Двокомпонентний газоаналізатор

Двокомпонентний газоаналізатор, що складається з оптично зв'язаних джерела інфрачервоного випромінювання, робочих кювет різної довжини, приймача інфрачервоного випромінювання, джерело і приймач інфрачервоного випромінювання розташовані в півсферичних дзеркалах і з'єднані з електричною схемою, який відрізняється тим, що джерело інфрачервоного випромінювання містить 3 34069 проходженні аналізуючого газу через дві інші вимірювальні кювети. Відомий також інфрачервоний газоаналізатор [2], який вибраний в якості прототипу, що складається з оптично зв'язаних джерела інфрачервоного випромінювання, робочих кювет, приймача інфрачервоного випромінювання на вході якого розміщений оптичний фільтр смуга пропускання якого співпадає з смугою поглинання аналізуючого газу, джерело інфрачервоного випромінювання містить не менше двох випромінюючих діодів з довжиною хвилі випромінювання в максимумі, що співпадає з максимумом смуги поглинання аналізуючого газу, розміщених на одній підкладці відносно оптичної осі джерела інфрачервоного випромінювання так, що утворюють два однакові незалежні потоки випромінювання, робочі кювети мають різну довжину, причому газові входи робочих кювет зв'язані між собою таким чином, що газ одночасно прокачується через кювети. Технічним рішенням інфрачервоного газоаналізатора є підвищення чутли вості і точності виміру в широкому діапазоні концентрацій газів. Недоліком даного газоаналізатора є можливість вимірювання концентрації тільки одного аналізуючого газу на який налаштовано газоаналізатор. В основу корисної моделі поставлено задачу створення надійного двохкомпонентного газоаналізатора, для вимірювання концентрації аналізуючих газів, які не знаходяться одночасно в одній газовій суміші з заданою чутливість і точністю без ускладнення його конструкції. Поставлена задача вирішується тим, що дво хкомпонентний газоаналізатор складається з оптично зв'язаних джерела інфрачервоного випромінювання, робочих кювет різної довжини, приймача інфрачервоного випромінювання, джерело і приймач інфрачервоного випромінювання розташовані в напівсферичних дзеркалах і з'єднані з електричною схемою, джерело інфрачервоного випромінювання містить не менше двох діодів, які випромінюють в максимумі однакову довжину хвилі, що співпадає з відповідною довжиною селективної смуги поглинання одного аналізуючого газу та не менше двох діодів, які випромінюють в максимумі однакову, але іншу довжину хвилі, що співпадає з відповідною довжиною селективної смуги поглинання іншого аналізуючого газу, розміщених на одній підкладці, джерело інфрачервоного випромінювання в різні періоди часу формує незалежні потоки випромінювання однієї довжини хвилі, які займають різне просторове положення і утворюють робочі канали та незалежні потоки випромінювання однакової, але іншої довжини хвилі, які займають інше просторове положення і утворюють опорні канали. Вимірювання концентрації двох газів, які не знаходяться одночасно в одній газовій суміші з заданою точністю і чутливістю досягається за рахунок того, що джерело інфрачервоного випромінювання в різні періоди часу формує однакові незалежні потоки випромінювання однієї довжини хвилі, які проходять через робочі кювети і 4 утворюють робочі канали (використовуються випромінюючі діоди з однаковими максимумами довжини хвилі, які співпадають з відповідною довжиною селективної смуги поглинання газу, що аналізується в даний момент) в інші періоди часу формує однакові незалежні потоки випромінювання іншої довжини хвилі, які проходять через робочі кювети і утворюють опорні канали (використовуються випромінюючі діоди з однаковими максимумами довжини хвилі, які співпадають з відповідною довжиною селективної смуги