Спосіб вимірювання концентрації газів (варіанти)

1. Спосіб вимірювання концентрації газів, за яким вимірюють приймачем інфрачервоного випромінювання різниці інтенсивностей пройдених потоків, які від джерела інфрачервоного випромінювання проходять через робочу кювету, та за їх змінами визначають концентрацію газу, який відрізняється тим, що за допомогою джерела інфрачервоного випромінювання формують n≥2 незалежних потоків випромінювання з довжиною хвилі, яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, що аналізується, незалежні потоки випромінювання пропускають в різні інтервали часу крізь різні точки поперечного перерізу робочої кювети, а концентрацію газу, що прокачують через робочу кювету і аналізують, визначають із співвідношення: 1 n Uic Cx = ∑ ln , αLn i=1 Ui0 де Сх - концентрація газу, що аналізується; α - коефіцієнт поглинання газу, що аналізується і залежить від ступеня узгодження спектрів поглинання газу, спектральної характеристики джерела інфрачервоного випромінювання і спектральної чутливості приймача інфрачервоного випромінювання; L - довжина робочої кювети; n - кількість незалежних потоків випромінювання, що утворені джерелом інфрачервоного випромінювання; 2 (19) 1 3 88374 4 газу, що аналізується і пройшов через робочу кювету; Ui0 - напруга на фотоприймачі при попаданні і-го потоку випромінювання з довжиною хвилі, яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, що аналізується і пройшов через робочу кювету при калібруванні. 3. Спосіб за пп.1 або 2, який відрізняється тим, що за допомогою джерела інфрачервоного випромінювання додатково формують n≥2 незалежних потоків випромінювання з довжиною хвилі, на якій відсутнє поглинання газу, що аналізується, і утворюють опорні канали. 4. Спосіб за будь-яким з пп.1-3, який відрізняється тим, що вимірювання величини поглинання інтенсивності випромінювання на виході робочої кювети здійснюють приймачем інфрачервоного випромінювання за рахунок його електричної модуляції синхронно з формуванням потоку випромінювання відповідного каналу. 5. Спосіб за будь-яким з пп.1-4, який відрізняється тим, що джерело інфрачервоного випромінювання містить активні елементи з р-n-переходами. Винахід відноситься до сфери аналітичного приладобудування і може бути застосований при розробці малогабаритних інфрачервоних газоаналізаторів для виміру концентрацій найбільш поширених забруднювачів атмосфери газів, а також відпрацьованих газів транспортних засобів, промислових підприємств, енергетичних установок. Відомий спосіб аналізу газів [1] в якому оптичне випромінювання з довжиною хвилі, рівній довжині хвилі власного поглинання газу на вході кювети розділяють на N потоків, де N≥2, кожен з яких пропускають по оптичному шляху різної довжини, а на виході із газової кювети потоки об'єднують і реєструють сумарну інтенсивність пройдених потоків, по яких визначають концентрацію газу. Недоліком даного способу є збільшення похибки при вимірюванні концентрацій газу з заданою точністю і чутливістю у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, зв'язаних з забрудненням оптичних елементів з часом та похибки обумовлені впливом зовнішніх факторів. Відомий спосіб аналізу газів інфрачервоним методом [2] 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 і точність способу, збільшення похибки при вимірюванні концентрацій газу з заданою точністю і чутливістю у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, зв'язаних з забрудненням оптичних елементів вимірювальної кювети з часом та похибки обумовлені впливом зовнішніх факторів. Відомий спосіб визначення концентрації газів у газовій суміші [3], взятий за прототип, у якому ви значення концентрації газів у газовій суміші здійснюють шляхом прийому оптичного випромінювання, що пройшло через газову суміш, вимірювальним і опорним каналами, число яких відповідає числу шуканих газів у газовій суміші. При прийманні випромінювання в перший інтервал часу фіксують просторове положення оптичних входів вимірювального й опорного каналів для кожного шуканого газу, а потім міняють просторове положення вимірювального й опорного каналів так, що оптичний вхід вимірювального каналу займає просторове положення оптичного входу опорного каналу й навпаки. Після цього в другий вимірювальний інтервал часу