ИНФРАКРАСНЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР

Заявляемая полезная модель относится к области аналитического приборостроения и может быть использована для непрерывного контроля состава атмосферы обитаемых замкнутых объектов.
Известен оптический газоанализатор для измерения соотношения компонентов в пробе газа с использованием поглощения инфракрасного излучения, включающий в себя источник излучения, секцию для приема пробы газа, фотоэлектрический приемник в виде пироэлектрического детектора для регистрации инфракрасного излучения, прошедшего через секцию, схему анализа сигналов детектора и несколько оптических фильтров, расположенных на вращаемом диске и последовательно вводимых на пути излучения с фиксированной частотой (патент DE 19628310, 1998 г.). Данное устройство принято за ближайший аналог.
Недостатком указанного устройства является необходимость непрерывного вращения колеса фильтров, т.к. за счет этого происходит модуляция инфракрасного излучения, обязательная при работе с чувствительными пироэлектрическими детекторами. В результате гарантированная безремонтная работа таких газоанализаторов обусловлена сроком службы элементов привода диска с фильтрами. В случае использования привода без трансмиссионного ремня срок службы составляет не более 10 тыс. часов, а в случае использования привода с трансмиссионным ремнем - не более 2 тыс. часов.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении срока службы инфракрасного газоанализатора.
Указанный технический результат достигается тем, что инфракрасный газоанализатор, включающий источник излучения, секцию для приема пробы газа, пироэлектрический приемник излучения и диск с оптическими фильтрами, вращаемый электродвигателем, дополнительно содержит редуктор для двигателя, оптопары и вычислительный элемент с блоком питания, при этом в качестве источника излучения использован малоинерционный излучатель, параметры модуляции которого задаются вычислительным элементом через блок питания, а в качестве оптических фильтров использованы измерительный и опорный фильтры.
Инфракрасный газоанализатор также может содержать датчик температуры.
Кроме того инфракрасный газоанализатор может содержать предварительный усилитель.
Также инфракрасный газоанализатор может содержать фокусирующую линзу.
Полезная модель иллюстрируется чертежом Фиг. 1, на котором изображена структурная схема инфракрасного газоанализатора.
Согласно Фиг. 1, инфракрасный газоанализатор включает источник 1 излучения, секцию 2 для приема пробы газа, пироэлектрический приемник 3 излучения и диск 4 с оптическими фильтрами, один из которых является измерительным фильтром 5, а второй опорным фильтром 6. В качестве источника 1 излучения использован малоинерционный излучатель, представляющий собой малоинерционный нагревательный элемент из электропроводящей алмазоподобной пленки, размещенной на поверхности тонкой диэлектрической мембраны. Низкая тепловая инерционность алмазоподобной пленки позволяет достигать необходимой частоты модуляции излучаемой энергии, за счет подачи импульсного питания напряжением постоянного тока 4-8 В с частотой подачи 5-10 Гц и скважностью 1,7-3,3. Параметры модуляции задаются вычислительным элементом 7 через блок питания 8. На секции 2 с помощью крепежных элементов, например, вспомогательных пластин и винтов, закреплены и жестко ориентированы относительно оси излучения источника 1 электродвигатель 9, редуктор 10, на валу которого установлен диск 4 с оптическими фильтрами 5 и 6, и пироэлектрический приемник 3. Электродвигатель 9 представляет собой четырехполюсный серводвигатель со скоростью вращения от 1800 до 14500 об/мин, током без нагрузки вала 0,07-0,15 А и напряжением питания 3-15 В. Редуктор 10 относится к планетарного типу с редукцией (246-592):1. Общий диапазон скорости вращения вала редуктора 3-59 об/мин. Диск 4, закрепленный на валу редуктора 10, предназначен для чередования относительно оси инфракрасного излучения измерительного фильтра 5 и опорного фильтра 6. Измерительный фильтр 5 пропускает излучение только той части инфракрасного спектра, где происходит поглощение излучения измеряемым газом. Опорный фильтр 6 пропускает излучение только той части спектра, которая не совпадает с частью спектра поглощения измеряемым газом. В диске 4 имеются два отверстия 11. По разные стороны диска 4 соосно двум отверстиям 11 расположены элементы двух оптопар - два фотодиода 12 и два светодиода 13. Пироэлектрический приемник 3 излучения характеризуется вольтовой чувствительностью не менее 4000 В/Вт и содержит чувствительный элемент, выполненный из органического пироэлектрика, например, ОП558Б. Сигналы с пироэлектрического приемника 3 поступают на вычислительный элемент 7, представляющий собой микроконтроллер, например, 1986 ВЕ92У. Питание всех элементов инфракрасного газоанализатора осуществляется от блока питания 8, содержащего два тороидальных трансформатора и подключенного к внешнему напряжению ~220 В. Блок питания 8 обеспечивает необходимое для функционирования каждого элемента напряжение постоянного тока: ±15, +12, +9, +27, +5 В.