поглинання іншого газу, що в даний момент не аналізується, але може аналізуватися даним газоаналізатором). Довжини селективних смуг поглинання аналізуючих газів рознесені між собою так, що їх спектральні характеристики не впливають одна на одну, а їхні коефіцієнти поглинаючої здатності відрізняється. У випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, зв'язаних з забрудненням вікон робочих кювет з часом, використання опорного каналу в обох робочих кюветах забезпечить задану точність і чутливість газоаналізатора внаслідок того, що в процесі обробки електричних сигналів з виходу приймача інфрачервоного випромінювання ці зміни взаємокомпенсуються. Раціональне використання випромінюючих діодів дозволило зменшити їх кількість в джерелі інфрачервоного випромінювання, що привело до зниження енергоспоживання, спрощення електричної схеми блоку обробки електричних сигналів, спростити конструкцію в цілому та підвищити надійність газоаналізатора. На фіг. 1 наведена функціональна схема інфрачервоного газоаналізатора. На фіг. 2 наведено розміщення випромінюючих діодів, які знаходяться в напівпровідниковому джерелі інфрачервоного випромінювання. Джерело 1 інфрачервоного випромінювання, що містить випромінюючі 2/1, 2/2 і 3/1, 3/2 діоди, розташоване у фокусі напівсферичного 4 дзеркала. Випромінюючі 2/1, 2/2 і 3/1, 3/2 діоди розміщені відносно оптичної осі джерела 1 випромінювання таким чином, що в різні періоди часу формують однакові незалежні потоки випромінювання однієї довжини хвилі, які займають різне просторове положення і утворюють робочі канали та однієї, але іншої довжини хвилі, які займають інше просторове положення і утворюють опорні канали. На одній оптичній осі, за робочими 7 і 8 кюветами розміщений в напівсферичному 12 дзеркалі приймач 11 інфрачервоного випромінювання. Вихід приймача 11 інфрачервоного випромінювання через логарифмічний 13 підсилювач з'єднаний з блоком 14 обробки електричних сигналів, який в свою чергу з'єднаний з масштабуючим 16 підсилювачем, реєструючим 17 пристроєм та джерелом 15 живлення випромінюючих 2/1, 2/2 і 3/1, 3/2 діодів. Газові входи робочих 7 і 8 кювет зв'язані між собою таким чином, що газ одночасно прокачується через кювети. Двохкомпонентний газоаналізатор працює наступним чином: аналізуючий газ прокачується одночасно через робочі 7 і 8 кювети. Блок 14 оброб 5 34069 ки електричних сигналів через джерело 15 живлення випромінюючих 2/1, 2/2 і 3/1, 3/2 діодів керує почерговим їх включенням. Випромінюючі 2/1, 2/2 і 3/1, 3/2 діоди з довжинами хвиль випромінювання в максимумі, що співпадають з довжинами селективних смуг поглинання двох газів, які не знаходяться одночасно в одній газовій суміші розміщені на одній підкладці, мають однакову потужність випромінювання та однаковий температурний зсув максимуму в спектрі випромінювання. Вони розміщені відносно оптичної осі джерела інфрачервоного випромінювання так, що утворюють в різні періоди часу однакові потоки випромінювання Ф01 та Ф02. які займають різне просторове положення і проходять через робочі 7 і 8 кювети. В перший момент часу потік Ф01 випромінювання, який створений випромінюючим 2/1 діодом з максимумом довжини хвилі, яка співпадає з відповідною довжиною селективної смуги поглинання газу, що аналізується в даний момент, направляється напівсферичним 4 дзеркалом на робочу 7 кювету з прозорими вхідним 5 і вихідним 10 вікнами, проходить через газ, що аналізується в даний момент, де частково поглинається до величини Ф1 потоку та за допомогою напівсферичного 12 дзеркала направляється на приймач 11 інфрачервоного випромінювання. Потік Ф1 на виході приймача 11 інфрачервоного випромінювання створює електричний сигнал, який пропорційний величині поглинутого потоку, що