Оптический абсорбционный газоанализатор

Оптический абсорбционный газоанализатор

Реферат

 

Использование: изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения концентрации газов. Сущность изобретения: газоанализатор содержит два источника электромагнитного излучения с длиной волны ₁ из области поглощения и длиной волны ₂ из области прозрачности анализируемого газа, газовую кювету, выполненную в виде полости, фокусирующим элементом которой является ее внутренняя поверхность со светоотражающим покрытием, два фотоприемника, выполненные с возможностью регистрации излучения при освещении их с двух противоположных сторон, при этом с двух противоположных сторон каждого из фотоприемников по ходу излучения первого и второго источников электромагнитного излучения установлены оптические фильтры, пропускающие на первый фотоприемник излучение с длиной волны ₁ из области поглощения, а на второй фотоприемник излучение с длиной волны ₂ из области прозрачности анализируемого газа. Блок обработки сигналов выполнен одноканальным и содержит коммутатор входных импульсов, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроЭВМ, схему управления токами источников электромагнитного излучения. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения концентрации газов, например, ряд газообразных углеводородов C_nH_2n+2, окись и двуокись углерода и т.д., и может быть использовано для измерения концентрации газов в атмосфере, производственных помещениях, производственных процессах, и т.д.

Известен газоанализатор [1], позволяющий осуществлять измерение концентрации газов. Данный газоанализатор содержит оптически связанные источник излучения, рабочий и опорный каналы, модулятор, оптические фильтры, газовую кювету с фокусирующим элементом и приемник излучения. Причем кювета с фокусирующим элементом изготовлена в форме полого светоотражающего усеченного конуса. Опорный канал выполнен в виде полого световода, выходной торец которого с закрепленным на нем оптическим фильтром примыкает к отверстию в боковой стенке кюветы, внутри которой установлено плоское зеркало, расположенное на оптической оси световода под углом 0,5 к оптической оси рабочего канала, где угол является смежным углу, образованному оптическим осям световода и рабочего канала.

Такое конструктивное решение газоанализатора позволяет установить источник излучения перед кюветой на расстоянии, равном толщине диска модулятора, а приемник излучения - непосредственно за кюветой.

Достоинством данного прибора является возможность более компактного расположения элементов конструкции, что позволяет несколько уменьшить габариты.

Однако серьезным недостатком вышеуказанного газоанализатора, снижающим эффективность его работы, является использование в конструкции прибора оптико-механического модулятора. Подобное конструктивное решение прибора приводит к ухудшению таких важных параметров, как надежность и жесткость конструкции. Кроме того, повышается энергоемкость, а также за счет наличия источника питания модулятора - масса и габариты прибора.

Таким образом, для обеспечения надежной и устойчивой работы такой прибор может быть использован только в лабораторных или других условиях с возможностью контроля его работы. Отсутствие проработанного блока обработки сигналов также усложняет использование прибора для экспресс-измерений газовой среды.

Наиболее близким аналогом по технической сущности является спектральный газоанализатор [2] . Данное устройство для определения концентрации газа в атмосфере содержит источник электромагнитного излучения, с двумя длинами волн, поглощаемой и непоглощаемой контролируемым газом. Оптически с ним связаны газовая кювета, сферическое зеркало, рабочий фотоприемник. Также с источником излучения оптически связаны расщепитель луча и через систему оптических линз опорный фотоприемник. Рабочий и опорный фотоприемники через соответствующие усилители соединены с входами блока обработки сигналов. Данный блок представляет собой вычислительное устройство и содержит первый и второй блоки выборки и хранения. Выходы которых соединены со входами первого и второго делителя соответственно, выходы которых соединены с соответствующими входами мультиплексора, выход которого соединен с входом устройства для вычисления концентрации газа, микропроцессора, выход которого подключается к устройству регистрации. Кроме того, в блоке обработки сигналов установлен синхронизатор, управляющие входами источника питания, обоих устройств выборки и хранения, первого и второго делителя и мультиплексора. В данном газоанализаторе в качестве излучателя в источнике излучения использованы два электрически соединенных светодиода, изготовленных на основе арсенида галлия, каждый из которых оптически связан с соответствующими люминофором и оптическим фильтром, причем для одного светодиода установлен фильтр, пропускающий излучение с длиной волны ₁ . Поглощаемой газом, для второго светодиода установлен фильтр, пропускающий излучение с длиной волны ₂ , непоглощаемой газом.

