RU53015U1

RU53015U1 - CORRELATION GAS ANALYZER

Info

Publication number: RU53015U1
Application number: RU2005134112/22U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Алексеевич Бузников; Евгений Юрьевич Энберт
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Инростех"
Priority date: 2005-11-03
Filing date: 2005-11-03
Publication date: 2006-04-27

Abstract

Полезная модель направлена на повышение точности и достоверности измерений. Указанный технический результат достигается тем, что в газоанализаторе, содержащем источник излучения, коллиматор, модулятор-коммутатор, измерительную и опорную кюветы, фокусирующую оптику, приемник излучения, блок аналоговой обработки, блок аналого-цифрового преобразователя, блок синхронизации и стабилизации работы двигателя, блок математической обработки, блок индикации, опорная кювета выполнена в виде полуцилиндра, модулятор-коммутатор выполнен в виде полуцилиндра, совпадающего по форме и размеру с поперечным сечением опорной кюветы, при этом ось вращения модулятора-коммутатора лежит на оси опорной кюветы.The utility model is aimed at improving the accuracy and reliability of measurements. The specified technical result is achieved by the fact that in a gas analyzer containing a radiation source, a collimator, a modulator-switch, a measuring and reference cell, focusing optics, a radiation receiver, an analog processing unit, an analog-to-digital converter unit, an engine synchronization and stabilization unit, a mathematical unit processing unit, display unit, supporting cuvette is made in the form of a half cylinder, the modulator-switch is made in the form of a half cylinder matching in shape and size with the cross section of the supporting cuve while the axis of rotation of the modulator-switch lies on the axis of the reference cell.

Description

Полезная модель относится к области измерения концентраций газов и может быть применена при экологическом мониторинге окружающей среды, контроле концентраций различных газов в производственных и жилых помещениях, выявлении утечек газов, а также в медицине для выполнения дыхательных тестов.The utility model relates to the field of measuring gas concentrations and can be used in environmental monitoring of the environment, monitoring the concentrations of various gases in industrial and residential premises, detecting gas leaks, as well as in medicine for breathing tests.

Известен бездисперсионный инфракрасный газоанализатор [1], предназначенный для определения концентраций различных газов по изменению потока инфракрасного излучения, вызываемого селективным поглощением этими газами инфракрасного излучения. С помощью этого газоанализатора измеряется концентрация определенного газа (газов) в газовой смеси, помещенной в измерительную кювету. В газоанализаторе используется модулятор, снабженный окном в виде оптического фильтра, полоса пропускания которого согласована с полосой поглощения газа, концентрация которого измеряется. Возможно одновременное измерение концентраций нескольких газов, для чего модулятор снабжается несколькими окнами в виде оптических фильтров с полосами пропускания, соответствующими полосам поглощения газов, концентрации которых определяются. Информация о фазе сигнала считывается непосредственно с выхода приемника излучения и используется электронным блоком обработки сигнала.Known dispersionless infrared gas analyzer [1], designed to determine the concentrations of various gases by changing the flow of infrared radiation caused by the selective absorption of infrared radiation by these gases. Using this gas analyzer, the concentration of a specific gas (s) in a gas mixture is placed in a measuring cell. The gas analyzer uses a modulator equipped with a window in the form of an optical filter, the passband of which is consistent with the absorption band of the gas, the concentration of which is measured. It is possible to simultaneously measure the concentrations of several gases, for which the modulator is equipped with several windows in the form of optical filters with pass bands corresponding to the absorption bands of gases, the concentrations of which are determined. Information about the phase of the signal is read directly from the output of the radiation receiver and is used by the electronic signal processing unit.

