Спосіб вимірювання концентрації газів

Спосіб вимірювання концентрації газів шляхом вимірювання приймачем інфрачервоного випромінювання різниці інтенсивності пройдених світлових потоків, які від джерел інфрачервоного випромінювання з довжинами хвиль випромінювання в максимумах, що співпадають з максимумом смуги власного поглинання аналізованого газу, проходять через вимірювальну кювету, і по їх зміні визначають концентрацію газу, який відрізняється тим, що вимірювальна кювета містить не менше двох робочих каналів різної довжини, об'єднаних спільним внутрішнім об'ємом, не менше двох джерел інфрачервоного випромінювання, які розміщені на одній або різних осях із приймачем інфрачервоного випромінювання і створюють незалежні потоки випромінювання, незалежні потоки випромінювання в один або різні моменти часу проходять через різні робочі канали вимірювальної кювети, а концентрація аналізованого газу, що прокачується через вимірювальну кювету, визначається із співвідношення 2 3 35411 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. Відомий спосіб аналізу газів інфрачервоним методом [3], вибраний в якості прототипу, 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, що аналізується, 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, вимірювальні кювети виготовлені різної довжини і розміщені в незалежних робочих каналах, вимірювання концентрації газів з заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні концентрацій газів та підвищити надійність способу. Недоліком даного способу є наявність двох приймачів інфрачервоного випромінювання, що знижує надійність даного способу, вимірювальних кювет механічно розділених у просторі, що ускладнює конструкцію оптичного блоку, двох вхідних вікон, які неоднаково з часом вносять неселективні втрати випромінювання, зв'язаних із їх забрудненням та зменшення точності вимірювань аналізуючого газу в середині діапазону концентрацій газів. В основу корисної моделі 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, при якому здійснюють вимірювання приймачем інфрачервоного випромінювання різниці інтенсивності пройдених світлових потоків, які від джерел інфрачервоного випромінювання з довжинами хвиль випромінювання в максимумах, що співпадають з максимумом смуги власного поглинання аналізованого газу, проходять через вимірювальну кювету 4 і по їх зміні визначають концентрацію газу, вимірювальна кювета містить не менше двох робочих каналів різної довжини об'єднаних спільним внутрішнім об'ємом, не менше двох джерел інфрачервоного випромінювання, які розміщені на одній або різних осях із приймачем інфрачервоного випромінювання і створюють незалежні потоки випромінювання, незалежні потоки випромінювання в один або різні моменти часу проходять через різні робочі канали вимірювальної кювети, а концентрація аналізованого газу, що прокачується через вимірювальну кювету, визначається із співвідношення: 1 n 1 Uic Cx = å 1n a n i= 1Li Ui0 де С х - концентрація газу, що аналізується; a - коефіцієнт поглинання аналізованого газу і залежить від ступеня узгодження спектрів поглинання аналізованого газу, спектральної характеристики джерела інфрачервоного випромінювання і спектральної чутливості приймача інфрачервоного випромінювання; Li - довжина i-го робочого каналу вимірювальної кювети; n - кількість незалежних потоків випромінювання, що утворені джерелами інфрачервоного випромінювання; Uic - напруга на приймачі інфрачервоного випромінювання при попаданні i-го потоку випромінювання з довжиною хвилі, яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання аналізованого газу, що пройшов через i-ий робочий канал вимірювальної кювети; Ui0 - напруга на приймачі інфрачервоного випромінювання при попаданні i-го потоку випромінювання з довжиною хвилі, яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання аналізованого газу, що пройшов через i-ий робочий канал вимірювальної кювети при калібровці. Вимірювання концентрації газів в широкому діапазоні з заданою точністю і чутливістю у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, зв'язаних з забрудненням вікна кювети з часом та похибки обумовленої впливом зовнішніх факторів (тиск, температура) досягається за рахунок того, що газ рівномірно прокачується через робочі канали різної довжини вимірювальної кювети в яких потоки випромінювання зазнають однакових змін не пов'язаних з поглинанням газу і в процесі обробки електричних сигналів з виходу приймача інфрачервоного випромінювання ці зміни взаємокомпенсуються. Наявність не менше двох джерел інфрачервоного випромінювання, які розміщені на одній або різних осях із приймачем інфрачервоного випромінювання і створюють в один або різні моменти часу незалежні потоки випромінювання, що проходять через різні робочі канали вимірювальної кювети дозволяють забезпечити задану точністю і чутливістю вимірювання концентрації газів. Використання однієї вимірювальної кювети із одним вхідним вікном та відсутність механічного 5 35411 модулювання світлових потоків випромінювання суттєво збільшує надійність даного способу. На