Спосіб вимірювання концентрації неелементарних газів та аерозолей

Изобретение относится к области оптической спектроскопии и может быть использовано для измерения концентрации неэлементарных газов и аэрозолей в различных средах. Известен способ, использующий спектральное поглощение, включающий обнаружение или измерение концентрации определенного газа в потоке других газов с использованием луча спектральной энергии (Патент США №4746218, 1984). Известен также способ регистрации присутствия газовой фазы молекулярного соединения, включающий сравнение нормированной интенсивности пучка ИКизлучения, прошедшего через исследуемую пробу, с нормированной интенсивностью эталонного пучка излучения (Патент США №4782232, 1986). Наиболее близким к заявляемому является способ измерения концентрации газов, выбранный в качестве прототипа, состоящий из формировании импульсного ИК-излучения, пропускании его через контрольный и измерительный каналы, детектировании прошедшего излучения, сравнении электрических сигналов и определении концентрации (Заявка ФРГ №3506372, 1985). При осуществлении данного способа выходной сигнал детектора измерительного канала сравнивается с электрическим сигналом, определяемым при предварительной градуировке прибора путем пропускания через кювету, заполненную не содержащей измеряемый компонент смесью, суммировании (или вычитании) обоих сигналов и вычислении по результату искомой концентрации определяемого компонента. Недостатком известного способа является то, что определение искомой концентрации компонента непосредственно по величине выходного электрического сигнала детектора либо по разности электрических сигналов.контрольного и измерительного каналов не обеспечивает требуемую точность и быстродействие измерений, так как связано с необходимостью измерения абсолютных значений аналоговых сигналов. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа измерения концентрации неэлементарных газов и аэрозолей, в котором путем измерения времени нарастания выходных сигналов детекторов контрольного и измерительной каналов и вычисления концентрации как функции отношения этих времен обеспечивается повышение точности измерения, сокращение времени измерений, за счет чего достигается упрощение и удешевление измерительных средств. Поставленная задача решается тем, что в способе измерения концентрации неэлементарных газов, состоящем в формировании импульсного ИК-излучения, пропускании его через контрольный и измерительный каналы, детектировании прошедшего излучения, сравнении электрических сигналов и определении концентрации, согласно изобретению одновременно с началом формирования прямоугольного импульса ИКизлучения, измеряют время нарастания электрических выходных сигналов детекторов обоих каналов и сравнивают их с заданным значением опорного сигнала, равным верхнему пределу линейного динамического диапазона детекторов, а в момент равенства выходных электрических сигналов детекторов заданному значению опорного сигнала заканчивают измерение времени нарастания сигналов соответственно контрольного и измерительного каналов, причем одновременно с окончанием измерения времени нарастания сигнала измерительного канала прерывают поток ИКизлучения, и по измеренным значениям времени нарастания сигналов определяют концентрацию как функцию отношения измеренных времен нарастания сигналов детекторов. Путем формирования прямоугольных импульсов строго определенной энергии, облучающих детекторы, исключается необходимость измерения выходных сигналов детекторов в широком диапазоне, чем достигается значительное повышение точности определения концентрации. Кроме того, в предлагаемом способе измерение интервалов времени, в течение которого происходит облучение детекторов начинается одновременно с началом облучения детекторов, что также обеспечивает повышение точности измерения. За счет исключения времени выхода на установившийся стационарный режим при подаче импульсного ИК-излучения предлагаемый способ позволяет сократить общее время измерений, так как измерение начинается непосредственно в момент подачи импульсного излучения на детекторы. Таким образом достигается ожидаемый технический результат, На фиг.1 изображен график зависимости электрических выходных сигналов детекторов и от времени их нарастания; на фиг.2 структурная схема устройства, как один из возможных вариантов реализации предлагаемого способа. В результате реализации этого способа происходит постоянное сравнение сигналов и с заданным значением и измерение времени нарастания соответствующих сигналов. Для измерения концентрации неэлементарных газов по заявляемому способу непрерывный или медленно меняющийся поток излучения необходимо сформировать в виде прямоугольных импульсов, например с помощью управляемого оптического прерывателя и пропустить сформированные импульсы через контрольный и измерительный каналы. Длительность сформированных импульсов, облучающих детектор измерительного канала, изменяется в зависимости от степени поглощения излучения неэлементарным газом, а длительность импульсов, облучающих детектор контрольного канала остается практически постоянной. При этом длительность импульса не должна превышать постоянной времени детектора. Выходной электрический сигнал детектора по контрольному каналу