Пристрій для вимірювання концентрації газів

Реферат: Пристрій для вимірювання концентрації газів містить джерела випромінювання, квазівідкриті фільтри, в яких встановлені вимірювальні кювети, детектори оптичного випромінювання з підсилювачами, функціональні перетворювачі, причому детектори з підсилювачами з'єднані з функціональними перетворювачами, аналоговим комутатором, аналого-цифровим перетворювачем, блоком управління та обчислювальним блоком, до виходу якого підключені блоки індикації та реєстрації, цифровий канал зв'язку з'єднаний із системою аерогазового захисту вугільних шахт і промислових підприємств. UA 84218 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ КОНЦЕНТРАЦІЇ ГАЗІВ UA 84218 U UA 84218 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі аналітичного вимірювання концентрації газів переважно в робочих умовах експлуатації та може бути використана для вимірювання високої концентрації найпоширеніших забруднювачів (CO, CO2, CH4, NO), які присутні у складі відпрацьованих газів транспортних засобів, рудничної атмосфери вугільних шахт, енергетичних установок, а також в системах екологічного моніторингу. Відомі пристрої оптичних вимірювачів концентрації газу [Dakin J.P., Croydon W.F. "Applications of Fibre Optics in Gas Sensing". Review at ECOC/LAN Amsterdam June.-1988.-14 p.; Миронов С.А. Волоконно-оптический датчик концентрации метана: расчет основных характеристик / С.А. Миронов // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.-2007. Вестник 44. - C. 72-78], які складаються з джерела інфрачервоного випромінювання (яке може модулюватися), волоконно-оптичної лінії, в розриві якої знаходиться вимірювальна комірка, через яку прокачується газ, на виході оптичного волокна знаходиться фотоприймач інфрачервоного випромінювання, сигнал з якого надходить до мікропроцесора. Недоліком даних пристроїв є те, що при вимірюванні високих концентрацій газу, через нелінійність характеристики перетворення вимірювачів, істотно знижується чутливість їх вихідного сигналу до зміни контрольованого параметра. Чутливість вихідної напруги об. % вимірювачів до зміни концентрації метану складає не менш 0,25 В/ у діапазоні малих об. % концентрацій газу від 0 до 4 , що цілком задовольняє технічним умовам для даних об. % вимірювачів. У діапазоні ж високих концентрацій від (30÷60) до 100 , її величина знижується об. % до 4,1 мВ/ та стає сумісною з рівнем власних шумів вихідної напруги вимірювального каналу, що призводить до збільшення відносної похибки вимірювань від 0,5 до 9 % із об. % зростанням концентрації метану від (30÷60) до 100 . Отже, такого типу пристрої без урахування та компенсації нелінійності характеристики перетворення вимірювача не можуть бути використані при вимірюванні високих концентрацій газу 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, MПК G01N 21/000, опубл. 25.11.2011р.]. 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 управління 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 управління, а аналого-цифровий перетворювач з'єднано з обчислювальним блоком і блоком управління. Недоліком відомого пристрою є те, що при вимірюванні високих концентрацій аналізованого об. % газу від (30÷60) до 100 без урахування та компенсації нелінійності характеристики перетворення, збільшується відносна похибка вимірювань концентрації до значення не менше 9 %. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення пристрою вимірювання концентрації газу, в якому за рахунок використання нових конструктивних елементів та їх зв'язків з компенсацією нелінійності характеристики перетворення вимірювача забезпечується підвищення точності вимірювача у всьому діапазоні вимірюваного газового компоненту (від 0 до об 100 %) при збереженні необхідної швидкодії пристрою. