RU2778205C1 - Оптический абсорбционный газоанализатор - Google Patents
Оптический абсорбционный газоанализатор Download PDFInfo
- Publication number
- RU2778205C1 RU2778205C1 RU2021117706A RU2021117706A RU2778205C1 RU 2778205 C1 RU2778205 C1 RU 2778205C1 RU 2021117706 A RU2021117706 A RU 2021117706A RU 2021117706 A RU2021117706 A RU 2021117706A RU 2778205 C1 RU2778205 C1 RU 2778205C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cuvettes
- gas
- radiation
- neural network
- absorption
- Prior art date
Links
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 230000003287 optical Effects 0.000 title claims abstract description 21
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 48
- 230000001537 neural Effects 0.000 claims abstract description 15
- 210000001736 Capillaries Anatomy 0.000 claims abstract description 9
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 claims abstract description 9
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 101700021218 CAT Proteins 0.000 description 4
- 101700004026 MPC2 Proteins 0.000 description 4
- 101700069768 PCCB Proteins 0.000 description 4
- 101710038563 bztE Proteins 0.000 description 4
- 101700040066 dmpB Proteins 0.000 description 4
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 4
- 101700080543 nahH Proteins 0.000 description 4
- 230000003595 spectral Effects 0.000 description 4
- 101700036194 xylE Proteins 0.000 description 4
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitric oxide Chemical compound O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052813 nitrogen oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и касается оптического абсорбционного газоанализатора. Газоанализатор содержит источники электромагнитного излучения и светофильтры с длинами волн из области поглощения анализируемых газов, кюветы, фотоприемники и компьютер с обученной нейронной сетью. Источники электромагнитного излучения расположены по кругу узла ввода излучения в кюветы. Кюветы выполнены в виде капиллярных волокон с внешней отражающей поверхностью по длине, причем длины кювет равны величине обратного значения коэффициента поглощения исследуемого газа, умноженной на обратное отношение сигнала к шуму системы. Фотоприемники на выходе кювет соединены с усилителями и аналого-цифровыми преобразователями, которые в свою очередь подключены к модулю обученной нейронной сети. Технический результат заключается в повышении универсальности, информативности, чувствительности и точности измерений. 3 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения концентрации газов, например метана, окиси или двуокиси углерода, углеводородов, бензола, оксида азота и др., в атмосфере, производственных помещениях, технологических аппаратах и т.д.
Известен абсорбционный волоконно-оптический газоанализатор, содержащий последовательно установленные и оптически связанные излучатель, входное оптическое волокно, многоходовую кювету, состоящую из трех сферических зеркал, выходное оптическое волокно, блок регистрации и обработки информации. Между выходным оптическим волокном и блоком регистрации установлен спектральный интегральный демультиплексор, а на продолжении сферы зеркала-коллектива в непосредственной близости от его края с одной стороны установлены торцы входного и выходного оптических волокон, оба зеркала-объектива установлены с возможностью совместного поворота относительно центра кривизны зеркала-коллектива в общей меридиональной плоскости всех зеркал (RU 2091764, G 01 N 21/61, 1997).
Известен также оптический абсорбционный газоанализатор, содержащий оптически сопряженные лазерный источник инфракрасного электромагнитного излучения с длиной волны из области поглощения анализируемого газа, многоходовую газовую кювету, выполненную в виде интегрирующей сферы с внутренним светоотражающим покрытием, где оптический вход и выход расположены асимметрично относительно центра сферы, светофильтр и приемник излучения, подключенный через усилитель к блоку обработки и регистрации информационного сигнала (RU 2022249, G 01 N 21/61, 1994). Внутренняя поверхность интегрирующей сферы может быть выполнена эллипсоидной (WO 2004/013600, G 01 N). Для повышения точности и надежности исследований оптический абсорбционный газоанализатор содержит широкополосный оптический излучатель, расположенные по ходу его излучения трубчатую газовую кювету с внутренними светоотражающими стенками и два фотоприемника, снабженные светофильтрами в области поглощения и прозрачности анализируемого газа соответственно, подключенные к блоку дифференциальной обработки и регистрации информационных сигналов (US 6469303, G 01 J 005/02, 2002; US 2004/0007667, G 01 N 21/61).
Однако такие газоанализаторы являются сложными в изготовлении и эксплуатации.
