RU2484450C1 - Infrared detector for measurement of concentration of molecules of toxic gases in air flow - Google Patents
Infrared detector for measurement of concentration of molecules of toxic gases in air flow Download PDFInfo
- Publication number
- RU2484450C1 RU2484450C1 RU2011147876/28A RU2011147876A RU2484450C1 RU 2484450 C1 RU2484450 C1 RU 2484450C1 RU 2011147876/28 A RU2011147876/28 A RU 2011147876/28A RU 2011147876 A RU2011147876 A RU 2011147876A RU 2484450 C1 RU2484450 C1 RU 2484450C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- measuring
- detector
- synchronous
- measurement
- amplifier
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к количественному газовому анализу токсичных веществ по инфракрасным спектрам поглощения.The invention relates to measuring technique, namely to a quantitative gas analysis of toxic substances by infrared absorption spectra.
Из предшествующих приборов газового анализа известен «Газоанализатор» патент РФ №2035038 G01N 21/61 для контроля выбросов промышленных предприятий в атмосферу и определения концентраций токсичных газов, присутствующих в выхлопах двигателей внутреннего сгорания. Конструкция устройства включает в себя источник инфракрасного излучения, кювету с рабочей и опорными камерами, обтюратор, оптический фильтр с фокусирующей системой, приемник инфракрасного излучения и ряд усилителей и регуляторов, подключенных к аналого-запоминающему устройству и индикатору.Of the previous gas analysis instruments, the “Gas Analyzer” is known RF patent No. 2035038 G01N 21/61 for monitoring the emissions of industrial enterprises into the atmosphere and determining the concentrations of toxic gases present in the exhausts of internal combustion engines. The design of the device includes an infrared radiation source, a cuvette with a working and support cameras, an obturator, an optical filter with a focusing system, an infrared radiation receiver, and a number of amplifiers and controllers connected to an analog storage device and indicator.
Недостатком известного газоанализатора является низкая надежность работы из-за введения в его конструкцию двух камер (опорной и рабочей), оптического фильтра с фокусирующей системой, что делает его сложным в эксплуатации, а также усложняет процесс его юстировки. Конструктивное выполнение оптического канала с последовательным расположением элементов в одну длинную цепочку увеличивает габаритные размеры прибора, что делает прибор малопригодным, например, для использования в дыхательной арматуре емкостей хранения, а также делает его зависимым от таких факторов, как изменение температуры, давления, влажности и вибрации.A disadvantage of the known gas analyzer is its low reliability due to the introduction of two chambers (support and working), an optical filter with a focusing system into its design, which makes it difficult to operate and also complicates the process of its adjustment. The design of the optical channel with a sequential arrangement of elements in one long chain increases the overall dimensions of the device, which makes the device unsuitable, for example, for use in breathing valves of storage containers, and also makes it dependent on factors such as changes in temperature, pressure, humidity and vibration .
Известен прибор для измерения концентрации горючих и токсичных газов «Инфракрасный абсорбционный газоанализатор» патент РФ №2292039 G01N 21/61. В конструкцию предлагаемого газоанализатора входят источник инфракрасного излучения со сферическим зеркальным отражателем, рабочая и опорные камеры, обтюратор с приводом, оптический фильтр, приемник инфракрасного (ИК) излучения с фокусирующим устройством и блок управления с миниЭВМ.A known device for measuring the concentration of combustible and toxic gases "Infrared absorption gas analyzer" RF patent No. 2292039 G01N 21/61. The design of the proposed gas analyzer includes an infrared radiation source with a spherical specular reflector, working and support cameras, a shutter with a drive, an optical filter, an infrared (IR) radiation receiver with a focusing device, and a control unit with a mini-computer.
Недостатком известного газоанализатора является сложность конструкции, включающей сферический зеркальный отражатель, обтюратор с приводом, оптический фильтр и фокусирующее устройство на приемнике излучения. Данное конструктивное выполнение малопригодно для измерения концентрации в местах с агрессивной средой и механическими воздействиями.A disadvantage of the known gas analyzer is the complexity of the design, including a spherical mirror reflector, a shutter with a drive, an optical filter and a focusing device on the radiation receiver. This design is unsuitable for measuring concentration in places with an aggressive environment and mechanical stress.
