Спосіб вимірювання концентрації газів

1. Спосіб вимірювання концентрації газів, за яким вимірюють 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 робочі канали, одним з яких є вимірювальна кювета, та за зміною виміряної інтенсивності випромінювання визначають концентрацію газу, який відрізняється тим, що як приймачі інфрачервоного випромінювання використані БІЗПІН-прилади, а другим робочим каналом є світловод з малими втратами енергії випромінювання, які нехтуються, при цьому газ, що аналізується, прокачують через вимірювальну кювету, на виході вимірювальної кювети і світловода вимірюють різницю поглинання інтенсивності випромінювання, а концентрацію газу визначають із співвідношення: f 1 , C x ln 1 f2 l1 Винахід відноситься до сфери аналітичного приладобудування і може бути застосований при розробці малогабаритних інфрачервоних газоаналізаторів для вимірювання концентрацій найбільш поширених забруднювачів атмосфери газів (CO, СО2, CH4, NO). Відомий спосіб аналізу газів інфрачервоним методом [Патент України №80638, кл. G01N21/61, G01N21/01, 10.10.2007] вибраний в якості прототипу, в якому шляхом вимірювання 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 і за їхньою зміною виміряного випромінювання визначають концентрацію газу, вимірювальні кювети виготовлені з різною довжиною, розміщені в незалежних робочих каналах, причому через вимірювальні кювети прокачують газ, що аналізується, газ прокачують через (13) 92838 (19) UA (11) f1 , f2 - значення зміни частоти електричних сигналів при попаданні на БІЗПІН-прилади потоку випромінювання, що пройшов через вимірювальну кювету і світловод, які мають різні довжини l1 , l2 відповідно. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що вимірюють різницю поглинання інтенсивності випромінювання на виході вимірювальної кювети і світловода БІЗПІН-приладом, частота електричних сигналів на виході якого пропорційна інтенсивності випромінювання. C2 де C x - концентрація газу, що аналізується; - коефіцієнт поглинання газу, що аналізується, який залежить від ступеня узгодження спектрів поглинання газу, спектральної характеристики джерела інфрачервоного випромінювання і спектральної чутливості БІЗПІН-прилада; l1 - довжина вимірювальної кювети; 3 92838 4 вимірювальні кювети почергово, синхронно з виміВимірювання концентрації газів в широкому рюванням різниці поглинання інтенсивності видіапазоні з заданою точністю і чутливістю, досягапромінювання відповідного каналу, вимірювання ється за рахунок того, що газ прокачується через різниці поглинання інтенсивності випромінювання вимірювальну кювету (відкритий канал), яка знана виході вимірювальних кювет відбувається ходиться в одному з робочих плечей, друге плече приймачами інфрачервоного випромінювання за являє собою волоконно-оптичну лінію зв'язку рахунок їх електричної модуляції. втратами енергії випромінювання в якій можна Недоліком даного способу є наявність двох знехтувати, в процесі обробки частоти електричвимірювальних кювет, почергове прокачування них сигналів з виходів приймачів інфрачервоного газу, необхідність електричної модуляції випромівипромінювання (БІЗПІН-приладів). Частотний нювання, наявність дзеркала, великі розміри привихід сигналів, відсутність дзеркала та блоку елекстрою і порівняно слабкий ступінь обробки інфортричної модуляції, зменшення розмірів приладу, а мації. також можливість роботи з відкритим каналом виВ основу винаходу поставлена задача створимірювання суттєво збільшує надійність, забезпети спосіб вимірювання концентрації газів з задачує універсальність даного способу. ною точністю і чутливістю в широкому діапазоні На кресленні наведена функціональна схема концентрацій газів, зменшити розміри і спростити реалізації даного способу. конструкцію приладу, та підвищити надійність роЗапропонований спосіб реалізується таким боти. чином. Поставлене завдання вирішується тим, що в Джерело 1 інфрачервоного випромінювання, способі вимірювання концентрації газів, в якому створює потік випромінювання 0, який надходить шляхом вимірювання приймачами інфрачервоного на світловод 2, оптичний розгалужувач 3, світловипромінювання (БІЗПІНи, які перетворюють зміну вод 4, вимірювальну кювету 5 (відкритий канал), інтенсивності випромінювання в частоту електричфотоприймачі 6, з яких частотні сигнали надхоного сигналу [Кнаб О.