Известный газоанализатор работает следующим образом. На первый и второй светодиоды от источника питания подаются электрические импульсы в противофазе. В результате излучения, испускаемое каждым из светодиодов, возбуждает люминофор, установленный перед каждым из светодиодов. Излучение, испускаемое каждым из люминофоров, содержат в своем спектре длину волны ₁ , поглощаемую исследуемым газом и длину волны ₂ , непоглощаемую исследуемым газом. Соответственно, один из оптических фильтров пропускает излучение с длиной волны ₁ , а другой - с длиной волны ₂ .

Таким образом, излучение с длинами волн ₁ и ₂ поочередно поступает в газовую кювету, где исследуемый газ поглощает излучение с рабочей длиной волны ₁ и меняет соответственно его интенсивность. Далее оба излучения, отражаясь от сферического зеркала, вновь проходят через газовую кювету и также поочередно поступают на рабочий фотоприемник. При этом часть луча как с рабочей волны ₁ , так и с опорной длиной волны ₂ , отклоняется расщепителем луча и с помощью системы оптических линз попадает без изменения интенсивности излучения на опорный эталонный фотоприемник.

Рабочий и опорный фотоприемники формируют электрические импульсные сигналы, амплитуды которых соответствуют интенсивности излучения ₁ и ₂ . Далее сигналы через разделительные усилители поступают в соответствующие устройства выборки и хранения и далее в соответствующие делители, в мультиплексор и микропроцессор, где производится вычисление концентрации исследуемого газа. Результат вычисления регистрируется.

Таким образом, применение светодиодов в качестве импульсных излучателей в источнике излучения позволило создать жесткую конструкцию в одном корпусе.

Однако известный газоанализатор обладает следующими серьезными недостатками, снижающими эффективность его работы, а также увеличивающими его массу, габариты и стоимость: прибор не может быть использован в полевых условиях, так как наличие таких оптических элементов как расщепитель луча, оптическая линза, сферическое зеркало ужесточают требования к точности настройки, от которой зависят показания прибора; данный прибор в качестве портативного не обеспечивает надежность эксплуатации, так как малейшие сдвиги вышеуказанных элементов в результате, например, вибраций или ударов, приведут к разбалансу соотношения интенсивностей измерительного и опорного лучей; не может быть обеспечена высокая точность измерений и чувствительность прибора, так как, во-первых, не учтена сильная температурная зависимость параметров излучателей и фотоприемников, во-вторых, использование расщепителя луча уменьшает интенсивность излучения, проходящего через кювенту с исследуемым газом, что приводит к ухудшению соотношения сигнал/шум. Также двухканальное решение схемы блока обработки сигнала приводит к уменьшению точности измерения концентрации газа за счет разной погрешности в каждом из каналов.

В настоящее время актуальной задачей является обеспечение возможности оперативного контроля концентрации газа в полевых условиях, в местах аварий и утечек и т.д.

Технический результат, полученный при создании портативного газоанализатора - упрощение конструкции при одновременном повышение точности измерений в широком диапазоне температур, влажности и запыленности окружающей среды.

Достижение результата обеспечивается за счет того, что оптический абсорбционный газоанализатор содержит первый источник электромагнитного излучения, включающего первую длину волны ₁ из области поглощения и вторую длину волны ₂ из области прозрачности анализируемого газа, расположенные по ходу его излучения газовую кювету с фокусирующим элементом, первый и второй фотоприемники, причем выход первого фотоприемника через первый усилитель соединен с первым входом блока обработки сигналов, выход второго фотоприемника через второй усилитель соединен соответственно со вторым входом блока обработки сигналов, включающего микроЭВМ, выход которой является выходом блока обработки сигналов и соединен с блоком регистрации. В газоанализатор дополнительно введен второй источник электромагнитного излучения, включающего первую длину волны ₁ из области поглощения и вторую длину волны ₂ из области прозрачности анализируемого газа, первый и второй оптические фильтры, пропускающие излучение с длиной волны ₁ из области поглощения анализируемого газа, также третий и четвертый оптические фильтры, пропускающие излучение с длиной волны ₂ из области прозрачности анализируемого газа. Причем второй источник электромагнитного излучения установлен вне газовой кюветы за фотоприемниками и оптически сопряжен с ними. Первый и второй фотоприемники выполнены с возможностью регистрации излучения при освещении их с двух противоположных сторон. Кроме того, с двух противоположных сторон первого фотоприемника по ходу излучения первого и второго источников электромагнитного излучения установлены первый и второй оптические фильтры, с двух противоположных сторон второго фотоприемника по ходу излучения первого и второго источников электромагнитного излучения установлены третий и четвертый оптические фильтры. Газовая кювета с фокусирующим элементом выполнена в виде полости, фокусирующим элементом которой является ее внутренняя поверхность со светоотражающим покрытием. Блок обработки сигналов дополнительно содержит последовательно соединенные коммутатор входных импульсов, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, кроме того дополнительно введена схема управления токами источников излучения. Причем, первый и второй входы коммутатора входных сигналов являются первым и вторым входными блока обработки сигналов соответственно, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входов микроЭВМ, первый управляющий выход которой соединен с управляющим входом импульсов, второй управляющий выход соединен с управляющим входом схемы управления токами источников излучения, другой вход которой соединен с выходом второго фотоприемника, первый и второй выходы схемы управления источников электромагнитного излучения соединены с первым и вторым источниками излучения соответственно.

