газоанализатор
Классы МПК: | G01N21/61 бездисперсные газоанализаторы |
Автор(ы): | Зиганшин Рафаэль Джавидович, Зяблицев Сергей Михайлович, Малов Александр Васильевич, Порожнетов Павел Николаевич |
Патентообладатель(и): | Зиганшин Рафаэль Джавидович, Зяблицев Сергей Михайлович, Малов Александр Васильевич, Порожнетов Павел Николаевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
1992-03-26 публикация патента:
10.04.1995 |
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.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
Формула изобретения
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 Sс каждого из которых удовлетворяет условию Sс Xx![газоанализатор, патент № 2032896](/images/patents/441/2032074/183.gif)
![газоанализатор, патент № 2032896](/images/patents/441/2032074/183.gif)
Описание изобретения к патенту
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 Sс каждого из которых удовлетворяет условию Sc X
![газоанализатор, патент № 2032896](/images/patents/441/2032007/729.gif)
![газоанализатор, патент № 2032896](/images/patents/441/2032007/729.gif)
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.
Класс G01N21/61 бездисперсные газоанализаторы