Д. БИСПИН - новый тип подять на гетеродин 7 і блок обробки частоти 8. Велупроводникових приборов // Электронная проличина ослабленого потоку випромінювання і, мышленость, - 1989. - Вып. 8. - С. 3-8]), з що пройшов через вимірювальну кювету (відкрипопередньо нанесеними на них інтерференційнитий канал) 5 може бути визначена за законом Буми фільтрами, довжина хвилі пропускання яких гера-Ламберта-Бера: узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, різниці інтенсивності пройдених потоків, які 1С х 1l1 (1) 1 0е від джерела інфрачервоного випромінювання проходять через робочий і опорний канали, в робочоде 0 - величина потоку інфрачервоного виму каналі розміщено вимірювальну кювету (відкрипромінювання на вході вимірювальної кювети (відтий канал), і за зміною частоти електричних критий канал) 5; сигналів визначають концентрацію газу, згідно з винаходом вимірювальна кювета (відкритий канал) 1 - величина потоку інфрачервоного випромінювання на виході вимірювальної кювети (відкривстановлюється в одне з плеч світловідної лінії, тий канал) 5; причому через неї прокачують газ, що аналізується, другий канал - світловод, в якому втрати енер1 - коефіцієнт поглинання газу, що аналізується і залежить від ступеня узгодження спектрів гії випромінювання рівні нулю, вимірювання різниці поглинання газу, спектральної характеристики поглинання інтенсивності випромінювання на виджерела інфрачервоного випромінювання і спектході каналів і перетворення БІЗПІНами в різницю ральної чутливості приймача інфрачервоного вичастот електричних сигналів, джерелом інфрачерпромінювання; воного випромінювання є напівпровідникове джеСx1 - концентрація газу, що аналізується; рело інфрачервоного випромінювання, а концентl1 - довжина вимірювальної кювети (відкритий рація газу визначається із співвідношення: канал) 5. Величина ослабленого потоку випромінюванf 1 Cх ln 1 ня 2, що пройшов через світловод 4 може бути l1 f2 визначена за законом Бугера-Ламберта-Бера: де Сх - концентрація газу, що аналізується; - коефіцієнт поглинання газу, що аналізується, який і залежить від ступеня узгодження спектрів поглинання газу, спектральної характеристики джерела інфрачервоного випромінювання і спектральної чутливості приймача інфрачервоного випромінювання; l1 - довжина вимірювальної кювети (відкритого каналу); f1, f2 - зміна частоти БІЗПІН-приладів при попаданні на них потоку випромінювання, що пройшов через вимірювальну кювету (відкритий канал) і опорний канал з довжинами l1, l2 відповідно. 2 0е 2 Сx 2l2 (2) де 0 - величина потоку інфрачервоного випромінювання на вході світловода 4; 2 - величина потоку інфрачервоного випромінювання на виході світловода 4; 2 - коефіцієнт поглинання світловода; l2 - довжина світловода 4. Потоки випромінювання 1 і 2, при попаданні інфрачервоного випромінювання відповідно на приймачі, створюють на їх виходах, пропорційно до ступеня ослаблення потоків, різницю частот f1 і f2, яка в свою 5 92838 чергу пропорційна концентрації газу, що аналізується. Приймаючи до уваги (1) і (2) і враховуючи, що коефіцієнт затухання для кварцових сівтловодів прямує до нуля (2·10-4дБ/м), отримаємо співвідношення: 1 f1 1n 1 f2 2n 1, 2 е Сх1l1 1 , або (3) Використовуючи формули (1) і (3) отримаємо наступне співвідношення: Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 0 або 2, 0 0е f1 f2 1 f1 f2 де - час накопичення заряду; - величина світлового потоку; n - об'єм n області БІЗПІНа. Приймаючи до уваги, що втрати в світловоді порядку 0,14 дБ/км на частотах власного поглинання газу [Мидвентер Д.Э. Волоконные световоды для передачи информации. - М.: Радио и связь, 1983. - 336 с.] рівняння (2) матиме вигляд: 2= 6 1С х 1l1 ln f1 f2 1C x1l1 . Отримаємо: C x1 f 1 ln 1 l1 f2 1 (4) Отже, концентрація газу, що аналізується визначається формулою (4). Наявність БІЗПІНприладів та світловодів підвищує надійність, значно зменшує розміри приладу, спрощує встановлення концентрації газу, що аналізується, і підвищує надійність запропонованого способу. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601