RU2287803C2 - Multiple-component ir-range gas analyzer - Google Patents

Multiple-component ir-range gas analyzer Download PDF

Info

Publication number
RU2287803C2
RU2287803C2 RU2004114660/28A RU2004114660A RU2287803C2 RU 2287803 C2 RU2287803 C2 RU 2287803C2 RU 2004114660/28 A RU2004114660/28 A RU 2004114660/28A RU 2004114660 A RU2004114660 A RU 2004114660A RU 2287803 C2 RU2287803 C2 RU 2287803C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
microprocessor
radiation
light
led
gas analyzer
Prior art date
Application number
RU2004114660/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2004114660A (en
Inventor
Михаил Анатольевич Максютенко (RU)
Михаил Анатольевич Максютенко
Владимир Анатольевич Полищук (RU)
Владимир Анатольевич Полищук
щий Сергей Васильевич Непомн (RU)
Сергей Васильевич Непомнящий
Софь Борисовна Погодина (RU)
Софья Борисовна Погодина
Юрий Леонтьевич Шелехин (RU)
Юрий Леонтьевич Шелехин
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "ЭМИ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "ЭМИ" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "ЭМИ"
Priority to RU2004114660/28A priority Critical patent/RU2287803C2/en
Publication of RU2004114660A publication Critical patent/RU2004114660A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2287803C2 publication Critical patent/RU2287803C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: measuring technique.
SUBSTANCE: IR gas analyzer can be used for measuring concentrations of gases in multiple-component mixtures. Multiple-component IR-range gas analyzer has electromagnet radiation source made in for light-emitting diode array, which irradiates reference and working waves. Light-emitting diode array is connected with excitation current pulse oscillator which is synchronized by microprocessor. Radiation of reference and working waves first enters additional pyroelectricity-type photoreceiver, and then it passes through gas dish and enters basic pyroelectricity-type photoreceiver. Outputs of any pyroelectric photoreceiver are connected with signal processing unit through pre-amplifiers and sync detectors. Signal processing unit has analog-to-digital converter. Output of analog-to-digital converter is connected with input of microprocessor. One output of microprocessor is connected with digital-to-analog converter, which is connected with light-emitting diode array's current pulse forming circuit to adjust intensity of radiation of light-emitting diodes of array according to preset algorithm. Three other rest outputs of microprocessor are connected with inputs of light-emitting diodes' current pulse forming circuit to control operation of light-emitting diodes according to certain sequence.
EFFECT: improved precision of measurement.
5 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для определения концентрации многокомпонентных газовых смесей в атмосфере жилой зоны, производственных помещениях и т.п. как в режиме обслуживания оператором, так и в режиме удаленного доступа по коммутируемым линиям передачи данных.The invention relates to the field of measuring equipment, namely, devices for determining the concentration of multicomponent gas mixtures in the atmosphere of a residential area, industrial premises, etc. both in the operator maintenance mode and in the remote access mode via switched data transmission lines.

Известен газоанализатор, содержащий оптически связанные источник излучения, спектральный модулятор, оптические фильтры для выделения длин волн рабочего и опорного излучения, газовую кювету, фокусирующую систему, блок приемника излучения, блок синхронизации и блок управления, обработки сигналов (SU, №1674621, G 01 N 21/61, опубл. 20.02.95).A known gas analyzer containing optically coupled radiation source, a spectral modulator, optical filters for extracting the wavelengths of the working and reference radiation, a gas cuvette, a focusing system, a radiation receiver unit, a synchronization unit and a control unit, signal processing (SU, No. 1674621, G 01 N 21/61, publ. 02.20.95).

Недостатком вышеуказанного газоанализатора является использование в конструкции прибора оптико-механического модулятора, что снижает точность определения концентраций газовых компонент исследуемой смеси вследствие появления механических вибраций оптических узлов, что сказывается на точности измерений.The disadvantage of the above gas analyzer is the use of an optical-mechanical modulator in the design of the device, which reduces the accuracy of determining the concentrations of the gas components of the test mixture due to the appearance of mechanical vibrations of the optical nodes, which affects the accuracy of the measurements.

Известен оптический абсорбционный газоанализатор, содержащий газовую кювету, оптические фильтры, фотоприемники, блок обработки сигналов, два источника электромагнитного излучения с первой рабочей длиной волны λ1, соответствующей области поглощения измеряемого газа, и второй - опорной длины волны λ2 соответствующей области прозрачности для измеряемого газа (опорное излучение), причем первый источник электромагнитного излучения расположен перед газовой кюветой по ходу своего излучения, а второй источник электромагнитного излучения установлен вне газовой кюветы за фотоприемниками, введены интерференционные фильтры, пропускающие электромагнитное излучение с длинами волн λ1 и λ2, попарно установленные с двух противоположных сторон двух фотоприемников, выходы которых через усилитель соединены с блоком обработки сигналов, содержащим аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микропроцессор (МП) и устройство индикации (УИ), при этом выход АЦП соединен с входом МП. (RU №2109269, G 01 N 21/61, опубл. 20.04.98).A known optical absorption gas analyzer containing a gas cuvette, optical filters, photodetectors, a signal processing unit, two sources of electromagnetic radiation with a first working wavelength λ 1 corresponding to the absorption region of the measured gas, and a second reference wavelength λ 2 the corresponding transparency region for the measured gas (reference radiation), and the first source of electromagnetic radiation is located in front of the gas cell along its radiation, and the second source of electromagnetic radiation installed outside the gas cell behind the photodetectors, interference filters are introduced that transmit electromagnetic radiation with wavelengths λ 1 and λ 2 , installed in pairs on two opposite sides of two photodetectors, the outputs of which are connected through an amplifier to a signal processing unit containing an analog-to-digital converter (ADC) microprocessor (MP) and an indication device (UI), while the ADC output is connected to the MP input. (RU No. 2109269, G 01 N 21/61, publ. 20.04.98).

