Спосіб вимірювання концентрації газів

1. Спосіб вимірювання концентрації газів, в якому шляхом вимірів приймачами інфрачервоного випромінювання, з попередньо нанесеними на них інтерференційними фільтрами, довжина хвилі пропускання яких узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, що аналізується, різниці інтенсивності потоків, що проходять від джерела інфрачервоного випромінювання через два робочих канали, в яких розміщені вимірювальні кювети, та за зміною виміряного випромінювання визначають концентрацію газу, який відрізняється тим, що розміщують в незалежних робочих каналах вимірювальні кювети, виготовлені з різною довжиною, причому через вимірювальні кювети прокачують газ, що аналізується, а концентрацію газу визначають із співвідношення 2 3 збільшення неселективних втрат випромінювання, зв'язаних з забрудненням оптичних елементів з часом та при неузгодженості спектру джерела випромінювання і спектральної чутливості приймача випромінювання по відношенню до спектра поглинання досліджуваного газу під дією температури оточуючого середовища. Відомий спосіб аналізу інфрачервоним методом [Е.А. Перегуд, Д.О. Горелик. Инструментальные методы контроля загрязнения атмосферы. - Л., Химия, - 1981г., - стр.314], в якому потоки інфрачервоного випромінювання від джерел випромінювання перериваються механічним обтюратором і направляються в робочу і порівняльну камери, потім обидва потоки поперемінно попадають на приймач випромінювання. Недоліком прототипу є наявність механічного обтюратора та необхідності його високоточного просторового встановлення в приладі, що зменшує надійність способу, збільшення похибки при вимірюванні малих концентрацій з заданою точністю і чутливістю у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, зв'язаних з забрудненням оптичних елементів робочої кювети з часом та при неузгодженості спектру джерела випромінювання і спектральної чутливості приймача випромінювання по відношенню до спектра поглинання досліджуваного газу під дією температури оточуючого середовища. Відомий спосіб аналізу газів інфрачервоним методом [Патент України №61695, G01N21/01, 2003], вибраний в якості прототипу, в якому шляхом виміру приймачем інфрачервоного випромінювання різниці ступеня поглинання інфрачервоного випромінювання, яке від джерела інфрачервоного випромінювання проходить через дві кювети: вимірювальну і порівняльну, причому через вимірювальну кювету прокачують газ, що аналізується, а порівняльну наповнюють нульовим газом і герметично закупорюють, обидва потоки поперемінно попадають на приймач випромінювання, модуляцію інфрачервоного випромінювання здійснюють за рахунок реверсивного крокового періодичного переміщення приймача інфрачервоного випромінювання відносно вимірювальної і порівняльної кювет за допомогою реверсивного крокуючого електродвигуна. Недоліком даного способу є наявність механічного переміщення приймача інфрачервоного випромінювання, що знижує надійність способу, збільшення похибки при вимірюванні малих концентрацій з заданою точністю і чутливістю у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, зв'язаних з неоднаковим забрудненням з часом оптичних елементів вимірювальної кювети та кювети заповненої нульовим газом та при неузгодженості спектру джерела випромінювання і спектральної чутливості приймача випромінювання по відношенню до спектра поглинання досліджуваного газу під дією температури оточуючого середовища. 80638 4 В основу винаходу поставлена задача створити спосіб вимірювання концентрації газів з заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні концентрацій газів та підвищити надійність способу. Поставлене завдання вирішується тим, що в способі вимірювання концентрації газів, в якому шляхом виміру приймачами інфрачервоного випромінювання, з попередньо нанесеними на них інтерференційними фільтрами, довжина хвилі пропускання яких узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, різниці інтенсивності пройдених потоків, які від джерела інфрачервоного випромінювання проходять через два робочих канали в яких розміщені вимірювальні кювети, і по їх зміні визначають концентрацію газу, згідно з винаходом, вимірювальні кювети виготовлені різної довжини, розміщені в незалежних робочих каналах, причому через вимірювальні кювети прокачують газ, що аналізується, газ прокачують через вимірювальні кювети почергово, синхронно з вимірюванням різниці поглинання інтенсивності випромінювання відповідного каналу, вимірювання різниці поглинання інтенсивності випромінювання на виході вимірювальних кювет відбувається приймачами інфрачервоного випромінювання за рахунок їх електричної модуляції, джерелом інфрачервоного випромінювання є напівпровідникове джерело інфрачервоного випромінювання, а концентрація газу