RU2596035C1

RU2596035C1 - Infrared optical gas analyzer

Info

Publication number: RU2596035C1
Application number: RU2015126759/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Пластун; Андрей Иванович Конюхов; Михаил Иванович Юдаков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Центр Инновационных Технологий-Плюс"
Priority date: 2015-07-06
Filing date: 2015-07-06
Publication date: 2016-08-27

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment, namely to devices for measuring concentration of gas present in the environment. Gas analyzer has two infrared radiation sources, main and additional, measuring cell, interference light filter, main and additional IR radiation receivers, two amplifiers. In the measurement cell has two openings in side wall on both sides of the optical axis. In the first opening, there is an additional photodetector (wideband), in the second opening there is one of the infrared radiation sources. Note here that distance between this source of infrared radiation and main IR radiation much less than the distance between the main source of infrared radiation and main IR radiation. Main and additional infrared radiation sources are connected through the respective amplifiers with microprocessor. Interference light filter can be built in the infrared detector. In the measuring cell the second opening is closed with a reflector around an additional source of infrared radiation.

EFFECT: invention provides higher stability and accuracy of measurement.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к приборам для измерения концентрации газа, присутствующего в окружающей среде.The invention relates to measuring equipment, namely to devices for measuring the concentration of gas present in the environment.

Известен газоанализатор инфракрасного диапазона по патенту РФ № 2287803 (МПК G01N 21/35). Газоанализатор содержит источник электромагнитного излучения в виде светодиодной матрицы, газовую кювету, основной фотоприемник, блок обработки сигнала, дополнительный фотоприемник. При этом светодиодная матрица излучает опорную и рабочую длины волн. Газовая кювета расположена по ходу излучения. Основной фотоприемник установлен на выходе кюветы для приема опорной и рабочей длин волн. Блок обработки сигнала содержит аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с микропроцессором, устройством индикации. Дополнительный фотоприемник установлен на выходе кюветы. В качестве фотоприемников использованы широкополосные фотоприемники пироэлектрического типа совместно с холодильниками Пельтье. Обработка сигнала ведется с разделением во времени включения источников ИК-излучения на различных длинах волн.A known infrared gas analyzer according to the patent of the Russian Federation No. 2287803 (IPC G01N 21/35). The gas analyzer contains a source of electromagnetic radiation in the form of an LED matrix, a gas cuvette, a main photodetector, a signal processing unit, an additional photodetector. In this case, the LED matrix emits the reference and working wavelengths. The gas cell is located along the radiation. The main photodetector is installed at the output of the cell for receiving the reference and working wavelengths. The signal processing unit contains an analog-to-digital converter, the output of which is connected to a microprocessor, an indication device. An additional photodetector is installed at the outlet of the cell. As photodetectors, broadband photodetectors of the pyroelectric type were used together with Peltier refrigerators. Signal processing is carried out with separation in time of inclusion of infrared radiation sources at different wavelengths.

Недостатком является необходимость использования пироэлектрических приемников с идентичными спектральными характеристиками. Пироэлектрический приемник реагирует только на изменение падающего теплового излучения, поэтому применение холодильников Пельтье не решает проблемы наличия отклика приемников на быстрое изменение температуры.The disadvantage is the need to use pyroelectric receivers with identical spectral characteristics. The pyroelectric receiver responds only to changes in incident thermal radiation, so the use of Peltier refrigerators does not solve the problem of the presence of the response of the receivers to a rapid change in temperature.

Известен газоанализатор (патент РФ № 2037809), который содержит источник излучения, оптический фильтр рабочего приемника излучения, отверстие, кювету с отверстием в боковой стенке, в котором установлен опорный приемник излучения с дополнительным оптическим фильтром. Излучение от источника попадает в кювету, в которой делится на два потока. Один поток излучения проходит через оптический фильтр, пропускающий спектральную область, соответствующую полосе поглощения измеряемого газа и фокусируется на рабочий приемник излучения. Другой поток излучения проходит через отверстие и дополнительный оптический фильтр, пропускающий спектральную область, соответствующую минимальному поглощению измеряемого, а также сопутствующих ему газов, и попадает на опорный приемник излучения. Появление в кювете измеряемого газа вызывает дисбаланс между рабочим и опорным приемниками излучения, пропорциональный концентрации измеряемого газа. В данной схеме на результат измерения в большей степени оказывает влияние нестабильность характеристик приемников излучения. В схемах с двумя ИК-фотоприемниками соотношение между измерительным и опорным сигналом зависит от температурных характеристик каждого из приемников и их усилителей в отдельности. При резком изменении температуры из-за наличия переходных процессов в ИК-фотоприемниках и усилителях регистрация состава газовой смеси затруднена.Known gas analyzer (RF patent No. 2037809), which contains a radiation source, an optical filter of the working radiation receiver, a hole, a cuvette with a hole in the side wall, in which a reference radiation receiver with an additional optical filter is installed. The radiation from the source enters the cell, in which it is divided into two streams. One radiation flux passes through an optical filter that passes the spectral region corresponding to the absorption band of the measured gas and focuses on the working radiation receiver. Another radiation flux passes through the hole and an additional optical filter that passes the spectral region corresponding to the minimum absorption of the measured, as well as its accompanying gases, and enters the reference radiation receiver. The appearance of the measured gas in the cuvette causes an imbalance between the working and reference radiation receivers, proportional to the concentration of the measured gas. In this scheme, the measurement result is more affected by the instability of the characteristics of the radiation receivers. In schemes with two infrared photodetectors, the ratio between the measuring and reference signal depends on the temperature characteristics of each of the receivers and their amplifiers separately. With a sharp change in temperature due to the presence of transients in infrared photodetectors and amplifiers, the registration of the composition of the gas mixture is difficult.

