ДАТЧИК ДЛЯ ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА МИКРОКОНЦЕНТРАЦИЙ КИСЛОРОДА В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ

Настоящая полезная модель относится к измерительным системам для измерения микросодержания кислорода в газовой среде, в частности для определения количества кислорода в природном газе магистральном.
Задача измерения содержания кислорода актуальна для многих сфер деятельности: медицинские и биологические исследования, мониторинг окружающей среды, управление технологическими процессами и пр. В частности, газовая и газоперерабатывающая промышленность нуждается в средствах измерений, обеспечивающих определение микросодержаний кислорода (под микросодержанием мы понимаем молярную долю кислорода в анализируемом газе менее 10 ppm) в природном газе магистральном.
Анализ содержания кислорода в природном газе магистральном сопровождается рядом условий и ограничений. Измерения должны выполняться во взрывоопасной зоне (класс 0 в соответствии с СП 42 3.1325800.2018 «Электроустановки низковольтные зданий и сооружений. Правила проектирования во взрывоопасных зонах»), а также в газовой среде, находящейся под давлением, соответствующем диапазону рабочих давлений магистральных трубопроводов природного газа.
0,9
Для обеспечения измерений датчик кислорода должен конструктивно отвечать всем требованиям к рабочим условиям, перечисленных выше. Такой датчик может быть основан на принципе люминесценции, так как люминесцентные датчики позволяют достигнуть высокой степени точности измерения, сохраняют работоспособность в широком диапазоне температур и давлений, а также обладают малой инерционностью в сравнении с электрохимическими датчиками (параметр Т для последних может составлять десятки минут).
Известен ряд технических решений, позволяющих осуществлять измерение содержания кислорода в газовой среде с использованием люминесцентных датчиков кислорода, таких как RU 135140 U1 от 04.09.2012 и RU 2313778 С1 от 22.05.2006. Последнее было взято в качестве прототипа для полезной модели.
Из патентного документа RU 135140 U1 известна конструкция устройства для измерения концентрации кислорода в газовой среде, содержащая источник ультрафиолетового излучения, поверхность с кислороде чувствительным люминесцентом, фотоприемник, вычислительный блок и, по крайней мере, две оптические системы, предложено, согласно настоящей полезной модели, ввести измерительную камеру, имеющую вход и выход, при этом фотоприемник связать с усилителем фототока и фазовым детектором, первую оптическую систему установить между источником ультрафиолетового излучения, в качестве которого использовать лазер, и входом измерительной камеры, вторую оптическую систему установить между поверхностью с кислороде чувствительным люминесцентом и фотоприемником, поверхность с кислородочувствительным люминесцентом связать с выходом измерительной камеры, а введенный модулятор ультрафиолетового излучения связать с лазером.
Недостатками данной конструкции являются сложная оптическая система, а также отсутствие возможности использовать представленное решение во взрывоопасной зоне и в диапазоне рабочих давлений магистральных трубопроводов природного газа.
Из патентного документа RU 2313778 С1 известна конструкция кислородного люминесцирующего сенсора, выполненная в виде таблетки из адсорбатов кремнезема, в которую введен люминесцирующий активатор (люминофор), в качестве которого используют краситель трипафлавин, который имеет высокий квантовый выход люминесценции. Таблетка имеет толщину до 1 мм (что много больше, чем толщина носителя в 10 микрон как в прототипе), что позволяет использовать значительно большее количество люминофора. Измерение амплитуды люминесценции в разные интервалы времени позволяет нейтрализовать внешние дестабилизирующие факторы (например, изменение характеристик импульсного источника излучения, шумы электронного устройства), позволяет определять изменение интенсивности люминесценции и время ее затухания, а через эти параметры определить концентрацию кислорода. Все это увеличивает величину оптического сигнала люминесценции, значительно улучшает соотношение сигнал/шум, повышает чувствительность к малым концентрациям кислорода. Определение изменения интенсивности люминесценции и время ее затухания опирается на относительные значения интенсивности люминесценции, что позволяет повысить стабильность измерений.
Недостатками данной конструкции являются отсутствие возможности использовать данное техническое решение во взрывоопасной зоне.
Технической задачей заявляемой полезной модели является создание люминесцентного датчика микросодержания кислорода способного осуществлять измерения во взрывоопасной зоне, в диапазоне рабочих давлений магистральных трубопроводов природного газа.
