RU2778205C1

RU2778205C1 - Оптический абсорбционный газоанализатор

Info

Publication number: RU2778205C1
Application number: RU2021117706A
Authority: RU
Inventors: Николай Владимирович Замятин; Геннадий Васильевич Смирнов; Леонид Никифорович Синица
Filing date: 2021-06-18
Publication date: 2022-08-15

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 CO_2,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 kn_погл 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

Длина оптического пути в световоде с учетом отражений

l=

Соответственно длина оптического капиллярного волокна для кюветы будет равна

L=

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, NO₂и.т.д. Используемые источники излучения имеют ширину спектра 5 см^-1.

Для молекул СО₂, CH₄NH₃ 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	6 10^-6	1,7 10^-5
Оптимальная длина пути l ₀, см	0,15	0,7	1,7 10³	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

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.