BG2131U1

BG2131U1 - Бездисперсионен газов анализатор

Info

Publication number: BG2131U1
Application number: BG003021U
Authority: BG
Inventors: Антон МИЛЧЕВ
Original assignee: "ДиДжи Консулт" ЕООД
Priority date: 2015-06-03
Filing date: 2015-06-03
Publication date: 2015-10-30

Abstract

Полезният модел се отнася до бездисперсионен газов анализатор за измерване на концентрацията на газове в състава на газова смес, работещ на принципа на инфрачервената спектроскопия. Газовият анализатор включва електронен процесорен блок и свързани към него измервателна камера (1) и еталонна камера (2). В единия край на измервателната камера (1) е монтиран първи инфрачервен източник (3), а в срещуположния й край е монтиран първи инфрачервен детектор (4). Еталонната камера (2) е запълнена с непоглъщащ инфрачервена радиация газ, като в единия край на еталонната камера (2) е монтиран втори инфрачервен източник (3а), а в срещуположния й край е монтиран втори инфрачервен детектор (4а). Измервателната камера (1) е снабдена с входяща тръба (5), разположена до първия инфрачервен източник (3) и с изходяща тръба (6), разположена до първия инфрачервен детектор (4). Електронният процесорен блок включва: управляващ модул (7), свързан с първия (3) и втория (3а) инфрачервен източник; измервателен модул (8), свързан с първия (4) и втория (4а) инфрачервен детектор; комуникационен модул (11), имащ порт (12) за връзка с интернет; захранващ модул (9) и логически модул (10), свързан съответно с управляващия модул (7), с измервателния модул (8), с комуникационния модул (11) и със захранващия модул (9), който е свързан с модулите (7, 8, 10 и 11) на електронния процесорен блок. 7 претенции, 5 фигури

Description

Област на техниката

Полезният модел се отнася до бездисперсионен газов анализатор за измерване на концентрацията на газове в състава на газова смес. По-специално, полезният модел се отнася до бездисперсионен газов анализатор, работещ на принципа на инфрачервената спектроскопия.

Предшестващо състояние на техниката

Анализът на газове, извършван на принципа на инфрачервената спектроскопия се използва от дълго време в практиката. Известни са различни устройства, които определят концентрацията на газове като измерват степента на поглъщане на инфрачервена радиация от анализираната газова смес.

Така например, от патент US 5,874,737 е известен газов анализатор, включващ електронен процесорен блок и измервателна камера, в единия край на която е монтиран инфрачервен източник, а в срещуположния й край е монтиран инфрачервен детектор. Инфрачервеният източник и инфрачервеният детектор са свързани с електронния процесорен блок. Инфрачервеният източник е монтиран в измервателната камера плъзгащо се в надлъжен прорез, направен в стената на камерата. Газовата смес постъпва в измервателната камера през надлъжния прорез. Като се променя разстоянието между инфрачервения източник и инфрачервения детектор, пътят на абсорбция се адаптира към различната концентрация на измервания газ. С този газов анализатор може да се измерва концентрацията само на един газ в газовата смес.

От патент RU 2 187 093 С2 е известен бездисперсионен многоканален инфрачервен газов анализатор, с който може да се определя концентрацията на множество газове в газова смес. За целта в конструкцията на газовия анализатор е поставен специален инфрачервен източник, представляващ матрица от няколко светоида. Посредством използването на индивидуално изготвени теснолентови инфрачервени филтри за всеки светоид от матрицата се генерира излъчване, съставено от няколко дължини на вълната, всяка от които точно съответства на спектъра на поглъщане на един от измерваните газове.

U1

При този газов анализатор се използва специално проектиран и изработен по методите на микроелектрониката и полупроводниковите технологии инфрачервен източник. Дори и в серийно производство, такъв инфрачервен източник има много по-висока цена от стандартните инфрачервени източници. Освен това, поради сложността на използвания инфрачервен източник е създаден сложен електронен модул за управление на светодиодната матрица. За провеждане на измерването е предвиден генератор на токови импулси, които в точно определена последователност включват всеки един от светодиодите на матрицата. Допълнително е монтирана охладителна система на базата на елементи на Пелтие за охлаждане на полупроводниковите светодиоди, използвани в инфрачервения източник.

Техническа същност на полезния модел

Цел на полезния модел е да създаде бездисперсионен газов анализатор, който да определя едновременно концентрациите на голям брой газове в газова смес, дори и такива с припокриващи се спектри на поглъщане, като се използват евтини стандартни компоненти.

