания вредоносных газов в воздухе, включающий генерирование непрерывных микроволновых колебаний с частотой , модулирование этих колебаний по амплитуде низкочастотным сигналом с частотой , полученной от кварцевого опорного генератора путем деления его частоты на коэффициент , первичное излучение этих микроволновых модулированных колебаний, первичный прием модулированных микроволновых колебаний, фильтрацию модулированных микроволновых колебаний, усиление модулированных микроволновых колебаний, амплитудное детектирование этих микроволновых колебаний и получение низкочастотного сигнала с частотой , фазовую автоподстройку частоты кварцевого опорного генератора управляемого напряжением путем сравнения частоты и фазы полученного низкочастотного сигнала с частотой  с частотой и фазой сигнала, полученного от кварцевого опорного генератора управляемого напряжением путем деления его частоты на коэффициент , управление сдвигом фазы модулированных микроволновых колебаний частотой  сигналом частотой , полученным от кварцевого опорного генератора управляемого напряжением путем деления его частоты на коэффициент , вторичное излучение трансформированных по частоте и фазе модулированных микроволновых колебаний частотой , вторичный прием трансформированных по частоте и фазе модулированных микроволновых колебаний, перемножение вторично принятых трансформированных по частоте и фазе модулированных микроволновых колебаний с частотой  и исходных немодулированных микроволновых колебаний частотой , выделение после гомодинного преобразования в смесителе низкочастотного сигнала с частотой , ограничение по амплитуде этого низкочастотного сигнала с частотой , измерение разности фаз между полученным низкочастотным сигналом с частотой  и опорным низкочастотным сигналом с частотой , полученным от кварцевого опорного генератора путем деления его частоты на коэффициент , получение на выходе фазового детектора сигнала, пропорционального набегу фазы микроволнового сигнала при его двукратном прохождении измерительной трассы, отличающийся тем, что полученный с выхода фазового детектора сигнал подают на первый вход решающего блока, на второй вход которого подают сигнал, пропорциональный влажности контролируемого воздуха, который получают с помощью измерителя влажности воздуха, при этом на третий вход решающего блока подают сигнал, пропорциональный температуре контролируемого воздуха, который получают с помощью измерителя температуры воздуха, после чего в решающем блоке производят вычитание из сигнала, полученного на выходе фазового детектора, значение сигнала, полученного на выходе измерителя влажности воздуха с учетом некоторого приведенного коэффициента, значение которого, в свою очередь, определяют по сигналу, который получают на выходе измерителя температуры воздуха, после чего на выходе решающего блока получают сигнал, пропорциональный изменению содержания вредоносных газов в воздухе, и этот сигнал не зависит от влажности контролируемого воздуха и его температуры.
Сравнение предлагаемого способа с уже известными способами и прототипом показывает, что заявляемый способ выявляет новые технические свойства, которые заключаются в возможности осуществлять мониторинг содержания вредоносных газов в воздухе на протяжённых трассах и в больших объёмах пространства с учётом возможного изменения влажности и температуры воздуха, что позволяет повысить точность определения изменений содержания вредоносных газов в воздухе. Эти свойства предполагаемого изобретения особенно важны для применения в угольных шахтах, на производствах с токсичными и вредными выбросами, а также на пожароопасных и взрывоопасных производствах, где пыль, пары и газы неравномерно распределены по объёму рабочего пространства.
Эти свойства предлагаемого изобретения являются новыми, потому что в способе-прототипе имеются недостатки, которые заключаются в отсутствии определения содержания паров воды в воздухе и его температуры. Эти недостатки обуславливают определение изменения содержания вредоносных газов в воздухе с низкой точностью.
По заявляемому способу после всех преобразований сигнал с выхода фазового детектора подают на первый вход решающего блока, на второй вход которого подают сигнал, пропорциональный влажности воздуха, а на третий вход решающего блока подают сигнал пропорциональный температуре воздуха. После этого на выходе решающего блока получают сигнал пропорциональный изменению диэлектрической проницаемости исследуемой газовой среды без учета изменения содержания влаги в воздухе, а, следовательно, получаемый на выходе решающего блока сигнал пропорционален исключительно изменению содержания в воздухе вредоносных газов.
