ОПТИЧЕСКИЙ АБСОРБЦИОННЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР
OPTICAL ABSORPTION GAS ANALYZER

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения концентрации газов, например метана, окиси или двуокиси углерода, углеводородов, бензола, оксида азота и др., в атмосфере, производственных помещениях, технологических аппаратах и т.д.
Известен абсорбционный волоконно-оптический газоанализатор, содержащий последовательно установленные и оптически связанные излучатель, входное оптическое волокно, многоходовую кювету, состоящую из трех сферических зеркал, выходное оптическое волокно, блок регистрации и обработки информации. Между выходным оптическим волокном и блоком регистрации установлен спектральный интегральный демультиплексор, а на продолжении сферы зеркала-коллектива в непосредственной близости от его края с одной стороны установлены торцы входного и выходного оптических волокон, оба зеркала-объектива установлены с возможностью совместного поворота относительно центра кривизны зеркала-коллектива в общей меридиональной плоскости всех зеркал (RU 2091764, G 01 N 21/61, 1997).
Известен также оптический абсорбционный газоанализатор, содержащий оптически сопряженные лазерный источник инфракрасного электромагнитного излучения с длиной волны из области поглощения анализируемого газа, многоходовую газовую кювету, выполненную в виде интегрирующей сферы с внутренним светоотражающим покрытием, где оптический вход и выход расположены асимметрично относительно центра сферы, светофильтр и приемник излучения, подключенный через усилитель к блоку обработки и регистрации информационного сигнала (RU 2022249, G 01 N 21/61, 1994). Внутренняя поверхность интегрирующей сферы может быть выполнена эллипсоидной (WO 2004/013600, G 01 N). Для повышения точности и надежности исследований оптический абсорбционный газоанализатор содержит широкополосный оптический излучатель, расположенные по ходу его излучения трубчатую газовую кювету с внутренними светоотражающими стенками и два фотоприемника, снабженные светофильтрами в области поглощения и прозрачности анализируемого газа соответственно, подключенные к блоку дифференциальной обработки и регистрации информационных сигналов (US 6469303, G 01 J 005/02, 2002; US 2004/0007667, G 01 N 21/61).
Однако такие газоанализаторы являются сложными в изготовлении и эксплуатации.
Среди направлений развития данного вида техники прослеживается выполнение газовой кюветы совместно с оптическим фокусирующим элементом. Так, для контроля содержания газов, имеющих инфракрасный спектр поглощения, используют кювету, изготовленную в форме полого светоотражающего усеченного конуса с отверстием в боковой стенке, в котором установлен оптический фильтр с опорным приемником излучения, а источник излучения расположен в непосредственной близости к кювете (RU 2037809, G 01 N 21/61, 1995). Такая геометрия кюветы обеспечивает фокусировку и многократное отражение от ее стенок проходящих через контролируемую пробу световых лучей.
Наиболее близким к заявляемому является оптический абсорбционный газоанализатор, содержащий источник электромагнитного излучения с длиной волны из области поглощения анализируемого газа, кювету с внутренними светоотражающими стенками и фотоприемник, расположенные по ходу его излучения  и подключенные  через усилитель к блоку обработки и регистрации информации. Для повышения точности контроля источник и фотоприемник электромагнитного излучения выполнены двухканальными с возможностью дополнительного излучения и приема оптического сигнала с длиной волны из области прозрачности анализируемого газа, а блок обработки и регистрации информации выполнен по схеме дифференциального измерения сигналов, получаемых на выходе образованных каналов (RU 2109269, G 01 N 21/61, 1998).
Однако данное устройство обладает низкой чувствительностью из-за короткой длины пути светового потока. Наличие одного канала без спектрального прибора не позволяет регистрировать одновременного наличия нескольких исследуемых газовых компонентов, что снижает информативность. Кроме того, оно обладает низкой точностью из-за возможности прямой засветки фотоприемника.
Технической задачей заявляемого газоанализатора является повышение универсальности, информативности, чувствительности и точности измерений путем увеличения пути светового потока, проходящего через набор капиллярных волокон.
