ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 1995 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения содержания газовых компонент в атмосфере, в частности, для обнаружения утечек легких углеводородов из магистральных трубопроводов и газовых хранилищ.

В связи с резким ухудшением экологической обстановки и частыми случаями аварий на трубопроводах, влекущими за собой человеческие жертвы, задача измерения содержания загрязняющих примесей в атмосфере и обнаружения утечек стали особенно актуальной. Существует целый ряд методов, позволяющих решать эту задачу. Одним из наиболее распространенных является газофильтровый метод, который основан на сравнении интенсивности излучения, прошедшего через слой атмосферы, с интенсивностью опорного потока.

Известен газофильтровый анализатор. В этом газоанализаторе сравниваемые пучки поочередно коммутируются на фотоприемник, при этом в сигнале появляется составляющая, амплитуда которой пропорциональна разности сравниваемых потоков и несет информацию о количестве измеряемого газа (далее ИГ) на пути измерительного пучка. Для того, чтобы показания газоанализатора не зависели от интенсивности излучения, падающего на фотоприемник, в приборе используется узел автоматической регулировки усиления. Однако в реальных условиях за счет нелинейности фотоприемника возникает погрешность в измерении содержания газа и она тем больше, чем больше диапазон изменения падающего на фотоприемник потока.

В качестве прототипа выбран двухканальный газоанализатор, как наиболее близкий к заявляемому по технической сущности [2]
Прототип содержит источник излучения, коллиматор, модулятор-коммутатор, измерительный и опорный оптические каналы, в каждом из которых содержится оптический фильтр, фокусирующая оптика и приемник излучения. Электрическая схема обработки сигнала содержит усилитель, два синхронных детектора, блок автоматической регулировки усиления и схему выделения четных гармоник. В прототипе схема выделения четных гармоник в совокупности с оригинальной конструкцией модулятора-коммутатора позволяет расширить динамический диапазон работы устройства при сохранении точности измерений. Это обеспечивается тем, что управление для блока автоматической регулировки усиления осуществляют не по величине потока, падающего на приемник, а по величине сигнала второй гармоники.

Недостатком газоанализатора является то, что в условиях меняющейся освещенности сигналы в обоих оптических каналах нестабильны и слабо коррелируют между собой. Это происходит из-за того, что два оптических канала пространственно разнесены, а разность интенсивностей потоков мала (как правило, несколько процентов). Поэтому, даже малые отличия в прохождении излучением каналов приводят к случайным изменениям разностного сигнала и измерение содержания газа на оптической трассе в этих условиях невозможно. Регулировка усиления по сигналу, пропорциональному амплитуде четных гармоник, лишь уменьшает влияние нелинейности приемника на точность измерений, но не сводит к минимуму.

Технической задачей изобретения является исключение нестабильности сигнала, обусловленной отличием в прохождении излучения по оптическим каналам, а также сведения к минимуму влияния нелинейности приемника.

Изложенная техническая задача достигается благодаря тому, что в газоанализаторе, включающем оптически сопряженные с источником излучения оптический анализатор из модулятора-коммутатора и кюветы, обеспечивающий формирование разностного на частоте коммутации и пропорционального суммарному потоку излучения на частоте модуляции сигнала, оптический фильтр, фокусирующую оптику, приемник излучения и электрическую схему обработки сигнала со схемой формирования синхросигналов, связанной с модулятором-коммутатором, кювета оптического анализатора образована двумя сериями ячеек по n-ячеек в каждой, расположенных симметрично относительно оптической оси анализатора параллельно ей, где n 2, 3, 4, причем ячейки одной из серий заполнены измеряемым газом заданной концентрации. Модулятор-коммутатор выполнен с регулируемой глубиной модуляции, коммутирующим поочередно излучение на одну и другую серию ячеек, электрическая схема обработки сигнала выполнена по крайней мере из одного усилителя, подключенного к первым входам двух синхродетекторов, а схема формирования синхросигналов включает датчик синхросигнала, связанный с модулятором-коммутатором, подключенный к дополнительному усилителю, выход которого соединен со входами фильтров, выделяющих сигналы, на частоте коммутации и модуляции, при этом вторые входы синхродетекторов подключены к выходам фильтров.