Указанный способ определения изменения содержания вредоносных газов в воздухе можно реализовать с помощью устройства, приведенного на Фиг. 1.
Устройство для определения изменения содержания вредоносных газов в воздухе содержит генератор микроволновых колебаний 1, кварцевый опорный генератор 2, амплитудный модулятор 3, делители частоты 4, 5, 19 и 20, микроволновые Y-циркуляторы 6 и 12, микроволновую антенну первичного излучения и вторичного приема 7, смеситель 8, избирательный усилитель-ограничитель 9, фазовый детектор 10, микроволновую антенну первичного приема и вторичного излучения 11, полосно-пропускающий фильтр 13, микроволновый усилитель 14, управляемый микроволновый фазовращатель 15, амплитудный детектор 16, частотно-фазовый детектор 17, кварцевый опорный генератор управляемый напряжением 18, решающий блок 22, измеритель влажности воздуха 21, измеритель температуры воздуха 23.
Выход кварцевого опорного генератора 2 соединён с входами делителей частоты 4 и 5, причём выход делителя частоты 4 соединён с модуляционным входом амплитудного модулятора 3, микроволновый вход которого соединён с выходом генератора микроволновых колебаний 1, при этом выход амплитудного модулятора 3 соединён с первым выводом микроволнового Y- циркулятора 6, второй вывод которого соединён с микроволновой антенной первичного излучения и вторичного приема 7, а третий вывод микроволнового Y-циркулятора 6 соединён с первым входом смесителя 8, второй вход которого соединён с выходом генератора микроволновых колебаний 1, при этом выход смесителя 8 соединён с входом избирательного усилителя-ограничителя 9, выход которого соединён с первым входом фазового детектора 10, второй вход которого соединён с выходом делителя частоты 5, при этом выход фазового детектора 10 соединён с первым входом решающего блока 22, второй вход которого соединён с выходом измерителя влажности воздуха 21, при этом третий вход решающего блока 22 соединён с выходом измерителя температуры воздуха 23; при этом выход микроволновой антенны первичного приема и вторичного излучения 11 соединён с первым выводом микроволнового Y-циркулятора 12, второй вывод которого соединён с входом полосно-пропускающего фильтра 13, выход которого соединён с входом микроволнового усилителя 14, выход которого соединён с сигнальным входом управляемого микроволнового фазовращателя 15, а также с входом амплитудного детектора 16, выход которого соединён с первым входом частотно-фазового детектора 17, второй вход которого соединён с выходом делителя частоты 19, при этом выход частотно-фазового детектора 17 соединён с входом управления кварцевого опорного генератора управляемого напряжением 18, выход которого соединён со входами делителей частоты 19 и 20, при этом выход делителя частоты 20 соединён с управляющим входом управляемого микроволнового фазовращателя 15, выход которого соединён с третьим выводом микроволнового Y-циркулятора 12.
Работает устройство, реализующее способ определения изменения содержания вредоносных газов в воздухе, следующим образом.
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>φ</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
Микроволновые колебания с начальной амплитудой , частотой  и начальной фазой , описываемые следующим выражением
,   (1)
<mrow><msub><mi>F</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
с выхода генератора микроволновых колебаний 1 подают на микроволновый вход амплитудного модулятора 3. При этом на модуляционный вход амплитудного модулятора подают низкочастотный синхронизирующий сигнал с частотой , сформированный путём деления частоты сигнала кварцевого опорного генератора 2
,   (2)
<mi>n</mi>
где  — частота сигнала кварцевого опорного генератора 2;  — коэффициент деления делителя частоты 4;  — амплитуда синхронизирующего сигнала;  — начальная фаза сигнала кварцевого опорного генератора 2.