Недостатком этого газоанализатора являются сложность настройки, снижение точности измерений вследствие температурного сдвига максимума интенсивности излучения и соответственно рабочих длин волн двух независимых источников излучения, а также принципиальная невозможность многокомпонентного анализа газов в силу использования достаточно узкополосных ИК светодиодов.The disadvantage of this gas analyzer is the difficulty of tuning, the decrease in measurement accuracy due to the temperature shift of the maximum radiation intensity and, accordingly, the working wavelengths of two independent radiation sources, as well as the fundamental impossibility of multicomponent gas analysis due to the use of fairly narrow-band IR LEDs.

Известен пироэлектрический детектор потока для использования в ИК газовом анализаторе (US 6320192, опубл. 20.11.2001). В указанном ИК газовом анализаторе используются помимо основной кюветы два дополнительных отделения, расположенных соосно и которые заполняются газом, имеющим те же характеристики поглощения, что и измеряемый газ в основной кювете. Оба дополнительных объема соединены друг с другом через газовый канал, в котором встроен пироэлектрический детектор. Источник ИК излучения модулируется механическим модулятором.Known pyroelectric flow detector for use in an infrared gas analyzer (US 6320192, publ. 20.11.2001). In this infrared gas analyzer, in addition to the main cell, two additional compartments are arranged coaxially and are filled with gas having the same absorption characteristics as the measured gas in the main cell. Both additional volumes are connected to each other through a gas channel in which a pyroelectric detector is integrated. The source of infrared radiation is modulated by a mechanical modulator.

Недостатком вышеуказанного ИК газового газоанализатора является усложненная конструкция измерительной газовой кюветы, использование в конструкции прибора оптико-механического модулятора приводит к снижению точности определения концентраций газовых компонент исследуемой смеси вследствие появления механических вибраций оптических узлов, что сказывается на надежности и жесткости конструкции.The disadvantage of the above IR gas analyzer is the complicated design of the measuring gas cell, the use of an optical-mechanical modulator in the device design reduces the accuracy of determining the concentrations of the gas components of the test mixture due to the appearance of mechanical vibrations of the optical nodes, which affects the reliability and rigidity of the structure.

Известен не дисперсионный многоканальный ИК газовый анализатор (RU №2187093, G 01 N 21/61, опубл. 10.08.02), содержащий источник электромагнитного излучения с наличием опорной и рабочей длин волн, интерференционные фильтры для выделения опорной и рабочих длин волн, расположенную по ходу излучения кювету с фокусирующими линзами на входе и выходе, основной фотоприемник резистивного типа, установленный за кюветой, для приема излучения опорной и рабочих длин волн от источника, выход которого через усилитель соединен с блоком обработки сигналов, содержащим АЦП, МП (микропроцессор) и УИ (устройство индикации). Источник ИК излучения смонтирован на термоэлектрическом холодильнике Пельтье и представляет собой светодиодную матрицу, содержащую светодиоды для создания излучения накачки, возбуждающего фотолюминесцентные преобразователи, и интерференционные фильтры для выделения опорной и рабочих длин волн излучения, причем в состав источника ИК излучения (RU 2208268, H 01 L 33/00, опубл. 10.07.03) дополнительно включен фотоприемник для регистрации излучения накачки, светодиоды подключены к генератору импульсов тока накачки светодиодной матрицы, синхронизованных микропроцессором, а холодильник Пельтье подключен к дополнительно установленному блоку термостабилизации. При этом основной фотоприемник фоторезистивного типа смонтирован на дополнительном термоэлектрическом холодильнике Пельтье.Known non-dispersive multichannel infrared gas analyzer (RU No. 2187093, G 01 N 21/61, publ. 10.08.02) containing a source of electromagnetic radiation with the presence of reference and working wavelengths, interference filters for separating the reference and working wavelengths, located at the radiation of the cell with focusing lenses at the input and output, the main resistive-type photodetector, installed behind the cell, for receiving radiation of the reference and working wavelengths from the source, the output of which is connected through an amplifier to the signal processing unit, containing m ADC, MP (microprocessor) and CI (display device). The IR radiation source is mounted on a Peltier thermoelectric refrigerator and is an LED matrix containing LEDs for generating pump radiation exciting photoluminescent converters, and interference filters to extract the reference and working radiation wavelengths, and as a part of the IR radiation source (RU 2208268, H 01 L 33/00, published July 10, 03) an additional photodetector is included for detecting pump radiation, LEDs are connected to a pump pulse generator of an LED matrix, synchronized microprocessor, and the Peltier refrigerator is connected to an additionally installed thermal stabilization unit. In this case, the main photoresistive photodetector is mounted on an additional Peltier thermoelectric refrigerator.

Недостатком вышеуказанного газоанализатора является использование фотоприемника фоторезистивного типа, который, как известно, обладает неравномерной характеристикой спектральной чувствительности. Использование холодильника Пельтье повышает чувствительность, но не решает проблему температурной стабильности в широком диапазоне изменения температур. Чем больше диапазон изменения температур, тем больший динамический диапазон должен иметь холодильник Пельтье. При этом повышается энергопотребление газоанализатора. Сильная спектральная нелинейность фоторезистора в области 2-5 мкм снижает точность измерения при использовании дифференциальных методов регистрации сигналов, которые позволяют существенно повысить обнаружительную способность не дисперсионного многоканального ИК газового анализатора.The disadvantage of the above gas analyzer is the use of a photoresistive photodetector, which, as you know, has an uneven spectral sensitivity characteristic. Using a Peltier refrigerator increases sensitivity, but does not solve the problem of temperature stability over a wide temperature range. The larger the temperature range, the greater the dynamic range a Peltier refrigerator should have. This increases the energy consumption of the gas analyzer. The strong spectral nonlinearity of the photoresistor in the region of 2-5 μm reduces the measurement accuracy when using differential methods of signal registration, which can significantly increase the detection ability of a non-dispersive multichannel IR gas analyzer.