Известно устройство для измерения концентрации газа по патенту EP 2293043. Устройство выполнено на основе одноканального принципа измерения концентрации углекислого газа. Конструкция содержит инфракрасный излучатель, трубку, инфракрасный детектор с оптическим фильтром. При запуске устройства сигнал калибруется микропроцессором. Калибровочное напряжение подается на инфракрасную лампу. Величина сигнала запоминается и используется в качестве виртуального опорного канала. В процессе старения лампы изменение её светимости компенсируется программно в соответствии с данными виртуального опорного канала, определенными при калибровке.A device for measuring gas concentration according to patent EP 2293043 is known. The device is made on the basis of a single-channel principle for measuring carbon dioxide concentration. The design contains an infrared emitter, a tube, an infrared detector with an optical filter. When the device starts, the signal is calibrated by the microprocessor. Calibration voltage is supplied to the infrared lamp. The magnitude of the signal is stored and used as a virtual reference channel. During the aging of the lamp, a change in its luminosity is compensated programmatically in accordance with the data of the virtual reference channel determined during calibration.

Недостатком данного устройства является невозможность учета неравномерного старения лампы. На проводимые измерения сильное влияние может оказывать запыленность, задымленность воздуха. Температурная компенсация затруднена.The disadvantage of this device is the inability to account for the uneven aging of the lamp. Dustiness and smokiness of air can have a strong influence on the measurements. Temperature compensation is difficult.

Известно устройство для измерения концентрации газа (патент RU 2134874). Устройство содержит кювету с системой отражающих зеркал для направления оптического излучения на отдельный фотоприемник, коллиматор, помещенный на входе оптического излучения в кювету, и объектив, фокусирующий оптическое излучение на фотоприемник. В устройство введен оптический элемент (полупрозрачное зеркало или зеркало со 100%-ным отражением), разделяющий оптическое излучение на два пучка, направляемых на фотоприемник оптическими путями разной длины. Коэффициент ослабления излучения зависит от оптической длины пути. Этот факт используется для расчета концентрации исследуемой газовой смеси. A device for measuring gas concentration is known (patent RU 2134874). The device comprises a cuvette with a system of reflecting mirrors for directing optical radiation to a separate photodetector, a collimator placed at the input of optical radiation into the cuvette, and a lens focusing the optical radiation on the photodetector. An optical element (a translucent mirror or a mirror with 100% reflection) is introduced into the device, which divides the optical radiation into two beams sent to the photodetector by optical paths of different lengths. The attenuation coefficient of the radiation depends on the optical path length. This fact is used to calculate the concentration of the test gas mixture.

Недостатки данного устройства заключаются в том, что для перенаправления пучков необходима механическая регулировка зеркала. Что в свою очередь снижает точность определения концентраций газовых компонент исследуемой смеси вследствие появления механических вибраций оптических узлов.The disadvantages of this device are that for the redirection of the beams requires mechanical adjustment of the mirror. Which in turn 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.

Наиболее близким аналогом является конструкция одноканального оптического газоанализатора (SU 1149146). На оптической оси прибора размещены последовательно основной инфракрасный источник с отражателем, измерительная кювета, дополнительный инфракрасный источник, светофильтр, приёмник излучения, связанный через усилитель с синхронным детектором, и генератор модуляции, связанный с первым излучателем. С целью повышения точности измерения путем исключения погрешности, связанной с нестабильностью характеристик приемника излучения, газоанализатор содержит дополнительный инфракрасный источник, снабженный отражателем и устройством балансировки амплитуды и фазы сигналов. The closest analogue is the design of a single-channel optical gas analyzer (SU 1149146). The main infrared source with a reflector, a measuring cuvette, an additional infrared source, a light filter, a radiation receiver connected through an amplifier with a synchronous detector, and a modulation generator connected to the first emitter are sequentially placed on the optical axis of the device. In order to improve the measurement accuracy by eliminating the error associated with the instability of the characteristics of the radiation receiver, the gas analyzer contains an additional infrared source equipped with a reflector and a device for balancing the amplitude and phase of the signals.

