Оптико-электронный газоанализатор

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к приборам для измерения концентрации газа, присутствующего в окружающей среде.
Известен инфракрасный оптический газоанализатор (Патент РФ № 2596035, G01N 21/3504, 2016 г.). Газоанализатор содержит основной источник инфракрасного излучения с отражателем, измерительную кювету, интерференционный светофильтр, приемник инфракрасного излучения, размещенные последовательно на одной оптической оси, первый усилитель, дополнительный источник инфракрасного излучения, отличающийся тем, что содержит широкополосный фотоприемник и второй усилитель, в измерительной кювете выполнены два отверстия в боковой стенке по разные стороны от оптической оси, в первом отверстии размещен широкополосный фотоприемник, во втором отверстии размещен дополнительный источник инфракрасного излучения, причем расстояние между дополнительным источником инфракрасного излучения и приемником инфракрасного излучения много меньше расстояния между основным источником инфракрасного излучения и приемником инфракрасного излучения, при этом основной и дополнительный источники инфракрасного излучения соединены через соответствующие усилители с микропроцессором.
Недостатками устройства являются необходимость использования источников инфракрасного излучения с идентичными температурными характеристиками, а также использования операционных усилителей с одинаковыми значениями температурного дрейфа. При отличии характеристик или неравномерном нагреве газоанализатора температурная коррекция показаний затруднена. Еще одним недостатком является невозможность исключения погрешности, вызванной более быстрым старением одного из источников или усилителей.
Известен газоанализатор (патент РФ № 2037809, G01N 21/61, 1995 г.). Газоанализатор содержит источник излучения, оптический фильтр рабочего приемника излучения, отверстие, кювету с отверстием в боковой стенке, в котором установлен опорный приемник излучения с дополнительным оптическим фильтром. Излучение от источника попадает в кювету, в которой делится на два потока. Один поток излучения проходит через оптический фильтр, пропускающий спектральную область, соответствующую полосе поглощения измеряемого газа и фокусируется на рабочий приемник излучения. Другой поток излучения проходит через отверстие и дополнительный оптический фильтр, пропускающий спектральную область, соответствующую минимальному поглощению измеряемого, а также сопутствующих ему газов, и попадает на опорный приемник излучения. Появление в кювете измеряемого газа вызывает дисбаланс между рабочим и опорным приемниками излучения, пропорциональный концентрации измеряемого газа.
Недостатком данного прибора является влияние на результаты измерения нестабильности характеристик приемников излучения. При использовании двух фотоприемников, отношение измерительного и опорного сигналов зависит отдельно от температурных характеристик каждого приемника и его усилителя. В случае резкого изменения температуры или неравномерного прогрева газоанализатора измерение концентрации газа затруднена из-за наличия переходных процессов.
Наиболее близким аналогом является инфракрасный оптический газоанализатор c автоматической температурной коррекцией (патент РФ 2710083, G01N 21/3504, 2019 г.). Инфракрасный оптический газоанализатор содержит корпус, внутри которого размещена измерительная кювета, выполненная в виде цилиндрической трубки с отражающими внутренними стенками, в которой размещены последовательно на одной оптической оси основной источник инфракрасного излучения с отражателем, дополнительный источник инфракрасного излучения, датчик инфракрасного излучения, также размещен усилитель с коммутатором, микроконтроллер, коммутаторы питания источников инфракрасного излучения и ограничитель тока источников инфракрасного излучения, отличающийся тем, что датчик инфракрасного излучения объединяет в своём корпусе два приёмника инфракрасного излучения и температурный сенсор, причем перед первым приёмником инфракрасного излучения установлен интерференционный оптический фильтр, полоса пропускания которого соответствует полосе поглощения исследуемого газа, перед вторым приёмником инфракрасного излучения установлен интерференционный оптический фильтр, полоса пропускания которого находится за пределами полосы поглощения исследуемого газа, при этом расстояние между дополнительным источником инфракрасного излучения и датчиком инфракрасного излучения много меньше расстояния между основным источником инфракрасного излучения и датчиком инфракрасного излучения, при этом основной и дополнительный источники инфракрасного излучения соединены через ограничитель тока с источником питания, и их включение управляется микроконтроллером, при этом приёмники инфракрасного излучения смещены от оси трубки измерительной кюветы таким образом, что дополнительный источник инфракрасного излучения, установленный непосредственно перед корпусом датчика, не экранирует излучение основного источника инфракрасного излучения.