Как известно, дифференциальные методики предполагают сравнение в процессе измерения неизвестной концентрации, определяемого компонента с репером, причем сравнение должно производиться либо одновременно на разнесенных в пространстве фотоприемниках, либо на одном фотоприемнике с разделением во времени включения источников ИК излучения на различных длинах волн.As is known, differential techniques involve comparison in the process of measuring an unknown concentration of a determined component with a reference point, moreover, the comparison should be performed either simultaneously on spatially separated photodetectors, or on a single photodetector with time division of the inclusion of infrared radiation sources at different wavelengths.

В основу технического решения положена задача создания не дисперсионного многоканального ИК газоанализатора, в котором при использовании полупроводникового ИК излучателя, выполненного в виде светодиодной матрицы, в которой коротковолновое излучение накачки преобразуется с помощью фотолюминесцентных пленочных преобразователей в инфракрасное излучение, которое совпадает с полосами поглощения детектируемых компонент газовой смеси, используются пироэлектрические приемники, имеющие равномерную спектральную чувствительность в области 2-10 мкм, что повышает точность определения концентрации составляющих многокомпонентного газа, и, таким образом, достигается расширение области применения при повышении точности определения концентрации составляющих многокомпонентных газов.The technical solution is based on the task of creating a non-dispersive multichannel IR gas analyzer, in which, using a semiconductor IR emitter made in the form of an LED matrix, in which the short-wave radiation of the pump is converted by means of photoluminescent film converters into infrared radiation, which coincides with the absorption bands of the detected components of the gas mixtures, pyroelectric detectors are used that have uniform spectral sensitivity in the region whith 2-10 microns, which improves the accuracy of determining the concentration of the components of the multicomponent gas, and thus, expansion of the application field is achieved by increasing the accuracy of determining the concentration of the multicomponent gas components.

Вышеуказанная цель достигается за счет того, что в не дисперсионном многоканальном газовом анализаторе, содержащем источник электромагнитного излучения, который выполнен в виде полупроводникового источника ИК излучения и представляет собой светодиодную матрицу, с наличием излучателей опорной и рабочих длин волн, формируемых с помощью интерференционных фильтров (RU №2208268, H 01 L 33/00, опубл. 10.07.03), расположенную по ходу излучения источника газовую кювету, основной фотоприемник пироэлектрического типа, установленный за кюветой, для приема опорной и рабочих длин волн от источника, дополнительный фотоприемник пироэлектрического типа, установленный перед кюветой, на который отводится часть излучения светодиодной матрицы, для приема опорной и рабочих длин волн. Полупроводниковый источник ИК излучения подключен к схеме формирования импульсов тока светодиодной матрицы, синхронизованных микропроцессором. При этом основной и дополнительные фотоприемники пироэлектрического типа подключены через схемы предварительного усиления и выделения полезного сигнала к микропроцессору, осуществляющего синхронизацию работы всех узлов.The above goal is achieved due to the fact that in a non-dispersive multichannel gas analyzer containing an electromagnetic radiation source, which is made in the form of a semiconductor source of infrared radiation and is an LED matrix, with the presence of reference and working wavelength emitters generated by interference filters (RU No. 2208268, H 01 L 33/00, published July 10, 03), a gas cell located along the source radiation, the main pyroelectric type photodetector installed behind the cell, for receiving op orna and working wavelengths from the source, an additional pyroelectric type photodetector installed in front of the cuvette, on which part of the radiation of the LED matrix is allocated, for receiving the reference and working wavelengths. The semiconductor source of infrared radiation is connected to the current pulse generation circuit of the LED array synchronized by the microprocessor. In this case, the main and additional pyroelectric type photodetectors are connected via pre-amplification and useful signal extraction circuits to the microprocessor, which synchronizes the operation of all nodes.

Увеличение точности определения концентрации измеряемых компонент достигается за счет применения пироэлектрических приемников в качестве основного и дополнительного фотоприемников, определенного способа управления светодиодной матрицей светодиодов и способа измерения концентрации каждого газового компонента смеси.An increase in the accuracy of determining the concentration of the measured components is achieved through the use of pyroelectric detectors as the primary and secondary photodetectors, a certain method for controlling the LED matrix of LEDs, and a method for measuring the concentration of each gas component of the mixture.

Использование пироэлектрического фотоприемника определяется двумя его принципиальными свойствами:The use of a pyroelectric photodetector is determined by its two fundamental properties:

а) почти равномерной спектральной характеристикой чувствительности в области 2-10 мкм;a) an almost uniform spectral characteristic of sensitivity in the region of 2-10 microns;

б) пироэлектрический приемник реагирует только на изменение падающего теплового излучения. Последнее свойство пироэлектрических приемников позволяет построить измерительную схему, эквивалентную двухканальной двулучевой дифференциальной схеме.b) the pyroelectric receiver responds only to changes in the incident thermal radiation. The last property of pyroelectric receivers allows us to construct a measuring circuit equivalent to a two-channel two-beam differential circuit.

