ИНФРАКРАСНЫЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МОЛЕКУЛ ТОКСИЧНЫХ ГАЗОВ В ВОЗДУШНОМ ПОТОКЕ
INFRARED DETECTOR FOR MEASUREMENT OF CONCENTRATION OF MOLECULES OF TOXIC GASES IN AIR FLOW

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к количественному газовому анализу токсичных веществ по инфракрасным спектрам поглощения.
Из предшествующих приборов газового анализа известен «Газоанализатор» патент РФ №2035038 G01N 21/61 для контроля выбросов промышленных предприятий в атмосферу и определения концентраций токсичных газов, присутствующих в выхлопах двигателей внутреннего сгорания. Конструкция устройства включает в себя источник инфракрасного излучения, кювету с рабочей и опорными камерами, обтюратор, оптический фильтр с фокусирующей системой, приемник инфракрасного излучения и ряд усилителей и регуляторов, подключенных к аналого-запоминающему устройству и индикатору.
Недостатком известного газоанализатора является низкая надежность работы из-за введения в его конструкцию двух камер (опорной и рабочей), оптического фильтра с фокусирующей системой, что делает его сложным в эксплуатации, а также усложняет процесс его юстировки. Конструктивное выполнение оптического канала с последовательным расположением элементов в одну длинную цепочку увеличивает габаритные размеры прибора, что делает прибор малопригодным, например, для использования в дыхательной арматуре емкостей хранения, а также делает его зависимым от таких факторов, как изменение температуры, давления, влажности и вибрации.
Известен прибор для измерения концентрации горючих и токсичных газов «Инфракрасный абсорбционный газоанализатор» патент РФ №2292039 G01N 21/61. 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 миниЭВМ.
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.
Задачей изобретения является создание инфракрасного детектора для измерения концентрации токсичных газов в местах возможных выбросов газовой смеси, который может быть установлен непосредственно в месте источника выброса.
Техническим результатом является повышение точности измерения концентрации токсичных газов и надежности работы прибора за счет исключения механических подвижных частей устройства, применения синхронного детектирования для исключения влияния шумов и несинхронных помех, использования одной измерительной камеры, исключения влияния вибрации на процесс измерения детектором, исключения влияния загрязненности оптических деталей. Также использование опорного канала позволяет исключить нестабильность излучения светодиода. За счет вышеперечисленных признаков прибор имеет небольшие массогабаритные показатели.
Технический результат достигается созданием инфракрасного детектора для измерения концентрации молекул токсичных газов в воздушном потоке, содержащего светодиод, оптически связанного с измерительным и через поворотное зеркало с опорным каналами, каждый из которых состоит из последовательно распложенных фотодиода, дифференциального усилителя и синхронного детектора, вычитающего устройства, масштабного усилителя, делителя сигналов, регистрирующего устройства, масштабного усилителя, тактового генератора и усилителя мощности, причем выход синхронного детектора измерительного канала последовательно соединен с входом вычитающего устройства, масштабным усилителем, делителем сигналов и регистрирующим устройством, а выход синхронного детектора опорного канала последовательно соединен с входом вычитающего устройства и параллельно соединен через масштабный усилитель с входом делителя сигналов и регистрирующим устройством, кроме того тактовый генератор соединен с синхронными детекторами измерительного и опорного каналов и через блок усилителя мощности со светодиодом.
Конструктивные особенности инфракрасного детектора позволяют использовать его, например, в узких участках газохода, дыхательной арматуре. Двухлучевая схема детектора реализована в одном измерительном объеме и имеет компактные габаритные показатели за счет минимального расстояния от излучателя до фотодиода опорного канала. Этот фотодиод расположен перпендикулярно к геометрической оси излучателя, также под заданным углом расположено поворотное зеркало на продолжении геометрической оси - фотодиода опорного канала. За счет такого расположения светодиода и фотодиода опорного канала возможно исключение влияния на измеряемый сигнал вибрации, загрязненности поверхности оптических деталей.
На фиг.1 приведена принципиальная схема ИК детектора.
Структурная схема устройства состоит из следующих частей: светодиод 1,фотодиод измерительного канала 2, дифференциальный усилитель измерительного канала 3, синхронный детектор измерительного канала 4, вычитающее устройство 5, масштабный усилитель измерительного канала 6, делитель сигнала 7, фотодиод опорного канала 8, дифференциальный усилитель опорного канала 9, синхронный детектор опорного канала 10, масштабный усилитель опорного канала 11, генератор 12, блок усилителя мощности светодиода 13, поворотное зеркало 14, регистрирующее устройство 15.
Детектор работает следующим образом. Излучение от светодиода 1 проходит через анализируемый токсичный газ и попадает на фотодиод измерительного канала 2 и, отражаясь от поворотного зеркала 14, на фотодиод опорного канала 8. В блок фотодиодов входит дифференциальный усилитель 3,9 и синхронный детектор измерительного и опорного каналов 4, 10 соответственно. Сигнал от светодиода 1 и фотоприемника измерительного канала 2 приходит на вычитающее устройство 5, масштабный усилитель измерительного канала 6 и на делитель сигнала 7. Сигнал от фотодиода опорного канала приходит на масштабный усилитель 11 и на делитель 7. Выход делителя 7 соединен с входом регистрирующего устройства 15, которое может быть соединено с персональным компьютером или другим портативным устройством для вывода конечных данных. Генератор 12 задает частоту модуляции светодиода 1 и управляет работой синхронных детекторов 10 и 4. 13 - усилитель мощности светодиода.
Опорный фотодиод 8 необходим в данной схеме для измерения полезного сигнала, который есть разница между опорным и измеряемым сигналами, а также для обеспечения требуемой точности измерения путем исключения зависимости измерения от внешних воздействий, вибрации, загрязнения поверхности оптических деталей. Дифференциальные усилители 3 и 9 усиливают сигналы, идущие от опорного и измерительного фотодиодов, и устраняют синфазные помехи.
Синхронные детекторы 4 и 10 вычитают из полезного сигнала все шумы и несинхронные помехи.
Показание сигнала измерения снимается на выходе устройства деления сигналов 7, которое затем передается на регистрирующее устройство 15, в качестве которого может быть использован микропроцессор или компьютер для расчета концентрации.
При предложенной реализации детектора выходное напряжение не зависит от вибрации, загрязнения оптических деталей и внешних воздействий. Простота конструкции и юстировки оптических элементов, а также небольшие массогабаритные показатели позволяют использовать прибор в местах возможных выбросов токсичных газов и измерении их концентрации в воздушном потоке (например, газоходы, дыхательная арматура). Использование модулированного излучения позволяет уменьшить колебания интенсивности светодиода.