Задачей изобретения является создание инфракрасного детектора для измерения концентрации токсичных газов в местах возможных выбросов газовой смеси, который может быть установлен непосредственно в месте источника выброса.The objective of the invention is the creation of an infrared detector for measuring the concentration of toxic gases in places of possible emissions of the gas mixture, which can be installed directly in place of the source of emission.
Техническим результатом является повышение точности измерения концентрации токсичных газов и надежности работы прибора за счет исключения механических подвижных частей устройства, применения синхронного детектирования для исключения влияния шумов и несинхронных помех, использования одной измерительной камеры, исключения влияния вибрации на процесс измерения детектором, исключения влияния загрязненности оптических деталей. Также использование опорного канала позволяет исключить нестабильность излучения светодиода. За счет вышеперечисленных признаков прибор имеет небольшие массогабаритные показатели.The technical result is to increase the accuracy of measuring the concentration of toxic gases and the reliability of the device by eliminating the mechanical moving parts of the device, using synchronous detection to eliminate the effects of noise and non-synchronous interference, use one measuring chamber, eliminate the effects of vibration on the measurement process by the detector, eliminate the effects of contamination of optical parts . Also, the use of the reference channel eliminates the instability of the LED radiation. Due to the above signs, the device has small overall dimensions.
Технический результат достигается созданием инфракрасного детектора для измерения концентрации молекул токсичных газов в воздушном потоке, содержащего светодиод, оптически связанного с измерительным и через поворотное зеркало с опорным каналами, каждый из которых состоит из последовательно распложенных фотодиода, дифференциального усилителя и синхронного детектора, вычитающего устройства, масштабного усилителя, делителя сигналов, регистрирующего устройства, масштабного усилителя, тактового генератора и усилителя мощности, причем выход синхронного детектора измерительного канала последовательно соединен с входом вычитающего устройства, масштабным усилителем, делителем сигналов и регистрирующим устройством, а выход синхронного детектора опорного канала последовательно соединен с входом вычитающего устройства и параллельно соединен через масштабный усилитель с входом делителя сигналов и регистрирующим устройством, кроме того тактовый генератор соединен с синхронными детекторами измерительного и опорного каналов и через блок усилителя мощности со светодиодом.The technical result is achieved by creating an infrared detector for measuring the concentration of toxic gas molecules in the air stream, containing an LED, optically coupled to the measuring channel and through a rotary mirror with reference channels, each of which consists of a sequentially placed photodiode, a differential amplifier and a synchronous detector, a subtractor, and a large-scale amplifier, signal divider, recording device, large-scale amplifier, clock and power amplifier, the output of the synchronous detector of the measuring channel is connected in series with the input of the subtractor, a scale amplifier, a signal divider, and a recording device, and the output of the synchronous detector of the reference channel is connected in series with the input of a subtractor, and is connected in parallel through a scale amplifier with the input of the signal divider and a recording device, in addition the generator is connected to synchronous detectors of the measuring and reference channels and through the power amplifier unit with LEDs house.
Конструктивные особенности инфракрасного детектора позволяют использовать его, например, в узких участках газохода, дыхательной арматуре. Двухлучевая схема детектора реализована в одном измерительном объеме и имеет компактные габаритные показатели за счет минимального расстояния от излучателя до фотодиода опорного канала. Этот фотодиод расположен перпендикулярно к геометрической оси излучателя, также под заданным углом расположено поворотное зеркало на продолжении геометрической оси - фотодиода опорного канала. За счет такого расположения светодиода и фотодиода опорного канала возможно исключение влияния на измеряемый сигнал вибрации, загрязненности поверхности оптических деталей.The design features of the infrared detector allow it to be used, for example, in narrow sections of the gas duct, breathing valves. The two-beam detector circuit is implemented in one measuring volume and has compact overall dimensions due to the minimum distance from the emitter to the photodiode of the reference channel. This photodiode is located perpendicular to the geometrical axis of the emitter, also at a given angle there is a rotary mirror on the continuation of the geometrical axis - the photodiode of the reference channel. Due to this arrangement of the LED and the photodiode of the reference channel, it is possible to exclude the influence of the vibration and surface contamination of the optical parts on the measured signal.
