МНОГОКОМПОНЕНТНЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР ИК ДИАПАЗОНА Российский патент 2006 года по МПК G01N21/35 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для определения концентрации многокомпонентных газовых смесей в атмосфере жилой зоны, производственных помещениях и т.п. как в режиме обслуживания оператором, так и в режиме удаленного доступа по коммутируемым линиям передачи данных.

Известен газоанализатор, содержащий оптически связанные источник излучения, спектральный модулятор, оптические фильтры для выделения длин волн рабочего и опорного излучения, газовую кювету, фокусирующую систему, блок приемника излучения, блок синхронизации и блок управления, обработки сигналов (SU, №1674621, G 01 N 21/61, опубл. 20.02.95).

Недостатком вышеуказанного газоанализатора является использование в конструкции прибора оптико-механического модулятора, что снижает точность определения концентраций газовых компонент исследуемой смеси вследствие появления механических вибраций оптических узлов, что сказывается на точности измерений.

Известен оптический абсорбционный газоанализатор, содержащий газовую кювету, оптические фильтры, фотоприемники, блок обработки сигналов, два источника электромагнитного излучения с первой рабочей длиной волны λ₁, соответствующей области поглощения измеряемого газа, и второй - опорной длины волны λ₂ соответствующей области прозрачности для измеряемого газа (опорное излучение), причем первый источник электромагнитного излучения расположен перед газовой кюветой по ходу своего излучения, а второй источник электромагнитного излучения установлен вне газовой кюветы за фотоприемниками, введены интерференционные фильтры, пропускающие электромагнитное излучение с длинами волн λ₁ и λ₂, попарно установленные с двух противоположных сторон двух фотоприемников, выходы которых через усилитель соединены с блоком обработки сигналов, содержащим аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микропроцессор (МП) и устройство индикации (УИ), при этом выход АЦП соединен с входом МП. (RU №2109269, G 01 N 21/61, опубл. 20.04.98).

Недостатком этого газоанализатора являются сложность настройки, снижение точности измерений вследствие температурного сдвига максимума интенсивности излучения и соответственно рабочих длин волн двух независимых источников излучения, а также принципиальная невозможность многокомпонентного анализа газов в силу использования достаточно узкополосных ИК светодиодов.

Известен пироэлектрический детектор потока для использования в ИК газовом анализаторе (US 6320192, опубл. 20.11.2001). В указанном ИК газовом анализаторе используются помимо основной кюветы два дополнительных отделения, расположенных соосно и которые заполняются газом, имеющим те же характеристики поглощения, что и измеряемый газ в основной кювете. Оба дополнительных объема соединены друг с другом через газовый канал, в котором встроен пироэлектрический детектор. Источник ИК излучения модулируется механическим модулятором.

Недостатком вышеуказанного ИК газового газоанализатора является усложненная конструкция измерительной газовой кюветы, использование в конструкции прибора оптико-механического модулятора приводит к снижению точности определения концентраций газовых компонент исследуемой смеси вследствие появления механических вибраций оптических узлов, что сказывается на надежности и жесткости конструкции.

Известен не дисперсионный многоканальный ИК газовый анализатор (RU №2187093, G 01 N 21/61, опубл. 10.08.02), содержащий источник электромагнитного излучения с наличием опорной и рабочей длин волн, интерференционные фильтры для выделения опорной и рабочих длин волн, расположенную по ходу излучения кювету с фокусирующими линзами на входе и выходе, основной фотоприемник резистивного типа, установленный за кюветой, для приема излучения опорной и рабочих длин волн от источника, выход которого через усилитель соединен с блоком обработки сигналов, содержащим АЦП, МП (микропроцессор) и УИ (устройство индикации). Источник ИК излучения смонтирован на термоэлектрическом холодильнике Пельтье и представляет собой светодиодную матрицу, содержащую светодиоды для создания излучения накачки, возбуждающего фотолюминесцентные преобразователи, и интерференционные фильтры для выделения опорной и рабочих длин волн излучения, причем в состав источника ИК излучения (RU 2208268, H 01 L 33/00, опубл. 10.07.03) дополнительно включен фотоприемник для регистрации излучения накачки, светодиоды подключены к генератору импульсов тока накачки светодиодной матрицы, синхронизованных микропроцессором, а холодильник Пельтье подключен к дополнительно установленному блоку термостабилизации. При этом основной фотоприемник фоторезистивного типа смонтирован на дополнительном термоэлектрическом холодильнике Пельтье.