Недостатком описанного газоанализатора является зависимость показаний от неселективной составляющей потока излучения, вызванной, например, флуктуациями яркости источника. При использовании этой схемы для дистанционных измерений существенный вклад в изменения неселективный составляющей потока излучения могут вносить флуктуации неселективной составляющей пропускания среды.A disadvantage of the described gas analyzer is the dependence of the readings on the non-selective component of the radiation flux caused, for example, by fluctuations in the brightness of the source. When using this scheme for remote measurements, a significant contribution to changes in the non-selective component of the radiation flux can be made by fluctuations in the non-selective component of the transmission medium.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является двухканальный газоанализатор, описанный в [2] и содержащий оптически сопряженные источник излучения с коллиматором, модулятор-коммутатор, измерительную и опорную кюветы, оптический фильтр, фокусирующую оптику, приемник излучения, электрическую схему обработки сигнала и блок индикации.Closest to the claimed utility model is a two-channel gas analyzer described in [2] and containing optically coupled radiation source with a collimator, a modulator-switch, a measuring and reference cell, an optical filter, focusing optics, a radiation receiver, an electrical signal processing circuit, and an indication unit.

В этом устройстве поток от источника излучения коллиматором преобразуется в квазипараллельный поток, который частично проходит через отверстия вращающегося модулятора-коммутатора. На измерительную кювету, через которую пропускается исследуемая газовая смесь, и опорную кювету цилиндрической формы, заполненную известным количеством газа, идентичного измеряемому, падают модулированные в противофазе потоки излучения, которые фокусирующей оптикой фокусируются на фотоприемник с оптическим фильтром, пропускающим излучение в полосе поглощения измеряемого газа. Усилитель усиливает переменную составляющую сигнала фотоприемника, детектор, управляемый схемой синхронизации, связанной с модулятором-коммутатором, выделяет первую гармонику частоты коммутации, и его выходное напряжение характеризует наличие измеряемого газа в смеси. В электронный блок введена схема выделения из сигнала усилителя какой-либо четной гармоники частоты коммутации, при этом эта схема также управляется схемой синхронизации. Блок автоматической регулировки усиления работает таким образом, что напряжение поступающей на него выделенной четной гармоники частоты коммутации поддерживается постоянным. При этом коэффициент усиления усилителя обратно пропорционален амплитуде этой же четной гармоники в сигнале фотоприемника, и напряжение на выходе детектора пропорционально отношению амплитуды первой гармоники сигнала фотоприемника к амплитуде выделенной четной гармоники и поэтому не зависит от величины неселективной составляющей потока излучения.In this device, the flux from the radiation source by the collimator is converted into a quasi-parallel flow, which partially passes through the holes of the rotating modulator-switch. An antiphase modulated radiation stream is incident on a measuring cell through which the test gas mixture is passed and a cylindrical support cell filled with a known amount of gas identical to the measured one, which are focused by a focusing optics onto a photodetector with an optical filter that transmits radiation in the absorption band of the measured gas. The amplifier amplifies the variable component of the photodetector signal, the detector, controlled by a synchronization circuit associated with the switching modulator, emits the first harmonic of the switching frequency, and its output voltage characterizes the presence of the measured gas in the mixture. A circuit for extracting from the amplifier signal any even harmonic of the switching frequency is introduced into the electronic unit, and this circuit is also controlled by a synchronization circuit. The automatic gain control unit works in such a way that the voltage of the allocated even harmonic of the switching frequency arriving at it is kept constant. In this case, the gain of the amplifier is inversely proportional to the amplitude of the same even harmonic in the photodetector signal, and the voltage at the detector output is proportional to the ratio of the amplitude of the first harmonic of the photodetector signal to the amplitude of the extracted even harmonic and therefore does not depend on the value of the non-selective component of the radiation flux.

Основным недостатком этого газоанализатора является серьезное влияние на точность измерений «мешающих» газов, имеющих полосы поглощения, близкие к полосам поглощения измеряемого газа, которые также попадают в полосу пропускания используемого в газоанализаторе оптического фильтра. Наличие в исследуемой газовой смеси «мешающих» газов приводит к завышению значения концентрации измеряемого газа (газов).The main disadvantage of this gas analyzer is the serious influence on the measurement accuracy of “interfering” gases having absorption bands close to the absorption bands of the measured gas, which also fall into the passband of the optical filter used in the gas analyzer. The presence of “interfering” gases in the test gas mixture leads to an overestimation of the concentration of the measured gas (gases).