Среди направлений развития данного вида техники прослеживается выполнение газовой кюветы совместно с оптическим фокусирующим элементом. Так, для контроля содержания газов, имеющих инфракрасный спектр поглощения, используют кювету, изготовленную в форме полого светоотражающего усеченного конуса с отверстием в боковой стенке, в котором установлен оптический фильтр с опорным приемником излучения, а источник излучения расположен в непосредственной близости к кювете (RU 2037809, G 01 N 21/61, 1995). Такая геометрия кюветы обеспечивает фокусировку и многократное отражение от ее стенок проходящих через контролируемую пробу световых лучей.
Наиболее близким к заявляемому является оптический абсорбционный газоанализатор, содержащий источник электромагнитного излучения с длиной волны из области поглощения анализируемого газа, кювету с внутренними светоотражающими стенками и фотоприемник, расположенные по ходу его излучения и подключенные через усилитель к блоку обработки и регистрации информации. Для повышения точности контроля источник и фотоприемник электромагнитного излучения выполнены двухканальными с возможностью дополнительного излучения и приема оптического сигнала с длиной волны из области прозрачности анализируемого газа, а блок обработки и регистрации информации выполнен по схеме дифференциального измерения сигналов, получаемых на выходе образованных каналов (RU 2109269, G 01 N 21/61, 1998).
Однако данное устройство обладает низкой чувствительностью из-за короткой длины пути светового потока. Наличие одного канала без спектрального прибора не позволяет регистрировать одновременного наличия нескольких исследуемых газовых компонентов, что снижает информативность. Кроме того, оно обладает низкой точностью из-за возможности прямой засветки фотоприемника.
Технической задачей заявляемого газоанализатора является повышение универсальности, информативности, чувствительности и точности измерений путем увеличения пути светового потока, проходящего через набор капиллярных волокон.
Решение указанной технической задачи заключается в том, что в оптический абсорбционный газоанализатор, содержащий источники электромагнитного излучения и светофильтры с длинами волн из области поглощения анализируемых газов, газовую кювету и фотоприемники, расположенные по ходу излучения, в него дополнительно введен компьютер с обученной нейронной сетью и дополнительные кюветы, при этом источники электромагнитного излучения, расположены по кругу узла ввода излучения в кюветы, а кюветы выполнены в виде капиллярных волокон с внешней отражающей поверхностью по длине, причем длины кювет равны величине обратного значения коэффициента поглощения исследуемого газа, умноженной на обратное отношение сигнала к шуму системы, а фотоприемники, на выходе кювет соединены с усилителями и аналого-цифровыми преобразователями, которые в свою очередь подключены к модулю обученной нейронной сети.
На фиг. 1 приведен схема заявляемого газоанализатора; на фиг. 2 изображена нейросетевая калибровочная модель для газа CO2; на фиг. 3 приведен узел ввода - вывода излучения
На фиг. 1 введены следующие элементы:
cd- источники излучения;
j, ... m –каналы, включающие в себя оптические капиллярные кюветы, стрелками на которых показаны отверстия для ввода и вывода анализируемого газа; фп-фотоприемники; У-усилители с выхода которых усиленный сигнал поступает на вход нейронной сети с нейросетевой калибровочной моделью.
На фиг. 2 приведена схема изображена нейросетевая калибровочная модель для газа CO2, для пояснения сущности обучения нейронной сети заявляемого устройства.
Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем. Выбирается газ, или смесь газов m, наличие которых предполагается определять при помощи заявляемого устройства, определяются knпогл коэффициент поглощения или оптическая плотность каждого из упомянутых газа, с использованием которых рассчитывается для каждого газа длина кювет d.
Для выбора оптимальной длины оптического пути в капиллярном волокне кюветы используем закон Бугера – Ламберта – Бера, в соответствии с которым интенсивность излучения, прошедшего путь в кювете , для m-компонентной смеси определяется по формуле
где -интенсивность падающего излучения; l-длина оптического пути кюветы; kj(λi) – спектральный коэффициент поглощения j-гo компонента на i-й длине волны; сj– концентрация j-гo компонента. Здесь оптические коэффициенты являются функцией длины волны падающего излучения.
Пороговая чувствительность метода при регистрации минимального коэффициента поглощения определяется длиной пути l и способностью регистрирующей системы регистрировать малые изменения интенсивности излучения из-за поглощения . α- величина обратная отношению сигнала к шуму измерительной системы (S/N). Поскольку каждый излучатель имеет свою ширину спектра излучения, при расчете длин пути необходимо использовать интегральный коэффициент поглощения газа k 0, проинтегрированный в пределах полосы излучения данного источника. При заданном значении α определяем длину пути, оптимальную для регистрации данного коэффициента поглощения k 0, который будет отличен для каждого газа.
