Спосіб вимірювання концентрації газів

Спосіб вимірювання концентрації газів, що включає пропускання інфрачервоного випромінювання, довжину хвилі якого узгоджено із власним поглинанням аналізованого газу, вимірювання інтенсивності потоків випромінювання, які пройшли через одну або дві кювети, перетворення виміряних значень інтенсивності потоків в електричні сигнали, обробку електричних сигналів та визначення концентрації аналізованого газу, який відрізняється тим, що досліджувану газову суміш очищують від пилу шляхом пропускання її через квазівідкритий фільтр до отримання в аналізованій газовій суміші 3-5 % пилу, після очищення здійснюють вимірювання концентрації аналізованого газу одним або двома вимірювальними каналами, а для компенсації динамічної похибки, яка залежить від постійної часу фільтра та швидкості зміни концентрації аналізованого газу, використовують програмні методи цифрової обробки результатів вимірювань, що дозволяє визначити концентрацію аналізованого газу за співвідношенням: U 1 Ck 1 Uk 1 Ф k , КПР t Корисна модель відноситься до області аналітичного вимірювання концентрації газів переважно в умовах високої запорошеності аналізованої газової суміші та може бути використана при розробці малогабаритних інфрачервоних газоаналізаторів для вимірювання концентрації найпоширеніших забруднювачів (CO, CO2, CH4, NO), які присутні у складі відпрацьованих газів транспортних засобів, рудничній атмосфері вугільних шахт та атмосфері промислових підприємств, енергетичних установок, а також у системах екологічного моніторингу. Відомий спосіб вимірювання концентрації газів інфрачервоним методом (Саль А.О. Инфракрасные газоаналитические измерения: [погрешность и информационная способность инфракрасных газоанализаторов] / А.О. Саль. М.: Издательство стандартов, 1971. - 100с.) заснований на пропус канні інтенсивності потоку інфрачервоного випромінювання із довжиною хвилі, яка відповідає довжині хвилі власного поглинання газу, вимірювання інтенсивності потоків випромінювання, які пройшли через одну або дві вимірювальні кювети, перетворення виміряних значень інтенсивності потоків в електричні сигнали, обробку електричних сигналів та визначення концентрації аналізованого газу. Недоліком цього способу є те, що при наявності у досліджуваній газовій суміші пилу та інших домішок збільшується похибка вимірювання концентрації аналізованого газу за рахунок неселективних втрат випромінювання. Ці втрати пов'язані із наявністю зважених часток пилу в аналізованому об'ємі газової суміші, а також забрудненням оптичних елементів вимірювача під час вимірювання. Для забезпечення необхідних показників де Ck 1, об. % - концентрація аналізованого газу, у (13) 50772 (11) UA (19) ктричних сигналів; Ф , с - постійна часу фільтра очищення аналізованої газової суміші від пилу; КПР, В/об. % - коефіцієнт перетворення вимірювача із значення концентрації аналізованого газу у об. % в значення електричного сигналу, наприклад напруги у В - вольтах. U об. % - об'ємних відсотках; Uk 1 , Uk , В -дискретні значення вихідного електричного сигналу, наприклад напруги у В - вольтах, вимірювального каналу аналізованого газу або відношення, або різниця вихідних електричних сигналів вимірювальних каналів у попередній k та наступний k 1 моменти часу; t, c - крок дискретизації у часі вихідних еле 3 точності вимірювання концентрації газів використовується фільтр очищення аналізованої газової суміші від пилу та інших домішок. При використанні фільтрів у складі вимірювачів значно знижується швидкодія, і тим самим збільшується динамічна похибка вимірювання концентрації газів. Величина цієї похибки залежить від постійної часу фільтра очищення, а також швидкості зміни вимірюваної величини. Тому даний спосіб не знайшов широкого застосування при розробці швидкодіючих вимірювачів концентрації газів в умовах високої запорошеності аналізованої газової суміші. Найближчим за технічною суттю до способу, що заявляється, є спосіб вимірювання концентрації газів (А.с. України №80638 С2, МПК G01N21/61, G01N21/01. опубл. 10.10.2007р.). Суть найближчого аналога полягає у наступному. Для вимірювання концентрації газів пропускають інфрачервоне випромінювання від одного джерела через два незалежні робочі канали вимірювальних кювет. Причому через обидві вимірювальні кювети прокачують аналізований газ. Вимірювання інтенсивності потоків випромінювання, які пройшли через кювети здійснюється шляхом вимірювання приймачами інфрачервоного випромінювання, із попереднім нанесенням на них інтерференційних фільтрів, довжину хвилі яких узгоджено із довжиною хвилі власного поглинання аналізованого газу. Інтенсивність потоків, що пройшли від джерел інфрачервоного випромінювання через два канали, в яких розміщені вимірювальні кювети та за зміною випромінювання визначають концентрацію газу за співвідношенням: U1 1 Сх ln , (L 2 L1 ) U2 де С х - концентрація аналізованого газу; коефіцієнт поглинання