приймають оптичне випромінювання, що пройшло через газову суміш й визначають концентрацію шуканого газу по вихідних сигналах вимірювального й опорного каналів, прийнятим у два інтервали часу. Просторове положення оптичних входів вимірювального й опорного каналів змінюють шляхом закріплення фотоелектричних приймачів кожного каналу на насадженому на вал двигуна диску, змістивши їх один по відношенню до другого на кутову відстань, рівну 180°. Недоліком даного способу визначення концентрації газів у газовій суміші є наявність механічного переміщення приймачів інфрачервоного випромінювання та необхідності їх високоточного просторового встановлення в пристрої, що зменшує надійність і точність способу. Завданням винаходу є розробка такого способу визначення концентрації газів, який дозволяє визначити концентрацію газів з заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні концентрацій газів та підвищити його надійність. Поставлене завдання вирішується тим, що в способі вимірювання концентрації газів, в якому шляхом виміру приймачем інфрачервоного випромінювання, різниці інтенсивностей пройдених потоків, які від джерела інфрачервоного випромінювання проходять через робочу кювету та по їх зміні визначають концентрацію газу, відрізняється тим, що джерело інфрачервоного випромінювання формує n≥2 незалежних потоків випромінювання з довжиною хвилі, яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, що аналізується, незалежні потоки випромінювання проходять в різні інтервали часу через різні точки поперечного пе 5 рерізу робочої кювети, а концентрація газу, що аналізується і прокачується через робочу кювету визначається із співвідношення 1 n Uic Cx = ∑ ln , αLn i=1 Ui0 де Сх - концентрація газу, що аналізується; α - коефіцієнт поглинання газу, що аналізується і залежить від ступеня узгодження спектрів поглинання газу, спектральної характеристики джерела інфрачервоного випромінювання і спектральної чутливості приймача інфрачервоного випромінювання; L - довжина робочої кювети; n - кількість незалежних потоків випромінювання, що утворені джерелом інфрачервоного випромінювання; Uiс - напруга на фотоприймачі при попаданні іго потоку випромінювання з довжиною хвилі, яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, що аналізується і пройшов через робочу кювету; Ui0 - напруга на фотоприймачі при попаданні іго потоку випромінювання з довжиною хвилі, яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, що аналізується і пройшов через робочу кювету при калібровці. 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 похибки обумовленої впливом зовнішніх факторів (тиск, температура) досягається за рахунок того, що джерело інфрачервоного випромінювання формує в різні інтервали часу незалежні потоки випромінювання, що просторово розділені, але проходять через робочу кювету. Завдяки цьому досягається сканування оптичними потоками об'єму робочої кювети та створення n вимірювальних та n опорних каналів. Вимірювання величини поглинання інтенсивності випромінювання на виході робочої кювети відбувається приймачем інфрачервоного випромінювання в різних точках поперечного перерізу робочої кювети незалежно. Кінцевий результат обробки сигналів виводиться на пристрій для індикації. Відсутність механічних частин, що обертаються збільшує надійність даного способу. На кресленні наведена функціональна схема реалізації даного способу. Запропонований спосіб реалізується таким чином: Джерело 1 інфрачервоного випромінювання оптично зв'язане з приймачем 6 інфрачервоного випромінювання через прозорі для оптичного випромінювання вікна робочої 4 кювети. Приймач 6 інфрачервоного випромінювання розташований у фокусі параболічного 5 дзеркала за робочою 4 кюветою, вихід якого через підсилювач 7 з'єднаний з блоком 8 обробки сигналів в який входять аналогово-цифровий 9 перетворювач, мікропроцесор 10 і пристрій 11 для індикації. Активні 2 елементи джерела 1 інфрачервоного випромінювання, які розміщені на різних відстанях від його оптичної осі, включаються за допомогою імпульсного блока 12 88374 6 живлення, який в свою чергу з'єднаний з блоком 8 обробки сигналів. В перший момент часу, джерело 1 інфрачервоного випромінювання формує і-ий оптичний потік з довжиною хвилі в максимумі, яка співпадає з максимумом довжини