В этом случае оптимальная длина l 0 будет определяться выражением
l 0 = α/ k 0.
Число отражений в световодном волокне
Соответственно длина оптического капиллярного волокна для кюветы будет равна
После расчёта оптимальной длины кюветы для каждого газа, изготавливают все m кювет, в каждой из которых выполняют отверстия для входа и выпуска анализируемого газа (см. фиг. 1) и собирают многоканальное заявляемое устройство. При сборке заявляемого устройства выбирают для каждого исследуемого газа свой источник cd- источники излучения и свой фп- приемник излучения, и устанавливают выбранные источники и приёмники излучения по кругу узла ввода анализируемого газа в соответствующий канал (фиг. 3). В качестве источников и приемников светового излучения могут быть использованы различные оптические и электронные элементы, работающие в соответствующих диапазонах частот, характерных для каждого выбранного для анализа газа: лазеры, светодиоды, фотодиоды, болометры и др.
Выбирается соответствующие усилители сигналов, поступающие в них с выхода фотоприемников, и выход усиленных сигналов с упомянутых усилителей подсоединяют к входу модуля нейронной сети, расположенной в компьютере (фиг. 2). Нейронная сеть, используя базу данных, введенную в её память, реагирует на пороговый сигнал, соответствующий заданному коэффициенту поглощения исследуемого компонента. Нейронная сеть может обучаться и дообучаться после каждой калибровки, становится подготовленной к работе устройства.
Пример конкретного выполнения. Было изготовлено заявляемое устройство, в котором предполагалось определять в наличии исследуемого образца следующих газов: СО2, CH4 ,NH3, NO2 и.т.д. Используемые источники излучения имеют ширину спектра 5 см-1.
Для молекул СО2, CH4 NH3 NO2 из базы данных HITRAN [https://hitran.org/] в районе сильных полос поглощения для источников излучения шириной 5 см-1 выбраны информативные интервалы. Для них в таблице приведены центры интервалов в частотах (см-1) и длинах волн (нм), также рассчитаны интегральные коэффициенты поглощения на 1 атм, проинтегрированные на ширину спектра излучения источника (5 см-1). Выбранные интервалы находятся в ИК, видимой и УФ области спектра. Интегральные коэффициенты поглощения составили 15…70 см-1. В качестве минимально измеряемых концентраций взяты ПДК для промышленных помещений. При заданном значении α=0,01 для минимального значения ослабления в кювете определяем длину пути l 0, оптимальную для регистрации коэффициента поглощения k 0хПДК, соответствующего предельно допустимой концентрации каждого газа [https://hitran.org/]. Значения ПДК, k 0хПДК, l 0 также приведены в таблице.
Таблица
Молекула | СО2 | CH4 | SO2 | NO2 |
Частота, см-1 | 2362 | 3017 | 35000 | 25000 |
Длина волны, нм | 4234 | 3315 | 285,7 | 400 |
Интегральный коэффициент поглощения для P=1 атм (для ширины спектра 5 см-1) k 0, см-1 | 70 | 15 | 19,2 | 16,8 |
ПДК, ppm | 10000 | 1000 | 0,3 | 1 |
kxПДК, см-1 | 0,7 | 0,015 | 610-6 | 1,710-5 |
Оптимальная длина пути l 0, см | 0,15 | 0,7 | 1,7103 | 6 102 |
Как видно из таблицы, оптимальная длина пути l 0, меняется в широких пределах 0,15…17000 см. Нейронная сеть, используемая в изобретении, позволяет эффективно корректировать параметры регистрации при изменении интегральных коэффициентов поглощения вследствие вариации температуры, ширины спектра излучения, изотопного состава газовой смеси.
Таким образом, заявляемое устройство имеет следующие преимущества перед прототипом:
Увеличивается оптический путь за счет отражения от стенок капиллярной колонки
1. Параллельно и одновременно определяется несколько промышленных газов (не нужны газоанализаторы на каждый газ)
2. Калибровочные модели хранятся в нейронной сети, которая может дообучаться после каждой калибровки
3. Для уменьшения габаритов капиллярные колонки могут быть представлены в виде жгута или свернуты в спираль
Таким образом, заявляемое устройство по сравнению с прототипом позволяет существенно повысить универсальность и (в N раз) информативность, используя N-каналов регистрации, вместо одного.
