ЛАЗЕРНЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 1997 года по МПК G01N21/37 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и предназначено для контроля вредных веществ, содержащихся в воздухе. Перечни вредных веществ в воздухе рабочей или жилой зоны насчитывают сотни веществ, оказывающих воздействие на организм человека.

Известно множество приборов, например [1] служащий для контроля состава воздуха с помощью различных методов измерений: химикоаналитического, хроматографического, кулонометрического и т.д. Одним из наиболее пригодных для выполнения оперативных измерений с возможностью контроля большого числа вредных веществ является метод с использованием поглощения ИК-излучения.

Известны газоанализаторы типа ГИАМ [2] предназначенные для регистрации одного из следующих газов: CO, CO₂, CH₄, SO₂, NO. В качестве источников ИК-излучения в них используются нити накаливания (лампы), имеющие сплошной спектр излучения. Для выделения спектрального диапазона, отвечающего спектру поглощения исследуемого вещества, используются светофильтры. Измерения ведутся с использованием сравнительной кюветы с эталонным газом. Прерывистый световой поток поочередно направляется на рабочую и сравнительную кюветы, проходя через которые он (световой поток) регистрируется оптикоакустическим детектором, наполненным измеряемым газом. По разнице сигналов с детекторов определяется концентрация исследуемого вещества в воздухе.

Приборы подобного типа, обладая хорошей оперативностью (время установления показаний примерно 10 с), не позволяют вести одновременную (в одной пробе) регистрацию больше одного компонента загрязняющих веществ.

Известен универсальный газовый монитор 1302 фирмы Брюль и Къер [3] позволяющий вести одновременную регистрацию до пяти примесей в одной пробе воздуха. В качестве источника ИК-излучения в приборе используется нить накаливания. Изменение спектра ИК-излучения, попадающего в чувствительный объем оптико-акустической ячейки, приводится автоматически в процессе измерений с помощью набора узкополосных светофильтров, установленных на вращающемся диске. Проба воздуха заполняет объем оптико-акустической ячейки. На время проведения замера, вход и выход ячейки перекрывается от наружного воздуха. С помощью микрофонов измеряют амплитуду колебаний давления, возникающего в ячейке при поглощении прерывистого светового потока исследуемой пробой. Измерения выполняются для каждого светофильтра. Полное время измерения одной пробы составляет примерно 2 мин. По результатам измерений определяется концентрация до пяти примесей в одной пробе. Управление работой прибора и обработка результатов измерений приводится с помощью встроенного процессора. Поставляемой отдельно набор из двух 2-х сменных узкополосных светофильтров позволяет проводить регистрацию большого числа примесей, поглощающих ИК-излучение. Однако прибор позволяет выполнять измерения лишь при априорно известном составе загрязнителей. В противном случае перекрытие полос поглощения различных веществ не позволяет получить адекватную информацию о составе вредных веществ в воздухе.

Наиболее близким к предлагаемому решению является лазерный газоанализатор, описанный в [4] и содержащий лазерную газоразрядную трубку, к которой подключен источник высоковольтного напряжения и блок охлаждения, расположенные на одной оптической оси, блок формирования луча и оптико-акустическую ячейку, к которой подключены блок забора воздуха, измерительный микрофон и пироэлектрический датчик, аналого-цифровой преобразователь, подключенный через блок сопряжения и блок ввода и вывода данных с входом персональной электронно-вычислительной машины. Выход которой через блок сопряжения соединен со входом блока управления. Использование лазерного источника ИК-излучения позволяет реализовать в приборе высокое спектральное разрешение примерно (10-20 нм). Регистрация поглощения в исследуемом газе осуществляется при помощи оптико-акустической ячейки. Газоанализатор состоит из трех основных частей: источника перестраиваемого ИК-излучения, оптико-акустической ячейки (ОАЯ), системы регистрации и обработки информации. В устройстве [4] блок формирования луча выполнен в виде оптически связанных модулятора, формирователя, зеркала, фокусирующей линзы и дифракционной решетки. Выбранной в приборе способ перестройки длины волны лазерного излучения с использованием дифракционной решетки и поворотного зеркала позволяет реализовать выделение 36 линий излучения. Идентификация линий излучения проводится только при настройке прибора. При поглощении излучения в исследуемом газе, заполняющем ОАЯ, в ней формируется акустическая волна, регистрируемая конденсаторным микрофоном. Сигналы с микрофона и пироэлектрического приемника излучения, регистрирующего мощность лазерного излучения, подаются на вход двухканальной системы регистрации, состоящей из двух синхронных детекторов. Аналоговая запись регистрируемых сигналов ведется с помощью самописца. Информация может быть считана при помощи цифрового вольтметра и ЭВМ.