Недостатком вышеуказанного газоанализатора является использование фотоприемника фоторезистивного типа, который, как известно, обладает неравномерной характеристикой спектральной чувствительности. Использование холодильника Пельтье повышает чувствительность, но не решает проблему температурной стабильности в широком диапазоне изменения температур. Чем больше диапазон изменения температур, тем больший динамический диапазон должен иметь холодильник Пельтье. При этом повышается энергопотребление газоанализатора. Сильная спектральная нелинейность фоторезистора в области 2-5 мкм снижает точность измерения при использовании дифференциальных методов регистрации сигналов, которые позволяют существенно повысить обнаружительную способность не дисперсионного многоканального ИК газового анализатора.

Как известно, дифференциальные методики предполагают сравнение в процессе измерения неизвестной концентрации, определяемого компонента с репером, причем сравнение должно производиться либо одновременно на разнесенных в пространстве фотоприемниках, либо на одном фотоприемнике с разделением во времени включения источников ИК излучения на различных длинах волн.

В основу технического решения положена задача создания не дисперсионного многоканального ИК газоанализатора, в котором при использовании полупроводникового ИК излучателя, выполненного в виде светодиодной матрицы, в которой коротковолновое излучение накачки преобразуется с помощью фотолюминесцентных пленочных преобразователей в инфракрасное излучение, которое совпадает с полосами поглощения детектируемых компонент газовой смеси, используются пироэлектрические приемники, имеющие равномерную спектральную чувствительность в области 2-10 мкм, что повышает точность определения концентрации составляющих многокомпонентного газа, и, таким образом, достигается расширение области применения при повышении точности определения концентрации составляющих многокомпонентных газов.

Вышеуказанная цель достигается за счет того, что в не дисперсионном многоканальном газовом анализаторе, содержащем источник электромагнитного излучения, который выполнен в виде полупроводникового источника ИК излучения и представляет собой светодиодную матрицу, с наличием излучателей опорной и рабочих длин волн, формируемых с помощью интерференционных фильтров (RU №2208268, H 01 L 33/00, опубл. 10.07.03), расположенную по ходу излучения источника газовую кювету, основной фотоприемник пироэлектрического типа, установленный за кюветой, для приема опорной и рабочих длин волн от источника, дополнительный фотоприемник пироэлектрического типа, установленный перед кюветой, на который отводится часть излучения светодиодной матрицы, для приема опорной и рабочих длин волн. Полупроводниковый источник ИК излучения подключен к схеме формирования импульсов тока светодиодной матрицы, синхронизованных микропроцессором. При этом основной и дополнительные фотоприемники пироэлектрического типа подключены через схемы предварительного усиления и выделения полезного сигнала к микропроцессору, осуществляющего синхронизацию работы всех узлов.

Увеличение точности определения концентрации измеряемых компонент достигается за счет применения пироэлектрических приемников в качестве основного и дополнительного фотоприемников, определенного способа управления светодиодной матрицей светодиодов и способа измерения концентрации каждого газового компонента смеси.

Использование пироэлектрического фотоприемника определяется двумя его принципиальными свойствами:

а) почти равномерной спектральной характеристикой чувствительности в области 2-10 мкм;

б) пироэлектрический приемник реагирует только на изменение падающего теплового излучения. Последнее свойство пироэлектрических приемников позволяет построить измерительную схему, эквивалентную двухканальной двулучевой дифференциальной схеме.

Пусть интенсивность света на рабочей длине волны, соответствующей, например, линии поглощения CO₂, равна I_CO2, а в опорном канале I_ref; пропускание (или светосила) оптической системы (кюветы) на рабочей длине волны - a_p, а в опорном канале - a_ref, чувствительность фотоприемника S_p и S_ref соответственно. При отсутствии в кювете определяемого компонента в смеси необходимо и достаточно добиться выполнения следующего условия:

Если в рабочей кювете находится определяемый компонент, для которого эквивалентная толщина слоя равна:

где С - концентрация определяемого компонента в смеси; l_p - длина кюветы; Р - полное давление в кювете; Р_н - нормальное атмосферное давление, то сигнал от фотоприемника на входе измерительного устройства, равен:

где К(λ) - спектральный коэффициент поглощения;

Δλ - полоса пропускания интерференционного фильтра, соответствующего полосе поглощения СО₂.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2, 3, 4, 5.