В сравнении с ближайшим аналогом-прототипом предлагаемое изобретение характеризуется следующими отличительными признаками: в газоанализатор дополнительно введен второй источник электромагнитного излучения, включающего первую длину волны ₁ из области поглощения и вторую длину волны ₂ из области прозрачности анализируемого газа; дополнительно введены первый и второй оптические фильтры, пропускающие излучение с длиной волны ₁ из области поглощения анализируемого газа; дополнительно введены третий и четвертый оптические фильтры, пропускающие излучение с длиной волны ₂ из области прозрачности анализируемого газа; второй источник электромагнитного излучения установлен вне газовой кюветы за фотоприемниками; вышеуказанный источник электромагнитного излучения оптически сопряжен с первым и вторым фотоприемниками; первый и второй фотоприемниками выполнены с возможностью регистрации излучения при освещении их с двух противоположных сторон; с двух противоположных сторон первого фотоприемника по ходу излучения первого и второго источников электромагнитного излучения установлены первый и второй оптические фильтры; с двух противоположных сторон второго фотоприемника по ходу излучения первого и второго источников электромагнитного излучения установлены третий и четвертый оптические фильтры; газовая кювета с фокусирующим элементом выполнена в виде полости, фокусирующим элементом которой является ее внутренняя поверхность со светоотражающим покрытием; блок обработки сигналов дополнительно содержит: коммутатор входных импульсов; усилитель; аналого-цифровой преобразователь; схема управления токами источников электромагнитного излучения; коммутатор входных импульсов, усилитель, аналого-цифровой преобразователь и микроЭВМ соединены последовательно; первый и второй входы коммутатора входных импульсов являются первым и вторым входами блока обработки сигналов соответственно; первый управляющий выход микроЭВМ соединен с управляющим входом коммутатора входных импульсов; второй управляющий выход микроЭВМ соединен с управляющим входом схемы управления токами источников электромагнитных излучений; второй вход схемы управления токами источников электромагнитных излучений соединен с выходом второго фотоприемника; первый выход схемы управления токами источников электромагнитного излучения с первым источником электромагнитного излучения; второй выход схемы управления токами электромагнитного излучения соединен со вторым источником электромагнитного излучения.

Введение вышеперечисленных отличительных признаков в совокупности с известными признаками позволяет устранить недостатки, присущие известным оптическим газоанализаторам, принцип действия которых основан на избирательном поглощения инфракрасного излучения молекулами газов.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого оптического абсорбционного газоанализатора; на фиг. 2 - блок-схема реализованного оптического преобразователя газоанализатора.