Недостатком прототипа является отсутствие контроля неравномерного старения излучателей. Дисбаланс, вызванный уменьшением светимости первого излучателя относительно второго, может интерпретироваться как появление газа. Такой эффект приводит к снижению стабильности измерений. При размещении излучателей на одной оси часть излучения первого источника экранируется отражателем второго излучателя. Такое расположение приводит к необходимости повышения интенсивности излучения первого источника, что отрицательно сказывается на его старении. The disadvantage of the prototype is the lack of control of the uneven aging of the emitters. An imbalance caused by a decrease in the luminosity of the first emitter relative to the second can be interpreted as the appearance of gas. This effect leads to a decrease in the stability of measurements. When emitters are placed on one axis, part of the radiation of the first source is shielded by the reflector of the second emitter. This arrangement leads to the need to increase the radiation intensity of the first source, which negatively affects its aging.

Задача изобретения заключается в создании устройства с временным разделением активного и опорного сигналов и контролем интенсивности источников излучения, обеспечивающего детектирование присутствия метана или углекислого газа в воздушно-газовой смеси и обладающего повышенной стабильностью по отношению к быстрым температурным изменениям окружающей среды. The objective of the invention is to provide a device with a temporary separation of the active and reference signals and control the intensity of radiation sources, which detects the presence of methane or carbon dioxide in the air-gas mixture and has increased stability with respect to rapid temperature changes in the environment.

Технический результат заключается в повышении стабильности и точности измерения. The technical result is to increase the stability and accuracy of measurement.

Технический результат достигается тем, что инфракрасный оптический газоанализатор содержит основной источник инфракрасного излучения с отражателем, измерительную кювету, интерференционный светофильтр, приемник инфракрасного излучения, размещенные последовательно на одной оптической оси, первый усилитель, дополнительный источник инфракрасного излучения, согласно решению содержит широкополосный фотоприемник и второй усилитель, в измерительной кювете выполнены два отверстия в боковой стенке по разные стороны от оптической оси, в первом отверстии размещен широкополосный фотоприемник, во втором отверстии размещен дополнительный источник инфракрасного излучения, причем расстояние между дополнительным источником инфракрасного излучения и приемником инфракрасного излучения много меньше расстояния между основным источником инфракрасного излучения и приемником инфракрасного излучения, при этом основной и дополнительный источники инфракрасного излучения соединены через соответствующие усилители с микропроцессором.The technical result is achieved by the fact that the infrared optical gas analyzer contains a main infrared radiation source with a reflector, a measuring cuvette, an interference light filter, an infrared radiation receiver arranged in series on one optical axis, a first amplifier, an additional infrared radiation source, according to the solution, contains a broadband photodetector and a second amplifier , in the measuring cell, two holes are made in the side wall on different sides of the optical axis, in a wide-band photodetector is placed in the first hole, an additional infrared radiation source is placed in the second hole, and the distance between the additional infrared radiation source and the infrared radiation receiver is much smaller than the distance between the main infrared radiation source and the infrared radiation receiver, while the main and additional infrared radiation sources are connected through the corresponding amplifiers with microprocessor.

Интерференционный светофильтр может быть выполнен встроенным в приемник инфракрасного излучения.The interference filter can be made integrated in the receiver of infrared radiation.

В измерительной кювете второе отверстие закрыто отражателем, огибающим дополнительный источник инфракрасного излучения. In the measuring cell, the second hole is closed by a reflector enveloping an additional source of infrared radiation.

Заявляемое устройство поясняется Фиг.1- Фиг.3: The inventive device is illustrated Figure 1 - Figure 3:

Фиг.1 - чертеж устройства, Figure 1 - drawing of the device,

Фиг. 2 - характеристика сигнала: (а) управляющего сигнала основного источника инфракрасного излучения - сплошная линия, и управляющего сигнала дополнительного источника инфракрасного излучения - пунктир (величина сигнала дана в относительных единицах); (б) сигнала, зарегистрированного приемником инфракрасного излучения (величина сигнала дана в относительных единицах); (в) сигнала, зарегистрированного широкополосным фотоприемником (величины сигнала даны в относительных единицах). FIG. 2 - signal characteristic: (a) the control signal of the main infrared radiation source is a solid line, and the control signal of the additional infrared radiation source is a dotted line (the signal value is given in relative units); (b) the signal recorded by the infrared receiver (the magnitude of the signal is given in relative units); (c) the signal recorded by the broadband photodetector (signal values are given in relative units).