проходить через робочу 7 кювету та запам'ятовується блоком 14 обробки електричних сигналів. В другий момент часу потік Ф01 випромінювання, який створений випромінюючим 2/2 діодом з максимумом довжини хвилі, яка співпадає з відповідною довжиною селективної смуги поглинання газу, що аналізується в даний момент, направляється напівсферичним 4 дзеркалом на робочу 8 кювету з прозорими вхідним 6 і вихідним 9 вікнами, проходить через газ, що аналізується в даний момент, де частково поглинається до величини Ф2 потоку та за допомогою напівсферичного 12 дзеркала направляється на приймач 11 інфрачервоного випромінювання. Потік Ф2 на виході приймача 11 інфрачервоного випромінювання створює електричний сигнал, який пропорційний величині поглинутого потоку, що проходить через робочу 8 кювету та запам'ятовується блоком 14 обробки електричних сигналів. Потоки випромінювання Ф1 та Ф2 відрізняються між собою по інтенсивності внаслідок проходження випромінювання через робочі 7 і 8 кювети різної довжини, що містять аналізуючий газ. В третій момент часу потік Ф02 випромінювання, який створений випромінюючим 3/1 діодом з максимумом довжини хвилі, яка не співпадає з відповідною довжиною селективної смуги поглинання газу, що аналізується в даний момент, направляється напівсферичним 4 дзеркалом на робочу 7 кювету з прозорими вхідним 5 і вихідним 10 вікнами, проходить через газ, що 6 аналізується в даний момент, де не зазнає поглинання та за допомогою напівсферичного 12 дзеркала направляється на приймач 11 інфрачервоного випромінювання. Потік Ф02 на виході приймача 11 інфрачервоного випромінювання створює електричний сигнал, який запам'ятовується блоком 14 обробки електричних сигналів. В четвертий момент часу потік Ф02 випромінювання, який створений випромінюючим 3/2 діодом з максимумом довжини хвилі, яка не співпадає з відповідною довжиною селективної смуги поглинання газу, що аналізується в даний момент, направляється напівсферичним 4 дзеркалом на робочу 8 кювету з прозорими вхідним 6 і вихідним 9 вікнами, проходить через газ, що аналізується в даний момент, де не зазнає поглинання та за допомогою напівсферичного 12 дзеркала направляється на приймач 11 інфрачервоного випромінювання. Потік Ф02 на виході приймача 11 інфрачервоного випромінювання створює електричний сигнал, який запам'ятовується блоком 14 обробки електричних сигналів. Потік випромінювання Ф02 внаслідок проходження через робочі 7 і 8 кювети різної довжини, що містять аналізуючий газ не зазнає змін і створює опорні канали газоаналізатора. При відсутності аналізуючого газу робочі 7 і 8 кювети прокачуються нульовим газом, внаслідок чого, потоки Ф01 та Ф 02 не зазнають поглинання і на виході приймача 11 інфрачервоного випромінювання створює електричний сигнал нуль шкали приладу. При прокачуванні аналізуючого газу через робочі 7 і 8 кювети, величини електричних сигналів на виході приймача 11 інфрачервоного випромінювання підсилюються логарифмічним 13 підсилювачем, фіксуються і опрацьовуються блоком 14 обробки електричних сигналів. З виходу блока 14 обробки електричних сигналів результуючий електричний сигнал поступає на масштабуючий 16 підсилювач, в якому величина електричного сигналу пропорційна концентрації аналізуючого газу, а потім на реєструючий 17 пристрій. Блок 14 обробки електричних сигналів через джерело 15 живлення випромінюючих 2/1, 2/2 і 3/1, 3/2 діодів забезпечує також корекцію нуля, вирівнюючи величину сигналів при відсутності поглинання. При вимірюванні концентрації іншого аналізуючого газу двохкомпонентний газоаналізатор працює аналогічним чином. В цьому випадку потік Ф01, що утворений випромінюючими 2/1 і 2/2 діодами з максимумом довжини хвилі, яка не співпадає з відповідною довжиною селективної смуги поглинання газу, що аналізується в даний момент, який проходять через робочі кювети 7 і 8 не зазнає змін і утворює опорні канали. Потік Ф02, що утворений випромінюючими 3/1 і 3/2 діодами з максимумом довжини хвилі, яка співпадає з відповідною довжиною селективної смуги поглинання газу, що аналізується в даний момент, який проходять через робочі кювети 7 і 8 зазнає змін і утворює робочі канали. 