В результате модулированные по амплитуде микроволновые колебания можно описать при помощи следующего выражения:
,   (3)
где  — коэффициент амплитудной модуляции сигналом амплитудой .
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>φ</mi></mrow>
Модулированный по амплитуде микроволновый сигнал с частотой  через микроволновый Y-циркулятор 6 подают на микроволновую антенну первичного излучения и вторичного приема 7, которая первично излучает эти микроволновые колебания в направлении микроволновой антенны первичного приема и вторичного излучения 11. При этом микроволновый сигнал приобретает набег фазы  равный
,   (4)
<mi>ε</mi>
<mi>c</mi>
где  — длина измерительной трассы,  — относительная диэлектрическая проницаемость исследуемой газовой среды (воздуха),  — скорость света в вакууме.
Таким образом, первично принятые микроволновые колебания имеют вид:
,   (5)
где  — амплитуда принятых микроволновых колебаний.
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
Далее принятые микроволновые колебания через микроволновый Y-циркулятор 12 подают на вход полосно-пропускающего фильтра 13, настроенного на частоту , а потом с выхода полосно-пропускающего фильтра 13 на вход микроволнового усилителя 14. Усиленные микроволновые колебания с частотой  демодулируют при помощи амплитудного детектора 16. Полученный таким образом низкочастотный сигнал имеет вид
,   (6)
в точности повторяющий по частоте и фазе сигнал (2), где значение амплитуды сигнала  непринципиально.
<mi>n</mi>
Этот сигнал с частотой  подают на систему фазовой автоподстройки частоты, состоящую из частотно-фазового детектора 17, кварцевого опорного генератора управляемого напряжением 18 и делителя частоты 19. При этом предполагают, что частота  кварцевого опорного генератора управляемого напряжением 18 равна частоте кварцевого опорного генератора 2, а коэффициенты деления частоты  делителей частоты 4 и 19 равны.
<mrow><msub><mi>F</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
Далее получают низкочастотный опорный сигнал с частотой , которую получают путём деления частоты сигнала кварцевого опорного генератора управляемого напряжением 18 при помощи делителя частоты 20. Этот сигнал описывается выражением
,   (7)
<mi>m</mi>
где  — коэффициент деления делителя частоты 20,  — амплитуда опорного сигнала.
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow>
Этот сигнал подают на управляющий вход управляемого микроволнового фазовращателя 15, на сигнальный вход которого подают усиленные микроволновые колебания с частотой  с выхода микроволнового усилителя 14. В управляемом микроволновом фазовращателе 15 в микроволновые колебания с частотой  вносят периодический монотонно нарастающий от 0 до  (или убывающий) фазовый сдвиг, с периодом равным . При этом можно говорить о сдвиге спектра микроволновых колебаний на так называемую частоту Доплера .
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
Таким образом, осуществляют сдвиг частоты микроволнового сигнала с частотой  на величину равную частоте  в ту ли другую сторону, в зависимости от монотонного нарастания или монотонного убывания вносимого фазового сдвига. Трансформированный по частоте микроволновый сигнал, с частотой  имеет следующий вид
,   (8)
где  — амплитуда микроволнового сигнала с учетом усиления в микроволновом усилителе 14 и ослабления в полосно-пропускающем фильтре 13 и управляемом фазовращателе 15.
Этот сигнал через микроволновый Y-циркулятор 12 подают на микроволновую антенну первичного приема и вторичного излучения 11, которая вторично излучает эти микроволновые колебания в направлении микроволновой антенны первичного излучения и вторичного приема 7. При этом микроволновый сигнал приобретает набег фазы равный
.
<mrow><msub><mi>F</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
Так как частота  низкочастотного опорного сигнала много меньше частоты  микроволнового измерительного сигнала, то .
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
Следовательно, набег фазы микроволнового сигнала с частотой  приближённо равен
.