Фиг. 3 - временная зависимость амплитуд сигналов, зарегистрированных приемником 4 ИК-излучения и рассчитанная концентрация метана: (а) при тестировании газовой смесью воздух-метан, объемное содержание метана (CH₄) - 0.44%, температура окружающей среды +22°С; б) при изменении температуры от +22°С до -18°С фактическая концентрация метана равна нулю. Линия (1) - амплитуда измерительного сигнала, зарегистрированного приемником 4 ИК-излучения, при этом основной источник 1 ИК-излучения включен, дополнительный источник 2 ИК-излучения выключен; линия (2) - амплитуда опорного сигнала, зарегистрированного приемником 4 ИК-излучения, при этом дополнительный источник 2 ИК-излучения включен, основной источник 1 ИК выключен; линия (3) - концентрация метана, рассчитанная с использованием амплитуд измерительного и опорного сигналов. FIG. 3 - time dependence of the amplitudes of the signals recorded by the infrared radiation receiver 4 and the calculated methane concentration: (a) when testing with an air-methane gas mixture, the volumetric content of methane (CH ₄ ) is 0.44%, and the ambient temperature is + 22 ° С; b) when the temperature changes from + 22 ° C to -18 ° C, the actual concentration of methane is zero. Line (1) is the amplitude of the measuring signal recorded by the infrared radiation receiver 4, while the main infrared radiation source 1 is turned on, the secondary infrared radiation source 2 is turned off; line (2) is the amplitude of the reference signal recorded by the infrared radiation receiver 4, while the additional infrared radiation source 2 is turned on, the main IR source 1 is turned off; line (3) - methane concentration calculated using the amplitudes of the measuring and reference signals.

Позициями 1-13 обозначены:Positions 1-13 are indicated:

1 - основной источник инфракрасного (ИК) излучения,1 - the main source of infrared (IR) radiation,

2 - дополнительный источник инфракрасного излучения,2 - an additional source of infrared radiation,

3 - измерительная кювета,3 - measuring cell,

4 - приемник инфракрасного излучения,4 - receiver of infrared radiation,

5 - интерференционный светофильтр,5 - interference filter,

6 - отражатель,6 - reflector,

7 - широкополосный фотоприемник,7 - broadband photodetector,

8 - микропроцессор,8 - microprocessor,

9 - первый усилитель,9 - the first amplifier

10 - второй усилитель,10 - second amplifier

11 - первое отверстие в измерительной кювете,11 - the first hole in the measuring cell,

12 - второе отверстие в измерительной кювете,12 - the second hole in the measuring cell,

13 - второй отражатель.13 - the second reflector.

Заявляемое устройство представляет собой измерительную кювету 3 в виде цилиндрической трубки с отражающими внутренними стенками. С одной торцевой стороны измерительной кюветы 3 установлен основной 1 источник ИК-излучения с отражателем 6. С другой торцевой стороны измерительной кюветы 3 - приемник 4 ИК-излучения с узкополосным интерференционным светофильтром 5. Интерференционный светофильтр 5 может быть встроенным в приемник 4 ИК-излучения. Приемник 4 ИК-излучения выполнен с температурным датчиком. Заявляемое устройство также содержит широкополосный фотоприемник 7, дополнительный источник 2 ИК-излучения и два усилителя: первый 9 и второй 10. Основной источник 1 ИК-излучения с отражателем 6, измерительная кювета 3, интерференционный светофильтр 5 и приемник 4 ИК-излучения размещены последовательно на одной оптической оси. В боковой стенке измерительной кюветы 3 выполнены два отверстия 11 и 12 в непосредственной близости к приемнику 4 ИК-излучения по разные стороны от оптической оси. При этом первое отверстие 11 выполнено ближе к приемнику 4 ИК-излучения, чем второе отверстие 12. В первом отверстии 11 размещен широкополосный фотоприемник 7 для регистрации интенсивности света основного 1 и дополнительного 2 источников ИК-излучения, во втором отверстии 12 размещен дополнительный источник 2 ИК-излучения в стороне от оптической оси, свет от которого падает под углом к оптической оси. Расстояние между дополнительным источником инфракрасного излучения и приемником инфракрасного излучения много меньше расстояния между основным источником инфракрасного излучения и приемником инфракрасного излучения.The inventive device is a measuring cell 3 in the form of a cylindrical tube with reflective inner walls. On the one end face of the measuring cell 3, a primary 1 IR source with a reflector 6 is installed. On the other end side of the measuring cell 3, an IR radiation receiver 4 with a narrow-band interference filter 5. An interference filter 5 can be integrated into the IR receiver 4. The receiver 4 infrared radiation is made with a temperature sensor. The inventive device also contains a broadband photodetector 7, an additional source of infrared radiation 2 and two amplifiers: the first 9 and second 10. The main source 1 of infrared radiation with a reflector 6, a measuring cuvette 3, interference filter 5 and the receiver 4 of infrared radiation are placed sequentially on single optical axis. Two holes 11 and 12 are made in the side wall of the measuring cell 3 in the immediate vicinity of the infrared radiation receiver 4 on opposite sides of the optical axis. In this case, the first hole 11 is made closer to the infrared radiation receiver 4 than the second hole 12. In the first hole 11 there is a broadband photodetector 7 for recording the light intensity of the main 1 and additional 2 sources of infrared radiation, an additional IR source 2 is placed in the second hole 12 - radiation away from the optical axis, the light from which falls at an angle to the optical axis. The distance between the additional infrared source and the infrared receiver is much less than the distance between the main infrared source and the infrared receiver.