На фиг.1 приведена принципиальная схема ИК детектора.Figure 1 shows a schematic diagram of an IR detector.
Структурная схема устройства состоит из следующих частей: светодиод 1,фотодиод измерительного канала 2, дифференциальный усилитель измерительного канала 3, синхронный детектор измерительного канала 4, вычитающее устройство 5, масштабный усилитель измерительного канала 6, делитель сигнала 7, фотодиод опорного канала 8, дифференциальный усилитель опорного канала 9, синхронный детектор опорного канала 10, масштабный усилитель опорного канала 11, генератор 12, блок усилителя мощности светодиода 13, поворотное зеркало 14, регистрирующее устройство 15.The structural diagram of the device consists of the following parts: LED 1, a photodiode of the measuring channel 2, a differential amplifier of the measuring channel 3, a synchronous detector of the measuring channel 4, a subtractor 5, a scale amplifier of the measuring channel 6, a signal divider 7, a photodiode of the reference channel 8, a differential amplifier of the reference channel 9, synchronous detector of the reference channel 10, a large-scale amplifier of the reference channel 11, the generator 12, the power amplifier unit of the LED 13, a rotary mirror 14, a recording device fifteen.
Детектор работает следующим образом. Излучение от светодиода 1 проходит через анализируемый токсичный газ и попадает на фотодиод измерительного канала 2 и, отражаясь от поворотного зеркала 14, на фотодиод опорного канала 8. В блок фотодиодов входит дифференциальный усилитель 3,9 и синхронный детектор измерительного и опорного каналов 4, 10 соответственно. Сигнал от светодиода 1 и фотоприемника измерительного канала 2 приходит на вычитающее устройство 5, масштабный усилитель измерительного канала 6 и на делитель сигнала 7. Сигнал от фотодиода опорного канала приходит на масштабный усилитель 11 и на делитель 7. Выход делителя 7 соединен с входом регистрирующего устройства 15, которое может быть соединено с персональным компьютером или другим портативным устройством для вывода конечных данных. Генератор 12 задает частоту модуляции светодиода 1 и управляет работой синхронных детекторов 10 и 4. 13 - усилитель мощности светодиода.The detector operates as follows. The radiation from the LED 1 passes through the analyzed toxic gas and enters the photodiode of the measuring channel 2 and, reflected from the rotary mirror 14, the photodiode of the reference channel 8. The differential amplifier 3.9 and a synchronous detector of the measuring and reference channels 4, 10, respectively, enter the photodiode block . The signal from the LED 1 and the photodetector of the measuring channel 2 arrives at the subtractor 5, the scale amplifier of the measuring channel 6, and the signal splitter 7. The signal from the photodiode of the reference channel arrives at the scale amplifier 11 and the divider 7. The output of the divider 7 is connected to the input of the recording device 15 which can be connected to a personal computer or other portable device for outputting final data. The generator 12 sets the modulation frequency of the LED 1 and controls the operation of synchronous detectors 10 and 4. 13 - power amplifier LED.
Опорный фотодиод 8 необходим в данной схеме для измерения полезного сигнала, который есть разница между опорным и измеряемым сигналами, а также для обеспечения требуемой точности измерения путем исключения зависимости измерения от внешних воздействий, вибрации, загрязнения поверхности оптических деталей. Дифференциальные усилители 3 и 9 усиливают сигналы, идущие от опорного и измерительного фотодиодов, и устраняют синфазные помехи.The reference photodiode 8 is necessary in this scheme to measure the useful signal, which is the difference between the reference and the measured signals, as well as to ensure the required measurement accuracy by eliminating the dependence of the measurement on external influences, vibration, and surface contamination of optical parts. Differential amplifiers 3 and 9 amplify the signals coming from the reference and measuring photodiodes, and eliminate common-mode interference.