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій для вимірювання концентрації газів, що містить джерела випромінювання, квазівідкриті фільтри, в яких встановлені вимірювальні кювети, детектори оптичного випромінювання з підсилювачами, функціональні перетворювачі, причому детектори з підсилювачами з'єднані з функціональними перетворювачами, аналоговим комутатором, аналого-цифровим перетворювачем, блоком управління та обчислювальним блоком, до виходу якого підключені блоки індикації та реєстрації, цифровий канал зв'язку з'єднаний із системою аерогазового захисту вугільних шахт і промислових підприємств, згідно корисної моделі, пристрій додатково оснащений нормуючим перетворювачем і блоком вибору діапазону вимірювань, вхід нормуючого перетворювача підключений до функціонального перетворювача, а вихід нормуючого перетворювача підключений до аналогового комутатора, крім того, нормуючий перетворювач має вхід управління, до якого підключений вихід блоку 1 UA 84218 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 вибору діапазону вимірювань, при цьому вхід блоку вибору діапазону вимірювань підключений до блоку управління. Даний пристрій дозволяє за рахунок компенсації нелінійності характеристики перетворення збільшити точність контролю великих концентрацій аналізованого газу, при цьому зберігається необхідна швидкодія. Використання запропонованого пристрою дозволить своєчасно, в режимі реального часу, виконувати необхідні вимірювання, що зменшить вірогідність виникнення вибухонебезпечних ситуацій при потужних раптових викидах газу. На фіг. 1 наведено структурну схему одноканального пристрою для вимірювання концентрації газів, де 1 - джерело струму для живлення джерела випромінювання; 2 - джерело випромінювання однієї з оптичних кювет; 3 - оптична вимірювальна кювета; 4 - детектор оптичного випромінювання з підсилювачем; 5 - функціональний перетворювач; 6 - нормуючий перетворювач; 7 - блок вибору діапазону вимірювань; 8 - блок управління; 9 - обчислювальний блок з аналоговим комутатором і аналого-цифровим перетворювачем; 10 - блок індикації та реєстрації; 11 - цифровий канал зв'язку; 12 - система аерогазового захисту промислових підприємств. На фіг. 2 наведено залежність зміни вихідної напруги нормуючого перетворювача 6 від зміни об. концентрації метану в діапазоні вибухонебезпечних концентрацій від 0 до 4,0 %. На фіг. 3 наведено залежність зміни вихідної напруги нормуючого перетворювача 6 від зміни об. % концентрації метану в діапазоні від 0 до 100 , де 1 - характеристика перетворення вимірювача; 2 - характеристика перетворення після лінеаризації, яку одержують шляхом множення на її зворотну функцію. Робота пристрою здійснюється під управлінням блоку 8 та полягає в наступному. Потік випромінювання від джерела випромінювання 2, який живеться від імпульсного джерела струму 1, поступає до вимірювальної оптичної кювети 3. Джерело випромінювання 2 встановлено на одній стороні вимірювальної кювети, а детектор оптичного випромінювання з підсилювачем 4 розташований на одній осі щодо джерела 2 на іншій стороні вимірювальної кювети. Вихідний імпульсний сигнал детектора оптичного випромінювання з підсилювачем 4 поступає на вхід функціонального перетворювача 5, який перетворює амплітуду вихідного імпульсного сигналу в середнє значення. Вихідний сигнал функціонального перетворювача 5 поступає на вхід нормуючого перетворювача 6. Заздалегідь блоком управління 8 подається управляючий сигнал на блок вибору діапазону 7 і вибирається діапазон малих концентрацій вимірюваного газового компоненту. Залежність вихідної напруги нормуючого перетворювача 6 від зміни концентрації об. % метану в діапазоні вибухонебезпечних концентрацій від 0 до 4,0 наведено на фіг. 2. Вихідний сигнал нормуючого перетворювача 6 поступає на аналоговий комутатор, який за сигналом блоку управління 8 комутує необхідний аналоговий вимірювальний канал до входу аналого-цифрового перетворювача, одержаний цифровий сигнал передається до обчислювального блока 9. В обчислювальному блоці 9 на підставі зміряної напруги розраховується значення концентрації газу. Характеристика перетворення вимірювача об практично лінійна в діапазоні малих концентрацій газу (від 0 до 4 %), при цьому чутливість об. % вихідної напруги до зміни концентрації метану складає 1,25В/ . Тому в обчислювальному блоці 9 розраховується значення концентрації газу шляхом помноження на величину, яка зворотна коефіцієнту чутливості вихідної напруги до вимірюваної концентрації газу, величина об. % якої складає 0,80 /В. Після розрахунку значення концентрації газу в обчислювальному блоці 9 виконується аналіз одержаного результату. Якщо зміряне значення менше ніж 90 % від верхньої межі діапазону вимірювань, то під управлінням блока 8 дані про концентрацію газового компоненту виводяться на блок індикації та реєстрації 10 і засобами цифрового каналу зв'язку 11 передаються до системи аерогазового захисту