Пристрій для вимірювання концентрації газів

Реферат: Винахід належить до області газового аналізу з використанням інфрачервоного оптикоабсорбційного методу контролю концентрації газів. Пристрій для вимірювання концентрації газів містить джерело випромінювання, квазівідкритий фільтр з вимірювальною кюветою, причому детектор оптичного випромінювання з підсилювачем з'єднаний з функціональним перетворювачем, аналоговим комутатором, аналого-цифровим перетворювачем, блоком керування та обчислювальним блоком, до виходу якого підключений блок індикації та реєстрації. Блок керування підключений до обчислювального блока та цифрового каналу зв'язку, що з'єднаний із системою аерогазового захисту вугільних шахт. Згідно з винаходом, пристрій оснащений підсилювачем напруги джерела випромінювання, яке виконано у вигляді світлодіода. Вхід підсилювача напруги підключений до світлодіода, а його вихід - до входу функціонального перетворювача. Крім того, пристрій оснащено суматором і нормуючим перетворювачем. Запропонований пристрій дозволяє істотно підвищити точність вимірювання концентрації газів у всьому діапазоні вимірюваного газового компонента за рахунок компенсації температурного дрейфу при необхідному значенні швидкодії. UA 106446 C2 (12) UA 106446 C2 UA 106446 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до області аналітичного вимірювання концентрації газів переважно в робочих умовах експлуатації при зміні температури аналізованої газової суміші та може бути використаний для вимірювання концентрації найпоширеніших забруднювачів (CO, CO2, СН4, NО), які присутні у складі відпрацьованих газів транспортних засобів, рудничної атмосфери вугільних шахт, атмосфери промислових підприємств, енергетичних установок, а також в системах екологічного моніторингу. Відомий пристрій контролю вибухонебезпечної концентрації газу в атмосфері підземних вироблень з датчиками концентрації газу у вигляді сенсорних оптичних осередків (Берикашвили В.Ш., Хиврин М.В. Волоконно-оптические системы контроля атмосферы угольных шахт // Радиотехника. - 2001. - № 5. - С. 21-27), що складається з сенсорного оптичного осередку, який включає корпус з вікнами для доступу всередину його повітря, з двома дзеркалами та вмонтованим в торець корпусу відрізком оптичного волокна волоконно-оптичного кабелю, по якому від системи індикації вибухонебезпечної концентрації газу на відрізок оптичного волокна подається світловий сигнал, який з відрізка оптичного волокна надходить до першого дзеркала, відображається від нього, потрапляє на друге дзеркало, відображається від нього та назад надходить на перше дзеркало, відображається від якого та надходить на відрізок оптичного волокна, входить в нього і по волоконно-оптичному кабелю повертається до системи індикації вибухонебезпечної концентрації газу. Недоліком даного пристрою є те, що при зміні температури досліджуваної газової суміші, як одного з основних найістотніше дестабілізуючих факторів, збільшується додаткова адитивна складова похибки результатів вимірювань концентрації аналізованого газу. Згідно з технічними вимогами до даних вимірювачів, величина додаткової абсолютної похибки, яку обумовлено зміною цього дестабілізуючого фактора, не повинна перевищувати подвоєного значення основної абсолютної похибки. Але зміна температури призводить до збільшення додаткової похибки практично на порядок і вище. Тому подібного типу пристрої без компенсації впливу температури мають обмежену сферу застосування та не можуть виконувати вимірювання вибухонебезпечних і токсичних газів в атмосфері робочої зони підприємств з необхідними показниками точності та метрологічної надійності. Найближчим за технічною суттю до пристрою, що заявляється, є пристрій для вимірювання концентрації газів (Патент UA на винахід № 96662 С2, MПK G 01 N21/000, опубл. 25.11.2011 р.). Суть прототипу полягає в наступному. Пристрій для вимірювання концентрації газів, який містить джерела випромінювання, дві вимірювальні кювети, два детектори оптичного випромінювання з підсилювачами, два функціональні перетворювачі, причому виходи підсилювачів детекторів з'єднано з входами функціональних перетворювачів, блок керування та обчислювальний блок, до виходу якого підключені блоки індикації, реєстрації й цифрового каналу зв'язку з системою аерогазового захисту вугільних шахт і промислових підприємств. Пристрій додатково оснащений квазівідкритими фільтрами, які встановлені у вимірювальних кюветах, комутатором аналогових сигналів та аналого-цифровим перетворювачем, детектори оптичного випромінювання через підсилювачі й функціональні перетворювачі з'єднано з аналого-цифровим перетворювачем через комутатор аналогових сигналів, при цьому комутатор з'єднано з блоком керування, а аналого-цифровий перетворювач з'єднано з обчислювальним блоком і блоком