Пусть интенсивность света на рабочей длине волны, соответствующей, например, линии поглощения CO2, равна ICO2, а в опорном канале Iref; пропускание (или светосила) оптической системы (кюветы) на рабочей длине волны - ap, а в опорном канале - aref, чувствительность фотоприемника Sp и Sref соответственно. При отсутствии в кювете определяемого компонента в смеси необходимо и достаточно добиться выполнения следующего условия:Let the light intensity at the working wavelength corresponding, for example, to the CO 2 absorption line, be equal to I CO2 , and in the reference channel I ref ; the transmission (or aperture) of the optical system (cuvette) at the working wavelength is a p , and in the reference channel is a ref , the sensitivity of the photodetector S p and S ref, respectively. If there is no detectable component in the cuvette in the mixture, it is necessary and sufficient to achieve the following conditions:

Figure 00000002
Figure 00000002

Если в рабочей кювете находится определяемый компонент, для которого эквивалентная толщина слоя равна:If there is a detectable component in the working cell for which the equivalent layer thickness is:

Figure 00000003
Figure 00000003

где С - концентрация определяемого компонента в смеси; lp - длина кюветы; Р - полное давление в кювете; Рн - нормальное атмосферное давление, то сигнал от фотоприемника на входе измерительного устройства, равен:where C is the concentration of the determined component in the mixture; l p is the length of the cell; P is the total pressure in the cell; P n - normal atmospheric pressure, the signal from the photodetector at the input of the measuring device is:

Figure 00000004
Figure 00000004

где К(λ) - спектральный коэффициент поглощения;where K (λ) is the spectral absorption coefficient;

Δλ - полоса пропускания интерференционного фильтра, соответствующего полосе поглощения СО2.Δλ is the passband of the interference filter corresponding to the absorption band of CO 2 .

Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2, 3, 4, 5.The invention is illustrated in figures 1, 2, 3, 4, 5.

На фиг.1 - оптическая схема, на которой показано взаимное расположение оптических элементов многокомпонентного ИК газоанализатора.Figure 1 is an optical diagram showing the relative position of the optical elements of a multicomponent IR gas analyzer.

На фиг.2 показана блок-схема многокомпонентного ИК газоанализатора (1 - матрица светодиодов; 2 - основной пироприемник PYR-1; 3 - дополнительный пироприемник PYR-2; 4 - схема формирования импульсов тока светодиодов матрицы; 5 - микропроцессор с АЦП; 6 - ЦАП; 7 - синхронный детектор опорного канала; 8 - синхронный детектор измерительного канала; 9 - устройство индикации; 10 - газовая кювета).Figure 2 shows a block diagram of a multicomponent IR gas analyzer (1 - matrix of LEDs; 2 - main pyrodetector PYR-1; 3 - additional pyrodetector PYR-2; 4 - circuit for generating current pulses of matrix LEDs; 5 - microprocessor with ADC; 6 - DAC; 7 - synchronous detector of the reference channel; 8 - synchronous detector of the measuring channel; 9 - indicating device; 10 - gas cell).

На фиг.3 - описание варианта реализации рабочего цикла многокомпонентного газоанализатора.Figure 3 - description of a variant of implementation of the working cycle of a multi-component gas analyzer.

На фиг.4 представлена временная диаграмма, соответствующая рабочему циклу многокомпонентного газоанализатора.Figure 4 presents a timing diagram corresponding to the duty cycle of a multicomponent gas analyzer.

На фиг.5 - взаимное расположение спектров излучения фотолюминесцентной структуры, светодиодных излучателей светодиодной матрицы и пропускание интерференционных фильтров.Figure 5 - the relative position of the emission spectra of the photoluminescent structure, the LED emitters of the LED matrix and the transmission of interference filters.

Рассмотрим принцип работы многоканального ИК газового анализатора на примере измерения 2 газовых компонент, например, Н2О (2.6 мкм) и СО2 (4.26 мкм).Consider the principle of operation of a multi-channel IR gas analyzer using the example of measuring 2 gas components, for example, Н 2 О (2.6 μm) and СО 2 (4.26 μm).

Источник ИК излучения 1 (фиг.1) представляет собой матрицу светодиодов, излучающих свет с длинами волн 2.6 мкм (LED-H2О), 3.9 мкм (LEDref) и 4.26 мкм (LED-СО2). Узкополосное излучение с указанными длинами волн формируется с помощью узкополосных интерференционных фильтров, установленных непосредственно на излучающих светодиодах. (На фиг.5 показано взаимное расположение спектров фотолюминесцентной структуры каждого из светодиодных излучателей матрицы и пропускания интерференционных фильтров.) Свет направляется в кювету 2, содержащую два фокусирующих сферических зеркала 5, на входе которой в специальном отсеке, герметизированном с помощью окна 6, установлено полупрозрачное зеркало 7, которое направляет часть ИК излучения светодиодной матрицы на дополнительный пироприемник 4 (PIR-2). Прошедшее кювету ИК излучение направляется на основной пироприемник 3 (PIR-1).The IR radiation source 1 (FIG. 1) is a matrix of light emitting diodes emitting light with wavelengths of 2.6 μm (LED-H 2 O), 3.9 μm (LED ref ) and 4.26 μm (LED-CO 2 ). Narrow-band radiation with the indicated wavelengths is formed using narrow-band interference filters mounted directly on the emitting LEDs. (Figure 5 shows the mutual arrangement of the spectra of the photoluminescent structure of each of the LED emitters of the matrix and the transmission of interference filters.) The light is sent to a cuvette 2 containing two focusing spherical mirrors 5, at the entrance of which a translucent is installed in a special compartment sealed using window 6 mirror 7, which directs part of the infrared radiation of the LED matrix to an additional pyrodetector 4 (PIR-2). The infrared radiation transmitted to the cell is directed to the main pyroelectric receiver 3 (PIR-1).