Газоанализатор, согласно фиг. 1, содержит первый измерительный источник 1 электромагнитного излучения, расположенные по ходу излучения кювету 2, первый и третий оптические фильтры 3 и 4, расположенные соответственно перед измерительным и опорным фотоприемниками 5 и 6, второй - эталонный источник 7 электромагнитного излучения установлен вне газовой кюветы 2 с противоположной стороны фотоприемников 5 и 6 со вторым и четвертым оптическими фильтрами 8 и 9 соответственно и оптически с ними сопряжен, блок 10 обработки сигналов, первый вход которого соединен через первый разделительный усилитель 11 с выходом измерительного фотоприемника 5, а второй вход соединен через разделительный усилитель 12 с выходом опорного фотоприемника 6, содержит последовательно соединенные коммутатор 13 входных импульсов, усилитель 14, аналого-цифровой преобразователь 15 и микроЭВМ 16, выход которой соединен с блоком 17 регистрации, первый управляющий выход микроЭВМ 16 соединен с управляющим входом коммутатора 13, первый и второй входы которого являются первым и вторым входами блока 10 обработки сигналов соответственно, второй управляющий выход микроЭВМ 16 соединен с управляющим входом схемы 18 управления токами источников электромагнитного излучения, второй вход которой соединен с выходом опорного фотоприемника 6, и одновременно с опорным резистором 19, второй вывод которого соединен с общим проводом прибора, первый и второй выходы схемы 18 управления подключены к источникам 1 и 7 электромагнитного излучения соответственно. Кроме того, последовательно с измерительным фотоприемником 5 соединено сопротивлением 20 нагрузки, второй вывод которого соединен с общим проводом, к коммутатору 13 подключен датчик 21 контроля температуры.

Кроме того, в газоанализаторе, согласно фиг. 2, газовая кювета 2 выполнена в виде полости, например в форме цилиндра, фокусирующим элементом которой является ее внутренняя поверхность со светоотражающим покрытием, на входном и выходном торцах кюветы 2 установлены оптические окна 22 и 23 соответственно, на наружной поверхности полости кюветы 2 установлены штуцер 24 для ввода газовой смеси и штуцер 25 для вывода газовой смеси.

Измерительный источник 1 электромагнитного излучения установлен непосредственно перед оптическим окном 21 кюветы 2, за оптическим окном 22 которой установлены оптически с ней сопряженные фотоприемники 5 и 6 с соответствующими им оптическими фильтрами 3,8 и 4,9, которые, в свою очередь оптически сопряжены с эталонным источником 7 электромагнитного излучения, установленным вне газовой кюветы 2 с противоположной стороны от фотоприемников 5 и 6 с фильтрами 8, 9.

Измерительный источник 1 электромагнитного излучения предназначен для формирования на фотоприемниках 5 и 6 электрических сигналов, содержащих информацию о концентрации анализируемого газа в кювете 2.

Газовая кювета 2 с принадлежащими ей оптическими окнами 22 и 23 и штуцерами 24 и 25 обеспечивает прохождение излучения через газовую кювету и фокусирование его на фотоприемниках; Фотоприемник 5 с фильтрами 3 и 8 и фотоприемник 6 с фильтрами 4 и 9 преобразуют излучение в электрические сигналы, пропорциональные соответственно интенсивностям излучения с длинами волны ₁ и ₂. .

Эталонный источник 7 электромагнитного излучения предназначен для учета влияния дестабилизирующих факторов, например, температура, пыль, влажность и т.д., влияющих на параметры фотоприемников.

Разделительные усилители 11 и 12 выравнивают амплитуду импульсов на входе коммутатора 13 входных импульсов, а также обеспечивают развязку по постоянному напряжению выхода фотоприемников 5 и 6 и входа коммутатора 13.

Блок 10 обработки сигналов обеспечивает преобразование аналогового сигнала в цифровой, и далее преобразование его и вычисление концентрации измеряемого газа.

Устройство 17 регистрации обеспечивает вывод величины концентрации на табло прибора.

Коммутатор 13 входных импульсов предназначен для поочередного подключения блока 10 обработки сигналов с выходами фотоприемников 5 и 6.

Усилитель 14 обеспечивает усиление полученного импульсного сигнала до уровня, обеспечивающего наилучшее использование параметров аналого-цифрового преобразователя 15.

Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь 15 позволяет измерить напряжение с высокой точностью.

Управляющая ЭВМ 16 предназначена для управления коммутатором 13 входных импульсов, а также источниками 1 и 7 излучения через схему 18 управления, кроме того, ЭВМ 16 осуществляет преобразование поступающих сигналов в соотношение, предварительно заложенное в ПЗУ ЭВМ 16, вычисление его и определение величины концентрации газа.

Блок 17 регистрации обеспечивает вывод значения концентрации на индикаторе табло.

Схема 18 управления токами источников излучения обеспечивает получение на входе измерительного и эталонного источников 1 и 7 излучения импульс тока заданной длительности и величину тока, определяемого напряжением, снимаемым с опорного резистора 19 в промежутке времени между импульсами.

Сопротивление 20 нагрузки обеспечивает типовое включение измерительного фотоприемника 5.