Друга цел на полезния модел е да създаде бездисперсионен газов анализатор с компактна, опростена конструкция, който да е лесен за производство и подходящ за използване като ръчно преносим уред.

Принципът на работа на бездисперсионния газов анализатор се основава на измерване на степента на поглъщане на инфрачервена радиация от анализираната газова смес. Температурата на инфрачервения източник, при настоящия полезен модел не е постоянна, както при известните газови анализатори, а посредством електронно регулиране на захранващото напрежение, температурата на инфрачервения източник се изменя плавно в процеса на измерване.

Регулирането на инфрачервеното излъчване става посредством широчинно-импулсна модулация на захранващото напрежение, като коефициентът на запълване на модулацията отговаря правопропорционално на интензитета на излъчване на инфрачервената радиация.

Бездисперсионният газов анализатор включва електронен процесорен блок и измервателна камера, в единия край на която е монтиран първи инфрачервен източник, а в срещуположния й край е монтиран първи инфрачервен детектор. Първият инфрачервен източник и първият инфрачервен детектор са свързани с електронния процесорен блок.

Съгласно полезния модел, газовият анализатор включва и еталонна камера, запълнена с непоглъщащ инфрачервена радиация газ, като в единия край на еталонната камера е монтиран втори инфрачервен източник, а в срещуположния й край е монтиран втори инфрачервен детектор. Вторият инфрачервен източник и вторият инфрачервен детектор също са свързани с електронния процесорен блок.

За предпочитане е, непоглъщащият инфрачервена радиация газ да е азот.

Измервателната камера е снабдена с входяща тръба, за въвеждане на измерваната газова смес и с изходяща тръба, за извеждане на газовата смес. Входящата тръба е разположена до първия инфрачервен източник, а изходящата тръба е разположена до първия инфрачервен детектор.

Електронният процесорен блок включва управляващ модул, свързан е първия и втория инфрачервен източник, съответно на измервателната камера и на еталонната камера; измервателен модул, свързан с първия и втория инфрачервен детектор, съответно на измервателната камера и на еталонната камера; комуникационен модул, имащ порт за връзка с Интернет; захранващ модул и логически модул, свързан съответно с управляващия модул, с измервателния модул, с комуникационния модул и със захранващия модул, който е свързан от своя страна с всички модули на електронния процесорен блок и със захранващ източник.

Първият и вторият инфрачервен източник могат да бъдат изготвени от силициев карбид или керамика или обикновена нажежаема жичка от нихром, а първият и вторият инфрачервен детектор могат да бъдат термодвойка или термопил или болометър.

При едно предпочитано примерно изпълнение на газовия анализатор, съгласно полезният модел, той има форма на правоъгълен паралелепипед, като в долния му надлъжен край са разположени плътно и успоредно една до друга измервателната камера и еталонната камера, които имат еднаква форма и големина, при което първият и вторият инфрачервен източник, както и първият и вторият инфрачервен детектор са

U1 съседни един на друг.

За предпочитане е, стените на измервателната камера и еталонната камера да са изготвени от алуминий или неръждаема стомана.

При предпочитано примерно изпълнение на полезния модел, електронният процесорен блок е разположен върху измервателната и еталонната камера.

Бездисперсионният газов анализатор, съгласно полезния модел, може да определя едновременно концентрациите на голям брой газове, дори и такива с припокриващи се спектри на поглъщане, благодарение на това, че температурата на инфрачервения източник се променя плавно в процеса на измерване, от ниска към висока, посредством електронно регулиране на захранващото напрежение.

Друго предимство на бездисперсионния газов анализатор е компактната му конструкция и малки размери, което го прави удобен за пренасяне и използване.

Съществено предимство на газовия анализатор съгласно полезния модел е лесното му производство поради опростената конструкция и ниската му себестойност поради използването на стандартни евтини компоненти.

Пояснение на приложените фигури

Предпочитано примерно изпълнение на полезния модел е описано в детайли с позоваване на приложените фигури, от които:

фигура 1 представлява изглед в аксонометрия на бездисперсионния газов анализатор, съгласно полезния модел;

фигура 2 представлява поглед към газовия анализатор от страната на измервателната камера;

фигура 3 представлява поглед по А-А от фигура 2;

фигура 4 представлява поглед по В-В от фигура 2;

фигура 5 представлява разрез по С-С от фигура 3.

Примери за изпълнение на полезния модел

Както се вижда от фигурите, бездисперсионният газов анализатор има компактна конструкция с форма на правоъгълен паралелепипед, като в долния му надлъжен край са разположени плътно и успоредно една до друга измервателна камера 1, в която се въвежда измерваната газова смес и еталонна камера 2, която е запълнена с непоглъщащ инфрачервена радиация газ.

