Волоконно-оптична система газового контролю

Реферат: UA 86363 U UA 86363 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області пристроїв контролю і призначена для вимірювання та контролю концентрації вибухонебезпечних, токсичних, агресивних і отруйних газів у хімічній промисловості, нафтогазовому комплексі, видобутку корисних копалин, житлово-комунальному секторі, у довкіллі тощо, як необхідною умовою технологічного процесу, безпеки виробництва та контролю екологічного стану середовища. Контроль концентрацій найбільш поширених забруднювачів атмосфери газів (наприклад CO, CO2, NO та ін.), вибухонебезпечних газів (наприклад С3Н8, С2Н4, С2Н2 і ін.), токсичних, агресивних і отруйних газів та можливість здійснювати контроль газового середовища при радіаційній дії, в агресивних та небезпечних для обладнання і людини середовищах залишається актуальним питанням. Такий контроль підвищує достовірність отриманої інформації, що впливає на прийняття відповідних рішень, а подальший моніторинг газового середовища є важливою складовою безпеки перебування в даній зоні. 2009 Відомий винахід [Пат. 52839 України, МПК А61В 5/00, G01R 31/36. Система автоматичного табельного обліку, визначення місця розташування персоналу, транспортних засобів, стану газового середовища в шахтах, перманентного контролю серцевого, ритму кожного шахтаря і залишкової ємності акумуляторної батареї його світильника / Широков І.Б., Котляров O.K.; заявники та патентовласники Широков І.Б., Котляров O.K. -№ u201003123; заявлено 18.03.2010; опубл. 10.09.2010, Бюл. № 17, 2010 p.], що складається з центрального комп'ютера диспетчера, оснащеного багатофункціональним дисплеєм, сервера системи з програмним забезпеченням, зчитувачів позиціювання, оснащених УКВ прийомо-передавачами невеликого радіусу дії і розташованих у ламповій, при вході в кліть, на рудних дворах, по горизонтах шахти в штреках, безпосередньо в зоні видобутку вугілля (лаві), оптичних, дротяних або мікрохвильових ліній зв'язку, стаціонарних датчиків рівня метану, застосованих на шахтах, шахтарських світильників і УКВ приймачів малого радіусу дії, встановлених на транспортних засобах, експлуатованих у шахті. Недоліком даної системи в частині щодо визначення стану газового середовища в шахтах є використання дротяних або мікрохвильових ліній зв'язку між складовими системи, що знижує рівень безпеки в даній зоні та зумовлює розташування складових системи практично в межах прямої видимості для забезпечення зв'язку у лаві, відповідно, та запобігання створення перешкод для мікрохвильових ліній зв'язку. У разі використання оптичних ліній для зв'язку, наприклад зчитувачів позиціювання та стаціонарних датчиків рівня метану, рівень безпеки в даній зоні визначатиметься безпекою використання зазначених складових. Відома система для аерогазового контролю вугільних шахт [Пат. 68802А України, МПК E21F 17/18, Е21С 35/24. Система для аерогазового контролю вугільних шахт / Іванов Ю.О.; заявник та патентовласник Іванов Ю.О. -№2003109660; заявлено 27.10.2003; опубл. 16.08.2004, Бюл. № 8] вибрана в якості прототипу, що містить розподілену по підземних виробках і з'єднану з пультом оператора апаратуру аерогазового контролю, а також обчислювальну і стаціонарну апаратури, відповідно до винаходу, як апаратуру аерогазового контролю використовують стаціонарну апаратуру аерогазового контролю, що з'єднана з пристроєм перетворення інформації через дешифратори, а як канали передачі інформації використовують телефонні лінії зв'язку. Недоліком системи є використання телефонних лінії зв'язку, як канали передачі інформації, а як апаратуру аерогазового контролю використовують стаціонарну апаратуру аерогазового контролю, зокрема аналізатори метану типу АТ1-1, АТЗ-1, що контролюють газове становище в гірничих виробках, тому рівень безпеки в даній зоні визначатиметься безпекою використання зазначених складових, а також існує чутливість до впливів зовнішніх чинників, таких, як електромагнітні завади, температура, тиск. Неможливість здійснювати контроль при радіаційній дії, в агресивних та небезпечних для обладнання та людини середовищах. Точність вимірювання концентрації газу та чутливість визначатиметься заданими характеристиками даних газоаналізаторів. Дана система автоматично не визначає місце можливого витоку небезпечного газу. В основу корисної моделі поставлено задачу створити волоконно-оптичну систему газового контролю з заданою точністю вимірювання концентрації газу і чутливістю в визначеному діапазоні концентрацій газів, та їх підвищення, підвищити надійність її роботи, мінімізувати відхилення від нормованих метрологічних характеристик в процесі експлуатації, мінімізувати чутливість до впливів зовнішніх чинників, підвищити безпеку використання таких систем, що визначатиме рівень безпеки в даній зоні, розширення функціональних можливостей, зокрема автоматично визначати місце можливого витоку небезпечного газу, а також можливість здійснювати контроль газового середовища при радіаційній дії, в агресивних та небезпечних для обладнання та людини середовищах. 