Техническая задача настоящей полезной модели решается благодаря тому, что датчик для экспресс-анализа микроконцентраций кислорода в газовой среде состоит из чувствительного элемента и электронно-оптического блока; чувствительный элемент включает в себя защитную оболочку, внутренний объем которой залит полимерным герметизирующим составом, как минимум, одну волоконно-оптическую линию связи, предназначенную для передачи возбуждающего излучения от электронно-оптического блока к чувствительному элементу, и для передачи излучения люминесценции от чувствительного элемента к электронно-оптическому блоку, оптическое окно, выполненное из нелюминесцирующего оптически прозрачного материала, например кварцевого стекла и полимерную мембрану, содержащую люминофор; электронно-оптический блок включает в себя защитный корпус, микроконтроллер, блок осветителя и фотоприемное устройство.
Ниже подробно описана и проиллюстрирована (фиг. 1, 2) конструкция заявляемого устройства:
Датчик для экспресс-анализа микроконцентраций кислорода в газовой среде включает в себя чувствительный элемент 1 и электронно-оптический блок 2.
На фиг. 1 схематически изображена конструкция чувствительного элемента 1.
Чувствительный элемент 1 заключен в защитную оболочку 3. Внутренний объем оболочки 3 залит полимерным герметизирующим составом 4. Торцы волоконно-оптической линии связи 5, соединенные посредством соединительного элемента 6, не ограничивающего конструктивного исполнения заявленного технического решения, с защитной оболочкой 3, непосредственно прилегают к внутренней поверхности оптического окна 7, выполненного из нелюминесцирующего оптически прозрачного материала, например, кварцевого стекла. На наружной поверхности оптического окна расположена полимерная мембрана 8, содержащая люминофор.
На фиг. 2 схематически изображена конструкция электронно-оптического блока 2.
Электронно-оптический блок 2 состоит из защитного корпуса 9, микроконтроллера 10, блока осветителя 11, фотоприемного устройства 12 и соединительного элемента 13.
Оптическая связь между чувствительным элементом 1 и электронно-оптическим блоком 2 осуществляется посредством, как минимум, одной волоконно-оптической линии связи 5, предназначенной для передачи возбуждающего излучения от электронно-оптического блока к чувствительному элементу, и для передачи излучения люминесценции от чувствительного элемента к электронно-оптическому блоку. Волоконно-оптическая линия связи 5 является конструктивным элементом чувствительного элемента и соединена посредством соединительного элемента 13, не ограничивающего конструктивного исполнения заявленного технического решения, с блоком осветителя 11 и фотоприемным устройством 12. Длина волоконно-оптической линию связи 5 может варьироваться с целью обеспечения переноса электронно-оптического блока 2 за пределы взрывоопасной зоны.
Ниже описан процесс измерения микросодержания кислорода с использованием предложенного технического решения:
Чувствительный элемент 1 помещается в газовую среду, в которой необходимо определить значение микросодержания кислорода. Газовая смесь достигает полимерной мембраны 8, содержащей люминофор. Одновременно с прохождением газа к чувствительном элементу 1, в электронно-оптическом блоке 2, посредством управления микроконтроллера 10, блок осветителя 11 испускает излучение в видимой области спектра. Это возбуждающее излучение поступает посредством волоконно-оптической линию связи 5 до полимерной мембраны 8, содержащей люминофор. Возбуждающее излучение возбуждает люминофор, что приводит к возникновению эффекта свечения -люминесценции. Время жизни люминесценции (длительность послесвечения люминофора) обратно пропорционально количеству молекул кислорода в анализируемом газе.
Излучение люминесценции от люминофора передается посредством одну волоконно-оптической линии связи 5 в электронно-оптический блок 2 до фотоприемного устройства 12, преобразовывающего оптический сигнал в электрический. Далее преобразованный сигнал от фотоприемного устройства 12 поступает на обработку в микроконтроллер 10.
Микроконтроллер 10 формирует дискретный (цифровой) аналитический сигнал, величина которого пропорциональна содержанию кислорода в анализируемом газе и может быть использована для построения калибровочной характеристики аналитического оборудования (газоанализатора и подобных измерительных систем), применяющего предложенное техническое решение в качестве первичного измерительного преобразователя.
Возможность применения предложенного технического решения во взрывоопасной зоне обеспечивается тем, что связь между чувствительным элементом 1 и электронно-оптическим блоком 2 осуществляется за счет использования волоконно-оптической линии связи 5 необходимой длины, герметичности чувствительного элемента 1, внутренний объем которого залит полимерным герметизирующим составом 4, отсутствия электрических связей между чувствительным элементом 1 и электронно-оптическим блоком 2, а также использования в блоке осветителя 11 некогерентного полупроводникового излучающего элемента видимой области спектра в качестве источника возбуждающего излучения, энергетические характеристики которого находятся на гарантированно безопасном уровне.
Кроме того, за счет герметичности чувствительного элемента 1 достигается возможность использовать полученное техническое решение в диапазоне рабочих давлений магистральных трубопроводов природного газа.
Испытания предложенного датчика подтвердили его работоспобность в широком диапазоне температур и при высоком давлении.