Електронният процесорен блок, съставен от разположени един върху друг - управляващ модул 7, измервателен модул 8, захранващ модул 9, логически модул 10 и комуникационен модул 11, е закрепен върху камерите 1, 2.

Както е показано на фигура 5, в единия край на измервателната камера 1 е монтиран първи инфрачервен източник 3, а в срещуположния й край е монтиран първи инфрачервен детектор 4. Измервателната камера 1 е херметично затворена и е снабдена с входяща тръба 5 за въвеждане на газовата смес и с изходяща тръба 6 за извеждане на газовата смес. Входящата тръба 5 е разположена до първия инфрачервен източник 3, а изходящата тръба 6 е разположена до първия инфрачервен детектор 4.

Еталонната камера 2 също е херметично затворена и има еднаква форма и големина като измервателната камера 1. В единия край на еталонната камера 2 е монтиран втори инфрачервен източник За, идентичен с първия инфрачервен източник 3 и съседен на него, а в срещуположния край на еталонната камера 2 е монтиран втори инфрачервен детектор 4а, идентичен с първия инфрачервен детектор 4 и съседен на него.

Еталонната камера 2 е запълнена с непоглъщащ инфрачервена радиация газ, например азот. Нейният състав не се изменя. Измерванията от еталонната камера 2 се считат за резултати при нулева концентрация на поглъщащите инфрачервена радиация газове.

При показания пример, измервателната камера 1 и еталонната камера 2 имат формата на правоъгълен паралелепипед, но те могат да имат и друга подходяща форма. Стените на измервателната камера 1 и на еталонната камера 2, са изготвени от метал, например алуминий или неръждаема стомана.

Както се вижда на фигури 2, 3 и 4, управляващият модул 7 е свързан с инфрачервените източници 3 и За, съответно от измервателната камера 1 и еталонната камера 2; измервателният модул 8 е свързан с инфрачервените детектори 4 и 4а, съответно от измервателната камера 1 и еталонната камера 2; комуникационният модул 11, имащ порт 12 за връзка с Интернет, е свързан с логическия модул 10, който е свързан съответно с управляващия модул 7, с измервателния модул

U1 и със захранващия модул 9.

Логическият модул 10 е главният модул в електронния процесорен блок, тъй като той управлява измерването на концентрацията на газовете в газовата смес и осъществява връзката между всички останали модули на електронния блок чрез комуникационни кабели 13.

Управляващият модул 7 е свързан с първия 3 и втория За инфрачервени източници чрез комуникационни кабели 13 и управлява излъчваната от тях инфрачервена радиация по получена заявка от логическия модул 10. Управлението се извършва чрез широчинно-импулсна модулация на захранващото напрежение. Чрез регулиране на коефициента на запълване на модулирания сигнал правопропорционално се регулира и интензитета на излъчваната инфрачервена радиация.

Измервателният модул 8 е свързан с първия 4 и втория 4а инфрачервени детектори също чрез комуникационни кабели 13. Той измерва техните показания и изпраща резултатите към логическия модул 10. Измерванията се осъществяват посредством сериен комуникационен протокол паралелно от първия 4 и втория 4а инфрачервени детектори.

Комуникационният модул 11, посредством порт 12, осъществява връзката на бездисперсионния газов анализатор с централен сървър чрез Интернет.

Захранващият модул 9 осигурява захранващо напрежение от захранващ източник (непоказан) за всички модули 7,8,9,10 и 11 чрез комуникационни кабели 14.

Първият 3 и вторият За инфрачервени източници представляват електронно устройство, което след подаване на захранващо напрежение започва да излъчва светлина в инфрачервената невидима област на спектъра или топлинни лъчи. Интензитетът на излъчваната от него радиация се изменя правопропорционално на захранващото го напрежение. Това позволява регулирането на излъчваните топлинни лъчи. Обичайно, инфрачервените източници 3, За се изработват от различни материали, които при нагряване излъчват подобно на абсолютно черно тяло. Такива материали могат да бъдат, например, силициев карбид, керамика, обикновена нажежаема жичка от нихром и др. Типичната работна температура на тези източници варира в интервал от някол5

2131 UI костотин до 2000 градуса Целзий.

Първият 4 и вторият 4а инфрачервени детектори представляват електронно устройство, което отчита наличие на инфрачервена радиация. То може да бъде обикновена термодвойка или термопил или болометър или други подобни. При осветяване с инфрачервено излъчване, първият 4 и вторият 4а инфрачервен детектор генерира електрически сигнал с амплитуда пропорционална на интензитета на инфрачервеното излъчване.