В соответствии в алгоритмом фиг.3 на временной диаграмме фиг.4а, б, в показаны тактовые последовательности импульсов тока F1, F2, F3, управляющие соответствующими светотодиодами (LEDref, LED-H2O, LED-CO2). На фиг.4г, е показана динамика суммарных световых потоков на входе дополнительного (PIR-2) и основного (PIR-2) пироприемников. На фиг.4д, ж электрические сигналы на выходе дополнительного и основного пироприемников соответственно.In accordance with the algorithm of FIG. 3, the timing diagram of FIGS. 4a, b, c shows the clock sequences of current pulses F1, F2, F3 controlling the respective light-emitting diodes (LED ref , LED-H 2 O, LED-CO 2 ). On figg, f shows the dynamics of the total light flux at the input of the additional (PIR-2) and the main (PIR-2) pyrodetectors. On fig.4d, g electrical signals at the output of the additional and main pyrodetectors, respectively.

Описание алгоритма работы, представленного на фиг.3.Description of the operation algorithm presented in figure 3.

Фаза 1.Phase 1

В первой фазе рабочего цикла на вход обоих приемников поступает излучение только одного светодиода матрицы - LEDref, при этом схема формирования импульсов тока (СФИТ), управляемая сигналом цифроаналогового преобразователя (ЦАП), выставляет амплитуду тока LEDref таким образом, чтобы уровень сигнала основного пироприемника (PIR-1) оказался равен наперед заданному значению, записанному в памяти процессора.In the first phase of the duty cycle, the input of both receivers receives the radiation of only one matrix LED - LED ref , while the current pulse generation circuit (SITF), controlled by the digital-to-analog converter (DAC) signal, sets the current amplitude of the LED ref so that the signal level of the main pyrodetector (PIR-1) turned out to be equal to the predetermined value recorded in the processor memory.

Фаза 2.Phase 2

Во второй фазе рабочего цикла на вход пироприемника PIR-1 поступают последовательно два световых потока от LED-CO2 и LEDref (точнее их часть), которые прошли через кювету с определяемыми компонентами, а на приемник PIR-2 поступает последовательно те же два световых потока, отраженных делителем 7 (фиг.1), которые не испытали поглощения.In the second phase of the duty cycle, two light fluxes from the LED-CO 2 and LED ref (or rather part of them), which passed through the cell with the detected components, are sequentially fed to the input of the PIR-1 pyrodetector, and the same two light flows consecutively to the PIR-2 receiver flow reflected by the divider 7 (figure 1), which did not experience absorption.

В первом периоде этой фазы (переходный процесс) СФИТ регулирует амплитуду тока LED-CO2 и выставляет ее таким образом, чтобы сигнал на выходе дополнительного пироприемника PIR-2 был равен нулю. Для пироприемника с "плоской" спектральной характеристикой чувствительности такой режим реализуется только в том случае, когда световые мощности LED-CO2 и LEDref на входе PIR-2 равны друг другу.In the first period of this phase (transient), the SITF regulates the current amplitude of LED-CO 2 and sets it so that the signal at the output of the additional PIR-2 pyrodetector is equal to zero. For a pyrodetector with a “flat” spectral sensitivity characteristic, this mode is realized only when the light powers of LED-CO 2 and LED ref at the PIR-2 input are equal to each other.

Во втором периоде этой фазы (установившийся процесс) измеряется амплитуда сигнала на основном пироприемнике PIR-1. Поскольку в первом периоде были выровнены световые мощности LED-CO2 и LEDref, то при отсутствии измеряемых компонент в кювете на входе пироприемника PIR-1 суммарный поток излучения от LED-CO2 и LEDref будет постоянным и соответственно сигнал на выходе пироприемника PIR-1 окажется равным нулю. При наличии в кювете измеряемого газа (CO2) он поглощает излучение светодиода LED-CO2 и не поглощает излучение LEDref., при этом появляется разбаланс световых мощностей LED-CO2 и LEDref и световой поток на входе пироприемника PIR-1 оказывается модулированным (фиг.4е), соответственно появляется ненулевой сигнал на выходе основного пироприемника PIR-1 (фиг.4ж).In the second period of this phase (steady state process), the signal amplitude is measured at the main PIR-1 pyrodetector. Since the light powers of LED-CO 2 and LED ref were aligned in the first period, then in the absence of the measured components in the cuvette at the input of the PIR-1 pyrodetector, the total radiation flux from LED-CO 2 and LED ref will be constant and, accordingly, the signal at the output of the PIR-pyrodetector 1 will be equal to zero. If a sample gas (CO 2 ) is present in the cuvette, it absorbs the radiation of the LED-CO 2 LED and does not absorb the radiation of LED ref. in this case, an imbalance in the light powers of LED-CO 2 and LED ref appears and the luminous flux at the input of the PIR-1 pyrodetector turns out to be modulated (Fig. 4f), respectively, a nonzero signal appears at the output of the main PIR-1 pyrodetector (Fig. 4g).

Фаза 3.Phase 3

Третья фаза рабочего цикла полностью аналогична второй фазе с той лишь разницей, что СФИТ регулирует амплитуду тока LED-H2O и выставляет ее таким образом, чтобы сигнал на выходе дополнительного пироприемника PIR-2 был равен нулю.The third phase of the duty cycle is completely analogous to the second phase, with the only difference being that the SPIT regulates the current amplitude of LED-H 2 O and sets it so that the signal at the output of the additional PIR-2 pyrodetector is equal to zero.

Затем весь процесс повторяется.Then the whole process is repeated.