Синхронные детекторы 4 и 10 вычитают из полезного сигнала все шумы и несинхронные помехи.Synchronous detectors 4 and 10 subtract from the useful signal all the noise and non-synchronous interference.
Показание сигнала измерения снимается на выходе устройства деления сигналов 7, которое затем передается на регистрирующее устройство 15, в качестве которого может быть использован микропроцессор или компьютер для расчета концентрации.The measurement signal is taken at the output of the signal division device 7, which is then transmitted to the recording device 15, which can be used as a microprocessor or computer to calculate the concentration.
При предложенной реализации детектора выходное напряжение не зависит от вибрации, загрязнения оптических деталей и внешних воздействий. Простота конструкции и юстировки оптических элементов, а также небольшие массогабаритные показатели позволяют использовать прибор в местах возможных выбросов токсичных газов и измерении их концентрации в воздушном потоке (например, газоходы, дыхательная арматура). Использование модулированного излучения позволяет уменьшить колебания интенсивности светодиода.With the proposed implementation of the detector, the output voltage does not depend on vibration, contamination of optical parts and external influences. The simplicity of the design and alignment of the optical elements, as well as the small overall dimensions allow the device to be used in places of possible emissions of toxic gases and measuring their concentration in the air stream (for example, gas ducts, breathing valves). Using modulated radiation reduces the fluctuation in the intensity of the LED.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011147876/28A RU2484450C1 (en) | 2011-11-24 | 2011-11-24 | Infrared detector for measurement of concentration of molecules of toxic gases in air flow |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011147876/28A RU2484450C1 (en) | 2011-11-24 | 2011-11-24 | Infrared detector for measurement of concentration of molecules of toxic gases in air flow |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2484450C1 true RU2484450C1 (en) | 2013-06-10 |
Family
ID=48785803
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011147876/28A RU2484450C1 (en) | 2011-11-24 | 2011-11-24 | Infrared detector for measurement of concentration of molecules of toxic gases in air flow |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2484450C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2568038C1 (en) * | 2014-06-27 | 2015-11-10 | Михаил Алексеевич Горбунов | Method to detect microconcentrations of flammable and toxic gases |
| WO2017105274A1 (en) * | 2015-12-18 | 2017-06-22 | Обществество С Ограниченной Ответственностью "Микросенсор Технолоджи" | Miniature optical cell based on leds with a spectral range of 1600-5000 nm |
| EA028994B1 (en) * | 2015-12-18 | 2018-01-31 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Микросенсор Технолоджи" | MINIATURE OPTICAL CELL BASED ON LIGHT-EMITTING DIODES OF 1600-5000 nm SPECTRAL RANGE |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1167482A1 (en) * | 1983-05-06 | 1985-07-15 | Ордена Трудового Красного Знамени Институт Физики Ан Бсср | Gas analyser |
| SU1283629A1 (en) * | 1985-07-02 | 1987-01-15 | Львовский Сельскохозяйственный Институт | Optical meter of dust concentration |
| JPH01254841A (en) * | 1988-04-05 | 1989-10-11 | Fujitsu Ltd | Signal processing method for gas sensor |
| RU2035038C1 (en) * | 1992-05-25 | 1995-05-10 | Смоленское производственное объединение "Аналитприбор" | Gas analyzer |
| US6509567B2 (en) * | 2000-05-30 | 2003-01-21 | Gaz De France | Method and apparatus for detecting gases |
| RU2292039C2 (en) * | 2005-02-18 | 2007-01-20 | Елена Николаевна Бондарчук | Infrared absorption gas analyzer |
-
2011
- 2011-11-24 RU RU2011147876/28A patent/RU2484450C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1167482A1 (en) * | 1983-05-06 | 1985-07-15 | Ордена Трудового Красного Знамени Институт Физики Ан Бсср | Gas analyser |