Датчик 21 контроля температуры предназначен для коррекции рассчитанной концентрации газа, обусловленной температурной зависимостью параметров источников излучения (сдвиг спектра) и фотоприемников (чувствительность).

Газоанализатор работает следующим образом.

От микроЭВМ 16 на схему 18 управления токами источников излучения поступает управляющий сигнал, определяющий параметры импульсов тока, поступающих поочередно с выхода схемы 18 управления на вход измерительного источника 1 излучения и на вход эталонного источника 7 излучения. Данные импульсы тока преобразуются в импульсы излучения, содержащего длины волн ₁ и ₂ из области поглощения и из области прозрачности анализируемого газа соответственно. Оба фотоприемника 5 и 6 освещаются либо измерительным источником 1 излучения (через кювету 2), либо эталонным источником 7 излучения (с обратной стороны) и преобразуют световые импульсы в измерительный и опорный электрические импульсные сигналы соответственно. Причем световой импульс от эталонного источника 7 излучения преобразуется в фотоприемниках 5 и 6 в электрические импульсы с напряжением U_1э и U_2э соответственно. Аналогично, световой импульс от измерительного источника 1 излучения преобразуется в фотоприемниках 5 и 6 электрические импульсы с напряжением U_3и и U_4и соответственно. Амплитуда импульсов пропорциональна интенсивности света, падающего на фотоприемник.

В зависимости от сигнала, поступающего от микроЭВМ 16 на управляющий вход коммутатора 13 входных импульсов, измерительные и опорные электрические импульсы с выхода фотоприемников через соответствующие разделительные усилители 11 и 12 поочередно поступают на вход коммутатора 13 входных импульсов и далее с выхода коммутатора 13 через усилитель 14 на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 15, в котором преобразуется в цифровой код. Таким образом, на вход микроЭВМ 16 поступает последовательность цифровых кодов, соответствующих значениям аналогового импульсного сигнала, поступающего с выхода фотоприемников 5 и 6. В микроЭВМ 16 с помощью предварительно введенного в память соотношения осуществляется его преобразование, вычисление и определение концентрации газа N, значение величины которой выводится на устройство 17 регистрации. С целью исключения влияния неконтролируемых изменений параметров газоанализатора на измерение соотношение представлено в виде: где U_1э - электрический сигнал на выходе разделительного усилителя 11, пропорциональный интенсивности излучения с длиной волны ₁ от эталонного источника 7 излучения, попадающего на измерительный фотоприемник 5.

U_2э - электрический сигнал на выходе разделительного усилителя 12, пропорциональный интенсивности излучения с длиной волны ₂ от эталонного источника 7 излучения, попадающего на опорный фотоприемник 6.

U_3и - электрический сигнал на выходе разделительного усилителя 11, пропорциональный интенсивности излучения с длиной волны ₁ от измерительного источника 1 излучения, попадающего на измерительный фотоприемник 5.

U_4и - электрический сигнал на выходе разделительного усилителя 12, пропорциональный интенсивности излучения с длиной волны ₂ от измерительного источника 1 излучения, попадающего на опорный фотоприемник 6.

Оптически и электрически прибор настраивается таким образом, что в отсутствии контролируемого газа амплитуды всех четырех импульсов равны, т.е. d=1. В случае возможного изменения интенсивности одного или обоих источников электромагнитного излучения вследствие измерения, например, питания, температуры, запыленности, влажности, деградации со временем и т.д., оба сигнала (измерительный и опорный) от нестабильно работающего излучателя изменятся пропорционально, а их отношение, входящее в (I), сохранится. Аналогично, в случае изменения чувствительности одного из фотоприемников по причинам, указанным выше, пропорционально изменятся амплитуды импульсов, получаемых в результате преобразования в фотоприемнике световых импульсов от обоих источников излучения, и их отношение, входящее в (I) также сохранится. Для учета изменений интенсивности источников или чувствительности фотоприемников на опорном резисторе 19 через обратную связь, введенную через схему 18 управления, поддерживается постоянное падение напряжения и, таким образом, полезный импульсный сигнал также будет постоянной величиной.

При заполнении кюветы 2 контролируемым газом из величин, входящих в правую часть соотношения (I), изменится (уменьшится) только U_3и из-за поглощения излучения газом. Соответственно, уменьшится и d.