керування. Недоліком відомого пристрою є те, що при живленні світлодіода імпульсами струму амплітудою не менше 400 мА із шпаруватістю (50÷100) зміна напруги світлодіода від зміни температури складає мінус (1,3±0,2) мВ/°С. Ця температурна нестабільність світлодіода істотно впливає на температурну нестабільність вихідної напруги вимірювача, величина якої складає 0,57 В/°С в діапазоні температур від +5 до +35 °C. При цьому чутливість вихідної напруги об. % вимірювача від зміни концентрації метану складає 0,51 В/° , що призводить до додаткової абсолютної похибки вимірювань концентрації газу від зміни температури, величина якої складає об. % не менше ±16,6 . Згідно з метрологічними вимогами, до стаціонарних метанометрів для системи газового захисту вугільних шахт величина додаткової абсолютної похибки вимірювань концентрації метану від зміни температури в діапазоні від +5 до +35 °C (20±15)°С не повинна об. % перевищувати ±0,4 (подвоєного значення основної абсолютної похибки). Отже, одержаний результат перевищує в 42 рази необхідну величину похибки. При цьому вимірювальний пристрій повинен мати високу швидкодію та необхідні метрологічні характеристики як основні у всьому вимірювальному діапазоні, так і додаткові при зміні дестабілізуючих факторів, що не забезпечується відомим пристроєм. В основу запропонованого винаходу поставлена задача удосконалення пристрою вимірювання концентрації газу, в якому за рахунок введення нових конструктивних елементів і 1 UA 106446 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 виконання компенсації зміни температури забезпечується підвищення точності вимірювача у всьому діапазоні вимірюваного газового компонента при збереженні швидкодії пристрою. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій для вимірювання концентрації газів, що містить джерело випромінювання, квазівідкритий фільтр, в якому встановлена вимірювальна кювета, детектор оптичного випромінювання з підсилювачем, функціональний перетворювач, причому детектор з підсилювачем з'єднаний з функціональним перетворювачем, аналоговим комутатором, аналого-цифровим перетворювачем, блоком керування та обчислювальним блоком, до виходу якого підключений блок індикації та реєстрації, блок керування підключений до обчислювального блока та цифрового каналу зв'язку, цифровий канал зв'язку з'єднаний із системою аерогазового захисту вугільних шахт і промислових підприємств, згідно з винаходом, пристрій оснащений підсилювачем напруги джерела випромінювання, яке виконано у вигляді світлодіода, вхід підсилювача напруги підключений до світлодіода, а вихід підсилювача підключений до входу функціонального перетворювача, крім того, пристрій оснащено суматором і нормуючим перетворювачем, до виходу функціонального перетворювача з інвертуванням фази вихідного сигналу підключений один із входів суматора, другий вхід суматора підключений до виходу підсилювача напруги світлодіода, вихід суматора підключений до нормуючого перетворювача, а вихід нормуючого перетворювача підключений до аналогового комутатора. Даний пристрій дозволяє за рахунок компенсації зміни температури збільшити точність контролю концентрації аналізованого газу, при цьому зберігається необхідна швидкодія пристрою при вимірюванні концентрації газів, що дозволяє своєчасно, в режимі реального часу виконувати необхідні вимірювання концентрації токсичних і вибухонебезпечних газів в робочій зоні й технологічних процесах промислових підприємств. На фіг. 1 наведено структурну схема одноканального пристрою для вимірювання концентрації газів, де 1 - джерело струму для живлення джерела випромінювання; 2 - джерело випромінювання (свілодіод) однієї з оптичних кювет; 3 - оптична вимірювальна кювета з квазівідкритим фільтром; 4 - детектор оптичного випромінювання з підсилювачем; 5 функціональний перетворювач; 6 - підсилювач напруги світлодіода; 7 - суматор; 8 - нормуючий перетворювач; 9 - блок керування; 10 - обчислювальний блок з аналоговим комутатором і аналого-цифровим перетворювачем; 11 - блок індикації та реєстрації; 12 - цифровий канал зв'язку; 13 - система аерогазового захисту вугільних шахт і промислових підприємств. На фіг. 2 наведено залежність зміни вихідної напруги функціонального перетворювача (5) від зміни температури в діапазоні від +22 до +36 °C, де X результати експериментальних даних; -------- - результати кусково-лінійної апроксимації зміни напруги від температури. На фіг. 3 наведено залежність зміни напруги світлодіода (2) від зміни температури в діапазоні від +22 до +36 °C, де X - результати експериментальних даних; - результати кусково-лінійної апроксимації зміни напруги від температури. На фіг. 4 наведено залежність зміни вихідної напруги нормуючого перетворювача (8) від зміни температури в діапазоні від +22 до +36 °C, де X - результати