Решение указанной технической задачи заключается в том, что  в оптический абсорбционный газоанализатор, содержащий источники электромагнитного излучения и светофильтры с длинами волн из области поглощения анализируемых газов, газовую кювету и фотоприемники, расположенные по ходу излучения, в него  дополнительно введен компьютер с обученной нейронной сетью и дополнительные кюветы, при этом источники электромагнитного излучения, расположены по кругу узла ввода излучения в кюветы, а кюветы выполнены в виде капиллярных волокон с внешней отражающей поверхностью по длине, причем длины кювет равны величине обратного значения коэффициента поглощения исследуемого газа, умноженной на обратное отношение сигнала к шуму системы, а фотоприемники, на выходе кювет соединены с усилителями и аналого-цифровыми преобразователями, которые в свою очередь подключены к модулю обученной нейронной сети.
2
На фиг. 1 приведен схема заявляемого газоанализатора; на фиг. 2 изображена нейросетевая калибровочная модель для газа CO; на фиг. 3 приведен узел ввода - вывода излучения
На фиг. 1 введены следующие элементы:
cd- источники излучения;
j, ... m –каналы, включающие в себя оптические капиллярные кюветы, стрелками на которых показаны отверстия для ввода и вывода анализируемого газа; фп-фотоприемники; У-усилители с выхода которых усиленный сигнал поступает на вход нейронной сети с нейросетевой калибровочной моделью.
2,
На фиг. 2 приведена схема изображена нейросетевая калибровочная модель для газа COдля пояснения сущности обучения нейронной сети заявляемого устройства.
k
погл
Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем. Выбирается газ, или смесь газов m,  наличие которых предполагается определять при помощи заявляемого устройства, определяются n коэффициент поглощения или оптическая плотность каждого из упомянутых  газа, с использованием которых рассчитывается для каждого газа длина кювет d.
m
Для выбора оптимальной длины оптического пути в капиллярном волокне кюветы используем закон Бугера – Ламберта – Бера, в соответствии с которым интенсивность излучения, прошедшего путь в кювете    , для -компонентной смеси определяется по формуле
kj
i
j
i
сj
j
где -интенсивность падающего излучения; l-длина оптического пути кюветы; (λ) – спектральный коэффициент поглощения -гo компонента на -й длине волны; – концентрация -гo компонента. Здесь оптические коэффициенты являются функцией длины волны падающего излучения.
k
k
0
0
Пороговая чувствительность метода при регистрации минимального коэффициента поглощения определяется длиной пути l и способностью регистрирующей системы регистрировать малые изменения интенсивности излучения из-за поглощения  . α- величина обратная отношению сигнала к шуму измерительной системы (S/N). Поскольку каждый излучатель имеет свою ширину спектра излучения, при расчете длин пути необходимо использовать интегральный коэффициент поглощения газа, проинтегрированный в пределах полосы излучения данного источника. При заданном значении α определяем длину пути, оптимальную для регистрации данного коэффициента поглощения , который будет отличен для каждого газа.
l
0
В этом случае оптимальная длина будет определяться выражением
l
k
0
0
= α/.
Число отражений в световодном волокне
Длина оптического пути в световоде с учетом отражений
l
=
Соответственно длина оптического капиллярного волокна для кюветы будет равна
L=
После расчёта оптимальной длины кюветы для каждого газа, изготавливают все m кювет, в каждой из которых выполняют отверстия для входа и выпуска анализируемого газа (см. фиг. 1) и собирают многоканальное заявляемое устройство.   При сборке заявляемого устройства выбирают для каждого исследуемого газа свой источник cd- источники излучения и свой фп- приемник излучения, и устанавливают выбранные источники и приёмники излучения по кругу узла ввода анализируемого газа в соответствующий канал (фиг. 3). В качестве источников и приемников светового излучения могут быть использованы различные оптические и электронные элементы, работающие в соответствующих диапазонах частот, характерных для каждого выбранного для анализа газа: лазеры, светодиоды, фотодиоды, болометры и др.