1 UA 86363 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Поставлена задача вирішується тим, що в основу роботи даної корисної моделі в частині здійснення вимірювання концентрації газу поставлено оптично-абсорбційний метод; а також тим, що для побудови відповідної системи газового контролю використано елементи волоконної оптики. Поставлені задачі вирішуються тим, що створена волоконно-оптична система газового контролю складається зі зв'язаних блока перетворення, оброблення, зберігання, відображення та аналізу отриманої інформації, що надходить з реєструючого пристрою, та блока керування засобами, спрямованими на нормалізацію газового середовища та на попередження і оповіщення щодо небезпеки даної зони виробництва, а також джерела живлення випромінювача, що під'єднано до оптично зв'язаних двох джерел випромінювання, причому одне джерело випромінювання з довжиною хвилі, що відповідає спектральній лінії поглинання газу, а друге джерело випромінювання з довжиною хвилі, яка лежить за межами діапазону спектрального поглинання газу (тобто з лінією прозорості газу), випромінювання яких поширюється по світловодам оптичного розгалужувача з 2N структурою та потрібним енергетичним розподіленням по кожній точці контролю (т. 1, т.2, ..., т.Ν), який з'єднаний світловодами з вимірювальними кюветами, і створює потоки, що проходять через вимірювальні (робочі) канали, в яких розміщені однакових розмірів вимірювальні кювети, з газом, що аналізується, та, поширюючись далі по вихідним світловодам, потрапляють на приймачі випромінювання, спектральна сприйнятливість яких узгоджена зі спектральним діапазоном випромінювання двох джерел випромінювання, і за отриманими значеннями вихідних сигналів на приймачах випромінювання, що фіксуються реєструючим пристроєм та надходять до блока перетворення, оброблення, зберігання, відображення та аналізу отриманої інформації, порівнюючи дані, що отримані при роботі джерела випромінювання з довжиною хвилі, що відповідає спектральній лінії поглинання газу, з даними, що отримані при роботі джерела випромінювання з довжиною хвилі, яка лежить за межами діапазону спектрального поглинання газу, визначається концентрація газу в даній точці вимірювання відповідно до закону БугераЛамберта-Бера, згідно з корисною моделі, вимірювання потоків випромінювання на вихідних світловодах каналів відбувається приймачами випромінювання, джерелами випромінювання є напівпровідникові джерела випромінювання, причому газ прокачують через однакових розмірів вимірювальні кювети почергово, синхронно чи вибірковими групами. При використанні елементів волоконної оптики для побудови даної волоконно-оптичної система газового контролю створюється ряд переваг для використання: зростає точність вимірювання та чутливість; мінімізується чутливість до впливів зовнішніх чинників, таких, як електромагнітні завади, температура, тиск; можливість вимірювання при радіаційній дії, в агресивних та небезпечних для людини середовищах; інтегрально-оптична сумісність. Газовий контроль з заданою точністю вимірювання концентрації газу і чутливістю в визначеному діапазоні концентрацій газів у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, пов'язаних із забрудненням оптичних елементів з часом і спектральної чутливості приймачів випромінювання у відношенні до спектра поглинання досліджуваного газу під дією температури, тиску і вологості середовища, в якому знаходиться газ, досягається за рахунок використання порівнювального (опорного) сигналу, який створюється на виході приймача випромінювання при роботі джерела випромінювання з довжиною хвилі, яка лежить за межами діапазону спектрального поглинання газу, та який фіксується реєструючим пристроєм, а саме - порівнюючи дані, що характеризують отримані значення вихідного сигналу на приймачі випромінювання при роботі джерела випромінювання з довжиною хвилі, що відповідає спектральній лінії поглинання газу, з даними, що характеризують отримані значення вихідного сигналу на приймачі випромінювання при роботі джерела випромінювання з довжиною хвилі, яка лежить за межами діапазону спектрального поглинання газу, та які фіксуються реєструючим пристроєм, для даної точки вимірювання (точки контролю) відповідно, а також за рахунок прокачування газу через однакових розмірів вимірювальні кювети почергово, синхронно чи вибірковими групами. Волоконно-оптична система газового контролю містить оптично зв'язані джерела випромінювання 1 та 1’, з'єднуючі оптичні волокна 2, волоконно-оптичний розгалужувач 3 з 2N структурою та потрібним енергетичним розподіленням по кожній точці контролю (т. 1, т.2, ..., т.