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
Далее принятые микроволновые колебания через микроволновый Y-циркулятор 6 подают на смеситель 8, куда также подают исходные микроволновые колебания с частотой . В смесителе осуществляют гомодинное преобразование частоты. Преобразованный по частоте низкочастотный сигнал описывается следующим выражением
,   (9)
где  — амплитуда низкочастотного сигнала на выходе смесителя.
Этот сигнал усиливают и ограничивают по амплитуде в избирательном усилителе-ограничителе 9 после чего он принимает вид
,   (10)
где  — амплитуда усиленного и ограниченного низкочастотного сигнала.
<mrow><msub><mi>F</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
Этот сигнал подают на вход фазового детектора 10, на опорный вход которого подаётся опорный сигнал с частотой , полученной путём деления частоты  кварцевого опорного генератора 2, сигнал которого описывается следующим выражением:
,   (11)
<mi>m</mi>
где  — коэффициент деления делителя частоты 5.
Таким образом, на выходе фазового детектора 10 получают сигнал пропорциональный разности аргументов сигналов (10) и (11)
,   (12)
где  — коэффициент преобразования фазового детектора 10. При этом сигнал на выходе фазового детектора 10 пропорционален исключительно набегу фазы микроволнового сигнала при его двукратном прохождении измерительной трассы.
<mi>ε</mi>
Зная длину измерительной трассы , контролируют изменения интегральной относительной диэлектрической проницаемости  исследуемой газовой среды.
Однако этот сигнал пропорционален изменению не только содержания в воздухе вредоносных газов, но и влажности воздуха, которая связана с его температурой. Поэтому далее сигнал с выхода фазового детектора 10 подают на первый вход решающего блока 22, на второй вход которого подают сигнал, пропорциональный влажности воздуха. Этот сигнал получают с выхода измерителя влажности воздуха 21. Одновременно на третий вход решающего блока 22 подают сигнал, пропорциональный изменению температуры воздуха, который получают на выходе измерителя температуры воздуха.
В решающем блоке 22 производят вычитание из сигнала, описываемого выражением 12 значение сигнала с выхода измерителя влажности воздуха 21 с учетом некоторого приведенного коэффициента, значение которого, в свою очередь, определяют по сигналу, снимаемому с выхода измерителя температуры воздуха 23. После чего на выходе решающего блока 22 получают сигнал, пропорциональный изменению содержания вредоносных газов в воздухе, и этот сигнал не зависит от влажности контролируемого воздуха и его температуры.
Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с созданием системы, которая дает возможность анализировать свойства среды распространения микроволн по результатам измерений флуктуаций набега фазы микроволновых колебаний. Преимущество данного измерителя, по сравнению с прототипом, заключается в возможности определения изменений содержания в воздухе исключительно посторонних газов и примесей, которые по определению являются вредоносными для человека. При этом проводимые измерения оказываются нечувствительными к изменению содержания паров воды в среде распространения с учетом её температуры. При этом значения влажности и температуры воздуха получают отдельно с помощью известных измерителей влажности и температуры, что позволяет получить точные данные об изменении содержания вредоносных газов в воздухе без погрешности, вызванной изменениями влагосодержания и температуры среды.
Преимущество данного измерителя, по сравнению с другими способами измерения заключается в малом времени и высокой точности измерений и возможности проведения контроля изменений содержания вредоносных газов в воздухе на протяжённых трассах и в больших объёмах рабочих пространств. Эти свойства предполагаемого изобретения особенно важны для применения в угольных шахтах, на производствах с токсичной и вредной средой, а также на пожароопасных и взрывоопасных производствах, где газы, пыль и пары неравномерно распределены по объёму рабочего пространства. Кроме того части данного измерителя могут быть реализованы в компактном исполнении, небольшого веса, с малым энергопотреблением.
Другой аспект повышения эффективности применения предполагаемого изобретения связан с возможностью его использования в составе аналитическо-измерительных комплексов непрерывного контроля параметров атмосферы в замкнутых пространствах, в шахтах и тоннелях, а также в системах непрерывного экологического мониторинга, метеорологии и системах автоматического управления технологическими процессами.