Область чувствительности широкополосного фотоприемника 7 находится за пределами полосы поглощения исследуемого газа. Второе отверстие 12 может быть закрыто вторым отражателем 13, огибающим дополнительный источник 2 ИК-излучения. Приемник 4 ИК-излучения и широкополосный фотоприемник 7 соответственно через первый 9 и второй 10 усилители соединены с микропроцессором 8, который содержит аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Микропроцессор 8 через соответствующие транзисторы соединен с основным 1 и дополнительным 2 источниками ИК-излучения. Микропроцессор 8 выполнен с функцией включения и выключения основного 1 и дополнительного 2 источников ИК-излучения, регистрации сигналов с приемника 4 ИК-излучения и широкополосного фотоприемника 7, обработки полученных результатов. The sensitivity region of the broadband photodetector 7 is outside the absorption band of the test gas. The second hole 12 may be closed by a second reflector 13, enveloping the additional source 2 of infrared radiation. The infrared radiation receiver 4 and the broadband photodetector 7 are respectively connected through the first 9 and second 10 amplifiers to a microprocessor 8, which contains an analog-to-digital converter (ADC). The microprocessor 8 is connected through the corresponding transistors to the main 1 and additional 2 sources of infrared radiation. The microprocessor 8 is made with the function of turning on and off the main 1 and additional 2 sources of infrared radiation, registering signals from the infrared radiation receiver 4 and the broadband photodetector 7, processing the obtained results.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

От микропроцессора 8 попеременно на основной 1 и дополнительный 2 источники ИК-излучения подают управляющее напряжение (Фиг.2а) со сдвигом фаз таким образом, что электрические сигналы, формируемые приемником 4 ИК-излучения от основного источника 1 ИК-излучения и дополнительного источника 2 ИК-излучения, разнесены по времени и не перекрываются (Фиг.2б, Фиг.2в). На Фиг. 2а управляющий сигнал основного источника 1 ИК-излучения - сплошная линия, и управляющего сигнала дополнительного источника 2 ИК-излучения - пунктир (величина сигнала дана в относительных единицах).From the microprocessor 8, alternately, the main 1 and additional 2 sources of infrared radiation are supplied with a control voltage (Fig. 2a) with a phase shift so that the electrical signals generated by the infrared receiver 4 from the main source 1 of infrared radiation and an additional source of 2 infrared -radiation, spaced in time and do not overlap (Fig.2b, Fig.2c). In FIG. 2a, the control signal of the main IR radiation source 1 is a solid line, and the control signal of the additional IR radiation source 2 is a dashed line (the signal value is given in relative units).

Сначала микропроцессор 8 через транзистор подает прямоугольное напряжение на основной источник 1 ИК-излучения. Возникший при этом поток после отражения от отражателя 6 поступает в измерительную кювету 3, которая заполнена анализируемой газовой смесью. При этом одна часть потока попадает через интерференционный светофильтр 5 в приемник 4 ИК-излучения, другая часть потока отражается от внутренних стенок измерительной кюветы и попадает в широкополосный фотоприемник 7. При этом интерференционный светофильтр 5 пропускает поток в диапазоне длин волн, соответствующих спектру поглощения газа, который необходимо детектировать. При нормальном падении излучения на интерференционный светофильтр полоса пропускания этого светофильтра 5 совпадает с полосой поглощения детектируемого газа.First, the microprocessor 8 through a transistor supplies a rectangular voltage to the main source 1 of infrared radiation. The resulting flow after reflection from the reflector 6 enters the measuring cell 3, which is filled with the analyzed gas mixture. In this case, one part of the stream passes through the interference filter 5 to the infrared radiation receiver 4, the other part of the stream is reflected from the inner walls of the measuring cell and enters the broadband photodetector 7. In this case, the interference filter 5 passes the stream in the wavelength range corresponding to the gas absorption spectrum, which must be detected. With a normal incidence of radiation on the interference filter, the passband of this filter 5 coincides with the absorption band of the detected gas.