Ν), який з'єднаний світловодами 4 з вимірювальними кюветами 5 даних точок (т.1, т.2, ..., т.Ν), однакової довжини, що з'єднані вихідними світловодами 4 з приймачами випромінювання 6, і зв'язані реєструючий пристрій 7, блок керування засобами, спрямованими на нормалізацію газового середовища та на попередження і оповіщення щодо небезпеки даної зони виробництва 8, блок перетворення, оброблення, зберігання, відображення та аналізу отриманої інформації 9, джерело живлення випромінювача 10, де вимірювальні кювети даних точок 2 UA 86363 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 розміщені в робочій зоні 11, всі інші елементи, окрім кювет розміщених у вимірювальних (робочих) каналах, розташовані в зоні 12, що знаходиться поза зоною вимірювання 11. На кресленні наведена функціональна схема реалізації даної волоконно-оптичної системи газового контролю. Волоконно-оптична система газового контролю працює наступним чином. Джерело живлення 10 почергово вмикає джерело випромінювання 1 зі спектральним діапазоном випромінювання, який включає довжину хвилі, що відповідає спектральній лінії поглинання газу, та джерело випромінювання Γ зі спектральним діапазоном випромінювання, який включає лише довжини хвиль, які лежать за межами діапазону спектрального поглинання газу. Джерело випромінювання 1 створює потік випромінювання Ф 01|, який надходить на світловод 2, оптичний розгалужувач 3 з 2Ν структурою та потрібним енергетичним розподіленням по кожній точці контролю (т.1, т.2, ..., т.Ν), де потік випромінювання Ф|01 розподіляється на відповідні за значеннями потоки Ф01і (де і=1, 2, ...), що надходять по світловодам 4 до вимірювальних кювет 5 даних точок (т.1, т.2, ..., т.Ν). Потоки Ф01'і випромінювання, пройшовши через вимірювальні кювети 5 даних точок (т.1, т.2, ..., т.Ν) з рівними довжинами, послаблюються до величин потоків Ф1і (де 1=1,2, ...) відповідно, які, поширюючись по вихідним світловодам 4, надходять до приймачів випромінювання 6, спектральна сприйнятливість яких узгоджена зі спектральним діапазоном випромінювання, який включає довжину хвилі власного поглинання досліджуваного газу. Джерело випромінювання 1' створює потік випромінювання Φ01', який надходить на світловод 2, оптичний розгалужувач 3 з 2Ν структурою та потрібним енергетичним розподіленням по кожній точці контролю (т.1, т.2, ..., т.Ν), де потік випромінювання Φ01' розподіляється на відповідні за значеннями потоки Φ01'і (де 1=1, 2, ...), що надходять по світловодам 4 до вимірювальних кювет 5 даних точок (т.1, т.2, ..., т.Ν). Потоки Φ01'і випромінювання, пройшовши через вимірювальні кювети 5 даних точок (т.1, т.2, ..., т.Ν) з рівними довжинами, послаблюються до величин потоків Φ1'і (де і=1,2, ...) відповідно, які, поширюючись по вихідним світловодам 4, надходять до приймачів випромінювання 6, спектральна сприйнятливість яких узгоджена зі спектральним діапазоном випромінювання, який включає лише довжини хвиль, які лежить за межами діапазону спектрального поглинання газу. Реєструючий пристрій 7 фіксує сигнали, що надходять з приймачів випромінювання 6, які створені на виході приймачів випромінювання 6 при роботі джерела випромінювання 1 та 1' відповідно (робочий та опорний сигнал відповідно). Далі дані надходять до блока перетворення, оброблення, зберігання, відображення та аналізу отриманої інформації 9, який за потреби надсилає відповідні сигнали до блока керування засобами, спрямованими на нормалізацію газового середовища та на попередження і оповіщення щодо небезпеки даної зони виробництва 8, а також функціонально зв'язаний з джерелом живлення випромінювача 10, під'єднаного до джерел випромінювання. Вимірювальні кювети даних точок розміщені в робочій зоні 11, а всі інші елементи, окрім кювет розміщених у вимірювальних (робочих) каналах, розташовані в зоні 12, що знаходиться поза зоною вимірювання 11. Потоки випромінювання Φ01і та Φ01'і, що пройшли вимірювальні кювети 5 даних точок (т.1, т.2, ..., т.Ν), змінюються відповідно до закону Бугера-Ламберта-Бера. Потоки Φ01'і, що пройшли вимірювальні кювети 5 даних точок (т.1, т.2, ..., т.