Модулятор-коммутатор оптического анализатора может быть выполнен в виде диска с 2 m сходящимися к центру чередующимися прозрачными непрозрачными для излучения 2 m зонами, где m больше n, повторяющими форму и размер ячейки, в периферийной части которого периодически размещены на расстоянии друг от друга на менее диаметра апертуры оптического анализатора, равные усеченные непрозрачные секторы, площадь S_с каждого из которых удовлетворяет условию S_c X˙S₃, где Х коэффициент поглощения измеряемого газа; S₃ площадь апертуры газоанализатора, а ширина по периметру диска не более апертуры оптического анализатора. Дополнительное снабжение модулятора-коммутатора диафрагмой позволяет регулировать амплитуду сигнала, пропорционального интенсивности всего потока излучения, что дает возможность уменьшить погрешность измерений, обусловленную нелинейностью приемника.

Площадь усеченного сектора удовлетворяет условию S_c Х_max˙S₃, где Х коэффициент поглощения измеряемого газа в ячейке из серии измеряемых газов с максимальным значением.

Кювета оптического анализатора может быть выполнена из соединительных оптическим контактом секций, каждая из которых включает две оптические пластины, установленные так, что оптические пластины соседних секций образуют ячейки, при этом оптические пути через каждую секцию равны. Модулятор-коммутатор, кювета, диафрагма, оптический фильтр, фокусирующая оптика и приемник излучения могут быть помещены в теплоизолирующий корпус с терморегулятором, а приемник излучения выполнен многоэлементным.

Изобретение поясняется фиг. 1-4.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства (вариант устройства с учетом дополнительных пунктов формулы), где модулятор-коммутатор (в виде диска) 1, кювета 2, оптический фильтр 3, фокусирующая оптика 4, приемник излучения 5, датчик синхросигнала (в виде оптопары) 6, схема 7 формирования синхросигналов, первый усилитель 8, синхродетекторы 9, 10, диафрагма 11, двигатель 12 модулятора-коммутатора, теплоизолирющий корпус 13, терморегулятор 14, второй усилитель 15, на фиг. 2 конструкция модулятора-коммутатора в виде диска, зоной А обозначен зрачок устройства; на фиг. 3 конструкция кюветы, где зоной Б обозначен зрачок устройства; на фиг. 4 разрез кюветы по В-В (см. фиг. 3), где I и II ячейки, заполненные ИГ и воздухом соответственно.

Устройство работает следующим образом. Излучение от источника проходит через модулятор-коммутатор 1 и кювету 2 оптического анализатора. После оптического анализатора в потоке излучения формируется составляющая сигнала на частоте f₁, пропорциональная разности интенсивностей потоков, прошедших через опорный и измерительный оптические каналы, и составляющая на частоте f₂, пропорциональная интенсивности всего потока. Кювета выполнена в виде ячеистой структуры из четного количества одинаковых ячеек, через одну заполненных известным количеством ИГ. Количество ячеек ограничивается только технологическими возможностями изготовления кюветы. Модулятор-коммутатор выполнен так, что обеспечивает периодическое (на частоте f₁) пропускание потока излучения то через одну серию ячеек, то через другую, и периодическую (на частоте f₂) модуляцию всего потока, причем глубину модуляции можно регулировать. Возможно множество вариантов выполнения модулятора-коммутатора, обеспечивающего такую функцию. Например, он может быть выполнен в виде набора электрооптических затворов, каждый из которых оптически сопряжен с одной из ячеек кюветы, или в виде вращающегося диска. Благодаря большому количеству ячеек кюветы и заполнению их газом через одну, два оптических канала практически пространственного совмещены, причем чем больше количество ячеек в кювете, тем меньше различия в прохождении излучения по двум каналам. Глубина модуляции на частоте f₂ выбирается такой, что при отсутствии ИГ на оптической трассе, амплитуды сигналов на частотах f₁ и f₂ равны. В этом случае при изменении интенсивности потока отношение амплитуд двух сигналов не будет изменяться за счет нелинейности приемника. В отличие от прототипа в данном устройстве при отсутствии ИГ на оптической трассе амплитуда сигнала на частоте f₁ не равна нулю и отношение амплитуд двух сигналов равно единице. При наличии ИГ на оптической трассе это отношение увеличивается, причем при малых концентрациях ИГ оно близко к единице. Если фототок приемника пропорционален корню квадратному из освещенности, легко определить на сколько меньше погрешность измерений в предлагаемом устройстве, связанная с нелинейностью приемника. Например, при изменении амплитуды разностного сигнала на 10% погрешность измерений в предлагаемом устройстве составит примерно 5% а в прототипе около 30%
Излучение, прошедшее через оптический анализатор и оптический фильтр 3, с помощью фокусирующей оптики 4 собирается на приемнике 5. Оптический фильтр пропускает на приемник излучение в спектральной полосе, содержащей линии поглощения ИГ. Электрический сигнал с приемника поступает на первый усилитель 8, а с усилителя на два синхродетектора 9, 10 которые управляются синхросигналами на частотах f₁ и f₂, вырабатываемыми схемой 7 формирования синхросигналов, которая связана с датчиком 6 синхросигнала.