Недостатками прототипа являются ограниченное число линий излучения, что влияет на многокомпонентность в одной пробе воздуха, и отсутствие контроля за длиной волны излучения.

Задачей изобретения является обеспечение экспрессного многокомпонентного анализа состава воздуха по вредным веществам с высокой точностью.

Эта задача в устройстве, содержащем лазерный газоанализатор, содержащем лазерную газоразрядную трубку, к которой подключен источник высоковольтного напряжения и блок охлаждения, расположенные на одной оптической оси блок формирования луча, выполненный в виде дифракционной решетки на пьезокорректоре, и оптико-акустическую ячейку, к которой подсоединены блок забора воздуха и измерительный микрофон, пироэлектрический датчик, подключенный через последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и блок сопряжения ко входе ПЭВМ, решается за счет того, что газоанализатор дополнительно содержит фоновый микрофон, расположенные на одной оптической оси реперную кювету и дополнительный пироэлектрический датчик, подключенный аналогично основному пироэлектрическому датчику, а также дифференциальный усилитель, в блоке формирования луча дифракционная решетка и пьезокорректор расположены в тангенциальном узле, связанном с шаговым двигателем, причем выходы измерительного и фонового микрофонов подключены через дифференциальный усилитель к АЦП, выхода блока управления соединены с соответствующими входами пьезокорректора и шагового двигателя блока формирования луча, выход персональной ЭВМ через блок сопряжения соединен с блоком управления.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемое выполнение блока формирования луча позволяет иметь большой (до 70 линий ИК-излучения) набор длин волн с фиксированной и контролируемой длиной волны (многокомпонентность и точность); программное обеспечение и банк данных, используемые в ПЭВМ и связь его через блок сопряжения и блок управления со всеми датчиками газоанализатора, обеспечивает оперативность коррекции ухода параметров и обработки информации.

На чертеже представлена структурная схема газоанализатора. Он содержит лазерную газоразрядную трубку ЛГРТ 1 (CO₂-лазер), высоковольтный блок питания 2 ЛГРТ, блок охлаждения 3 служит для охлаждения ЛГРТ, диафрагма 4 регулирует мощность излучения, дифракционная решетка 5, поворот которой меняет длины волны излучения, пьезокорректор 6 компенсирует температурную нестабильность, тангенциальный блок 7, продольное перемещение которого на 20 мм приводит к повороту дифракционной решетки 5 на 14^o, шаговый двигатель 8 осуществляет перемещение тангенциального блока 7, зеркала 9, направляющие ИК-излучение на входное окно АОЯ, элементы 4, 5, 6, 7, 8 и 9 составляют блок формирования луча 26, пироэлектрический датчик 10, на который попадает ИК-излучение, частично отраженное от входного окна ОАЯ, пироэлектрический датчик 11, регистрирующий ИК-излучение, прошедшее через ОАЯ через реперную кювету, микрофон фоновый 12, не "видящий" чувствительного объема ОАЯ, микрофон измерительный 13, регистрирующий периодическое изменение давления в ОАЯ за счет поглощения прерывистого светового потока, оптико-акустическая ячейка ОАЯ 14 чувствительный элемент газоанализатора, реперная кювета 15 с известным наполнением, используемая для контроля длины волны излучения, нагнетатель 16, подающий исследуемый воздух в ОАЯ, электромагнитные клапаны 17, 18 и 19, регулирующие поток исследуемого воздуха, воздухозаборник (трубка) 20, обтюратор 21, служащий для периодического прерывания потока излучения, фильтр 22, датчик температуры 23 в системе охлаждения, датчик давления 24 в системе охлаждения, датчик 25 давления в цепи воздухозабора, ПЭВМ 27 осуществляет управление работой и сбор результатов измерений, блок сопряжения 28 связан магистралью с ПЭВМ 27, с блоком управления 29, аналого-цифровым преобразователем АЦП 30, ПЭВМ 27 типа IBM PC обеспечена программным обеспечением 31 и банком данных 32 (показаны условно).

