Исследование и разработка оптико-электронного газоанализатора двуокиси азота в промышленных выбросах и транспортом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Антонов Александр Сергеевич

• Антонов Александр Сергеевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Антонов Александр Сергеевич

Актуальность

Глава 1. Обзор и анализ существующих методов и приборов для измерения содержания диоксида азота

1.1 Задачи обзора

1.2 Хемилюминесцентные газоанализаторы

1.3 Электрохимические газоанализаторы

1.4 Оптико-абсорбционный газоанализатор

1.4 Критический анализ существующих методов измерения диоксида азота

Глава 2. Исследование и разработка опытного образца оптико-электронного газоанализатора диоксида азота

2.1 Оценка влияния мешающих ингредиентов

2.2 Выбора источник излучения

2.3 Структурная схема оптико-электронного газоанализатора опытной установки

2.3.1 Система пробоподготовки

2.3.2 Обоснование выбора приемника оптического излучения

2.3.2.1 Анализ и выбор режима работы фотодиода

2.3.3 Волоконно-оптический разветвитель

2.3.4 Кювета разрабатываемого газоанализатора

2.3.5 Прочие элементы разрабатываемого газоанализатора

2.4 Алгоритм работы экспериментального образца газоанализатора

2.6 Заключение

Глава 3. Исследование опытного образца оптико-электронного газоанализатора

3.1 Расчет потерь в оптической системе опытного образца

3.2 Методика пересчета параметров и характеристик фотодиодов

3.2.1 Пересчет параметров приемников, заданных в энергетических единицах по одному источнику (паспортному), к параметрам в энергетических единицах по использованному источнику

3.3 Снятие спектральной характеристики используемого излучающего диода

3.4 Расчет кюветы опытного образца

3.5 Расчет отклонения от основного закона светопоглощения

3.6 Выбор и расчет электрической схемы блока питания опытного образца

3.7 Электрическая схема разработанного газоанализатора

3.8 Анализ шумов электронного тракта прибора

3.9 Анализ погрешностей электронного тракта опытного образца

3.10 Исследование влияния температуры на измерения газоанализатора

3.11 Исследование влияния давления в тракте газоанализатора на измерения диоксида азота

3.12 Алгоритм работы газоанализатора

3.13 Сборка рабочего образца устройства

Глава 4. Метрологические испытания рабочего образца оптико-электронного газоанализатора

4.1 Программа испытаний

4.1.1 Методика установки нуля и контроля дрейфа нулевой линии

4.1.2 Методика градуировки разработанного газоанализатора

4.1.3 Методика определения основной погрешности измерения

4.1.4 Методика определения дополнителых погрешностей

4.1.4.1 Методика определения влияние неизмеряемых компанентов

4.1.4.2 Исследования влияния температуры на опытном приборе

4.2 Выводы по главе

Заключение

Список литературы.....................................Ошибка! Закладка не определена.

Приложение 1. Сертификат об утверждении типа генераторов газовых смесей (ГГС)

Приложение 2. Акт внедрения ООО «МОНИТОРИНГ»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка оптико-электронного газоанализатора двуокиси азота в промышленных выбросах и транспортом»

Актуальность

Согласно техническому регламенту "О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ", диоксид азота подлежит обязательному контролю в выбросах автотранспортных средств.

Диоксид азота (N02) - газ, с характерным острым запахом, красно-бурого цвета. С легкостью переходящий в димер четырехокиси азота (Ы"204). Димер возникает при воздействии на медь концентрированной азотной кислоты, а при растворении в воде, превращается в смесь азотной и азотистой кислоты. Так же, диоксид азота образуется в процессе реакции окиси азота с кислородом. Наличие диоксида азота в атмосфере приводи к уменьшению озонового слоя, а также к выпадению кислотных дождей.

Диоксид азота (NO2) высоко токсичен. В небольших концентрациях диоксид азота раздражает дыхательные пути человека, при больших концентрациях он вызывает отёк лёгких. Диоксид азота в основном воздействует на легкие и дыхательные пути, но также приводит к изменениям в составе крови, в крови уменьшает содержание гемоглобина.

В связи с выше сказанным, измерения содержания диоксида азота имеет важное значение. Основными источниками выброса диоксида азота являются промышленные предприятия и транспорт.