Задачей заявляемой полезной модели является создание корреляционного газоанализатора, позволяющего получить технический результат, заключающийся в повышении точности и достоверности измерений, а также в повышении оперативности определения концентраций газов в окружающем воздухе.The objective of the claimed utility model is to create a correlation gas analyzer that allows to obtain a technical result, which consists in increasing the accuracy and reliability of measurements, as well as in increasing the efficiency of determining gas concentrations in ambient air.

Для достижения этого технического результата в двухканальном газоанализаторе, содержащем оптически сопряженные источник излучения с коллиматором, модулятор-коммутатор, измерительную и опорную кюветы, оптический фильтр, фокусирующую оптику, приемник излучения, опорная кювета выполнена в форме полуцилиндра, механический модулятор-коммутатор выполнен в форме полудиска, совпадающего по размеру с поперечным сечением опорной кюветы, двигатель модулятора-коммутатора снабжен блоком синхронизации и стабилизации работы двигателя модулятора-коммутатора, выход приемника излучения соединен с входом блока аналоговой обработки, выход которого соединен с входом блока аналого-цифрового преобразователя, а его выход соединен с первым входом блока математической обработки, реализованного на основе микроконтроллера, выход блока синхронизации и стабилизации работы двигателя соединен со вторым входом блока математической обработки, выход блока математической обработки соединен с входом блока индикации.To achieve this technical result, in a two-channel gas analyzer containing optically coupled radiation source with a collimator, a modulator-switch, a measuring and reference cell, an optical filter, focusing optics, a radiation receiver, a reference cell are made in the form of a half cylinder, the mechanical modulator-switch is made in the form of a half-disk matching in size with the cross section of the support cell, the modulator-switch engine is equipped with a synchronization and stabilization unit of the engine modulator a-switch, the output of the radiation receiver is connected to the input of the analog processing unit, the output of which is connected to the input of the analog-to-digital converter unit, and its output is connected to the first input of the mathematical processing unit based on the microcontroller, the output of the synchronization and stabilization unit of the engine is connected to the second input of the mathematical processing unit, the output of the mathematical processing unit is connected to the input of the display unit.

Выполнение опорной кюветы в форме полуцилиндра и модулятора-коммутатора в форме полудиска позволяет осуществлять модулирование потока только в диапазоне спектра, соответствующем линиям поглощения исследуемого газа. В результате The implementation of the reference cell in the form of a half-cylinder and a modulator-commutator in the form of a half-disk allows the modulation of the flow only in the spectral range corresponding to the absorption lines of the test gas. As a result

напряжение на выходе приемника излучения имеет постоянную и переменную составляющие. При этом переменная составляющая по спектральному составу соответствует линиям поглощения исследуемого газа, а постоянная составляющая - неселективной части потока в полосе оптического фильтра. Максимумы напряжения соответствуют максимальному пропусканию системы опорная кювета - модулятор-коммутатор в районе полос поглощения газа, а минимумы - полной непрозрачности системы в этом спектральном диапазоне. При наличии определяемого газа в тестовой кювете уровень максимумов уменьшится за счет селективного поглощения, в то время как уровень минимумов не изменится. Разность между максимальным и минимальным значениями переменной составляющей сигнала по сравнению со значениями, соответствующими отсутствию определяемого газа в тестовой кювете, определяет концентрацию этого газа. При этом наличие в среде «мешающих» газов, линии поглощения которых расположены поблизости от используемых для измерений линий определяемого газа, в случае некоррелированных спектров не влияет на показания газоанализатора. В этом случае происходит равномерное уменьшение величины потока на протяжении всего периода модуляции на величину поглощения излучения «мешающими» газами. При этом амплитуда переменной составляющей сигнала не меняется и по-прежнему зависит только от концентрации определяемого газа.The voltage at the output of the radiation receiver has constant and variable components. In this case, the variable component in spectral composition corresponds to the absorption lines of the gas under study, and the constant component corresponds to the non-selective part of the flow in the optical filter band. The voltage maxima correspond to the maximum transmission of the reference cell – modulator – switch system in the region of gas absorption bands, and the minima correspond to the complete opacity of the system in this spectral range. If there is a detectable gas in the test cell, the maximum level will decrease due to selective absorption, while the minimum level will not change. The difference between the maximum and minimum values of the variable component of the signal compared with the values corresponding to the absence of the detected gas in the test cell determines the concentration of this gas. Moreover, the presence of “interfering” gases in the medium, the absorption lines of which are located close to the lines of the gas being determined for measurements, in the case of uncorrelated spectra do not affect the readings of the gas analyzer. In this case, there is a uniform decrease in the flux throughout the entire modulation period by the amount of radiation absorption by the "interfering" gases. In this case, the amplitude of the variable component of the signal does not change and, as before, depends only on the concentration of the gas being determined.