Claims (1)
- Оптический абсорбционный газоанализатор, содержащий источники электромагнитного излучения и светофильтры с длинами волн из области поглощения анализируемых газов, газовую кювету и фотоприемники, расположенные по ходу излучения, отличающийся тем, что в него введен компьютер с обученной нейронной сетью и дополнительные кюветы, при этом источники электромагнитного излучения расположены по кругу узла ввода излучения в кюветы, а кюветы выполнены в виде капиллярных волокон с внешней отражающей поверхностью по длине, причем длины кювет равны величине обратного значения коэффициента поглощения исследуемого газа, умноженной на обратное отношение сигнала к шуму системы, а фотоприемники на выходе кювет соединены с усилителями и аналого-цифровыми преобразователями, которые в свою очередь подключены к модулю обученной нейронной сети.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2778205C1 true RU2778205C1 (ru) | 2022-08-15 |
Family
ID=
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4818705A (en) * | 1986-03-12 | 1989-04-04 | Pierburg Gmbh | Method and apparatus for analyzing the composition of the exhaust gas of any internal combustion engine |
RU2109269C1 (ru) * | 1996-04-25 | 1998-04-20 | Российский научно-исследовательский институт "Электронстандарт" | Оптический абсорбционный газоанализатор |
RU71165U1 (ru) * | 2007-10-15 | 2008-02-27 | Открытое акционерное общество "Электромашиностроительный завод "ЛЕПСЕ" | Широкодиапазонный измеритель концентрации озона |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4818705A (en) * | 1986-03-12 | 1989-04-04 | Pierburg Gmbh | Method and apparatus for analyzing the composition of the exhaust gas of any internal combustion engine |
RU2109269C1 (ru) * | 1996-04-25 | 1998-04-20 | Российский научно-исследовательский институт "Электронстандарт" | Оптический абсорбционный газоанализатор |
RU71165U1 (ru) * | 2007-10-15 | 2008-02-27 | Открытое акционерное общество "Электромашиностроительный завод "ЛЕПСЕ" | Широкодиапазонный измеритель концентрации озона |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7256227B2 (ja) | 全血ヘモグロビンパラメータ又は全血ビリルビンパラメータを測定するCOOxシステムに搭載可能な較正光モジュール | |
US10338058B2 (en) | Analyte system and method for determining hemoglobin parameters in whole blood | |
US6684099B2 (en) | Apparatus and method for reducing spectral complexity in optical sampling | |
US20060237657A1 (en) | Real-time UV spectroscopy for the quantification gaseous toxins utilizing open-path or closed multipass white cells | |
US20100290045A1 (en) | Multiplex tunable filter spectrometer | |
CN110621980A (zh) | 气体测量*** | |
US6969857B2 (en) | Compensated infrared absorption sensor for carbon dioxide and other infrared absorbing gases | |
Liang et al. | Multiplex-gas detection based on non-dispersive infrared technique: a review | |
WO2007121593A1 (en) | Method for measurement and determination of concentration within a mixed medium | |
TW459133B (en) | Multi-component gas analyzer having cassette-type light path system | |
CN110849838A (zh) | 基于硅基集成空芯光波导的多组分气体检测方法及装置 | |
US6353476B1 (en) | Apparatus and method for substantially simultaneous measurement of emissions | |
US20170227397A1 (en) | Analyte system and method for determining hemoglobin parameters in whole blood | |
RU2778205C1 (ru) | Оптический абсорбционный газоанализатор | |
JP2006300674A (ja) | 分光光度計 | |
CN106018315A (zh) | 一种基于罗兰光栅的发动机排放气体分析仪 | |
Thompson et al. | Characterization of a mid-infrared hollow waveguide gas cell for the analysis of carbon monoxide and nitric oxide | |
CN115290587A (zh) | 一种基于空芯光纤的多通道溶液浓度检测方法及检测装置 | |
CN114002184A (zh) | 多谐振增强型光声光谱多组分气体同时检测装置及方法 | |
RU2804257C1 (ru) | Способ определения компонентов смеси газов | |
RU2755635C1 (ru) | КР-газоанализатор | |
WO2024019029A1 (ja) | ガス分析装置 | |
US20170227522A1 (en) | Analyte system and method for determining hemoglobin parameters in whole blood | |
RU2262684C1 (ru) | Оптический абсорбционный газоанализатор | |
Mohamed | Potential of Micro-scale Optical Spectroscopy for Environmental sensing: Focus on Gas and Air Quality |