Два электрических сигнала, преобразованных из оптических соответственно в приемнике 4 ИК-излучения и широкополосном фотоприемнике 7, усиливаются при помощи соответственно первого 9 и второго 10 усилителей, оцифровываются АЦП и обрабатываются микропроцессором 8. Two electrical signals converted from optical signals respectively in the infrared radiation receiver 4 and the broadband photodetector 7 are amplified using the first 9 and second 10 amplifiers, are digitized by the ADC and processed by the microprocessor 8.

При подаче прямоугольного напряжения на дополнительный источник 2 ИК-излучения поток проходит через измерительную кювету 3, и практически не поглощаясь измеряемым газом, попадает на приемник 4 ИК-излучения, т.к. расстояние от дополнительного источника 2 ИК-излучения до приемника инфракрасного излучения мало. Электрические сигналы, преобразованные из оптических сигналов в приемнике 4 ИК-излучения и в широкополосном фотоприемнике 7 соответственно, также усиливаются соответственно первым 9 и вторым 10 усилителями, оцифровываются АЦП и обрабатываются микропроцессором 8. When a rectangular voltage is applied to an additional source of infrared radiation 2, the flow passes through the measuring cell 3, and practically without being absorbed by the measured gas, it enters the infrared radiation receiver 4, because the distance from the additional source of 2 infrared radiation to the infrared receiver is small. Electrical signals converted from optical signals in the infrared radiation receiver 4 and in the broadband photodetector 7, respectively, are also amplified by the first 9 and second 10 amplifiers, are digitized by the ADC and processed by the microprocessor 8.

Интерференционный светофильтр 5 пропускает излучение с центральной частотой, соответствующей линии поглощения исследуемого газа. Интенсивность прошедшего излучения регистрируется приемником 4 ИК-излучения. Амплитуда электрического сигнала, формируемого от основного 1 источника ИК-излучения, зависит от концентрации газа $A = A_{1} \exp (- K \cdot C \cdot L) + A_{T}^{}$

, где A₁ - сигнал, вырабатываемый в отсутствие исследуемого газа (C=0), K - коэффициент поглощения газа, L - расстояние от основного источника 1 ИК-излучения до приемника 4 ИК-излучения с интерференционным светофильтром 5, A_T - дополнительный сигнал, зависящий от температуры окружающей среды. The interference filter 5 transmits radiation with a central frequency corresponding to the absorption line of the test gas. The intensity of the transmitted radiation is recorded by the receiver 4 infrared radiation. The amplitude of the electric signal generated from the main 1 source of infrared radiation depends on the gas concentration

A = A_{one} \exp (- K \cdot C \cdot L) + A_{T}^{}

, where A ₁ is the signal generated in the absence of the test gas (C = 0), K is the gas absorption coefficient, L is the distance from the main source of infrared radiation 1 to the infrared radiation receiver 4 with interference filter 5, A _T is an additional signal dependent on ambient temperature.

Расстояние от дополнительного 2 источника ИК-излучения до приемника 4 ИК-излучения много меньше L. Кроме того, излучение падает под углом на интерференционный светофильтр 5, в результате чего полоса пропускания интерференционного светофильтра 5 смещается в сторону от полосы поглощения газа. Поэтому для дополнительного источника 2 ИК-излучения амплитуда электрического сигнала $B = B_{1} + B_{T}$

и практически не зависит от наличия исследуемого газа, B_T определяется температурой. Величина A является измерительным сигналом, величина B - опорным. Так как используется один и тот же приемник 4 ИК-излучения с усилителем 9, то при постоянной температуре величина S=A_T=B_T является одной и той же, как для измерительного сигнала A, так и для опорного B. На Фиг.3а показано изменение измерительного (линия 1) и опорного (линия 2) сигналов при тестировании воздушно-газовой смесью с концентрацией метан 0.44% по объему. Концентрация исследуемого газа (линия 3) определяется по разности измерительного и опорного сигналов. При изменении температуры измерительный и опорный сигналы изменяются синхронно (Фиг.2б). Синхронное изменение этих сигналов обеспечивает автоматическую компенсацию температурного дрейфа. При быстром изменении температуры скорость компенсации температурных изменений ограничена только временем отклика основного 1 и дополнительного 2 источника ИК-излучения и приемника 4 ИК-излучения. При использовании быстродействующих приемников 4 ИК-излучения (фотодиоды) и быстродействующих источников ИК-излучения (светодиоды) точность и стабильность измерений повышается. The distance from the additional 2 source of infrared radiation to the receiver 4 of infrared radiation is much less than L. In addition, the radiation falls at an angle to the interference filter 5, as a result of which the passband of the interference filter 5 is shifted to the side of the gas absorption band. Therefore, for an additional source of 2 infrared radiation, the amplitude of the electric signal