Очевидно, что при отсутствии измеряемых компонент в кювете, в силу разных причин, возможно, что на входе пироприемника PIR-1 поток излучения не будет постоянным и соответственно сигнал на выходе пироприемника PIR-1 окажется не равным нулю. Это отличие может быть обусловлено неидентичностью оптических путей для световых потоков от LED-CO2, LED-H2O, LEDref, а также спектральной зависимостью коэффициентов отражения или пропускания оптических элементов кюветы. Но этот фактор легко может быть устранен предварительной калибровкой с кюветой, заполненной сухим азотом. Величина измеренного сигнала пироприемником PIR-1 запоминается и используется в последующих измерениях как калибровочная константа.Obviously, in the absence of the measured components in the cuvette, for various reasons, it is possible that the radiation flux at the input of the PIR-1 pyrodetector will not be constant and, accordingly, the signal at the output of the PIR-1 pyrodetector will not be zero. This difference may be due to the non-identical optical paths for light fluxes from LED-CO 2 , LED-H 2 O, LED ref , as well as the spectral dependence of the reflection or transmission coefficients of the optical elements of the cuvette. But this factor can easily be eliminated by preliminary calibration with a cuvette filled with dry nitrogen. The value of the measured signal by the PIR-1 pyrodetector is stored and used in subsequent measurements as a calibration constant.

При таком алгоритме работы газоанализатора можно записать следующие соотношения:With this algorithm of the gas analyzer, the following relationships can be written:

В фазе 1:In phase 1:

Figure 00000005
Figure 00000005

где: Sign значение сигнала, запоминаемое микропроцессором;where: Sign is the signal value stored by the microprocessor;

Upyr1 ref - сигнал от опорного светодиода на основном пироприемнике PIR-1;U pyr1 ref - signal from the reference LED on the main pyrodetector PIR-1;

Pref - мощность светодиода LEDref на входе основного пироприемника PIR-1;P ref - power of the LED ref LED at the input of the main pyrodetector PIR-1;

Spyr1 - вольтовая чувствительность основного пироприемника PIR-1 для заданной длины волны.S pyr1 is the volt sensitivity of the main PIR-1 pyrodetector for a given wavelength.

Фаза 2 период 1Phase 2 Period 1

Figure 00000006
Figure 00000006

Следовательно,

Figure 00000007
Hence,
Figure 00000007

Фаза 3 период 1Phase 3 Period 1

Figure 00000008
Figure 00000008

следовательноhence

Figure 00000009
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000010

Фаза 2 период 2Phase 2 Period 2

Figure 00000011
Figure 00000011

где С - концентрация измеряемой компоненты,where C is the concentration of the measured component,

k(λref) - коэффициент поглощения для заданной измеряемой компоненты на заданной длине волны.k (λref) is the absorption coefficient for a given measured component at a given wavelength.

Поскольку λref выбирается, так что коэффициент поглощения для измеряемых компонент равен нулю и используя (9) выражение (10) можно привести к виду:Since λ ref is chosen, so that the absorption coefficient for the measured components is zero, and using (9), expression (10) can be reduced to

Figure 00000012
Figure 00000012

Аналогично для фазы 3 период 2:Similarly for phase 3, period 2:

Figure 00000013
Figure 00000013

Оптическая схема и данный алгоритм работы соответствует дифференциальной методике определения одной или нескольких газовых компонент, и с точностью до коэффициентов совпадает с выражением (3), при этом автоматически выполняется условие стабильности нуля и чувствительности газоанализатора.The optical scheme and this operation algorithm corresponds to the differential method for determining one or more gas components, and, up to the coefficients, coincides with expression (3), while the condition of zero stability and gas analyzer sensitivity is automatically satisfied.

Условия реализации устройства и алгоритма:Conditions for the implementation of the device and algorithm:

- ИК источник излучения - светодиодная матрица должна обладать высоким быстродействием каждого светодиода, таким, чтобы при реализации питания импульсными токами в соответствии с фиг.4.a, б, в, суммарная мощность была постоянной.- IR radiation source - the LED matrix must have high speed of each LED, so that when the power supply is pulsed currents in accordance with Fig.4.a, b, c, the total power is constant.

- Частотная полоса пироэлектрических приемников должна быть достаточно широкой (не менее 100 Гц. В противном случае полное время каждого цикла измерения всех измеряемых газовых компонент становится слишком большим. При этом чувствительность приемников также должна быть высокой для обеспечения требуемой точности регулировки токов питания светодиодов в матрице.- The frequency band of the pyroelectric receivers should be wide enough (at least 100 Hz. Otherwise, the total time of each measurement cycle of all measured gas components becomes too large. At the same time, the sensitivity of the receivers should also be high to ensure the required accuracy of the adjustment of the LED currents in the matrix.

- Пироэлектрические приемники должны обладать равномерной - "плоской" спектральной характеристикой, независимой от внешних условий (в частности, температуры окружающей среды).- Pyroelectric receivers should have a uniform - "flat" spectral characteristic, independent of external conditions (in particular, ambient temperature).

- Пироэлектрические приемники, как и ИК светодиоды матрицы, должны обладать достаточно широким динамическим диапазоном для обеспечения требуемой регулировки в процессе долговременной эксплуатации.- Pyroelectric receivers, like IR matrix LEDs, must have a sufficiently wide dynamic range to ensure the required adjustment during long-term operation.