Ν), не зазнаватимуть змін, пов'язаних з концентрацією газу, що аналізується, а решта компонентів суміші будуть однаково впливати на потоки Φ01і та Φ01'і. Оскільки решта компонентів суміші будуть однаково впливати на потоки Φ01і та Φ01'і у кюветах, то потоки випромінювання Φ01'і, що пройшли вимірювальні кювети 5 даних точок (т.1, т.2, ..., т.Ν), та послабилися до відповідних величин потоків Φ1'і, слугують опорними сигналами даних точок (т.1, т.2, ..., т.Ν) відповідно, що відповідають нульовій концентрації газу, що аналізується. Порівнюючи дані, отримані з даної точки вимірювання при роботі джерела випромінювання 1, з отриманими даними тієї ж точки вимірювання при роботі джерела випромінювання 1', визначається концентрація газу в даній точці вимірювання відповідно до закону Бугера-Ламберта-Бера. Газ прокачують через однакових розмірів вимірювальні кювети почергово, синхронно чи вибірковими групами. Збільшення точності вимірювання у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, пов'язаних із забрудненням оптичних елементів з часом, а також мінімізація відхилення нормованих метрологічних характеристик в процесі експлуатації та мінімізація чутливості до впливів зовнішніх чинників, досягається за рахунок використання двох довжин хвиль випромінювання. Схема представленої волоконно-оптичної системи газового контролю дозволяє перевірити справність як оптоволоконної системи контролю в цілому, так і кожної оптичної лінії зокрема, за наявності газу, на який налаштовано систему, що підвищує надійність її роботи. Реєструючий пристрій дає змогу почергового, вибіркового та одночасного зчитування сигналу від приймачів 3 UA 86363 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 випромінювання у точках контролю, що підвищує надійність моніторингу у точці чи точках з ростом концентрації газу. Наявність світловодів дає можливість для дистанційного вимірювання концентрації газу, а також підвищує безпеку використання таких систем, оскільки випромінювачі та приймачі оптичного випромінювання можуть знаходитися, наприклад поза вибухонебезпечною зоною. Завдяки присвоєнню кожній вимірювальній комірці точкового номеру, а номеру - місце його знаходження, ведеться спостереження за концентрацією газу зі зміною часу, що дає змогу визначити місце витоку та прогнозувати рівень газу в середовищі, таким чином розширюються функціональні можливості системи. Пульт керування (ПК) усією системою, за допомогою якого можливе програмування роботи волоконно-оптичної системи, входить у блок перетворення, обробки, зберігання, відображення та аналізу отриманої інформації. У кожному заданому випадку реєстрації та вимірювання концентрації вибраного газу використано відповідні спектральні діапазони, що обумовлюють використання відповідних оптимальних параметрів елементів волоконної оптики, зокрема волокна. У випадку використання приладів, які перетворюють інтенсивність випромінювання в частоту електричного сигналу [Осадчук B.C. Температурні та оптичні мікроелектронні частотні перетворювачі. Монографія / B.C. Осадчук, О.В. Осадчук, В.Г. Вербицький. - Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2001. - 195с], потоки випромінювання Φ1і та Φ1'і, при попаданні випромінювання на приймачі, створюють на їх виходах, пропорційно до ступеня послаблення потоків, частоти f1і та f1’і відповідно, де частоти f1’і даних каналів слугують опорними сигналами, що відповідають нульовій концентрації газу, а частоти f1і даних каналів відповідно, пропорційні концентрації газу, що аналізується. Використання приладів, які перетворюють інтенсивність випромінювання в частоту електричного сигналу, підвищує точність вимірювання концентрації газу, що аналізується. Використання напівпровідникових джерел випромінювання як джерел випромінювання також підвищить надійність вимірювання концентрації газу та надійність роботи запропонованої системи. Використання одночасно двох джерел випромінювання з довжинами хвиль випромінювання, які відповідають лінії поглинання газу 1 та 2 відповідно, сумісних із спектральною сприйнятливістю приймача випромінювання, причому 1  2, дозволяє підвищити точність вимірювання концентрації газу та чутливість. Сукупність заявлених ознак дозволить реалізувати наступні функції волоконно-оптичної системи газового контролю: - автоматична часова реєстрація концентрацій заданого газу у зоні вимірювання; - оперативний збір інформації з однієї чи N точок робочих зон одночасно; - оброблення та зберігання отриманої інформації; контроль достовірності отриманих