На данный момент перечень применяемых в России, а также и в мире методов измерений, реализованных в виде признанных в установленном порядке сертифицированных приборов, газоанализаторов, используемые для измерения диоксида азота в промышленных выбросах и транспортом, обладают рядом недостатков. На данный момент существует потребность в новых, оригинальных, методах и газоанализаторов для измерения концентраций диоксида азота в промышленных выбросах и транспортом, обладающих высокой селективностью, чувствительностью и долговечностью, что и определяет актуальность настоящей работы.

Целью работы является исследование и разработка автоматического оптико-электронного средства измерений концентрации диоксида азота в промышленных выбросах и транспортом, обладающего высокой селективностью, чувствительностью, высоким ресурсом (долговечностью), низким энергопотреблением, конкурентоспособную стоимость, пригодного для сертификации и серийного производства.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- изучение и анализ существующих методов и средств измерений концентрации диоксида азота в промышленных выбросах и транспортом;

- теоретические и экспериментальные исследования метода и средства измерений (СИ) диоксида азота, определяемого методом оптической абсорбционной спектроскопии.

- разработка нового типа принципиальной схемы оптико-электронного газоанализатора диоксида азота, включая его составные компоненты;

- создание опытного образца оптико-электронного газоанализатора диоксида азота и экспериментальное исследование его характеристик;

- подготовка оптико-электронного газоанализатора диоксида азота для сертификации и серийного выпуска.

Методы исследования, реализованные в работе:

При выполнении данной работы применялись принципы теории построения оптических и оптико-электронных приборов и систем, методом оптической абсорбционной спектроскопии. Для обработки полученных экспериментальных результатов измерений применялись методы математического анализа и математической статистики.

Во время выполнения экспериментальных исследований использовались сертифицированные средства измерения и устройства регистрации данных, а

также компьютерная техника с соответствующим программным обеспечением.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработано техническое решение для определения концентрации диоксида азота в промышленных выбросах и транспортом,

- разработана модель процесса формирования аналитического сигнала и алгоритм работы оптико-электронного газоанализатора;

- предложена новая схема построения приборов для измерения диоксида азота

- разработан новый тип оптико-электронного газоанализатора для измерения содержания диоксида азота в промышленных выбросах и транспортом.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

- Принципы построения и структура оптико-абсорбционного газоанализатора диоксида азота с использованием современной элементной базы, применение которой позволяет получить малогабаритный газоанализатор с низким энергопотреблением и повышенной точностью

- Структура оптической схемы с кюветой оптико-электронного газоанализатора диоксида азота без окон, при реализации которой уменьшаются потери излучения излучающего диода на фотодиод и увеличивается чувствительность измерений концентрации диоксида азота.

- Алгоритм процесса формирования аналитического сигнала и работы оптико-электронного газоанализатора, позволяющий компенсировать влияние колебания температуры окружающей среды на результаты измерения

- Методика метрологической аттестации разработанного оптико-электронного газоанализатора диоксида азота, позволяющая экспериментально определить погрешность измерения концентрации диоксида азота и основные характеристики газоанализатора.

- Результаты метрологических исследований опытного образца оптико-абсорбционного газоанализатора диоксида азота, на основе которых экспериментально определены погрешности измерения концентрации диоксида азота и основные характеристики газоанализатора

Практические результаты работы.

- разработан новый тип оптико-электронного газоанализатора для измерения концентрации диоксида азота в промышленных выбросах и транспортом на основе оптической абсорбционной спектроскопии;

- создан опытный образец оптико-электронного газоанализатора диоксида азота, подготовленный для проведения приемочных испытаний в системе Ростехрегулирования;

- осуществлена подготовка к серийному производству нового оптического средства измерений - оптико-электронного газоанализатора диоксида азота.

Реализация результатов работы.

Реализация результатов работы подтверждена актом внедрения результатов теоретических и экспериментальных исследований по тематике диссертации на приборостроительном предприятии ООО «МОНИТОРИНГ», ООО «Технолоджи Норд».

Личный вклад автора.

- Автором самостоятельно осуществлены исследования и анализ методов и средств измерений содержания диоксидов азота в промышленных выбросах и транспортом.

- Получены, систематизированы и проанализированы экспериментальные результаты по разработке нового оптико-электронного газоанализатора.

- Разработан алгоритм программы получения аналитического сигнала от первичного измерительного преобразователя.

- Проведены численные эксперименты для оценки корректности работы опытного образца.

Апробация работы.