7 34069 Приклад. Враховуючи довжину селективної смуги поглинання газу та його коефіцієнт поглинання, нами для напівпровідникового джерела випромінювання даного газоаналізатора використані випромінюючі діоди з максимумами довжин хвиль, які співпадають з відповідною довжиною селективної смуги поглинання газу СH4 (l = 3,32мкм) і СO2 (l = 4,27мкм) або СН4 (l = 3,32мкм) та CO (l = 4,64мкм). При вимірюванні концентрації газу СO2 (l = 3,32мкм), потік випромінювання Ф01, що утворений випромінюючими 2/1 і 2/2 діодами з максимумом довжини хвилі (l = 3,32мкм; Dl0,5 = 0,3мкм), проходячи через робочі кювети 7 і 8 зазнавав відповідних змін і утворював робочі канали. Потік випромінювання Ф02, що утворений випромінюючими 3/1 і 3/2 діодами з максимумом довжини хвилі (l = 4,27мкм; Dl0,5 = 0,4мкм), проходячи через робочі кювети 7 і 8 не зазнавав змін і утворював опорні канали. Довжини селективних смуг поглинання газів СН 4та СO2 рознесені між собою так. що їх спектральні характеристики не впливають одна на одну. При вимірюванні концентрації газу СO2 (l = 4,27мкм), потік випромінювання Ф01, що утворений випромінюючими 2/1 і 2/2 діодами з максимумом довжини хвилі (l = 3.32мкм; Dl0,5 = 0,3мкм), який проходячи через робочі кювети 7 і 8 не зазнавав відповідних змін і утворював опорні канали. Потік випромінювання Ф02, що утворений випромінюючими 3/1 і 3/2 діодами з максимумом довжини хвилі (l = 4,27мкм; Dl0,5 = 0.4мкм), який проходячи через робочі кювети 7 і 8 зазнавав відповідних змін і утворював робочі канали. Проведені вимірювання концентрації метану (0-5об.% СН4) показали високу надійність та точність вимірювань. Мінімально виміряна концентрація СO2 в повітрі складала 50-100ppm. Комп’ютерна в ерстка Д. Шев ерун 8 Модуляцію світлового потоку одержали, використовуючи живлення випромінюючих діодів змінним струмом величиною 200mA та частотою 100кГц. Величини електричних сигналів на виході приймача інфрачервоного випромінювання фіксуються і опрацьовуються блоком обробки електричних сигналів, з якого результуючий електричний сигнал, що пропорційний концентрації аналізуючого газу, подається на реєструючий пристрій. В якості приймача інфрачервоного випромінювання використовувався неселективний напівпровідниковий фоторезистор. Забезпечення заданої чутливості виміру концентрацій газів досягається вибором співвідношення довжин робочих кювет в залежності від поглинаючої здатності аналізуючих газів. Забезпечення заданої точності вимірювання газоаналізатора у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, зв'язаних з забрудненням вікон кювети з часом, досягається за рахунок того, що аналізуючий газ прокачується одночасно через робочі кювети, в яких потоки Ф01 і Ф02 випромінювання зазнають однакових змін не зв'язаних з поглинанням аналізуючого газу. В процесі роботи блоку обробки електричних сигналів ці зміни взаємокомпенсуються. Запропоноване технічне рішення дозволить створити надійний двохкомпонентний газоаналізатор для вимірювання концентрації аналізуючих газів, які не знаходяться одночасно в одній газовій суміші, з заданою чутливістю і точністю без ускладнення його конструкції. Джерела інформації 1. Патент України № 72629, кл. G01 N21/01, G01 N21/55. 2005. 2. Патент України № 80639, кл. G01 N21/61, G01 N21/01, 2007. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601