составит а по измерительному каналу где - электрический выходной сигнал детектора контрольного канала; - электрический выходной сигнал детектора измерительного канала; Вольт-Джоулева чувствительность детекторов; - начальная величина потока ИК-излучения; - коэффициент массового поглощения; - плотность поглощающего компонента; - искомая концентрация; и - время нарастания электрического сигнала детекторов соответственно контрольного и измерительного каналов. Здесь величина прошедшего через поглощающий слой ИК-излучения выражается законом Бугера - Ламберта - Бера Величины и являются взаимозависимыми. Поэтому для вычислений по формулам (1) и (2) достаточно измерить одну переменную величину, оставляя вторую неизменной. В качестве постоянной выбрана величина абсолютные измерения которой имеют наибольшую погрешность, особенно при малых значениях по сравнению с погрешностью, связанной с измерением временных интервалов (Кузнецов В.А., Коневских В.М. др. Измерения в электронике: Справ. / Под ред. В.А. Кузнецова. - М.: Энергоиздат, 1987. - С.337 - 394). Для реализации условия момента облучения, постоянно начиная с производят сравнение текущего значения равным верхнему пределу линейного динамического диапазона преобразования детекторов, чем достигается наибольшая точность сравнения, а следовательно, и измерения Одновременно с началом облучения детекторов начинают измерять время нарастания их выходных сигналов. В момент равенства оканчивают измерение величины а при достижении равенства оканчивают измерение времени и прерывают поток ИКизлучения. Разделив определяют отношение логарифмируют полученное выражение и определяют Кювету контрольного канала можно заполнить анализируемым газом известной концентрации Тогда время изменения сигналов на выходах детекторов контрольного и измерительного каналов соответственно будет равно Тогда отношение временных интервалов Логарифмируя полученное выражение Тогда искомая концентрация Решение соответствующих уравнений реализуется на вычислительном устройстве (ПЭВМ) при поступлении непосредственно измеряемых значений и Возможное устройство для реализации предлагаемого способа, структурная схема которого изображена на фиг.2, состоит из источника 1 ИК-излучения с длиной волны поглощения определяемого компонента, блока запуска 2, оптического прерывателя 5, оптической системы 4, кювет 5 и 6 соответственно контрольного и измерительного каналов, детектора контрольного канала 7, детектора измерительного канала 8, формирователя опорного сигнала 9, компараторов контрольного 10 и измерительного 11 каналов, интерфейса 12, ПЭВМ 13. Устройство работает следующим образом. Источник 1 испускает ИК-излучение заданной длины волны. Блок запуска 2 включает оптический прерыватель 3 и подает сигнал на интерфейс 12 для начала отсчета времени на ПЭВМ 13. После запуска прерывателя 3 поток излучения попадает на оптическую систему 4 и начинается формирование прямоугольного импульса ИКизлучения. Излучение проходит через оптическую систему 4, разделяясь на два луча, и после прохождения кювет 5 и 6 соответственно контрольного и измерительного каналов детектируется на пироприемных устройствах 7 и 8, после чего электрические выходные сигналы с пироприемных устройств поступают на компараторы 10 и 11, где сравниваются с заданным опорным напряжением вырабатываемым с помощью формирователя 9. При этом постоянно фиксируется время нарастания сигналов детекторов контрольного и измерительного каналов на ПЭВМ 13. После достижения выходными электрическими сигналами заданного значения опорного напряжения прекращается отсчет соответствующих временных промежутков и И по сигналу компаратора измерительного канала 11 закрывается оптический прерыватель 3, в результате чего заканчивается формирование прямоугольного импульса ИКизлучения. После этого вычисляется искомая концентрация на ПЭВМ 13. Пример 1. Определяли концентрацию газа пропана Коэффициент массового поглощения для длины волны составляет Плотность равна Толщина измерительной кюветы, равная толщине поглощающего слоя составляет Измеренное время нарастания сигнала контрольного канала до достижения величины заданного значения а соответствующее время для измерительного канала Тогда величину искомая концентрация составит Пример 2. Определяли концентрацию газа гексафторид серы Коэффициент массового длины волны поглощения для составляет Плотность равна Толщина измерительной кюветы, равная толщине поглощающего слоя, составила Измеренное время нарастания сигнала контрольного канала до достижения величины заданного значения а соответствующее время для измерительного канала Тогда искомая концентрация составит величину Пример 3. Определяли концентрацию водяного аэрозоля при среднем Заутеровском диаметре капель факторе эффективности экстинкции для длины волны Для аэрозолей используется понятие коэффициента ослабления, который равен толщина поглощающего слоя составила Измеренное время нарастания сигнала контрольного канала до достижения величины заданного значения а соответствующие время для измерительного канала Искомая концентрация равна Таким образом, предлагаемый способ позволяет диагностировать быстроменяющуюся концентрацию различных компонентов в реальном масштабе времени путем повышения точности и быстродействия измерений.