B = B_{one} + B_{T}

and practically does not depend on the presence of the test gas, B _T is determined by temperature. Value A is a measuring signal, value B is a reference signal. Since the same IR receiver 4 with amplifier 9 is used, at constant temperature the value S = A _T = B _T is the same for the measuring signal A and for the reference B. FIG. 3a The change in the measuring (line 1) and reference (line 2) signals during testing with an air-gas mixture with a methane concentration of 0.44% by volume is shown. The concentration of the test gas (line 3) is determined by the difference between the measuring and reference signals. When the temperature changes, the measuring and reference signals change synchronously (Fig.2b). Synchronous change of these signals provides automatic compensation of temperature drift. With a rapid change in temperature, the rate of compensation of temperature changes is limited only by the response time of the main 1 and additional 2 sources of infrared radiation and receiver 4 of infrared radiation. When using high-speed receivers 4 infrared radiation (photodiodes) and high-speed sources of infrared radiation (LEDs), the accuracy and stability of measurements increases.

При изменении температуры на 40°C (от +22°С до -18°С) погрешность в определении концентрации газа не превышает 0.1% (Фиг. 2в). Возникновение данной погрешности связано с нелинейностью характеристик усилителей 9 и 10. Погрешность может компенсироваться с использованием данных температурного датчика, встроенного в приемник 4 ИК-излучения. Компенсация осуществляется программно с использованием микроконтроллера 8. When the temperature changes by 40 ° C (from + 22 ° C to -18 ° C), the error in determining the gas concentration does not exceed 0.1% (Fig. 2c). The occurrence of this error is due to the non-linearity of the characteristics of the amplifiers 9 and 10. The error can be compensated using the data of the temperature sensor built into the infrared radiation receiver 4. Compensation is carried out programmatically using microcontroller 8.

Соотношение между величинами $A_{1}$

и

B_{1}

изменяется в результате старения основного 1 и дополнительного 2 источников ИК-излучения. Для корректировки данного соотношения используется широкополосный фотоприемник 7, который принимает рассеянное излучение от основного 1 и дополнительного 2 источников ИК-излучения (Фиг.2в). Применение дорогостоящего интерференционного светофильтра для широкополосного фотоприемника 7 не требуется. Широкополосный фотоприемник 7 измеряет интенсивность излучения основного 1 и дополнительного 2 источника ИК-излучения. Измеренные значения усредняются за длительный период и используются для корректировки соотношения между величинами

A_{1}

и

B_{1}

. The relationship between the quantities

A_{one}

and

B_{one}

changes as a result of aging of the main 1 and additional 2 sources of infrared radiation. To adjust this ratio, a broadband photodetector 7 is used, which receives scattered radiation from the main 1 and additional 2 sources of infrared radiation (Figv). The use of expensive interference filter for a broadband photodetector 7 is not required. Broadband photodetector 7 measures the radiation intensity of the main 1 and additional 2 sources of infrared radiation. The measured values are averaged over a long period and are used to adjust the relationship between the values

A_{one}

and

B_{one}

.

Таким образом, в заявляемом устройстве в единицу времени на микропроцессор 8 поступает сигнал либо от основного 1, либо от дополнительного 2 источников ИК-излучения. В случае наличия в газовой смеси анализируемого газа инфракрасное излучение от основного источника 1 ИК-излучения частично поглощается, и амплитуда электрического сигнала уменьшается. Если электрический сигнал уменьшается при включенном основном источнике 1 ИК-излучения, а при включенном дополнительном 2 источнике ИК-излучения электрический сигнал постоянен, то это свидетельствует о наличии в воздушной смеси газа. В заявляемом устройстве используется дополнительный канал измерения на основе широкополосного фотоприемника 7, область чувствительности которого находится за пределами полосы поглощения исследуемого газа. Широкополосный фотоприемник 7 выполняет функцию контроля изменения интенсивности основного 1 и дополнительного 2 источников ИК-излучения в результате их естественного старения. Для расчета концентрации газа используется сигнал, полученный с приемника 4 ИК-излучения. Заявляемое устройство позволяет существенно снизить влияние температурного дрейфа приемно-усилительного тракта на результаты измерений, компенсировать естественное старение основного 1 и дополнительного 2 источников ИК-излучения, и, соответственно, полученные измерения позволяют более точно вычислить концентрацию анализируемого газа и, соответственно, проанализировать его состав. Заявляемое устройство не требует фазовой и амплитудной подстройки сигналов.Thus, in the inventive device per unit time, the microprocessor 8 receives a signal from either the main 1 or from an additional 2 sources of infrared radiation. In the case of the presence of the analyzed gas in the gas mixture, infrared radiation from the main source of infrared radiation 1 is partially absorbed, and the amplitude of the electric signal decreases. If the electric signal decreases when the main source of infrared radiation 1 is turned on, and when the additional 2 source of infrared radiation is on, the electric signal is constant, this indicates the presence of gas in the air mixture. The inventive device uses an additional measurement channel based on a broadband photodetector 7, the sensitivity region of which is outside the absorption band of the test gas. Broadband photodetector 7 performs the function of controlling changes in the intensity of the main 1 and additional 2 sources of infrared radiation as a result of their natural aging. To calculate the gas concentration, the signal obtained from the receiver 4 of infrared radiation is used. The inventive device can significantly reduce the influence of temperature drift of the receiving-amplifying path on the measurement results, compensate for the natural aging of the main 1 and additional 2 sources of infrared radiation, and, accordingly, the measurements obtained allow us to more accurately calculate the concentration of the analyzed gas and, accordingly, analyze its composition. The inventive device does not require phase and amplitude adjustment of the signals.