За да се осъществи измерване на концентрацията на различни газове в дадена газова смес, първо трябва да се осигури достъп на тази газова смес до бездисперсионния газов анализатор, по-точно - до измервателната камера 1 на анализатора. Към входящата тръба 5 и към изходящата тръба 6 на измервателната камера 1 се прикрепват две преходни тръбни връзки (непоказани), като едната осигурява входящ поток на изследваната газова смес в камерата, а другата - изходящ поток на същата газова смес.

След присъединяването на двете преходни тръбни връзки към газовия анализатор е необходимо да му бъде осигурено захранващо напрежение. Това се осъществява чрез свързване на захранващия модул 9 към захранващ източник (непоказан) посредством стандартна захранваща букса 2.5 mm. Захранващият източник трябва да има изходно напрежение 12V и минимален изходен ток от 600 mA.

Следващата стъпка е свързване с Интернет. Връзката с Интернет се осъществява посредством свързване на LAN” кабел със стандартна букса RJ-45 към порт 12 на комуникационния модул 11 от електронния процесорен блок на газовия спектрометър.

Бездисперсионният газов анализатор трябва да бъде свързан към LAN мрежа, в която има DHCP сървър. След като всички условия преди измерване са спазени, потребителят може да продължи със самото измерване. За целта той трябва да стартира потребителски софтуер на клиентско устройство, което може да бъде компютър с операционна система Windows, Linux, MacOS, преносими устройства - таблети и смарт мобилни телефони с операционна система Android и iOS.

При пускане на устройството за първи път, потребителят трябва да въведе параметрите на неговия бездисперсионен газов анализатор, които са уникални за всеки отделен газов анализатор. При повторно пускане на клиентско устройство с този софтуер, потребителят няма да бъде питан отново за параметрите на неговия газов анализатор. В случай, че иска да направи измервания с друг газов анализатор, потребителят ще трябва да въведе новите настройки в софтуера от специално за тази цел меню.

След установена връзка между клиентското устройство и централен сървър, потребителят може да започне същинското измерване.

Пред него се визуализира бутон, с натискането на който започва анализирането на газовата смес в измервателната камера 1 на газовия анализатор.

Заявка за анализ и измерване на концентрацията на газовете в изследваната газова смес се изпраща до централния сървър. Тази заявка се получава в централния сървър с прикрепени към нея параметри на бездисперсионния газов анализатор. Ако тези параметри са коректно въведени и отговарят на реално устройство, процедурата продължава. В противен случай към клиентското устройство се връща съобщение, че не е намерено такова устройство. При регистриране на коректна заявка за анализ, централният сървър изпраща заявка за измерване към газовия анализатор.

Заявката за измерване от централния сървър постъпва в комуникационния модул 11 на електронния процесорен блок. Тази заявка се подава към логическия модул 10, където се обработва, след което започва измерването на концентрацията на газовете в подадената газова смес. Логическият модул 10 подава сигнал към управляващия модул 7, който управлява първия 3 и втория За инфрачервен източник на измервателната 1 и еталонната 2 камера. Регулирането на инфрачервеното излъчване става посредством широчинно-импулсна модулация на захранващото напрежение. Коефициентът на запълване на модулацията отговаря правопропорционално на интензитета на излъчване на инфрачервената радиация. Резолюцията, с която тя се управлява е 12 бита. Това се равнява на точност от порядъка на 0.0244140625 %, което е и най-малкото измеримо относително изменение на интензитета на инфрачервената радиация.

След подаване на сигнал към управляващия

2131 UI модул 7, логическият модул 10 подава сигнал към измервателния модул 8 за снемане на показания от първия 4 и втория 4а инфрачервени детектори на измервателната 1 и еталонната 2 камери. Тези данни - температура на инфрачервения източник и показанията от инфрачервените детектори 4,4а се запаметяват в масив от данни и се изпращат към комуникационния модул 11 за трансфер към централния сървър. Измерванията приключват когато стойността на температурата на инфрачервения източник достигне 100% от максимално допустимата работна температура. След изпращане на пакета с данни, цикълът за измерване се повтаря със следваща стойност на температура на инфрачервения източник. След приключване на измерванията и изпращането на всички данни към централен сървър започва анализиране на данните, включващо решаване на система от голям брой (колкото е броят на измерванията) нелинейни уравнения, което се извършва в централния сървър. Ако в измервателната камера има N на брой газа с неизвестни концентрации pl, р2,... ρΝ, то разликата ДелтаО = D1-D2 може да се представи в следния (за яснота в силно опростен) вид:

₌ Ρχ(Τ) (1 - 10“(-41/)1+.42^2+..+.457)^1^

Тук с D1 са обозначени показанията на първия инфрачервен детектор 4, a с D2 показанията на втория инфрачервен детектор 4а.