Предложенная конфигурация модулятора-коммутатора и опорной кюветы позволяет также осуществить режим модуляции потока, при котором средний за период сигнал зависит только от неселективной составляющей потока излучения. Благодаря нормированию сигнала, зависящего от концентрации определяемого газа, средним за период модуляции сигналом показания газоанализатора являются независимыми от изменений неселективной составляющей потока, вызванных флуктуациями яркости источника и неселективной составляющей коэффициента пропускания среды.The proposed configuration of the modulator-switch and the reference cell also makes it possible to implement a flow modulation mode in which the average signal over a period depends only on the non-selective component of the radiation flux. Due to the normalization of the signal, which depends on the concentration of the gas being determined, by the average signal during the modulation period, the gas analyzer readings are independent of changes in the non-selective component of the flow caused by fluctuations in the source brightness and the non-selective component of the transmission coefficient of the medium.

Использование в блоке математической обработки микроконтроллера позволяет увеличить оперативность получения конечных данных о концентрации определяемого газа за счет программного выделения сигналов в различных фазах периода модуляции и их математической обработки.The use of a microcontroller in the mathematical processing unit allows one to increase the efficiency of obtaining final data on the concentration of the gas being determined by programmatically extracting signals in various phases of the modulation period and their mathematical processing.

Заявляемая полезная модель поясняется следующими фигурами:The inventive utility model is illustrated by the following figures:

Фигура 1 - функциональная схема заявляемой полезной модели корреляционного газоанализатора;Figure 1 is a functional diagram of the claimed utility model of the correlation gas analyzer;

Фигура 2 - конструкция модулятора-коммутатора газоанализатора;Figure 2 - design of the modulator-switch of the gas analyzer;

Фигура 3 - конструкция опорной кюветы газоанализатора (поперечное сечение);Figure 3 - design of the support cuvette of the gas analyzer (cross section);

Фигура 4 - взаимное положение модулятора-коммутатора и опорной кюветы.Figure 4 - the relative position of the modulator-switch and the reference cell.

Корреляционный газоанализатор содержит (фиг.1):Correlation gas analyzer contains (figure 1):

источник 1 излучения;radiation source 1;

линзу 2;lens 2;

входную диафрагму 3;input aperture 3;

коллиматор 4;collimator 4;

измерительную кювету 5;measuring cell 5;

оптический фильтр 6;optical filter 6;

модулятор-коммутатор 7 с двигателем 8;modulator-switch 7 with engine 8;

опорную кювету 9;supporting cell 9;

фокусирующую линзу 10;focusing lens 10;

фотоприемник 11;photodetector 11;

блок 12 аналоговой обработки сигнала;block 12 analog signal processing;

блок 13 аналого-цифрового преобразователя;block 13 analog-to-digital Converter;

блок 14 математической обработки;block 14 mathematical processing;

блок 15 индикации;block 15 indication;

блок 16 синхронизации и стабилизации работы двигателя модулятора-коммутатора;block 16 synchronization and stabilization of the engine modulator-switch;

оптронную пару 17.optocoupler pair 17.