По нескольким проверочным газовым смесям с паспортизованными концентрациями N1...Ni контролируемого газа строится градуировочная кривая соответствия величин d и N и вводится предварительно в память микроЭВМ 16. При измерении неизвестной концентрации газа микроЭВМ 16 вычисляет d и по нему с помощью градуировочной кривой определяет концентрацию газа N.

Предлагаемый газоанализатор реализован в РНИИ "Электронстандарт".

Все элементы конструкции прибора размещены в электропроводящем корпусе с сопротивлением не менее 10⁹ Ом и изготовленном из алюминиевого сплава или пластмассы.

В качестве газовой кюветы 2 использована алюминиевая трубка с полированной внутренней поверхностью длиной 70 мм и внутренним диаметром 6 мм с установленным на ней входным и выходным штуцерами 24 и 25, оптическими окнами 22 и 23 на входном и выходном торцах трубки (см. черт. 2).

Излучатели 1 и 7 и фотоприемники 5 и 6 с принадлежащими им оптическими фильтрами 3 и 8 и 4 и 9 изготавливаются комплектно фирмой ИКО, г. Санкт-Петербург. Например, для газоанализатора, измеряющего концентрацию углекислого газа изготовлен комплект ФРМ1-4339, включающий в себя два одинаковых светодиода, излучающих в диапазоне 3,7-4,4 мкм, и модуль, содержащий два фотоприемника и две пары оптических фильтров. Освещение каждого фотоприемника возможно с двух противоположных торцов модуля. В качестве фотоприемников использованы фоторезисторы. Одна пара оптических фильтров пропускает излучение с длиной волны = 4,3 мкм, поглощаемое углекислым газом, вторая пара оптических фильтров пропускает излучение с длиной волны = 3,9 мкм, для которого углекислый газ прозрачен. Эталонный излучатель установлен вплотную к модулю фотоприемника для минимизации влияния анализируемого газа, содержащегося в атмосфере, на интенсивность эталонного излучения.

Таким образом, при включении прибора излучение, например, измерительного светодиода фокусируется на фоторезисторы 5 и 6, регистрирующие, благодаря наличию оптических фильтров 3 и 4, интенсивность излучения с длиной волны, соответственно 4,3 мкм (рабочий канал) и 3,9 мкм (опорный канал). На измерительный и опорный фоторезисторы 5 и 6 подают стабилизированное напряжение +U_пит.. Последовательно включенное с измерительным фоторезистором 5 сопротивление 20 нагрузки и последовательно включенный с опорным фоторезистором 6 опорный резистор 19 выполнены на резисторах марки С2-29. Напряжение с вышеуказанных сопротивлений 20 и 19 через соответствующие разделительные усилители 11 и 12, выполненные на малошумящих операционных усилителях типа К544УД5, попадают на первый и второй входы коммутатора 13, управляемого от микроЭВМ 16. Коммутатор 13 выполнен на основе КМОП коммутатора 561КТ2, с выхода которого импульсы напряжения попеременно либо от измерительного, либо опорного фоторезисторов попадают на вход усилителя 14, выполненного на основе малошумящего операционного усилителя К544УД5. Кроме того, с опорного резистора 19 опорного фоторезистора 6 постоянное напряжение подается на схему 18 управления токами светодиодов, выполненную на основе операционного усилителя 140УД1208. При уменьшении температуры окружающей среды постоянное напряжение на опорном резисторе 19 и сопротивлении нагрузки 20 уменьшается из-за увеличения темнового сопротивления фоторезисторов. Это напряжение с опорного резистора 19 подается на инвертирующий вход схемы управления 18 токов светодиодов. Так как зависимость чувствительности фоторезисторов и их темновое сопротивление имеют близкую температурную зависимость, то формируется петля обратной связи, поддерживающей величину импульсов напряжений постоянной независимо от внешних условий.

Длительность импульса тока (примерно 80 мкс) и светодиод - эталонный или измерительный, через который идет ток, определяется рабочей программой, занесенной в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), выполненное на основе интегральной микросхемы К573РФ5 или аналогичной и входящей в состав микроЭВМ 16. Величина протекающего тока через светодиоды 1 и 7 задается предварительной настройкой схемы управления 18 токами светодиодов и постоянным напряжением, снимаемым с нагрузки фоторезистора. Величина тока через светодиод при комнатной температуре устанавливается около 1 А. Усиленные импульсы с выхода усилителя (в качестве датчика температуры использовано термосопротивление ТР-1), затем поступают на интегрирующий аналого-цифровой преобразователь 15, выполненный с использованием операционных усилителей К140УД1208 и КР544УД5А (компаратор). Управляющая микроЭВМ 16, выполненная на основе процессора 1830ВЕ31 обрабатывает выходное напряжение компаратора, запоминает число отсчетов, соответствующее каждому из импульсов и производит расчет концентрации по формуле (1), приведенной выше: .