Сигналы с 13 и 12 вычитаются один из другого, разность нормируется на показания пироэлектрического датчика 10. Измерения проводятся при длинах волн, задаваемых от ПЭВМ 27 (каждая длина волны отвечает определенному шагу шагового двигателя 8). Блок сопряжения 28 служит для сопряжения ПЭВМ 27 и исполнительно-регистрирующей части газоанализатора с АЦП 30, который преобразует сигналы с пироэлектрических датчиков 10, 11 и с дифференциального усилителя 33 в цифровой код. Блок управления 29 осуществляет работу исполнительных механизмов нагнетателя 16, пьезокорректора 6, шагового двигателя 8, электромагнитных клапанов 17, 18 и 19. Блок управления 29 осуществляет также контроль давления и температуры в цепи охлаждения ЛГРТ 1 и контроль давления в системе воздухозабора. Забор пробы в ОАЯ 14 проводится через воздухозаборную трубку 20, фильтра 22. Воздух по трубке 20 движется под действием нагнетателя 16. Регулировка направлением потока ведется клапанами 17, 18, 19. Датчик давления 25 служит для проверки исправности системы воздухозабора. В режиме измерения часть излучения поглощается исследуемым газом в ОАЯ 14, вызывая периодические колебания давления с частотой, равной частоте прерывания пучка излучения обтюратором 21, которые регистрируются микрофон 13. Часть излучения, пройдя через выходное окно ОАЯ 14, попадает в реперную кювету 15, а затем на пироэлектрический датчик 11. При обработке используются сигналы с дифференциального усилителя 33 (входы которого соединены с микрофонами 12 и 13) и пироэлектрического датчика 11, нормированные на показания датчика 10.

Управление работой газоанализатора, сбор и обработка результатов осуществляется с помощью ПЭВМ 27 типа IBMHC с использованием специально разработанного программного обеспечения 31 и банка данных 32.

Работа газоанализатора, оператора и функциональное назначение программ описано ниже.

Работа с газоанализатором начинается с включения ПЭВМ 27 в сеть и загрузки программного обеспечения SCO₂, содержащего следующие программы: 1. CONTROL; 2. TEST 3. TEST LINE; 4. SPECTRA; 5. CALCULATION; 6. RESULT; 7. BANK. После загрузки SCO 2 на экран дисплея ПЭВМ 27 выводится сообщение "ВКЛЮЧИ ГАЗОАНАЛИЗАТОР", включается программа "CONTROL", обеспечивая проверку функционирования газоанализатора перед началом измерений. Осуществляется проверка обтюратора 21, нагнетателя 16, клапанов 17, 18 и 19. Далее в соответствии с программой "CONTROL" на экране дисплея выводится запрос "ПРОВОДИМ ТЕСТОВЫЙ ЗАМЕР". В случае необходимости тестового замера, подтверждаемого нажатием клавиши Д, работу оператор проводит по программе "TEST". На экране дисплея появляется сообщение "ЗАПОЛНИТЕ ОАЯ НУЛЕВЫМ ГАЗОМ". "ГОТОВ", по заполнению клавишей Д запускается программа измерений: проводятся измерения сигналов микрофонов 12 и 13, пироэлектрического датчика мощности 10 при различных значениях линий излучения (т.е. при различных значениях номера шага шагового двигателя 8. Результаты заносятся в память ПЭВМ 27 для использования в программе "CALCULATION"). После этого на экране появляется сообщение "ПРОВЕСТИ НУЛЕВОЙ ЗАМЕР". Если по программе "TEST" не проводятся измерения, то сразу появляется это сообщение. Измерения выполняются по программе "TEST LINE" по нажатии клавиши Д. Через ОАЯ 14 нагнетателем 16 прокачивается воздух, клапаны 18 и 19 закрываются, клапан 17 открывается, после чего отключается нагнетатель 16 и проводятся измерения сигналов с микрофонов 12 и 13, подключенных к дифференциальному усилителю 33, и пироэлектрических датчиков 10 и 11 при различных номерах шагов шагового двигателя 8. Результаты измерений после АЦП 30 нормируются на показания пироэлектрического датчика мощности 10. Если не проводились измерения по программе "TEST", то сигналы микрофонов 12 и 13 записываются в файл для обработки в программе "CALCULATION", в противном случае они далее не используются; сигнал с датчика 11 вводится в файл для программы основных измерений "SPECTRA". По окончании программы на экране дисплея появляется запрос "РЕЖИМ РАБОТЫ СКАНИРОВАНИЯ". При нажатии клавиши Д работа будет проводиться по программе "SPECTRA" с измерением сигналов микрофонов 12 и 13 и пироэлектрического датчика 10 во всем диапазоне излучения, на каждой группе шагов, отвечающей наличию излучения. При этом для контроля спектра излучения сравниваются результаты измерений с измерениями с датчика 11 и данные по спектру поглощения газа в реперной кювете 15, занесенные в банк данных при градуировке газоанализатора. При необходимости вводится поправка в нумерацию шагов, заданной программой "SPECTRA", Результаты измерений заносятся в файл для программы "CALCULATION".