На фиг.1 - оптическая схема, на которой показано взаимное расположение оптических элементов многокомпонентного ИК газоанализатора.

На фиг.2 показана блок-схема многокомпонентного ИК газоанализатора (1 - матрица светодиодов; 2 - основной пироприемник PYR-1; 3 - дополнительный пироприемник PYR-2; 4 - схема формирования импульсов тока светодиодов матрицы; 5 - микропроцессор с АЦП; 6 - ЦАП; 7 - синхронный детектор опорного канала; 8 - синхронный детектор измерительного канала; 9 - устройство индикации; 10 - газовая кювета).

На фиг.3 - описание варианта реализации рабочего цикла многокомпонентного газоанализатора.

На фиг.4 представлена временная диаграмма, соответствующая рабочему циклу многокомпонентного газоанализатора.

На фиг.5 - взаимное расположение спектров излучения фотолюминесцентной структуры, светодиодных излучателей светодиодной матрицы и пропускание интерференционных фильтров.

Рассмотрим принцип работы многоканального ИК газового анализатора на примере измерения 2 газовых компонент, например, Н₂О (2.6 мкм) и СО₂ (4.26 мкм).

Источник ИК излучения 1 (фиг.1) представляет собой матрицу светодиодов, излучающих свет с длинами волн 2.6 мкм (LED-H₂О), 3.9 мкм (LED_ref) и 4.26 мкм (LED-СО₂). Узкополосное излучение с указанными длинами волн формируется с помощью узкополосных интерференционных фильтров, установленных непосредственно на излучающих светодиодах. (На фиг.5 показано взаимное расположение спектров фотолюминесцентной структуры каждого из светодиодных излучателей матрицы и пропускания интерференционных фильтров.) Свет направляется в кювету 2, содержащую два фокусирующих сферических зеркала 5, на входе которой в специальном отсеке, герметизированном с помощью окна 6, установлено полупрозрачное зеркало 7, которое направляет часть ИК излучения светодиодной матрицы на дополнительный пироприемник 4 (PIR-2). Прошедшее кювету ИК излучение направляется на основной пироприемник 3 (PIR-1).

В соответствии в алгоритмом фиг.3 на временной диаграмме фиг.4а, б, в показаны тактовые последовательности импульсов тока F1, F2, F3, управляющие соответствующими светотодиодами (LED_ref, LED-H₂O, LED-CO₂). На фиг.4г, е показана динамика суммарных световых потоков на входе дополнительного (PIR-2) и основного (PIR-2) пироприемников. На фиг.4д, ж электрические сигналы на выходе дополнительного и основного пироприемников соответственно.

Описание алгоритма работы, представленного на фиг.3.

Фаза 1.

В первой фазе рабочего цикла на вход обоих приемников поступает излучение только одного светодиода матрицы - LED_ref, при этом схема формирования импульсов тока (СФИТ), управляемая сигналом цифроаналогового преобразователя (ЦАП), выставляет амплитуду тока LED_ref таким образом, чтобы уровень сигнала основного пироприемника (PIR-1) оказался равен наперед заданному значению, записанному в памяти процессора.

Фаза 2.

Во второй фазе рабочего цикла на вход пироприемника PIR-1 поступают последовательно два световых потока от LED-CO₂ и LED_ref (точнее их часть), которые прошли через кювету с определяемыми компонентами, а на приемник PIR-2 поступает последовательно те же два световых потока, отраженных делителем 7 (фиг.1), которые не испытали поглощения.

В первом периоде этой фазы (переходный процесс) СФИТ регулирует амплитуду тока LED-CO₂ и выставляет ее таким образом, чтобы сигнал на выходе дополнительного пироприемника PIR-2 был равен нулю. Для пироприемника с "плоской" спектральной характеристикой чувствительности такой режим реализуется только в том случае, когда световые мощности LED-CO₂ и LED_ref на входе PIR-2 равны друг другу.

Во втором периоде этой фазы (установившийся процесс) измеряется амплитуда сигнала на основном пироприемнике PIR-1. Поскольку в первом периоде были выровнены световые мощности LED-CO₂ и LED_ref, то при отсутствии измеряемых компонент в кювете на входе пироприемника PIR-1 суммарный поток излучения от LED-CO₂ и LED_ref будет постоянным и соответственно сигнал на выходе пироприемника PIR-1 окажется равным нулю. При наличии в кювете измеряемого газа (CO₂) он поглощает излучение светодиода LED-CO₂ и не поглощает излучение LED_ref., при этом появляется разбаланс световых мощностей LED-CO₂ и LED_ref и световой поток на входе пироприемника PIR-1 оказывается модулированным (фиг.4е), соответственно появляется ненулевой сигнал на выходе основного пироприемника PIR-1 (фиг.4ж).