аналізованого газу, який залежить від ступеня узгодження спектрів поглинання газу, спектральної характеристики джерела інфрачервоного випромінювання та спектральної чутливості приймача інфрачервоного випромінювання; L1 , L 2 - довжина вимірювальних кювет; U1 , U2 - значення зміни напруги при попаданні на фотоприймач потоків випромінювання, які пройшли вимірювальні кювети різної довжини L1 , L 2 відповідно. Загальними ознаками відомого способу вимірювання концентрації газів та способу, який заявляється, є те, що здійснюється пропускання інфрачервоного випромінювання, довжину хвилі якого узгоджено із власним поглинанням аналізованого газу, вимірювання інтенсивності потоків випромінювання, які пройшли через вимірювальні кювети, перетворення значень інтенсивності потоків в електричні сигнали, обробку електричних сигналів та визначення концентрації аналізованого газу. Недоліком цього способу є те, що при розповсюдженні потоку інфрачервоного випромінювання в умовах запорошеності аналізованої газової суміші та за наявності інших домішок, здійснюється ослаблення потоку випромінювання внаслідок розсіювання та поглинання частинками пилу інф 50772 4 рачервоного потоку, що збільшує похибку вимірювання концентрації аналізованого газу. Для отримання необхідних показників точності аналізовану газову суміш прокачують через фільтри очищення, що призводить до погіршення динамічних властивостей вимірювача концентрації газів. Вимірювання концентрації газів здійснюється не у реальному масштабі часу, а із затримкою на постійну часу фільтру та технологічних операцій. Для зниження динамічної похибки вимірювання концентрації газу необхідно зменшити постійну часу фільтру, що призводить до зниження його надійності та довготривалої стабільності. Крім того, використання різних фільтрів із меншою постійною часу призводить до появи статичної мультиплікативної похибки вимірювання концентрації газу. В основу запропонованої корисної моделі поставлена задача удосконалення способу вимірювання концентрації газу, в якому за рахунок використання фільтрів очищення досягають необхідні статичні показники точності вимірювання концентрації газу, а для компенсації динамічної похибки використовують програмні методи цифрової обробки результатів вимірювань. Даний спосіб забезпечує швидкодію вимірювача при необхідній точності контролю концентрації аналізованого газу, що призводить до збільшення вірогідності виявлення та контролю вибухонебезпечних концентрацій при раптових викидах вимірюваних газів. Поставлена задача вирішується тим, що в способі вимірювання концентрації газів, що включає пропускання інфрачервоного випромінювання, довжину хвилі якого узгоджено із власним поглинанням аналізованого газу, вимірювання інтенсивності потоків випромінювання, які пройшли через одну або дві кювети, перетворення виміряних значень інтенсивності потоків в електричні сигнали, обробку електричних сигналів та визначення концентрації аналізованого газу, згідно корисної моделі, досліджувану газову суміш очищують від пилу шляхом пропускання її через квазівідкритий фільтр до отримання в аналізованій газовій суміші 3-5% пилу, після очищення здійснюють вимірювання концентрації аналізованого газу одним або двома вимірювальними каналами, а для компенсації динамічної похибки, яка залежить від постійної часу фільтра та швидкості зміни концентрації аналізованого газу, використовують програмні методи цифрової обробки результатів вимірювань, що дозволяє визначити концентрацію аналізованого газу за співвідношенням: Uk 1 Ck 1 Uk 1 , Ф КПР t Де Ck 1, об.% - концентрація аналізованого газу; Uk 1 , Uk , В - дискретні значення вихідного електричного сигналу, наприклад напруги, вимірювального каналу аналізованого газу або відношення, або різниця вихідних електричних сигналів вимірювальних каналів у попередній k та наступний k+1 моменти часу; t, c - крок дискретизації у часі вихідних електричних сигналів; Ф , с - постійна часу фільтра очищення аналізованої газової сумі 5 50772 ші від пилу; КПР, В / об. % - коефіцієнт перетворення вимірювача із значення концентрації аналізованого газу у об.% - об’ємних відсотках в значення електричного сигналу, наприклад напруги у В вольтах. Для компенсації динамічної похибки вимірювання концентрації аналізованого газу необхідно виконувати обробку результатів вимірювань у часі C(t) за вихідним сигналом U(t) та оператором W , який описує динамічні властивості вимірювача, це є вирішенням задачі корекції його апаратної функції. Найпростіше така задача вирішується реалізацією оператору W 1 , який є зворотнім оператором W із використанням ланки корекції в апаратному або програмному вигляді, яка обробляє сигнал U(t) . Проте за своєю суттю така задача є некоректною, оскільки зворотний оператор повинен реалізовувати функцію прогнозу сигналу, що фізично реалізувати неможливо. У зв'язку з цим коректне вирішення зворотної задачі при вимірюваннях динамічних параметрів може бути