хвилі поглинання газу, що аналізується, якому відповідає певне просторове розміщення і-го вимірювального каналу в робочій 4 кюветі. Вимірювання величини поглинання і-ої інтенсивності випромінювання на виході робочої 4 кювети відбувається приймачем 6 інфрачервоного випромінювання синхронно з формуванням оптичного потоку. Електричний і-ий сигнал з виходу приймача 6 інфрачервоного випромінювання попадає на підсилювач 7 з'єднаний з блоком 8 обробки сигналів, де відбувається запис величини і-го сигналу в ПЗУ мікропроцесора 10. У наступний момент часу, джерело 1 інфрачервоного випромінювання формує (і+1)-ий оптичний потік з довжиною хвилі в максимумі, яка співпадає з максимумом довжини хвилі поглинання газу, що аналізується, якому відповідає своє просторове розміщення (і+1) вимірювального каналу в робочій 4 кюветі. Вимірювання величини поглинання (і+1)ої інтенсивності випромінювання на виході робочої 4 кювети відбувається приймачем 6 інфрачервоного випромінювання синхронно з формуванням оптичного потоку. Електричний (і+1)-ий сигнал з виходу приймача 6 інфрачервоного випромінювання попадає на підсилювач 7 з'єднаний з блоком 8 обробки сигналів, де відбувається запис величини (і+1)-го сигналу в ПЗУ мікропроцесора 10. Програмне включення активних елементів джерела 1 інфрачервоного випромінювання приводить до формування п незалежних оптичних потоків, які просторово розділені в об'ємі робочої 4 кювети і створюють n вимірювальних каналів. Електричні сигнали з виходу приймача 6 інфрачервоного випромінювання попадають на підсилювач 7 з'єднаний з блоком 8 обробки сигналів, де відбувається програмний запис величини n сигналів в ПЗУ мікропроцесора 10. При прокачуванні через робочу 4 кювету повітря або нульового газу, програмне включення активних елементів джерела 1 інфрачервоного випромінювання приводить до формування n незалежних оптичних потоків, яким відповідають певні просторові розміщення n опорних каналів в об'ємі робочої 4 кювети. Величини електричних сигналів з виходу приймача 6 інфрачервоного випромінювання записуються в ПЗУ мікропроцесора 10 згідно програми включення активних 2 елементів джерела 1 інфрачервоного випромінювання. Пропорційно до ступеня ослаблення і-го оптичного потоку, при певному просторовому розміщенні і-го вимірювального каналу в робочій 4 кюветі, блоком 8 обробки сигналів створюється різниця напруг Uic і Ui0, яка в свою чергу пропорційна концентрації газу, що аналізується. Кінцевий результат вимірювання концентрації газу, що аналізується виводиться на пристрій 11 індикації і визначається із співвідношення 1 n Uic Cx = ∑ ln , αLn i=1 Ui0 де Сх - концентрація газу, що аналізується; 7 α - коефіцієнт поглинання газу, що аналізується і залежить від ступеня узгодження спектрів поглинання газу, спектральної характеристики джерела інфрачервоного випромінювання і спектральної чутливості приймача інфрачервоного випромінювання; L - довжина робочої кювети; n - кількість незалежних потоків випромінювання, що утворені джерелом інфрачервоного випромінювання; Uic - напруга на фотоприймачі при попаданні іго потоку випромінювання з довжиною хвилі, яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, що аналізується і пройшов через робочу кювету; Ui0 - напруга на фотоприймачі при попаданні іго потоку випромінювання з довжиною хвилі, яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, що аналізується і пройшов через робочу кювету при калібровці, і виводиться на пристрій 11 індикації. Вирівнювання інтенсивностей сформованих оптичних потоків n опорних каналів відбувається незалежно один від одного за допомогою імпульсного блока 12 живлення, який в свою чергу з'єднаний з блоком 8 обробки сигналів при прокачуванні через робочу 4 кювету повітря або нульового газу (калібровці). За п.2 формули винаходу запропонований спосіб реалізується таким же чином як у п.1. Величини електричних сигналів з виходу приймача 6 інфрачервоного випромінювання, що отримані при проходженні незалежних оптичних потоків в об'ємі робочої 4 кювети і створюють п вимірювальних каналів та n опорних каналів записуються в ПЗУ мікропроцесора 10 згідно програми включення активних 2 елементів джерела 1 інфрачервоного випромінювання. Блоком 8 обробки сигналів записується в ПЗУ мікропроцесора 10 також сумарне значення