Горното уравнение е за N неизвестни - това са концентрациите pl, р2, ...ρΝ. Неизвестните могат да бъдат определени при наличие на поне N уравнения. Тези уравнения се получават чрез изменение на температурата на двата инфрачервени източника 3 и За и ново измерване на разликата между D1 (първия инфрачервен детектор 4) и D2 (втория инфрачервен детектор 4а). Така се получава система от N (или повече) уравнения заИ-те неизвестни концентрации pl, р2, ...ρΝ:

ДГ»! = Гд(Т1) (1 - 10(41Ρ1+>12Ρ2+··+ΛνΡΛ^Γ)

Δ£>2 = F\ (Т₂) (1 - 1θΗΤιΡι+4₂/)2+.·+Α\7)Λ-Λ

ΔΖ)_ΛΓ = F_x (Τ_Ν) (1 - ю-(А1Р1+4₂/)2+..+А_лж)) където

ΤΙ, Τ2,..., ΤΝ са различни и известни температури на първия и втория инфрачервен източник 3 и За; F (Т) е известна функция, зависеща от геометрията на камерите, свойствата на детекторите и функцията на разпределение на Планк (също така известна); Al, Α2,..,ΑΝ са известни константи, описващи спектъра на поглъщане на газовете. По този начин, посредством серия от измервания на разликата между показанията на инфрачервените детектори в двете камери, при различни температури на инфрачервения източник се определят концентрациите на газовете. Тези решения дават точното съотношение на различните газове в състава на анализираната газова смес. Резултатът от измерванията се изпраща към клиентското устройство и се визуализира.

Claims

Претенции

1. Бездисперсионен газов анализатор, включващ електронен процесорен блок и измервателна 4θ камера (1), в единия край на която е монтиран първи инфрачервен източник (3), а в срещуположния й край е монтиран първи инфрачервен детектор (4), като първият инфрачервен източник (3) и първият инфрачервен детектор (4) са свьрза45 ни с електронния процесорен блок, характеризиращ се с това, че включва и еталонна камера (2), запълнена с непоглъщащ инфрачервена радиация газ, като в единия край на еталонната камера (2) е монтиран втори инфрачервен източник (За), а в срещуположния й край е монтиран втори 50 инфрачервен детектор (4а), като измервателната камера (1) е снабдена с входяща тръба (5), раз

2131 Ul положена до първия инфрачервен източник (3) и с изходяща тръба (6), разположена до първия инфрачервен детектор (4), при което електронният процесорен блок включва управляващ модул (7), свързан с първия (3) и втория (За) инфрачервен източник измервателен модул (8), свързан с първия (4) и втория (4а) инфрачервен детектор, комуникационен модул (11), имащ порт (12) за връзка с интернет, захранващ модул (9) и логически модул (10), свързан съответно с управляващия модул (7), с измервателния модул (8), с комуникационния модул (11) и със захранващия модул (9), който е свързан с модулите (7, 8,10 и 11) на електронния процесорен блок.
2. Газов анализатор съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че непоглъщащият инфрачервена радиация газ в еталонната камера (2) е азот.
3. Газов анализатор съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че първият (3) и вторият (За) инфрачервен източник е изготвен от силициев карбид или керамика или обикновена нажежаема жичка от нихром.
4. Газов анализатор съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че първият (4) и вторият (4а) инфрачервен детектор е термодвойка или термопил или болометър.
5. Газов анализатор съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че има форма на правоъгълен паралелепипед, като в долния му надлъжен край са разположени успоредно и плътно една до друга измервателната камера (1) и еталонната камера (2), имащи еднаква форма и големина, при което първият (3) и вторият (За) инфрачервен източник са съседни един на друг, както и първият (4) и вторият (4а) инфрачервен детектор са съседни един на друг.
6. Газов анализатор съгласно претенции 1 и 5, характеризиращ се с това, че стените на измервателната камера (1) и на еталонната камера (2) са изготвени от алуминий или неръждаема стомана.
7. Газов анализатор съгласно претенции 1,5 и 6, характеризиращ се с това, че електронният процесорен блок е разположен върху измервателната (1) и еталонната (2) камера.