кресленні наведена функціональна схема реалізації даного способу. Запропонований спосіб реалізується таким чином: Вимірювальна 1 кювета, виконана із двох робочих каналів різної довжини L1 і L2 із спільним внутрішнім об'ємом до якої герметично прикріплене вхідне 6 вікно. Параболічні 3 і 11 дзеркальні поверхні нахилені під одним або різними кутами до вхідного 6 вікна і знаходяться в різних робочих каналах вимірювальної 1 кювети. Вхідні 2 і 12 патрубки, отвори яких направлені під кутом до оптичних осей джерел 4 і 8 інфрачервоного випромінювання і вихідний 10 патрубок, розміщені на різних частинах вимірювальної 1 кювети. Кульові 5 і 9 опори, всередині яких розміщені джерела 4 і 8 інфрачервоного випромінювання, виготовлені із теплопровідного матеріалу і забезпечують настройку оптичної частини. На основі 13 розміщені кульові 5 і 9 опори, джерела 4 і 8 випромінювання та приймач 7 інфрачервоного випромінювання. Мікропроцесорний 14 блок почергово активізує джерела 4 і 8 інфрачервоного випромінювання з довжиною хвилі в максимумі, що співпадає з максимумом смуги власного поглинання аналізованого газу. Джерела 4 і 8 інфрачервоного випромінювання мають однакову потужність випромінювання, однаковий температурний зсув максимумах в спектрі випромінювання і розміщені на одній або різних осях із приймачем 7 інфрачервоного випромінювання так, що утворюють однакові незалежні робочі потоки випромінювання в один або різні моменти часу. Аналізуючий газ прокачується одночасно через вхідні 2 і 12 патрубки вимірювальної 1 кювети. В перший момент часу, джерело 4 інфрачервоного випромінювання з довжиною хвилі в максимумі, яка співпадає з максимумом довжини хвилі поглинання аналізованого газу, активується мікропроцесорним 14 блоком та формує світловий потік, що проходить через аналізований газ, де частково поглинається та за допомогою параболічної 3 дзеркальної поверхні спрямовується приймач 7 інфрачервоного випромінювання. На виході приймача 7 інфрачервоного випромінювання утворюється електричний сигнал U1c, який пропорційний величині поглинутого потоку, що проходить в робочому каналі довжиною L1 вимірювальної 1 кювети. Мікропроцесорний 15 блок записує величину сигналу в свою пам'ять для послідуючої обробки. В наступний момент часу, джерело 8 інфрачервоного випромінювання з довжиною хвилі в максимумі, яка співпадає з максимумом довжини хвилі поглинання аналізованого газу, активується мікропроцесорним 14 блоком та формує світловий по 6 тік, що проходить через аналізований газ, де частково поглинається та за допомогою параболічної 11 дзеркальної поверхні спрямовується на приймач 7 інфрачервоного випромінювання. На виході приймача 7 інфрачервоного випромінювання утворюється електричний сигнал U2с, який пропорційний величині поглинутого потоку, що проходить в робочому каналі довжиною L2 вимірювальної 1 кювети. Мікропроцесорний 4 блок записує величину сигналу в свою пам'ять для послідуючої обробки. В третій момент часу, джерела 4 і 8 інфрачервоного випромінювання з довжинами хвиль в максимумах, яка співпадає з максимумом довжини хвилі поглинання аналізованого газу, одночасно активуються мікропроцесорним 14 блоком та формують світлові потоки, що проходять через аналізований газ, де частково поглинаються та за допомогою відповідних дзеркальних 3 і 11 поверхонь спрямовуються на приймач 7 інфрачервоного випромінювання. На виході приймача 14 інфрачервоного випромінювання утворюється електричний сигнал U3C, який пропорційний величині поглинутого потоку, що проходить в обо х робочих каналах вимірювальної 1 кювети від обох джерел 4 і 8 інфрачервоного випромінювання. Мікропроцесорний 4 блок записує величину сигналу в свою пам'ять для послідуючої обробки. Використання однакових джерел 4 і 8 інфрачервоного випромінювання дозволяє одержати просторово розділені незалежні потоки випромінювання з рівномірним розподілом енергії всередині потоку в один або різні моменти часу. При відсутності аналізованого газу, у всі х трьох випадках, вимірювальна 1 кювета прокачуються нульовим газом, внаслідок чого, сформовані джерелами 4 і 8 інфрачервоного випромінювання світлові потоки не зазнають поглинання і на виході приймача 7 інфрачервоного випромінювання створюються електричні сигнали U0 за допомогою яких мікропроцесорний 14 блок забезпечує корекцію нуля, вирівнюючи величину сигналів при відсутності поглинання. Мікропроцесорний 14 блок забезпечує обробку всіх електричних сигналів з виходу приймача 7 інфрачервоного випромінювання і виділяє електричний сигнал, що відповідає концентрації аналізованого газу. Запропонований спосіб дозволяє проводити вимірювання концентрації газів з заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні концентрацій газів та підвищити надійність способу. Джерела інформації: 1. Патент РФ №96123856, G01N21/61, 1999. 2. Патент України №61695, G01N21/01, Опублікований 2003.11.17. 3. Патент України №80638, G01N21/61, G01N21/01, Опублікований 2007.10.10. 7 Комп’ютерна в ерстка C.Литв иненко 35411 8 Підписне Тираж 28 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