Многокомпонентный газоанализатор ИК диапазона, показанный на фиг.2, содержит источник ИК излучения - светодиодную матрицу 1, оптическую кювету с исследуемым газом 2, основной фотоприемник пироэлектрического типа 3, дополнительный фотоприемник пироэлектрического типа 4, схему формирования импульсов тока светодиодной матрицы 11, микропроцессор со встроенным (АЦП) 12, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 13, синхронные детекторы основного канала 9 и дополнительного канала 8 включающие соответственно предварительные усилители, устройство индикации и формирования выходного сигнала 10.The multi-component gas analyzer of the infrared range shown in Fig. 2 contains a source of infrared radiation - an LED array 1, an optical cuvette with a test gas 2, a primary pyroelectric type 3 detector, an additional pyroelectric type 4 detector, a current pulse generation circuit of the LED array 11, a microprocessor with a built-in (ADC) 12, digital-to-analog converter (DAC) 13, synchronous detectors of the main channel 9 and additional channel 8, respectively including pre-amplifiers, an indie device and formation of the output signal 10.

Многокомпонентный газоанализатор ИК диапазона работает следующим образом.Multicomponent gas analyzer IR range operates as follows.

От микропроцессора 12 на схему формирования импульсов тока светодиодной матрицы 11 поступают управляющие импульсные последовательности F1, F2, F3, определяющие временные параметры импульсов тока светодиодов матрицы 1 и их последовательность. Амплитуды импульсов токов светодиодов матрицы регулируются независимо для каждого из светодиодов по величине с помощью ЦАП 13, который устанавливает на входе схемы формирования импульсов тока светодиодной матрицы 11 соответствующие уровни напряжения, коды которых вырабатываются микропроцессором 12 по алгоритму управления фиг.3. Импульсы тока накачки I, подаваемые на светодиодную матрицу 1, и соответствующие им импульсы излучения приведены на фиг.4. Импульсы ИК излучения поступают в кювету 2 с исследуемым газом и регистрируются основным фотоприемником пироэлектрического типа 3. Часть излучения на входе в кювету ответвляется на дополнительный пироприемник 4. Сигналы с пироприемников 3 и 4 поступают на вход синхронных детекторов 9 и 8, управление которыми осуществляется микропроцессором - 12 тактовой последовательностью F1. Применение синхронных детекторов увеличивает чувствительность и повышает отношение сигнал/шум, что, в свою очередь, позволяет снизить порог обнаружения измеряемых компонент газовой смеси. В режиме измерения неизвестных концентраций газовых компонент микропроцессор учитывает ранее измеренные в процессе предварительной калибровки константы пропускания кюветы и вычисляет концентрации. Определенное при этом значение концентрации высвечивается на устройстве индикации 10 или поступает во внешние цепи в виде аналогового или цифрового выходного сигнала.From the microprocessor 12, control pulse sequences F1, F2, F3 are supplied to the current pulse generation circuit of the LED matrix 11, which determine the time parameters of the current pulses of the LEDs of the matrix 1 and their sequence. The amplitudes of the pulses of the currents of the LEDs of the matrix are independently regulated for each of the LEDs in magnitude using the DAC 13, which sets the corresponding voltage levels at the input of the current pulse generation circuit of the LED matrix 11, the codes of which are generated by the microprocessor 12 according to the control algorithm of FIG. 3. The pulses of the pump current I supplied to the LED matrix 1, and the corresponding radiation pulses are shown in figure 4. The pulses of infrared radiation enter the cell 2 with the test gas and are recorded by the pyroelectric type 3 main photodetector. Part of the radiation at the inlet of the cell is branched to an additional pyrodetector 4. The signals from the pyrodetectors 3 and 4 are fed to the input of synchronous detectors 9 and 8, which are controlled by a microprocessor - 12 clock sequence F1. The use of synchronous detectors increases the sensitivity and increases the signal-to-noise ratio, which, in turn, allows one to lower the detection threshold of the measured components of the gas mixture. In the mode of measuring unknown concentrations of gas components, the microprocessor takes into account the cell transmission constants previously measured during the preliminary calibration and calculates the concentrations. The concentration value determined in this case is displayed on the display device 10 or enters into external circuits in the form of an analog or digital output signal.

Таким образом, предлагаемый многокомпонентный газоанализатор ИК диапазона обеспечивает высокую точность измерения всех составляющих многокомпонентного газа за счет использования в качестве фотоприемников пироэлектрического типа в в сочетании с источниками ИК излучения в виде светодиодной матрицы, причем основной пироэлектрический приемник регистрирует только дифференциальный сигнал, пропорциональный концентрации измеряемого газового компонента. Одновременно с этим достигается значительное упрощение конструкции и повышение надежности в эксплуатации при длительной работе без вмешательства оператора. Thus, the proposed multicomponent gas analyzer of the infrared range provides high accuracy in measuring all components of the multicomponent gas due to the use of a pyroelectric type as photodetector in combination with sources of infrared radiation in the form of an LED matrix, the main pyroelectric detector registering only a differential signal proportional to the concentration of the measured gas component . At the same time, a significant simplification of the design and increased reliability in operation during long-term operation without operator intervention is achieved.

Указанное устройство может быть использовано для измерения как одной, так и нескольких газовых компонент, например (кроме описанных выше СО2 и Н2О) одновременного измерения СО2, СН, СО.The specified device can be used to measure both one or several gas components, for example (except for the above described CO 2 and H 2 O) simultaneous measurement of CO 2 , CH, CO.