Фаза 3.

Третья фаза рабочего цикла полностью аналогична второй фазе с той лишь разницей, что СФИТ регулирует амплитуду тока LED-H₂O и выставляет ее таким образом, чтобы сигнал на выходе дополнительного пироприемника PIR-2 был равен нулю.

Затем весь процесс повторяется.

Очевидно, что при отсутствии измеряемых компонент в кювете, в силу разных причин, возможно, что на входе пироприемника PIR-1 поток излучения не будет постоянным и соответственно сигнал на выходе пироприемника PIR-1 окажется не равным нулю. Это отличие может быть обусловлено неидентичностью оптических путей для световых потоков от LED-CO₂, LED-H₂O, LED_ref, а также спектральной зависимостью коэффициентов отражения или пропускания оптических элементов кюветы. Но этот фактор легко может быть устранен предварительной калибровкой с кюветой, заполненной сухим азотом. Величина измеренного сигнала пироприемником PIR-1 запоминается и используется в последующих измерениях как калибровочная константа.

При таком алгоритме работы газоанализатора можно записать следующие соотношения:

В фазе 1:

где: Sign значение сигнала, запоминаемое микропроцессором;

U_pyr1ref - сигнал от опорного светодиода на основном пироприемнике PIR-1;

P_ref - мощность светодиода LED_ref на входе основного пироприемника PIR-1;

S_pyr1 - вольтовая чувствительность основного пироприемника PIR-1 для заданной длины волны.

Фаза 2 период 1

Следовательно,

Фаза 3 период 1

следовательно

Фаза 2 период 2

где С - концентрация измеряемой компоненты,

k(λref) - коэффициент поглощения для заданной измеряемой компоненты на заданной длине волны.

Поскольку λ_ref выбирается, так что коэффициент поглощения для измеряемых компонент равен нулю и используя (9) выражение (10) можно привести к виду:

Аналогично для фазы 3 период 2:

Оптическая схема и данный алгоритм работы соответствует дифференциальной методике определения одной или нескольких газовых компонент, и с точностью до коэффициентов совпадает с выражением (3), при этом автоматически выполняется условие стабильности нуля и чувствительности газоанализатора.

Условия реализации устройства и алгоритма:

- ИК источник излучения - светодиодная матрица должна обладать высоким быстродействием каждого светодиода, таким, чтобы при реализации питания импульсными токами в соответствии с фиг.4.a, б, в, суммарная мощность была постоянной.

- Частотная полоса пироэлектрических приемников должна быть достаточно широкой (не менее 100 Гц. В противном случае полное время каждого цикла измерения всех измеряемых газовых компонент становится слишком большим. При этом чувствительность приемников также должна быть высокой для обеспечения требуемой точности регулировки токов питания светодиодов в матрице.

- Пироэлектрические приемники должны обладать равномерной - "плоской" спектральной характеристикой, независимой от внешних условий (в частности, температуры окружающей среды).

- Пироэлектрические приемники, как и ИК светодиоды матрицы, должны обладать достаточно широким динамическим диапазоном для обеспечения требуемой регулировки в процессе долговременной эксплуатации.

Многокомпонентный газоанализатор ИК диапазона, показанный на фиг.2, содержит источник ИК излучения - светодиодную матрицу 1, оптическую кювету с исследуемым газом 2, основной фотоприемник пироэлектрического типа 3, дополнительный фотоприемник пироэлектрического типа 4, схему формирования импульсов тока светодиодной матрицы 11, микропроцессор со встроенным (АЦП) 12, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 13, синхронные детекторы основного канала 9 и дополнительного канала 8 включающие соответственно предварительные усилители, устройство индикации и формирования выходного сигнала 10.

Многокомпонентный газоанализатор ИК диапазона работает следующим образом.