Выбирается соответствующие усилители сигналов, поступающие в них с выхода фотоприемников, и выход усиленных сигналов с упомянутых усилителей подсоединяют к входу модуля нейронной сети, расположенной в компьютере (фиг. 2). Нейронная сеть, используя базу данных, введенную в её память, реагирует на пороговый сигнал, соответствующий заданному коэффициенту поглощения исследуемого компонента. Нейронная сеть может обучаться и дообучаться после каждой калибровки, становится подготовленной к работе устройства.
Пример конкретного выполнения.
2
4
3
2
-1
Было изготовлено заявляемое устройство, в котором предполагалось определять в наличии исследуемого образца следующих газов: СО, CH,NH, NOи.т.д. Используемые источники излучения имеют ширину спектра 5 см.
2
4
3
2
0
0
0
0
-1
-1
-1
-1
l
k
k
l
Для молекул СО, CHNH NO из базы данных HITRAN [https://hitran.org/] в районе сильных полос поглощения для источников излучения шириной 5 см выбраны информативные интервалы. Для них в таблице приведены центры интервалов в частотах (см) и длинах волн (нм), также рассчитаны интегральные коэффициенты поглощения на 1 атм, проинтегрированные на ширину спектра излучения источника (5 см). Выбранные интервалы находятся в ИК, видимой и УФ области спектра. Интегральные коэффициенты поглощения составили 15…70 см. В качестве минимально измеряемых концентраций взяты ПДК для промышленных помещений. При заданном значении α=0,01 для минимального значения ослабления в кювете определяем длину пути , оптимальную для регистрации коэффициента поглощения хПДК, соответствующего предельно допустимой концентрации каждого газа [https://hitran.org/]. Значения ПДК, хПДК,  также приведены в таблице.
Таблица
Молекула
СО<sub>2</sub>
CH<sub>4</sub>
SO<sub>2</sub>
NO<sub>2</sub>
Частота, см-1
2362
3017
35000
25000
Длина волны, нм
4234
3315
285,7
400
Интегральный коэффициент поглощения для P=1 атм (для ширины спектра 5 см<sup>-1</sup>)<i> k</i><sub>0</sub>, см<sup>-1</sup>
70
15
19,2
16,8
ПДК, ppm
10000
1000
0,3
1
kxПДК, см<sup>-1</sup>
0,7
0,015
6<img file="00000009.jpg" he="3" wi="3" img-content="undefined" img-format="jpg" />10<sup>-6</sup>
1,7<img file="00000009.jpg" he="3" wi="3" img-content="undefined" img-format="jpg" />10<sup>-5</sup>
Оптимальная длина пути <i>l</i><sub>0</sub>, см
0,15
0,7
1,7<img file="00000010.jpg" he="3" wi="3" img-content="undefined" img-format="jpg" />10<sup>3</sup>
6 <img file="00000009.jpg" he="3" wi="3" img-content="undefined" img-format="jpg" />10<sup>2</sup>
l
0
Как видно из таблицы, оптимальная длина пути , меняется в широких пределах 0,15…17000 см. Нейронная сеть, используемая в изобретении, позволяет эффективно корректировать параметры регистрации при изменении интегральных коэффициентов поглощения вследствие вариации температуры, ширины спектра излучения, изотопного состава газовой смеси.
Таким образом, заявляемое устройство имеет следующие преимущества перед прототипом:
Увеличивается оптический путь за счет отражения от стенок капиллярной колонки
1. Параллельно и одновременно определяется несколько промышленных газов (не нужны газоанализаторы на каждый газ)
2. Калибровочные модели хранятся в нейронной сети, которая может дообучаться после каждой калибровки
3. Для уменьшения габаритов капиллярные колонки могут быть представлены в виде жгута или свернуты в спираль
Таким образом, заявляемое устройство по сравнению с прототипом позволяет существенно  повысить универсальность и (в N раз) информативность, используя N-каналов регистрации, вместо одного.