Инфракрасный газоанализатор также может содержать датчик 14 температуры, выполненный на основе платинового чувствительного элемента, например, ЧЭПТ-1, с номинальным сопротивлением 50-500 Ом, зависящим от температуры окружающей среды, что позволяет обеспечивать точность газоанализатора.
Кроме того, инфракрасный газоанализатор может содержать предварительный усилитель 15, расположенный непосредственно после пироэлектрического приемника 3, для уменьшения помех сигналов, поступающих на вычислительный элемент 7.
Также инфракрасный газоанализатор может содержать фокусирующую линзу 16, расположенную перед пироэлектрическим приемником 3 для увеличения полезного сигнала, поступающего от него.
Заявляемый инфракрасный газоанализатор собирается в следующем порядке. Первоначально собираются отдельные узлы и блоки. С одного торца в секцию 2 устанавливают источник 1 излучения, а противоположный торец секции 2 герметизируют с помощью прозрачного для инфракрасного излучения материала, например, пластиной из фторида кальция. На диск 4 устанавливают оптические фильтры 5 и 6 и, при необходимости, фокусирующую линзу 16. Диск 4 закрепляют на валу редуктора 10 с помощью разъемного соединения, например, шлицевого соединения и гайки. Далее на секции 2 с помощью вспомогательных пластин и винтов закрепляют жестко ориентированные относительно оси излучения источника 1 электродвигатель 9, редуктор 10, с установленным на валу диском 4 с оптическими фильтрами 5 и 6, и пироэлектрический приемник 3. Затем устанавливают два светодиода 13 и два фотодиода 12 таким образом, чтобы положение отверстий 11 в диске 4, через которые работают светодиоды 13 и фотодиоды 12, было соотнесено с положением оптических фильтров 5 и 6 относительно оси модулированного инфракрасного излучения. После этого внутри корпуса газоанализатора монтируют вычислительный элемент 7, источник питания 8, датчик 14 температуры и, при необходимости, предварительный усилитель 15.
Инфракрасный газоанализатор работает следующим образом.
Анализируемый газ диффузионно или принудительно поступает во внутреннюю полость секции 2, где через него проходит модулированное инфракрасное излучение. По сигналам с двух оптопар идентифицируется положение диска 4, и происходит в нужный момент остановка электродвигателя 9. Вычислительный элемент 7 по сигналам с двух оптопар вначале осуществляет позиционирование диска 4 таким образом, что напротив пироэлектрического приемника 3 устанавливается опорный фильтр 6. Затем, по истечении времени работы в режиме контроля, вычислительный элемент 7 осуществляет позиционирование диска 4 таким образом, что напротив пироэлектрического приемника 3 устанавливается измерительный фильтр 5. Во время работы пироэлектрического приемника 3 в паре с измерительным фильтром 5 вычислительный элемент 7, с учетом текущих показаний с датчика 14 температуры, обеспечивает по заданному алгоритму корректировку показаний пироэлектрического приемника 3, полученных ранее при работе в паре с опорным фильтром 6, что необходимо в условиях работы газоанализатора при меняющейся температуре окружающей среды. После истечения времени работы в режиме измерения в вычислительном элементе 7 по отношению величин опорного и измерительного сигналов, с учетом показаний датчика 14 температуры, рассчитывается значение концентрации измеряемого газа.
Оптимальный для пары «малоинерционный излучатель - пироэлектрический приемник» режим модуляции задается вычислительным элементом 7 через блок питания 8 путем периодической подачи напряжения на источник 1 излучения. Это позволяет обеспечить такой режим эксплуатации электродвигателя 9 и редуктора 10, что продолжительность их работы составляет не более 0,5% относительно общего времени работы газоанализатора. Обусловлено это тем, что длительность перемещения фильтров 5 и 6, расположенных на диске 4, на 360° при скорости вращения вала редуктора 10 15-12 об/мин составляет 4÷5 с. Период непрерывной работы пироэлектрического приемника 3 в паре с измерительным фильтром 5 достигает 3600 с и более. Период непрерывной работы пироэлектрического приемника 3 в паре с опорным фильтром 6 не превышает 100 с. В этом случае, например, продолжительность работы редуктора 10 составит не более 0,13% от общего времени работы газоанализатора. Если принять, что срок службы газоанализатора ограничен сроком службы редуктора 10, то с учетом времени фактической работы редуктора 10 в составе газоанализатора и его ресурса 3 тыс. часов, срок службы газоанализатора составит не менее 2200 тыс. часов.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет повысить срок службы инфракрасного газоанализатора.