Для измерения содержания ИГ на оптической трассе предварительно строится калибровочная функция, связывающая величину отношения амплитуд сигналов на выходах двух синхродетекторов с величиной приведенного слоя ИГ, помещенного между устройством и источником. При измерениях неизвестная величина приведенного слоя ИГ на оптической трассе определяется по величине отношения двух сигналов через калибровочную функцию.

Если модулятор-коммутатор выполняют в виде диска 1, с прозрачными и непрозрачными зонами выбранной геометрии, вращаемого двигателем 13, то площадь каждого широкого сектора такова, что составляет такую часть площади зрачка устройства, что величина отношения этой площади к площади зрачка равна коэффициенту поглощения слоя газа в кювете. Форма и размеры ячеек в плоскости, перпендикулярной оптической оси, совпадают с узкими секторами на диске. При вращении диска узкие секторы периодически перекрывают одну или другую серию ячеек, а широкие периодически перекрывают часть всего потока. В результате в потоке излучения формируются составляющие на частотах f₁ и f₂.

Для регулирования амплитуды сигнала на частоте f₂ в поток, в направлении к центру диска, вводится диафрагма 11, выполненная, например, в виде прямоугольной непрозрачной пластины. Она перекрывает часть потока излучения пересекаемого широкими секторами диска. Диафрагма устанавливается в такое положение, что амплитуды двух сигналов выравниваются. Элементы схемы 3-10 работают аналогично описанному выше, за исключением того, что для получения синхросигналов используется оптопара 6, а схема формирования синхросигналов обеспечивает дополнительно подстройку фазы сигнала на частоте f₂, так как его фаза на оптопаре не совпадает с фазой сигнала на приемнике. Кювета собрана из отдельных деталей, соединенных оптическим контактом. В такой конструкции кюветы толщина стенок между ячейками практически равна нулю, поэтому паразитный сигнал, величина которого пропорциональна толщине стенок, в данном случае пренебрежимо мал.

Конструкция оптического анализатора в совокупности с датчиком синхросигнала в виде оптопары и схемы формирования синхросигнала позволяет не только практически пространственно совместить два оптических канала, но и значительно увеличить частоту коммутации по сравнению с прототипом при тех же габаритах и частоте вращения диска. В результате повышается отношение сигнал/шум, так как на более высоких частотах собственные шумы приемника меньше. Регулировка глубины модуляции с помощью диафрагмы позволяет свести к минимуму погрешность, обусловленную нелинейностью приемника. При работе устройства с борта воздушного судна и в ряде других случаев, в качестве источника излучения может быть использована освещенная Солнцем поверхность. В отсутствии Солнечной подсветки в данном спектральном диапазоне (темное время суток, пасмурная погода) используется тепловое излучение поверхности. В этом случае оптическая часть устройства заключается в теплоизолирующий корпус 13, и внутрь корпуса устанавливается терморегулятор 14, поддерживающий внутри корпуса температуру ниже температуры поверхности. Разность температур, необходимая для надежного получения сигнала, зависит от температуры и характера поверхности, а также от рабочего спектрального диапазона.

При поиске утечек газа из магистральных газопроводов с борта воздушного судна вероятность их обнаружения зависит от многих факторов: скорости и направления ветра, рельефа местности, характера поверхности. Эти факторы влияют на форму газового облака, которая может быть сложной и разорванной. Для повышения вероятности обнаружения утечек приемник делают многоэлементным, а количество усилителей и синхродетекторов должно соответствовать количеству элементов (см. фиг. 1). При этом устройство должно быть снабжено блоком обработки информации, обеспечивающим преобразование сигналов в цифровой код, калибровку, деление, накопление и хранение обработанной информации. Это дает возможность получать изображение облака газа на фоне изображения подстилающей поверхности в данной спектральной области. Соответственно повышается вероятность обнаружения утечки, а также появляется возможность более точного определения ее координат. При необходимости перенастройки устройства на различные газы площадь широких секторов на диске выбирается такой, что отношение площади широкого сектора к площади зрачка газоанализатора равно величине наибольшего коэффициента поглощения слоя газа помещенного в ячейку из тех газов, которые нужно контролировать.