промислових підприємств 12. Якщо зміряне значення більш ніж 90 % від верхньої межі діапазону вимірювань вибухонебезпечної об. % концентрації газу (4 ), то блок управління 8 формує сигнал для перемикання діапазону об. % вимірювань великих концентрацій газу (до 100 ). Даний сигнал поступає на блок вибору діапазону вимірювань 7, який зменшує коефіцієнт передачі за напругою нормуючого перетворювача 6 в п'ять разів. Залежність вихідної напруги нормуючого перетворювача 6 від об зміни концентрації метану в діапазоні великих концентрацій до 100 % наведено на фіг. 3, положення 1. Після перемикання діапазону вимірювань вихідний аналоговий сигнал нормуючого перетворювача 6 також перетворюється в цифрову форму блоком 9. Зміряну напруги перераховують через зворотну функцію характеристики перетворення і визначають безпосередньо концентрацію газу (див. фіг. 3, положення 2) за наступним співвідношенням: UНП 1 , C   ln k UНП  UНП(С) 2 UA 84218 U об. % 5 10 15 20 25 де C  - розраховане значення концентрації аналізованого газу, ; UНП - діапазон зміни вихідної напруги нормуючого перетворювача, В; UНП(С) - зміряна напруга нормуючого перетворювача, величина якого пропорційна вимірюваній концентрації газу в другому діапазоні вимірювань, В; - масштабний коефіцієнт характеристики перетворення вимірювача за концентрацією k об. % -1 газу, ( ) ; ln - натуральний логарифм. Розраховане значення концентрації аналізованого газу також передається на індикацію, до системи аерогазового захисту промислових підприємств. Процедура вимірювання та розрахунку концентрації аналізованого газу повторюється циклічно у всьому інтервалі роботи пристрою. Використання запропонованого пристрою дозволяє забезпечити необхідну швидкодію при вимірюванні концентрації газів, а визначення концентрації аналізованого газу в двох діапазонах вимірювань дозволить одержати необхідні показники точності, як в діапазоні об вибухонебезпечних концентрацій газу від 0 до 4 % безпосередньо по характеристиці об. % перетворення, так і в діапазоні високих концентрацій газу від (30÷60) до 100 при лінеаризації характеристики перетворення вимірювача, яку помножують на зворотну функцію програмними методами цифрової обробки результатів вимірювань. Без використання лінеаризації характеристики перетворення вимірювача в діапазоні вимірювань від (30÷60) до об. % 100 визначення концентрації аналізованого газу здійснюється з відносною похибкою вимірювань від 1 до 9 %. Визначення концентрації газу при лінеаризації характеристики перетворення відбувається з відносною похибкою до 0,2 %, значення якої суттєво зменшується, у цьому діапазоні вимірювань. Запропонований пристрій дозволяє істотно підвищити точність вимірювачів великих об. % концентрацій газів (від (30÷60) до 100 ) практично в 18 разів при необхідних значеннях швидкодії та метрологічної надійності. Використання даного пристрою як стаціонарного вимірювача концентрації газів за рахунок обліку та компенсації нелінійності характеристики перетворення дозволить безперервно контролювати високу концентрацію небезпечних газів, при їх потужних раптових викидах в атмосферу робочої зони підприємств. 30 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 Пристрій для вимірювання концентрації газів, що містить джерела випромінювання, квазівідкриті фільтри, в яких встановлені вимірювальні кювети, детектори оптичного випромінювання з підсилювачами, функціональні перетворювачі, причому детектори з підсилювачами з'єднані з функціональними перетворювачами, аналоговим комутатором, аналого-цифровим перетворювачем, блоком управління та обчислювальним блоком, до виходу якого підключені блоки індикації та реєстрації, цифровий канал зв'язку з'єднаний із системою аерогазового захисту вугільних шахт і промислових підприємств, який відрізняється тим, що пристрій додатково оснащений нормуючим перетворювачем і блоком вибору діапазону вимірювань, вхід нормуючого перетворювача підключений до функціонального перетворювача, а вихід нормуючого перетворювача підключений до аналогового комутатора, крім того, нормуючий перетворювач має вхід управління, до якого підключений вихід блока вибору діапазону вимірювань, при цьому вхід блока вибору діапазону вимірювань підключений до блока управління. 3 UA 84218 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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