виконано, якщо передбачити певне запізнювання у формуванні сигналу на виході ланки корекції, що не вимагає реалізації функції прогнозу. За умови, що постійна часу фільтру очищення на два та більше порядків перевищує постійну часу інфрачервоного вимірювача концентрації газу, динамічна характеристика вимірювача із фільтром очищення може бути описана передавальною функцією W(p) аперіодичної ланки першого порядку, яка має наступний вигляд: K ПР U(p) W(p) , C(p) 1 р Ф де КПР, В / об. % - коефіцієнт перетворення вимірювача із значення концентрації аналізованого газу у значення електричного сигналу, наприклад напруги; Ф , с - постійна часу фільтра очищення аналізованої газової суміші від пилу; р оператор Лапласа. Передавальна функція W(p) встановлює залежність між вихідним сигналом вимірювача U(t) та вхідним сигналом концентрації газу C(t) , які довільно змінюються у часі, через перетворення Лапласа: L{y(t)} W(p) L{x(t)}. Це співвідношення справедливо і для цифрових систем. Вихідна послідовність сигналу вимірювача концентрації газу одержана шляхом зворотного перетворення Лапласа (z - перетворення): U(z) KПР С(z) Ф z 1 U(z). При використанні опису ланки затримки z 1 у дискретній області Uk Uk -1 , одержана рекурентна формула для розрахунку вихідної послідовності сигналу вимірювача концентрації газу у дискретні моменти часу: Uk Uk 1 K ПР Сk 1 . Ф t Передавальна функція ланки корекції приймає наступний вигляд: 6 C(p) 1 (р Ф 1), U(p) K ПР Таким чином, ланка корекції повинна реалізовувати функцію диференціювання вихідного сигналу вимірювача концентрації газу U(t) та складання його похідної із самим вихідним сигналом. Різницеве рівняння ланки корекції у дискретні моменти часу має наступний вигляд: Uk 1 Сk 1 Uk 1 . Ф KПР t Розглянемо проходження через описану передавальну характеристику вимірювача концентрації газу із ланкою корекції випадкового стаціонарного сигналу, який розподілено за нормальним законом розподілу, та має наступні параметри: математичне очікування зміни концентрації газу mc =2,0об.%, W 1 (p) середньоквадратичне відхилення с =0,4об.%, довжина вибірки N=50. На Фіг.1 наведено графіки зміни концентрації аналізованого газу С, об.% - 1 та зміни вихідного сигналу вимірювача концентрації аналізованого 1 газу Uk 1 , об.% - 2 при постійній часу фільтK ПР ра очищення Ф =0,8с, шагу дискретизації за ча сом t =1с та коефіцієнту передачі вимірювача концентрації аналізованого газу KПР =0,1В/об.%. На Фіг.2 наведено графіки зміни концентрації аналізованого газу С, об.% - 1 та зміни концентрації аналізованого газу із компенсацією динамічної похибки СКОМП, об.% - 3 при використанні програмних методів цифрової обробки результатів вимірювань. Використання компенсації динамічної похибки за допомогою програмних методів цифрової обробки результатів дозволяє виконувати вимірювання концентрації аналізованого газу у реальному масштабі часу. Приклад реалізації способу вимірювання концентрації газу Досліджувану газову суміш очищують від пилу шляхом пропускання її через квазівідкритий фільтр до отримання в аналізованій газовій суміші 3-5% пилу. Одночасно пропускають потоки інфрачервоного випромінювання від одного або двох джерел, через одну або дві вимірювальні кювети. Потоки інфрачервоного випромінювання, які несуть інформацію про зміну концентрації аналізованого газу у газовій суміші із урахуванням часу запізнення фільтра очищення, поступають на приймачі, які перетворюють інтенсивність потоків випромінювання в електричні сигнали. Одержані електричні сигнали перетворюють у цифровий код для реалізації програмного методу цифрової обробки результатів вимірювання. Здійснюється збереження дискретного значення вихідної напруги Uk або відношення, або різниці вихідних напруг вимірювальних каналів у момент часу k, далі у наступний момент часу k+1 через інтервал часу Δt процедура вимірювання повторюється та після цього здійснюється розрахунок концентрації аналізованого 7 50772 газу у момент часу k+1. Описана процедура повторюється циклічно протягом усього інтервалу роботи вимірювача концентрації газу. Дані про концентрацію аналізованого газу у суміші із урахуванням корекції динамічної похибки вимірювання виводять на індикатор та по цифровому каналу зв'язку передають у систему аерогазового захисту вугільної шахти або підприємства. Запропонований спосіб дозволяє підвищити швидкодію вимірювачів концентрації газів при не Комп’ютерна верстка А. Рябко 8 обхідній точності контролю, за рахунок використання фільтрів очищення досягаються необхідні статичні показники точності вимірювання концентрації газу, а для компенсації динамічної похибки, використовуються програмні методи цифрової обробки результатів вимірювання. Використання цього способу у стаціонарних вимірювачах концентрації газів дозволяє збільшити вірогідність виявлення та контролю вибухонебезпечних концентрацій при раптових викидах вимірюваних газів. 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