Для промышленной апробации был изготовлен экспериментальный образец заявляемого устройства. Длина измерительной кюветы 3 в экспериментальном устройстве - 70 мм. В качестве основного 1 и дополнительного 2 источников ИК-излучения были использованы микролампы накаливания. Расстояние между дополнительным источником 2 ИК-излучения и приемником 4 ИК-излучения в 10 раз меньше, чем расстояние между основным источником 1 ИК-излучения и приемником 4 ИК-излучения. Широкополосный фотоприемник 7 был расположен на таком расстоянии, что амплитуды сигналов от основного и дополнительного источников ИК-излучения были примерно равны. Диаметр второго отражателя, огибающего дополнительный источник ИК-излучения, - 15 мм. Для измерений в качестве приемника 4 ИК-излучения использован термопарный приемник. При длине измерительной кюветы 3, равной 70 мм, и частоте управляющего сигнала основного 1 и дополнительного 2 источников ИК-излучения, равной 1 Гц, без использования программной коррекции температурных изменений точность измерения составила 0.1% объемного содержания газа.For industrial testing, an experimental sample of the inventive device was manufactured. The length of the measuring cell 3 in the experimental device is 70 mm. Incandescent microlamps were used as the main 1 and additional 2 sources of infrared radiation. The distance between the additional IR source 2 and the IR receiver 4 is 10 times smaller than the distance between the main IR source 1 and the IR receiver 4. The broadband photodetector 7 was located at such a distance that the amplitudes of the signals from the main and additional sources of infrared radiation were approximately equal. The diameter of the second reflector enveloping an additional source of infrared radiation is 15 mm. For measurements, a thermocouple receiver was used as a receiver 4 of infrared radiation. With the length of the measuring cell 3 equal to 70 mm and the frequency of the control signal of the main 1 and additional 2 sources of infrared radiation equal to 1 Hz, without the use of software correction of temperature changes, the measurement accuracy was 0.1% of the volumetric gas content.

Заявляемое устройство тестировали газовой смесью воздух-метан. На Фиг.3а и Фиг.3б представлена временная зависимость амплитуды сигнала, зарегистрированного приемником 4 ИК-излучения, и рассчитанная концентрация метана CH₄. При тестировании объемное содержание метана - 0.44% (Фиг. 3а). На Фиг.3б показаны результаты тестирования температурной стабильности показаний инфракрасного оптического газоанализатора. Температура изменялась от +22^oС до -18^oС, концентрация метана равна нулю. Программная коррекция рассчитанной концентрации (Фиг. 3б) с использованием данных температурного датчика, встроенного в приемник 4 ИК-излучения, не применялась.The inventive device was tested with a gas mixture of air-methane. On figa and figb presents the time dependence of the amplitude of the signal recorded by the receiver 4 of infrared radiation, and the calculated concentration of methane CH ₄ . When testing, the volumetric content of methane is 0.44% (Fig. 3a). On figb shows the results of testing the temperature stability of the readings of an infrared optical gas analyzer. The temperature ranged from +22 ^o C to -18 ^o C, the concentration of methane is zero. Software correction of the calculated concentration (Fig. 3b) using the data of the temperature sensor integrated in the infrared radiation receiver 4 was not used.

Claims

1. An infrared optical gas analyzer containing a main infrared radiation source with a reflector, a measuring cell, an interference filter, an infrared radiation receiver arranged in series on one optical axis, a first amplifier, an additional infrared radiation source, characterized in that it contains a broadband photodetector and a second amplifier, in the measuring cell, two holes are made in the side wall on opposite sides of the optical axis, a wide-band is placed in the first hole a clear photodetector, in the second hole an additional source of infrared radiation is placed, and the distance between the additional source of infrared radiation and the infrared receiver is much smaller than the distance between the main source of infrared radiation and the infrared receiver, while the main and additional sources of infrared radiation are connected through microprocessor-based amplifiers .

2. The infrared optical gas analyzer according to claim 1, characterized in that the interference filter is made integrated in the infrared radiation receiver.

3. The infrared optical gas analyzer according to claim 1, characterized in that the second hole in the measuring cell is closed by a reflector enveloping an additional source of infrared radiation.