Недостатком прототипа является необходимость использования источников инфракрасного излучения и коммутаторов с идентичными температурными характеристиками.
Задача заключается в создании устройства с оптическим разделением активного и опорного сигналов на два потока для исключения неравномерного старения источников инфракрасного излучения, обеспечивающее корректное детектирование концентрации метана или углекислого газа в воздушногазовой смеси при изменении температуры окружающей среды.
Технический результат заключается в повышении стабильности и точности измерений.
Технический результат достигается тем, что оптико-электронный газоанализатор содержит источник  инфракрасного излучения с отражателем, световодный блок, датчик инфракрасного излучения, размещенные на одной оптической оси, датчик инфракрасного излучения через усилитель подключен к микроконтроллеру, а источник инфракрасного излучения через ограничитель тока подключен к источнику питания, и световодный блок содержит разветвитель потока на два одинаковых луча, выполненный в виде волоконного световода, основную газовую кювету с анализируемым газом, дополнительную кювету с «нулевым» газом, оптико-волоконный соединитель двух потоков на один фотоэлемент, коммутатор светового потока, соединенный с управляющим выходом микроконтроллера и осуществляющий переключение потоков излучения с торцов световодов оптической вилки на фотоприемник, установлен перед датчиком инфракрасного излучения, содержащим в своем корпусе температурный сенсор.
На чертеже представлена принципиальная схема устройства.
Оптико-электронный газоанализатор представляет собой источник инфракрасного излучения 1 с отражателем 2, необходимым для перенаправления возникшего светового потока на вход оптико-волоконного разветвителя 3. С обратной стороны оптико-волоконный разветвитель подсоединен к торцам измерительных кювет: один конец волокна разветвителя включен в газовую кювету с анализируемой газовой смесью 4, другой конец в газовую кювету с «нулевым» газом 5. Кювета представляет собой цилиндр, содержащий на своем корпусе вакуумные краны для откачки и заполнения исследуемого газа внутрь кюветы. Другие торцы обоих кювет подсоединены к концам оптико-волоконного соединителя 6, предназначенного для сведения двух пучков инфракрасного излучения на один общий датчик 7.  Для поочередного переключения потоков излучения, проходящих через газовую кювету с анализируемой газовой смесью и газовую кювету с «нулевым» газом, между выходом оптико-волоконного соединителя и приемником излучения установлен оптический коммутатор 8. Коммутатор представляет собой электронно-механическое устройство, которое путем поступательного перемещения шторки или диафрагмы с отверстием, поочередно выводит на датчик излучение активного и опорного канала. Датчик инфракрасного излучения через усилитель 9 подключен к микроконтроллеру 10, содержащему аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Также микроконтроллер служит органом управления оптического коммутатора. Для продления срока службы источника инфракрасного излучения, его подключение к напряжению питания осуществляется через ограничитель тока 11.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Анализируемую газовую кювету 4 заполняют измеряемым газом через специальные вакуумные краны. На источник инфракрасного излучения 1 через ограничитель тока 11 подают питающее напряжение. При подаче напряжения на источник 1, в нем возникает световой поток, который после отражения от отражателя 2 поступает в оптический разветвитель 3. Излучение в оптико-волоконном разветвителе 3 делится на две части, одна часть поступает в газовую кювету с анализируемой газовой смесью 4, другая в газовую кювету с «нулевым» газом 5. Пучок излучения, проходящий через анализируемую газовую смесь, частично поглощается. Другой же пучок, проходящий через кювету 5, наполненную «нулевым» газом, остается неизменным. Выходя из газовых кювет, оба световых потока попадают в оптико-волоконный соединитель 6, который сводит два потока излучения на коммутатор 8. Оптический коммутатор 8, который представляет собой электронно-механическое устройство, путем поступательного перемещения шторки или диафрагмы с отверстием, поочередно выводит на датчик 7 излучение активного и опорного канала. Вследствие частичного поглощения излучения, прошедшего через измеряемый газ, амплитуда электрического сигнала на датчике 7 уменьшается. Активный и опорный сигналы, поступающие с датчика 7, предварительно усиливаются, а затем поступают на вычислительный блок микроконтроллера 10. После проведенных измерений, анализируемый газ откачивают из газовой кюветы через вакуумные краны.
Амплитуда сигнала активного канала зависит от концентрации газа:
0
где I – сигнал опорного канала в отсутствие поглощения, k – молекулярный коэффициент поглощения для данной длины волны, c – концентрация анализируемого вещества, d – расстояние от источника излучения до приемника.