Claims (1)

Многокомпонентный газоанализатор ИК диапазона, содержащий источник электромагнитного излучения в виде светодиодной матрицы, излучающей опорную и рабочие длины волн, расположенную по ходу излучения газовую кювету, основной фотоприемник, установленный на выходе кюветы, для приема излучения опорной и рабочих длин волн, а также блок обработки сигнала, содержащий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выход которого соединен с микропроцессором, устройством индикации, отличающийся тем, что на входе в кювету установлен дополнительный фотоприемник, при этом в качестве обоих фотоприемников используются фотоприемники пироэлектрического типа, которые через предварительные усилители соединены со входами синхронных детекторов, управляемых микропроцессором, выходы синхронных детекторов соединены с входами АЦП микропроцессора, один из выходов которого соединен с цифроаналоговым преобразователем, который соединен со схемой формирования импульсов тока, подключенной к светодиодной матрице, для регулировки интенсивности излучения светодиодов светодиодной матрицы, причем три других выхода микропроцессора соединены с входами схемы формирования импульсов тока накачки светодиодной матрицы для управления светодиодами в определенной последовательности.A multi-component infrared gas analyzer containing an electromagnetic radiation source in the form of an LED matrix emitting a reference and working wavelengths, a gas cell located along the radiation path, a main photodetector installed at the output of the cell for receiving reference and working wavelength radiation, and a signal processing unit comprising an analog-to-digital converter (ADC), the output of which is connected to a microprocessor, an indication device, characterized in that an additional photoconductor is installed at the entrance to the cell a receiver, in this case, pyroelectric type photodetectors are used as both photodetectors, which are connected through pre-amplifiers to the inputs of synchronous detectors controlled by a microprocessor, the outputs of synchronous detectors are connected to the inputs of an ADC of a microprocessor, one of the outputs of which is connected to a digital-to-analog converter, which is connected to a pulse-forming circuit current connected to the LED matrix to adjust the radiation intensity of the LEDs of the LED matrix, and three the other outputs of the microprocessor are connected to the inputs of the pulse current generation circuit of the LED matrix to control the LEDs in a certain sequence.
RU2004114660/28A 2004-05-13 2004-05-13 Multiple-component ir-range gas analyzer RU2287803C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004114660/28A RU2287803C2 (en) 2004-05-13 2004-05-13 Multiple-component ir-range gas analyzer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004114660/28A RU2287803C2 (en) 2004-05-13 2004-05-13 Multiple-component ir-range gas analyzer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2004114660A RU2004114660A (en) 2005-10-27
RU2287803C2 true RU2287803C2 (en) 2006-11-20

Family

ID=35863947

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004114660/28A RU2287803C2 (en) 2004-05-13 2004-05-13 Multiple-component ir-range gas analyzer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2287803C2 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2451285C1 (en) * 2010-11-12 2012-05-20 Общество С Ограниченной Ответственностью "Оптосенс" Gas analyser and optical unit used therein
RU2530447C1 (en) * 2013-05-31 2014-10-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method of analysing multicomponent gaseous medium of sealed containers with electronic devices and apparatus therefor
RU2531061C1 (en) * 2013-05-06 2014-10-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method to analyse multi-component gas medium of sealed containers with electronic instruments and device for its realisation
RU2596035C1 (en) * 2015-07-06 2016-08-27 Общество с ограниченной ответственностью "Центр Инновационных Технологий-Плюс" Infrared optical gas analyzer
RU2785169C1 (en) * 2022-08-31 2022-12-05 Общество С Ограниченной Ответственностью "Ситиэйр" Multichannel gas analyzer and gas analysis method

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2451285C1 (en) * 2010-11-12 2012-05-20 Общество С Ограниченной Ответственностью "Оптосенс" Gas analyser and optical unit used therein
WO2012093952A2 (en) 2010-11-12 2012-07-12 Общество С Ограниченной Ответственностью "Оптосенс" Gas analyzer and optical unit for use therein
RU2531061C1 (en) * 2013-05-06 2014-10-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method to analyse multi-component gas medium of sealed containers with electronic instruments and device for its realisation
RU2530447C1 (en) * 2013-05-31 2014-10-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method of analysing multicomponent gaseous medium of sealed containers with electronic devices and apparatus therefor
RU2596035C1 (en) * 2015-07-06 2016-08-27 Общество с ограниченной ответственностью "Центр Инновационных Технологий-Плюс" Infrared optical gas analyzer
RU2785169C1 (en) * 2022-08-31 2022-12-05 Общество С Ограниченной Ответственностью "Ситиэйр" Multichannel gas analyzer and gas analysis method

Also Published As

Publication number Publication date
RU2004114660A (en) 2005-10-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6509567B2 (en) Method and apparatus for detecting gases
US8198589B2 (en) Remote sensing of gas leaks
US3994590A (en) Discrete frequency colorimeter
US9874522B2 (en) System for a stimulated raman scattering (SRS) spectrophotometer and a method of use thereof
ATE317115T1 (en) GAS DETECTION METHOD AND GAS DETECTION DEVICE
JPH09325116A (en) Measurement device
EP0306337B1 (en) Spectrophotometer
RU2187093C2 (en) Non-dispersing multi-passage infra-red gas analyzer
RU2287803C2 (en) Multiple-component ir-range gas analyzer
JP6059484B2 (en) High-resolution measuring device for substance concentration in fluid media
US4057734A (en) Spectroscopic apparatus with balanced dual detectors
RU2596035C1 (en) Infrared optical gas analyzer
RU2478192C2 (en) Method for optical remote detection of compounds in medium
CA2585289C (en) Method and sensor for infrared measurement of gas
RU2710083C1 (en) Infrared optical gas analyzer with automatic temperature correction
JP2014142299A (en) Gas concentration measurement device
RU51742U1 (en) GAS ANALYZER
EP3992614A1 (en) Analysis device
GB2102942A (en) Spectrometric gas analysis
RU5030U1 (en) OPTICAL ABSORPTION GAS ANALYZER
RU2044303C1 (en) Gas analyzer
RU2816838C1 (en) Mercury vapor analyzer
RU2753612C1 (en) Multichannel fiber-optic near-infrared heterodyne spectroradiometer
Masi et al. A compact system for measurement of absorbance of light
RU1831675C (en) Correlation gas analyzer

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20070514

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20080927

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090514