В качестве источника излучения может быть использована лампа накаливания. Оптический фильтр может представлять собой узкополосный интерференционный фильтр. В качестве приемника излучения может быть использован фотодиод. При этом полоса пропускания интерференционного фильтра и спектральный диапазон чувствительности фотодиода выбираются исходя из диапазона спектра, в котором лежат линии поглощения исследуемого газа. Блок индикации может быть выполнен в виде двухстрочного шестнадцатиразрядного жидкокристаллического индикатора.An incandescent lamp can be used as a radiation source. The optical filter may be a narrow-band interference filter. A photodiode can be used as a radiation receiver. In this case, the passband of the interference filter and the spectral sensitivity range of the photodiode are selected based on the spectrum range in which the absorption lines of the gas under investigation lie. The display unit may be made in the form of a two-line sixteen-digit liquid crystal display.

Модулятор - коммутатор 7 (фиг.2) выполнен в форме полукруга. Опорная кювета 9 выполнена в форме полуцилиндра, при этом поперечное сечение опорной кюветы (фиг.3) по форме и размеру совпадает с модулятором-коммутатором. Ось вращения модулятора-коммутатора совпадает с осью опорной кюветы (фиг.4).The modulator switch 7 (figure 2) is made in the form of a semicircle. The supporting cell 9 is made in the form of a half-cylinder, while the cross-section of the supporting cell (Fig. 3) coincides in shape and size with the modulator-switch. The axis of rotation of the modulator-switch coincides with the axis of the reference cell (figure 4).

Газоанализатор работает следующим образом. Поток излучения от источника 1 линзой 2 отображается на плоскости входной диафрагмы 3. Далее коллиматором 4 формируется параллельный поток, который пропускается через измерительную кювету 5 с исследуемой газовой смесью. После этого оптическим фильтром 6, полоса пропускания которого согласована с полосой поглощения исследуемого газа, выделяется соответствующий информативный спектральный диапазон. Модулятор-коммутатор 7 с двигателем 8 обеспечивает модуляцию потока, после чего поток пропускается через опорную кювету 9, которая содержит газ, идентичный по химическому составу определямому, в количестве, достаточном для обеспечения практической непрозрачности кюветы в районе соответствующих линий поглощения. Форма и взаимное положение модулятора-коммутатора 7 и опорной кюветы 9 обеспечивают режим прерывания потока, позволяющий при обработке сигнала увеличить достоверность измерений за счет независимости результата от наличия в исследуемой среде «мешающих» газов. Фокусирующей линзой 10 поток направляется на приемную площадку фотоприемника 11.The gas analyzer operates as follows. The radiation flux from the source 1 by the lens 2 is displayed on the plane of the input diaphragm 3. Next, a parallel stream is formed by the collimator 4, which is passed through the measuring cell 5 with the studied gas mixture. After that, the optical filter 6, the passband of which is consistent with the absorption band of the test gas, the corresponding informative spectral range. The modulator-switch 7 with the engine 8 provides modulation of the flow, after which the flow is passed through the reference cell 9, which contains gas identical in chemical composition to the determined, in an amount sufficient to ensure practical opacity of the cell in the region of the corresponding absorption lines. The shape and relative position of the modulator-switch 7 and the reference cell 9 provide a flow interruption mode, which, when processing the signal, makes it possible to increase the reliability of measurements due to the independence of the result from the presence of “interfering” gases in the medium under study. Focusing lens 10, the flow is directed to the receiving platform of the photodetector 11.