величини електричних сигналів з виходу приймача 6 інфрачервоного випромінювання, що отримані при проходженні незалежних оптичних потоків в об'ємі робочої 4 кювети через n вимірювальних каналів та сумарне значення величини електричних сигналів з виходу приймача 6 інфрачервоного випромінювання, що отримані при проходженні незалежних оптичних потоків в об'ємі робочої 4 кювети через n опорних каналів. Кінцевий результат вимірювання концентрації газу, що аналізується виводиться на пристрій 11 індикації і визначається із співвідношення n ∑ Uic Cx = 1 ln i=1 n αL , ∑ Ui0 i=1 де Сх - концентрація газу, що аналізується; α - коефіцієнт поглинання газу, що аналізується і залежить від ступеня узгодження спектрів поглинання газу, спектральної характеристики джерела інфрачервоного випромінювання і спектральної чутливості приймача інфрачервоного випромінювання; L - довжина робочої кювети; 88374 8 n - кількість незалежних потоків випромінювання, що утворені джерелом інфрачервоного випромінювання; Uic - напруга на фотоприймачі при попаданні 1го потоку випромінювання з довжиною хвилі, яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, що аналізується і пройшов через робочу кювету; Ui0 - напруга на фотоприймачі при попаданні iго потоку випромінювання з довжиною хвилі, яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, що аналізується і пройшов через робочу кювету при калібровці. За п.3 формули винаходу запропонований спосіб реалізується таким же чином як у п.1 або п.2, якщо кількість (n≥2) сформованих незалежних потоків випромінювання з довжиною хвилі, яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, що аналізується рівна кількості (m≥2) сформованих активними 3 елементами джерела 1 інфрачервоного випромінювання, які розміщені на різних відстанях від його оптичної осі, включаються за допомогою імпульсного блока 12 живлення, який в свою чергу з'єднаний з блоком 8 обробки сигналів, незалежних потоків випромінювання з довжиною хвилі на якій відсутнє поглинання газу, що аналізується і утворюють опорні канали. У цьому випадку калібровка може проводитися і без прокачування через робочу 4 кювету повітря або нульового газу, що також підвищує надійність способу. При різній кількості (n≥2) сформованих незалежних потоків випромінювання з довжиною хвилі, яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, що аналізується і (m≥2) сформованих незалежних потоків випромінювання з довжиною хвилі на якій відсутнє поглинання газу, що аналізується, концентрація газу, який прокачується через робочу 4 кювету і аналізується, визначається із співвідношення згідно п.2 формули винаходу. За п.4 формули винаходу, для підвищення надійності запропонованого способу вимірювання величини поглинання інтенсивності випромінювання на виході робочої кювети відбувається приймачем інфрачервоного випромінювання за рахунок його електричної модуляції синхронно з формуванням потоку випромінювання відповідного каналу. За п.5 формули винаходу, використання активних елементів з р-n-переходами у складі джерела 1 інфрачервоного випромінювання інфрачервоного випромінювання суттєво підвищить надійність та швидкодію запропонованого способу. Таким чином, наявність сформованих (п≥2) незалежних потоків випромінювання в різні інтервали часу з довжиною хвилі, яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, що аналізується та сформованих (m≥2) незалежних потоків випромінювання в різні інтервали часу з довжиною хвилі на якій відсутнє поглинання газу, що аналізується, розміщення їх в різних точках поперечного перерізу робочої кювети дозволяє вимірювати концентрації газів, шляхом обробки вихідних сигналів вимірювальних і опорних каналів, в широкому діапазоні з заданою точністю і чутливістю у випадку збільшення неселективних втрат випромі 9 88374 нювання, зв'язаних з забрудненням вікон кювети з часом та зменшення похибки обумовленою впливом зовнішніх факторів (тиск, температура). Джерела інформації: 1. Заявка на патент РФ №96123856, G01N21/61, Опублікована1999.02.10. Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 10 2. Патент України №61695, G01N21/01, Опублікований 2003.11.17. 3. Патент РФ №2075066, кл. G01N21/61, G01N21/15, Опублікований 1997.03.10. Підписне Тираж 28 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