От микропроцессора 12 на схему формирования импульсов тока светодиодной матрицы 11 поступают управляющие импульсные последовательности F1, F2, F3, определяющие временные параметры импульсов тока светодиодов матрицы 1 и их последовательность. Амплитуды импульсов токов светодиодов матрицы регулируются независимо для каждого из светодиодов по величине с помощью ЦАП 13, который устанавливает на входе схемы формирования импульсов тока светодиодной матрицы 11 соответствующие уровни напряжения, коды которых вырабатываются микропроцессором 12 по алгоритму управления фиг.3. Импульсы тока накачки I, подаваемые на светодиодную матрицу 1, и соответствующие им импульсы излучения приведены на фиг.4. Импульсы ИК излучения поступают в кювету 2 с исследуемым газом и регистрируются основным фотоприемником пироэлектрического типа 3. Часть излучения на входе в кювету ответвляется на дополнительный пироприемник 4. Сигналы с пироприемников 3 и 4 поступают на вход синхронных детекторов 9 и 8, управление которыми осуществляется микропроцессором - 12 тактовой последовательностью F1. Применение синхронных детекторов увеличивает чувствительность и повышает отношение сигнал/шум, что, в свою очередь, позволяет снизить порог обнаружения измеряемых компонент газовой смеси. В режиме измерения неизвестных концентраций газовых компонент микропроцессор учитывает ранее измеренные в процессе предварительной калибровки константы пропускания кюветы и вычисляет концентрации. Определенное при этом значение концентрации высвечивается на устройстве индикации 10 или поступает во внешние цепи в виде аналогового или цифрового выходного сигнала.

Таким образом, предлагаемый многокомпонентный газоанализатор ИК диапазона обеспечивает высокую точность измерения всех составляющих многокомпонентного газа за счет использования в качестве фотоприемников пироэлектрического типа в в сочетании с источниками ИК излучения в виде светодиодной матрицы, причем основной пироэлектрический приемник регистрирует только дифференциальный сигнал, пропорциональный концентрации измеряемого газового компонента. Одновременно с этим достигается значительное упрощение конструкции и повышение надежности в эксплуатации при длительной работе без вмешательства оператора.

Указанное устройство может быть использовано для измерения как одной, так и нескольких газовых компонент, например (кроме описанных выше СО₂ и Н₂О) одновременного измерения СО₂, СН, СО.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для определения концентраций газов в многокомпонентных смесях. В многоканальном газоанализаторе ИК диапазона источник электромагнитного излучения выполнен в виде светодиодной матрицы, излучающей опорную и рабочие длины волн. Светодиодная матрица подключена к генератору импульсов тока накачки, синхронизованного микропроцессором. Излучение опорной и рабочих длин волн сначала попадает на дополнительный фотоприемник пироэлектрического типа, а затем проходит через газовую кювету и попадает на основной фотоприемник пироэлектрического типа. Выходы каждого из пироприемников соединены через предварительные усилители и синхронные детекторы с блоком обработки сигнала, содержащим АЦП, при этом выход АЦП соединен с входом микропроцессора, один из выходов микропроцессора соединен с ЦАП (цифроаналоговым преобразователем), который подсоединен к схеме формирования импульсов тока светодиодной матрицы для регулировки интенсивности излучения светодиодов светодиодной матрицы по заданному алгоритму, причем три других выхода микропроцессора соединены с входами схемы формирования импульсов тока накачки светодиодов и управления светодиодами в определенной последовательности. Техническим результатом является увеличение точности определения концентрации. 5 ил.

Многокомпонентный газоанализатор ИК диапазона, содержащий источник электромагнитного излучения в виде светодиодной матрицы, излучающей опорную и рабочие длины волн, расположенную по ходу излучения газовую кювету, основной фотоприемник, установленный на выходе кюветы, для приема излучения опорной и рабочих длин волн, а также блок обработки сигнала, содержащий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выход которого соединен с микропроцессором, устройством индикации, отличающийся тем, что на входе в кювету установлен дополнительный фотоприемник, при этом в качестве обоих фотоприемников используются фотоприемники пироэлектрического типа, которые через предварительные усилители соединены со входами синхронных детекторов, управляемых микропроцессором, выходы синхронных детекторов соединены с входами АЦП микропроцессора, один из выходов которого соединен с цифроаналоговым преобразователем, который соединен со схемой формирования импульсов тока, подключенной к светодиодной матрице, для регулировки интенсивности излучения светодиодов светодиодной матрицы, причем три других выхода микропроцессора соединены с входами схемы формирования импульсов тока накачки светодиодной матрицы для управления светодиодами в определенной последовательности.