Реализация изобретения подтвердила высокую точность и стабильность измерений.

Использование: анализ содержания газов в атмосфере, преимущественно утечек на газопроводах и нефтехранилищах. Сущность изобретения: газоанализатор, включающий оптически сопряженные с источником излучения оптический анализатор из модулятора-коммутатора и кюветы, оптический фильтр, фокусирующую оптику, приемник излучения и электрическую схему обработки сигнала со схемой формирования синхросигналов, связанной с модулятором-коммутатором, в котором кювета оптического анализатора выполнена из 2n ячеек, где n-целое число, большее либо равное 2, через одну заполненных измеряемым газом заданной концентрации, модулятор-коммутатор выполнен поочередно коммутирующим излучением на одну и другую серию ячеек с регулировкой глубины модуляции, электрическая схема обработки сигнала выполнена по крайней мере из одного усилителя, подключенного к двум синхродетекторам, а схема формирования синхросигналов включает датчик синхросигнала, связанный с модулятором коммутатором, подключенный к усилителю, выход которого соединен со входами фильтров, выделяющих сигналы на частоте коммутации модуляции, при этом входы синхродетекторов подключены к выходам фильтров схемы формирования синхросигналов: технический эффект: осуществляется анализ газов с высокой степенью точности стабильно в условиях помех, возможна работа в бортовом и портативном вариантах. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ГАЗОАНАЛИЗАТОР, включающий оптически сопряженные с источником излучения оптический анализатор, состоящий из модулятора-коммутатора и кюветы, обеспечивающий формирование разностного на частоте коммутации и пропорционального суммарному потоку излучения на частоте модуляции сигнала, оптический фильтр, фокусирующую оптику, приемник излучения и электрическую схему обработки сигнала со схемой формирования синхросигналов, связанной с модулятором-коммутатором, отличающийся тем, что кювета оптического анализатора образована двумя сериями ячеек по n ячеек в каждой, расположенных симметрично относительно оптической оси анализатора параллельно ей, где n 2, 3, 4 причем ячейки одной из серий заполнены измеряемым газом заданной концентрации, модулятор-коммутатор выполнен с регулируемой глубиной модуляции, коммутирующим поочередно излучение на одну и другую серию ячеек, электрическая схема обработки сигнала выполнена по крайней мере из одного усилителя, подключенного к первым входам двух синхродетекторов, а схема формирования синхросигналов включает датчик синхросигнала, связанный с модулятором-коммутатором, подключенный к дополнительному усилителю, выход которого соединен с входами фильтров, выделяющих сигналы на частоте коммутации и модуляции, при этом вторые входы синхродетекторов подключены к выходам фильтров. 2. Газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что модулятор-коммутатор выполнен в виде диска с 2 m сходящимися к центру, чередующимися прозрачными и непрозрачными для излучения зонами, где m > n, повторяющими форму и размер ячейки, в периферийной части которого периодически размещены на расстоянии друг от друга не менее диаметра апертуры оптического анализатора равные усеченные непрозрачные секторы, площадь S_с каждого из которых удовлетворяет условию S_с X_x · S_з, где X - коэффициент поглощения измеряемого газа, S_з площадь апертуры анализатора, а ширина по периметру диска не более апертуры анализатора. 3. Газоанализатор по п.2, отличающийся тем, что оптический анализатор дополнительно снабжен диафрагмой, которая выполнена с шириной не менее апертуры оптического анализатора и установлена с возможностью движения в плоскости диска от периферии к центру на расстояние длины непрозрачного усеченного сектора. 4. Газоанализатор по п.3, отличающийся тем, что площадь усеченного непрозрачного сектора удовлетворяет условию S_с X_max · S_з, где X_max коэффициент поглощения измеряемого газа в ячейке из серии измеряемых газов с максимальным значением. 5. Газоанализатор по пп.1 4, отличающийся тем, что кювета оптического анализатора выполнена из соединенных оптическим контактом секций, каждая из которых включает две оптические пластины, установленные так, что оптические пластины соседних секций образуют ячейки, при этом оптические пути через каждую секцию равны. 6. Газоанализатор по пп.1 5, отличающийся тем, что модулятор-коммутатор, кювета, диафрагма, оптический фильтр, фокусирующая оптика, приемник излучения помещены в теплоизолирующий корпус с терморегулятором. 7. Газоанализатор по пп.1 6, отличающийся тем, что приемник излучения выполнен многоэлементным.