Алгоритм работы прибора следующий: инициализация прибора; определяется температура окружающей среды путем подачи напряжения с термодатчика на АЦП, его измерение и определение по таблице предварительно "защитой" в ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) ЭВМ; работает источник измерительного излучения, выход измерительного фотоприемника через коммутатор присоединен к усилителю, на АЦП производится измерение импульса U_3и; то же, но через коммутатор на АЦП подается импульс с выхода опорного фотоприемника U_4и; работает эталонный источник излучения, выход измерительного фотоприемника через коммутатор присоединен к усилителю, на АЦП производится измерение импульса U_1э; то же, но через коммутатор на АЦП подается импульс с выхода опорного фотоприемника U_2э; измерение проводится N раз, после чего значения усредняются и производится расчет величины d; производится сравнение измеренной величины с табличными данными, хранящимися в ПЗУ, измеренная величина корректируется с учетом температуры и определяется искомая концентрация, которая выводится на устройство регистрации 17, выполненный на основе жидкокристаллического индикатора ИЖЦ 18-4/7.

Таким образом, предлагаемый газоанализатор обеспечивает высокую точность измерений и чувствительность прибора в широком диапазоне рабочих температур, влажности и запыленности, за счет исключения зависимости измерений от температуры, влажности и запыленности, а также за счет выполнения блока обработки сигналов одноканальными, что значительно уменьшает погрешность электронной части прибора. Одновременно достигнуто значительное упрощение конструкции и надежность в эксплуатации, что позволяет использовать данный газоанализатор в полевых условиях. При измерении концентрации CO₂ за 10 об. % в диапазоне температур -10. ..+35^o обеспечивается точность +5% от измеряемой концентрации.

Формула изобретения

Оптический абсорбционный газоанализатор, содержащий источник электромагнитного излучения, с первой длиной волны ₁ из области поглощения и второй волны ₂ из области прозрачности анализируемого газа, расположенные по ходу его излучения газовую кювету с фокусирующим элементом, первый и второй фотоприемники, причем выход первого фотоприемника через первый усилитель соединен с первым входом блока обработки сигналов, выход второго фотоприемника через второй усилитель соединен соответственно с вторым входом блока обработки сигналов, включающего микроЭВМ, выход которой является выходом блока обработки сигналов и соединен с блоком регистрации, отличающийся тем, что в газоанализатор дополнительно введен второй источник электромагнитного излучения с первой длиной волны ₁ из области поглощения и второй длиной волны ₂ из области прозрачности анализируемого газа, первый и второй оптические фильтры, пропускающие излучение с длиной волны ₁ из области поглощения анализируемого газа, также третий и четвертый оптические фильтры, пропускающие излучение с длиной волны ₂ прозрачности анализируемого газа, причем второй источник электромагнитного излучения установлен вне газовой кюветы за фотоприемниками и оптически сопряжен с ними, оба фотоприемника выполнены с возможностью регистрации излучения при освещении их с двух противоположных сторон, кроме того, с двух противоположных сторон первого фотоприемника по ходу излучения первого и второго источников электромагнитных излучений установлены первый и второй оптические фильтры, с двух противоположных сторон второго фотоприемника по ходу излучения первого и второго источников электромагнитных излучений установлены третий и четвертый оптические фильтры, газовая кювета выполнена в виде полости, фокусирующим элементом которой являются ее внутренняя поверхность со светоотражающим покрытием, блок обработки сигналов дополнительно содержит последовательно соединенные коммутатор входных импульсов, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, а также дополнительно введена схема управления токами источников электромагнитных излучений, причем первый и второй входы коммутатора входных импульсов являются первым и вторым входами блока обработки сигналов соответственно, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом микроЭВМ, первый управляющий выход которой соединен с управляющим входом коммутатора входных импульсов, а второй управляющий выход соединен с управляющим входом схемы управления токами источников электромагнитных излучений, другой вход которой соединен с выходом второго фотоприемника, первый и второй выходы схемы управления токами источников излучения соединены с первым и вторым источниками излучения соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2