При отказе от работы в режиме сканирования (нажатие клавиши "H") появляется сообщение "ВВЕДИТЕ НАЗВАНИЯ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ ИЗ НАЗВАННОГО СПИСКА", работа продолжается по программе "SPECTRA". На экране появляется список загрязнителей. После выбора загрязнителей появляется сообщение "РЕЖИМ РАБОТЫ ОДНОКРАТНЫЙ". При нажатии клавиши D проводится однократное измерение: набирается проба воздуха ОАЯ 14, измеряются сигналы с микрофонов 12 и 13 и датчика 10 на линиях поглощения искомых веществ, определяемых номером шага шагового двигателя 8 с учетом нулевого замера. Результаты измерений заносят в файл для обработки по программе "CALCULATION".

В случае отказа от однократного измерения (нажатие клавиши H) появляется сообщение "ЗАДАЙТЕ ВРЕМЯ ИЗМЕРЕНИЯ В ЧАСАХ", после чего ведутся непрерывные измерения по программе "SPECTRA", в течение заданного времени. Интервал между отдельными измерениями при этом 5 мин. Результаты измерений заносятся в файл для обработки по программе "CALCULATION".

Обработка результатов измерений ведется по программе "CALCULATION" по окончании измерений (однократный режим), между отдельными измерениями (непрерывный режим). Обработка ведется с использованием банка данных (программа BANK), в который занесены аппаратурные спектры поглощения газов, чувствительность к каждому отдельному газу, минимальные детектируемые количества, спектр поглощения газа реперной кюветы, предельно допустимые концентрации ДНК газов для воздуха рабочей и жилой зоны. Результаты выводятся на экран в виде таблицы (однократные измерения) или графика (непрерывные измерения) в сравнении с ПДК. В случае неопределенности в результатах обработки (например, совпадающие спектры поглощения) выводится сообщение о неадекватности измерений.

Таким образом, в предлагаемом газоанализаторе обеспечены технические средства для экспрессного определения по пикам поглощения различных примесей воздуха (до 60 компонент в одной пробе), по величине пика поглощения определяется концентрация примеси, что выгодно отличает его от аналогов и прототипа.

Использование: контроль вредных веществ, содержащихся в воздухе. Сущность изобретения: устройство содержит лазерную газоразрядную трубку, блок формирования луча, выполненный в виде дифракционной решетки на пьезокорректоре, которые расположены в тангенциальном узле, связанном с шаговым двигателем, оптико-акустическую ячейку, реперную кювету, измерительный и фоновый микрофон, и два пироэлектрических датчика, подключенных через аналого-цифровой преобразователь и блок сопряжения ко входу персональной ЭВМ. 1 ил.

Лазерный газоанализатор, содержащий лазерную газоразрядную трубку, к которой подключены источник высоковольтного напряжения и блок охлаждения, расположенный на одной оптической оси с лазерной газоразрядной трубкой блок формирования луча, выполненный в виде дифракционной решетки на пьезокорректоре, и оптикоакустическую ячейку (ОАЯ), к которой подсоединены блок забора воздуха и измерительный микрофон, пироэлектрический датчик, подключенный через последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и блок сопряжения к входу персональной ЭВМ, отличающийся тем, что газоанализатор дополнительно содержит фоновый микрофон, расположенные на одной оптической оси с оптико-акустической ячейкой реперную коювету и дополнительный пироэлектрический датчик, подключенный аналогично основному пироэлектрическому датчику, а также дифференциальный усилитель, в блоке формирования луча дифракционная решетка и пьезокорректор расположены в тангенциальном узле, связанном с шаговым двигателем, за тангенциальным узлом установлено поворотное зеркало, направляющее излучение на входное окно ОАЯ, причем выходы измерительного и фонового микрофонов через дифференциальный усилитель подключены к АЦП, выходы блока управления соединены с соответствующими входами пьезокорректора и шагового двигателя блока формирования луча, выход персональной ЭВМ через блок сопряжения соединен с блоком управления.