| SU1283629A1 (en) * | 1985-07-02 | 1987-01-15 | Львовский Сельскохозяйственный Институт | Optical meter of dust concentration |
| JPH01254841A (en) * | 1988-04-05 | 1989-10-11 | Fujitsu Ltd | Signal processing method for gas sensor |
| RU2035038C1 (en) * | 1992-05-25 | 1995-05-10 | Смоленское производственное объединение "Аналитприбор" | Gas analyzer |
| US6509567B2 (en) * | 2000-05-30 | 2003-01-21 | Gaz De France | Method and apparatus for detecting gases |
| RU2292039C2 (en) * | 2005-02-18 | 2007-01-20 | Елена Николаевна Бондарчук | Infrared absorption gas analyzer |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ВЕЧКАСОВ И.А. и др. Приборы и методы анализа в ближней инфракрасной области. - М.: Химия, 1977, с.76-78, рис.3.6а. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2568038C1 (en) * | 2014-06-27 | 2015-11-10 | Михаил Алексеевич Горбунов | Method to detect microconcentrations of flammable and toxic gases |
| WO2017105274A1 (en) * | 2015-12-18 | 2017-06-22 | Обществество С Ограниченной Ответственностью "Микросенсор Технолоджи" | Miniature optical cell based on leds with a spectral range of 1600-5000 nm |
| EA028994B1 (en) * | 2015-12-18 | 2018-01-31 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Микросенсор Технолоджи" | MINIATURE OPTICAL CELL BASED ON LIGHT-EMITTING DIODES OF 1600-5000 nm SPECTRAL RANGE |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Qiu et al. | Development of an early warning fire detection system based on a laser spectroscopic carbon monoxide sensor using a 32-bit system-on-chip | |
| US20160178517A1 (en) | Apparatus and method of gas analysis using laser light | |
| CN101819140B (en) | Continuous monitoring device and method of gaseous elemental mercury concentration | |
| Dang et al. | An open-path sensor for simultaneous atmospheric pressure detection of CO and CH4 around 2.33 μm | |
| US6912480B2 (en) | Method and apparatus for determining the mass flow through an engine | |
| CN111707634A (en) | Multi-channel gas concentration detection system and method based on mid-infrared absorption spectrum | |
| RU2484450C1 (en) | Infrared detector for measurement of concentration of molecules of toxic gases in air flow | |
| CN108106998A (en) | Atmosphere pollution detection device and detection method | |
| Wang et al. | Using broadband absorption spectroscopy to measure concentration of sulfur dioxide | |
| JP2014517925A (en) | Laser-based temperature-insensitive carbon dioxide isotope ratio measurement | |
| CN115993347B (en) | Gas detection device and method | |
| CN109813639B (en) | Infrared light modulation technology-based synchronous measurement device and measurement method for concentration of particulate matters and gas | |
| CN112577913B (en) | Method and system for detecting concentration of trace gas based on spectral absorption principle | |
| CN104990883A (en) | Device for detecting gas concentration by spectrometer | |
| KR100481433B1 (en) | Semiconductor diode laser photo-analyzing system | |
| CN111912804B (en) | Ultraviolet spectrum detection method and device for monitoring trace sulfur dioxide in blast furnace flue gas | |
| CN112881326A (en) | Carbon monoxide detection device and detection method | |
| Song et al. | Design and implementation of differential mid-infrared carbon monoxide detector | |
| RU63067U1 (en) | OPTICAL-ELECTRONIC DEVICE FOR MEASURING SOLID PARTICLE CONCENTRATION IN SMOKE GASES | |
| RU103400U1 (en) | LABORATORY STAND FOR CREATION AND CONTROL OF CONCENTRATIONS OF GASES IN THE FORMATION OF THE BASIS OF SPECTRAL DATA AND ASSESSMENT OF TECHNICAL CHARACTERISTICS OF FOURIER SPECTRADRADIOMETERS | |
| CN202133612U (en) | Laser online detection system for detecting gas content of smoke | |
| RU2044303C1 (en) | Gas analyzer | |
| RU77046U1 (en) | INTERFERENCE GAS ANALYZER | |
| Chang et al. | Detection of O18 and D Isotopes in Water Vapor using a Fiber-Coupled Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy Multi-Pass Cell | |
| CN214503364U (en) | Carbon monoxide detection device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20131125 |