визначається із співвідношення DU1 1 Cx = , ln a(l2 - l1) DU2 де Сx - концентрація газу, що аналізується; a - коефіцієнт поглинання газу, що аналізується і залежить від ступеня узгодження спектрів поглинання газу, спектральної характеристики джерела інфрачервоного випромінювання і спектральної чутливості приймача інфрачервоного випромінювання; l1, l2 - довжини вимірювальних кювет; DU1, DU2 - зміна напруги при попаданні на фотоприймач потоку випромінювання, що пройшов через вимірювальні кювети різної довжини l1 і l2 відповідно. Вимірювання концентрації газів в широкому діапазоні з заданою точністю і чутливістю у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, зв'язаних з забрудненням вікон кювети з часом та при неузгодженості спектру джерела випромінювання і спектральної чутливості приймача інфрачервоного випромінювання по відношенню до спектра поглинання газу, що аналізується під дією температури оточуючого середовища досягається за рахунок того, що газ прокачується через вимірювальні кювети в яких потоки випромінювання зазнають однакових змін не пов'язаних з поглинанням газу. В процесі обробки електричних сигналів з виходу приймачів інфрачервоного випромінювання ці зміни взаємокомпенсуються. Відсутність механічного 5 модулювання потоків випромінювання суттєво збільшує надійність даного способу. На кресленні наведена функціональна схема реалізації даного способу. Запропонований спосіб реалізується таким чином: Джерело 1 інфрачервоного випромінювання, яке розміщене в напівсферичному 2 дзеркалі, створює потік випромінювання Ф0, який проходить через вимірювальні 3 і 4 кювети різної її і 12 довжини відповідно. Через вимірювальні 3 і 4 кювети прокачують газ, що аналізується. Потік Ф0 інфрачервоного випромінювання пройдений через вимірювальні 3 і 4 кювети зазнає поглинання газом, що аналізується, ослаблюється до величини потоків Ф1 і Ф2 відповідно, які попадають на приймачі 7 і 8 інфрачервоного випромінювання через нанесені на них інтерференційні 5 і 6 фільтри, довжина хвилі пропускання яких узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, що аналізується. Електричний сигнал з виходу приймачів 7 і 8 інфрачервоного випромінювання попадає на реєструючий 10 пристрій через блок 9 обробки інформації. Робота приймачів 7 і 8 інфрачервоного випромінювання забезпечується за рахунок електричної модуляції блоком 9 обробки інформації. Величина ослабленого потоку випромінювання Фі, що пройшов через вимірювальну 3 кювету може бути визначена за законом Бугера-Ламберта-Бера: Ф1 = Ф0e-aCx l1 , де Ф0 - величина потоку інфрачервоного випромінювання на вході вимірювальної 3 кювети; Ф1 - величина потоку інфрачервоного випромінювання на виході вимірювальної 3 кювети; a - коефіцієнт поглинання газу, що аналізується і залежить від ступеня узгодження спектрів поглинання газу, спектральної характеристики джерела інфрачервоного випромінювання і спектральної чутливості приймача інфрачервоного випромінювання; Сх - концентрація газу, що аналізується; l1 - довжина вимірювальної 3 кювети. Величина ослабленого потоку випромінювання Ф2, що пройшов через вимірювальну 4 кювету може бути визначена за законом Бугера-Ламберта-Бера: Ф2 = Ф0e-aCx l2 , де Ф0 - величина потоку інфрачервоного випромінювання на вході вимірювальної 4 кювети; Ф2 - величина потоку інфрачервоного випромінювання на виході вимірювальної 4 кювети; a - коефіцієнт поглинання газу, що аналізується і залежить від ступеня узгодження спектрів поглинання газу, спектральної характеристики джерела інфрачервоного випромінювання і спектральної чутливості приймача інфрачервоного випромінювання; Сx - концентрація газу, що аналізується; l2 - довжина вимірювальної 4 кювети. Потоки випромінювання Ф1 і Ф2, при попаданні інфрачервоного випромінювання відповідно на 80638 6 приймачі 7 і 8, створюють на їх виходах, пропорційно до ступеня ослаблення потоків, різницю напруги DU1 і DU2, яка в свою чергу пропорційна концентрації газу, що аналізується. Використовуючи формули (2) і (3) отримаємо слідуюче співвідношення Ф1 e -aCx l1 = = e -aC x ( l2 -l1) , Ф2 e- aC xl2 або DU1 = e-aCx (l2 -l1) . DU2 Якщо візьмемо натуральний логарифм з обох частин рівняння (5), то отримаємо DU1 1 Cx = ln a(l2 - l1) DU2 Отже, концентрація газу, що аналізується визначається формулою (6). Наявність електронної модуляції приймачів 7 і 8 інфрачервоного випромінювання дозволяє проводити вимірювання різниці поглинання інтенсивності випромінювання, на виході вимірювальних кювет синхронно з почерговим прокачуванням газу, що аналізується через кювети і підвищує надійність запропонованого способу. Використання напівпровідникового джерела інфрачервоного випромінювання в якості джерела інфрачервоного випромінювання також підвищить надійність запропонованого способу.