результатів; - порівняння концентрації даного газу з нормуючими значеннями (наприклад для вибухонебезпечних газів - нижній (верхній) поріг вибуховості, ГДК тощо.), та паралельного уточнення і перевірки отриманих даних у разі значень, що дорівнюють чи більші нормуючих значень; - аналіз отриманої інформації з метою вживання заходів, спрямованих на нормалізацію газового середовища в технологічній зоні чи заходів, спрямованих на попередження та оповіщення щодо небезпеки даної зони виробництва; - автоматично визначати місце витоку газу та прогнозувати рівень даного газу в середовищі; - здійснювати контроль газового середовища при радіаційній дії, в агресивних та небезпечних для обладнання та людини середовищах; - друк чи перегляд даних диспетчером, відповідних служб, інформації по кожній точці чи обраних точках контролю. Вузлові елементи каналів оптичного зв'язку, оптично-енергетичні параметри оптичних волокон дозволяють реалізовувати волоконно-оптичну систему газового контролю з заданими параметрами для реєстрації та вимірювання обраного газу в повітрі, вартість якої економічно сумірна з вартістю звичайних волоконно-оптичних ліній зв'язку. 55 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 60 1. Волоконно-оптична система газового контролю, що складається зі зв'язаних блока перетворення, оброблення, зберігання, відображення та аналізу отриманої інформації, що надходить з реєструючого пристрою, та блока керування засобами, спрямованими на 4 UA 86363 U 5 10 15 20 25 30 35 нормалізацію газового середовища та на попередження і оповіщення щодо небезпеки даної зони виробництва, а також джерела живлення випромінювача, що під'єднано до оптично зв'язаних двох джерел випромінювання, світловодів, оптичного розгалужувача, вимірювальних кювет однакових розмірів, вихідних світловодів та приймачів випромінювання, спектральна сприйнятливість яких узгоджена зі спектральним діапазоном випромінювання двох джерел випромінювання, яка відрізняється тим, що як оптичний розгалужувач використано розгалужувач з 2N структурою та потрібним енергетичним розподіленням по кожній точці контролю (т.1, т.2, ..., т.Ν), який оптично зв'язаний з двома джерелами випромінювання та з'єднаний світловодами з вимірювальними кюветами, і створює потоки, що проходять через вимірювальні (робочі) канали, в яких розміщені однакових розмірів вимірювальні кювети, з газом, що аналізується, зв'язані вихідними світловодами з приймачами випромінювання, спектральна сприйнятливість яких узгоджена зі спектральним діапазоном випромінювання двох джерел випромінювання, значення вихідних сигналів яких фіксуються реєструючим пристроєм, зв'язаним з блоком перетворення, оброблення, зберігання, відображення та аналізу отриманої інформації, причому одне джерело випромінювання з довжиною хвилі, що відповідає спектральній лінії поглинання газу, а друге джерело випромінювання з довжиною хвилі, яка лежить за межами діапазону спектрального поглинання газу, визначається концентрація газу в даній точці вимірювання відповідно до закону Бугера-Ламберта-Бера, порівнюючи дані, що отримані при роботі джерела випромінювання з довжиною хвилі, що відповідає спектральній лінії поглинання газу, з даними, що отримані при роботі джерела випромінювання з довжиною хвилі, яка лежить за межами діапазону спектрального поглинання газу, причому через вимірювальні кювети однакових розмірів прокачують газ, що аналізується. 2. Волоконно-оптична система за п. 1, яка відрізняється тим, що газ прокачують через однакових розмірів вимірювальні кювети почергово, синхронно чи вибірковими групами. 3. Волоконно-оптична система за п. 1 або 2, яка відрізняється тим, що вимірювання інтенсивності випромінювання на вихідних світловодах вимірювальних кювет здійснюється приладами, які перетворюють інтенсивність випромінювання в частоту електричного сигналу, яка в свою чергу пропорційна ступеню послаблення потоку. 4. Волоконно-оптична система за одним з пп. 1-3, яка відрізняється тим, що джерелами випромінювання є напівпровідникові джерела випромінювання. 5. Волоконно-оптична система за одним з пп. 1-4, яка відрізняється тим, що використано два джерела випромінювання з довжинами хвиль, які відповідають спектральним лініям поглинання газу λ1 та λ2 відповідно, сумісних із спектральною сприйнятливістю приймачів випромінювання, що проходять від джерел випромінювання через вимірювальні (робочі) канали, в яких розміщені вимірювальні кювети, з газом, що аналізується, причому λ1  λ2 . 5 UA 86363 U Комп’ютерна верстка М. Мацело 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 6