Сигнал с выхода приемника излучения проходит первичную обработку в блоке 12 аналоговой обработки сигнала и через блок 13 аналого-цифрового преобразователя поступает на блок 14 математической обработки, реализованный на основе микроконтроллера. Для учета флуктуации скорости вращения модулятора-коммутатора используется блок 16 синхронизации и стабилизации работы двигателя модулятора-коммутатора, сигнал на который поступает с оптронной пары 17. Сигнал на выходе блока математической обработки определяется следующей формулой:The signal from the output of the radiation receiver undergoes primary processing in block 12 of the analog signal processing and through block 13 of the analog-to-digital converter enters the block 14 of mathematical processing, implemented on the basis of the microcontroller. To account for fluctuations in the speed of rotation of the modulator-switch, the synchronization and stabilization unit 16 of the engine of the modulator-switch is used, the signal to which comes from the optocoupler pair 17. The signal at the output of the mathematical processing unit is determined by the following formula:

(Мах-Min)/S_ср, где(Max-min) / s _cf , where

Мах - уровень максимумов;Mach - the level of maximums;

Min - уровень минимумов;Min - minimum level;

S_ср - среднее за период значение сигнала.S _cf - the average value for the period of the signal value.

Таким образом осуществляется нормирование сигнала, соответствующего концентрации определяемого газа, средним за период модуляции сигналом, что позволяет сделать показания газоанализатора независимыми от флуктуации неселективной составляющей потока излучения и, следовательно, увеличить точность измерений.Thus, the signal corresponding to the concentration of the gas to be determined is normalized by the average signal over the period of modulation, which makes the gas analyzer independent of fluctuations in the non-selective component of the radiation flux and, therefore, increases the measurement accuracy.

С блока математической обработки отградуированный в единицах концентрации сигнал подается на блок 15 индикации.From the mathematical processing unit, a signal calibrated in units of concentration is supplied to the indication unit 15.

Корреляционный газоанализатор обладает:Correlation gas analyzer has:

- повышенной точностью измерений за счет нормирования полезного сигнала средним сигналом за период вращения модулятора-коммутатора, что позволяет избежать погрешности, связанной с флуктуациями неселективной составляющей потока излучения;- increased measurement accuracy due to normalization of the useful signal by the average signal during the rotation period of the modulator-switch, which avoids the error associated with fluctuations of the non-selective component of the radiation flux;

- повышенной достоверностью измерений за счет использования фильтровой кюветы и модулятора-коммутатора предложенных конструкций, что позволяет избежать влияния на результаты измерений наличия в среде «мешающих» газов;- increased reliability of measurements due to the use of a filter cuvette and a modulator-switch of the proposed designs, which avoids the influence of the presence of “interfering” gases in the medium on the measurement results;

- повышенной оперативностью получения данных о концентрации газов за счет использования микропроцессора в блоке математической обработки.- increased efficiency in obtaining data on gas concentrations through the use of a microprocessor in a mathematical processing unit.

Использованные источникиUsed sources

1. Патент США 4100791, МПК G 01 J 001/00. Газоанализатор и метод газового анализа. Gas analyzer and gas analyzing method /Irvin G. Burough /Опубл. 29.04.1980.1. US patent 4100791, IPC G 01 J 001/00. Gas analyzer and gas analysis method. Gas analyzer and gas analyzing method / Irvin G. Burough / Publ. 04/29/1980.

2. А.с. 1176220 СССР. Двухканальный газоанализатор /Г.С.Тележко //Б.И. 1985, №32.2. A.S. 1176220 USSR. Two-channel gas analyzer / G.S. Telezhko // B.I. 1985, No. 32.

(прототип)(prototype)

Claims

A correlation gas analyzer containing optically coupled radiation source with a collimator, a modulator-switch, a measuring and reference cuvette, an optical filter, focusing optics, a radiation receiver, characterized in that the reference cuvette is made in the form of a half-cylinder, the mechanical modulator-switch is made in the form of a half-disk matching in size with the cross section of the support cell, the modulator-switch engine is equipped with a synchronization and stabilization unit of the modulator-switch engine, the output is reception The radiation is connected to the input of the analog processing unit, the output of which is connected to the input of the analog-to-digital converter unit, and its output is connected to the first input of the mathematical processing unit based on the microcontroller, the output of the synchronization and stabilization unit of the engine is connected to the second input of the mathematical processing unit , the output of the mathematical processing unit is connected to the input of the display unit.