експериментальних даних; - результати кусково-лінійної апроксимації зміни напруги від температури. Робота пристрою здійснюється під керуванням блока 9 і полягає в наступному. Потік випромінювання від джерела випромінювання 2, який живеться від імпульсного джерела струму 1, надходить у вимірювальну оптичну кювету з квазівідкритим фільтром 3. Квазівідкритий фільтр використаний для зменшення турбулентності аналізованої газової суміші, до складу якої входять частки пилу. При проходженні турбулентного газового потоку крізь квазівідкритий фільтр суттєво зменшуються ті складові швидкості руху часток пилу, які відносять їх на вікна джерела випромінювання 2 та детектора оптичного випромінювання з підсилювачем 4. Тим самим зменшується вплив запилення джерела випромінювання 2 та детектора оптичного випромінювання з підсилювачем 4 при роботі пристрою в реальних умовах експлуатації. Джерело випромінювання 2 встановлено на одній стороні вимірювальної кювети, а детектор оптичного випромінювання з підсилювачем 4 розташовано на одній осі до джерела 2 на іншій стороні вимірювальної кювети. Вихідний імпульсний сигнал детектора оптичного випромінювання з підсилювачем 4 надходить на вхід функціонального перетворювача 5, який перетворює амплітуду вихідного імпульсного сигналу в середнє значення. Вихідний сигнал функціонального перетворювача містить інформацію, як про вимірювану концентрацію газового компонента, так і про зміну температури. На фіг. 2 наведено залежність вихідної напруги функціонального перетворювача 5 від зміни температури, при цьому концентрація вимірюваного компоненту дорівнює нулю. Одночасно напруга світлодіода 2 поступає на підсилювач 6, залежність зміни напруги світлодіода від температури наведено на фіг. 3. 2 UA 106446 C2 5 10 15 20 Сигнали від функціонального перетворювача 5 та підсилювача напруги світлодіода 6 надходять на суматор 7, який додатково інвертує фазу вихідного сигналу функціонального перетворювача 5. Подальше перетворення вихідного сигналу здійснюється нормуючим перетворювачем 9, який нормує характеристику перетворення до необхідного вхідного рівня аналого-цифрового перетворювача, який разом з аналоговим комутатором входить до складу обчислювального блоку 10. Під керуванням блоку 9 дані про концентрацію газового компоненту виводяться на блок індикації та реєстрації 11 і по засобам цифрового каналу зв'язку 12 передаються до системи аерогазового захисту вугільної шахти і промислових підприємств 13. Використання запропонованого пристрою з компенсацією температури у вихідному сигналі вимірювального каналу та його апаратна реалізація, дозволяють зменшити величину об. % додаткової похибки вимірювань концентрації досліджуваного газу до 0,25 . Одержана об. % величина в 66 разів менше, ніж її значення до компенсації (16,6 ) та в 1,6 разу менше значення відповідної додаткової похибки за технічними вимогами до даних вимірювачів (не об. % більш ±0,4 ). Запропонований пристрій дозволяє істотно підвищити точність вимірювачів концентрації газів у всьому діапазоні вимірюваного газового компоненту за рахунок компенсації температурного дрейфу при необхідному значенні швидкодії. Використання даного пристрою як стаціонарного вимірювача концентрації газів дозволить безперервно контролювати концентрацію небезпечних газів в атмосфері робочої зони підприємств в умовах підвищеної токсичності та вибухонебезпеки газових компонент. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 Пристрій для вимірювання концентрації газів, що містить джерело випромінювання, квазівідкритий фільтр, в якому встановлена вимірювальна кювета, детектор оптичного випромінювання з підсилювачем, функціональний перетворювач, причому детектор з підсилювачем з'єднаний з функціональним перетворювачем, аналоговим комутатором, аналого-цифровим перетворювачем, блоком керування та обчислювальним блоком, до виходу якого підключений блок індикації та реєстрації, блок керування підключений до обчислювального блока та цифрового каналу зв'язку, цифровий канал зв'язку з'єднаний із системою аерогазового захисту вугільних шахт і промислових підприємств, який відрізняється тим, що пристрій оснащений підсилювачем напруги джерела випромінювання, яке виконано у вигляді світлодіода, вхід підсилювача напруги підключений до світлодіода, а вихід підсилювача підключений до входу функціонального перетворювача, крім того, пристрій оснащено суматором і нормуючим перетворювачем, до виходу функціонального перетворювача з інвертуванням фази вихідного сигналу підключений один із входів суматора, другий вхід суматора підключений до виходу підсилювача напруги світлодіода, вихід суматора підключений до нормуючого перетворювача, а вихід нормуючого перетворювача підключений до аналогового комутатора. 3 UA 106446 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4