«Проблемы контроля диоксида азота в выбросах автотранспорта» XLIII научная и учебно-методическая конференция, 30.01.2014 «Актуальность контроля диоксида азота в выбросах автотранспорта» III Всероссийский конгресс молодых ученых, 2014

«Разработка оптико-электронного газоанализатора диоксида азота.» "У.М.Н.И.К. 2014"

Публикации.

Антонов А.С., Ишанин Г.Г.. «Обзор основных методов определения двуоксида азота в выбросах автотранспортных средств». // Мир транспорта и технологических машин.-2013.- №4(43). - С. 125-130. Антонов А.С., Ишанин Г.Г.. «Оптико-электронный газоанализатор для контроля диоксида азота». // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. -2014. - №1. - С. 61-64.

Антонов А.С., Ишанин Г.Г.. «Анализ основных методов определения двуокиси азота в выбросах автотранспорта». Вестник Черкасского государственного технологического университета. №1 2014г. А. С. Антонов, Г. Г. Ишанин «Газоанализатор для измерения диоксида азота в выбросах автотранспортных средств». // Мир транспорта и технологических машин.-2014.- №1(44) - С. 128-131.

А. С. Антонов, Г. Г. Ишанин «Экспериментальные исследования оптико-электронного газоанализатора диоксида азота.».

// Известия Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического Университета Лэти -2015- С. 3-6.

Структура и объем работы.

В первой главе приводится аналитический обзор методов и средств измерения диоксида азота в промышленных выбросах и транспортом. В аналитическом обзоре описываются выявленные достоинства и недостатки существующих методов, проанализированы имеющиеся разработки, которые взяты за основу для определения направления последующих исследований, выполненных в процессе данной работы.

Во второй главе приводиться описание предлагаемого образца с принципом работы разрабатываемого газоанализатора. В нее включена оценка влияния мешающих ингредиентов, обоснование выбора источника излучения, приемника оптического излучения, описание системы пробоподготовки с прочими элементами газоанализатора. Описаны конструктивные особенности кюветы, разработанной под данный газоанализатор. Описан алгоритм работы программного обеспечения газоанализатора. Приводиться описанием оригинальных технических решений и отличий от аналогов.

В третьей главе приведены теоретические расчеты потерь в оптической системе, расчет длины кюветы, расчет чувствительности приемника по источнику. Выполнен энергетический расчет. Теоретически подсчитана погрешность измерения от отклонения от закона Бугера-Ламберта-Бера. Рассчитан динамический диапазон газоанализатора. Выполнено исследование влияния температуры на измерения концентрации диоксида азота. Приведен основной алгоритм работы газоанализатора.

В четвертой главе приведены экспериментальные и метрологические исследования опытного образца.

В заключении приведены основные результаты выполненной работы, сделан прогноз дальнейшего развития разработанного метода и средства измерений.

В приложении приведены сопутствующие информационные материалы

Глава 1. Обзор и анализ существующих методов и приборов для измерения содержания диоксида азота.

1.1 Задачи обзора.

Сформулируем критерии оценки существующих приборов и методов измерения содержания диоксида азота в промышленных выбросах и транспортом. Можно выделить характеристики, определяющие пригодность метода для измерения диоксида азота, а также эксплуатационные и потребительские параметры приборов, определяющие удобство и целесообразность их применения.

В данном обзоре попытаемся проанализировать характеристики реальных приборов, представленных на рынке приборостроения. К интересующим нас характеристикам относятся следующие параметры:

1) Чувствительность - определяется минимальной измеряемой концентрацией.

2) Селективность - способность прибора измерять содержание измеряемого вещества в присутствии других веществ.

3) Диапазон измерения - минимальное и максимальное измеряемые значения концентрации, при которых прибор сохраняет соответствующие характеристики, необходимые для получения корректного результата.

4) Погрешность измерения - ошибка результатов измерений, возникающая за счет инструментальной составляющей, влияния условий эксплуатации, присутствия мешающих компонентов, применяемого метода и т.д.

5) Дрейф показаний - изменение показаний в зависимости от времени, изменения условий эксплуатации и др. причин, влияющих на процесс измерений

6) Время установления показаний - время достижения прибором 95 % значения результата измерений, отсчитанное с момента подачи на вход прибора анализируемой смеси

Говоря об эксплуатационных и потребительских характеристиках существующих приборов, следует иметь в виду также их габаритные размеры, потребляемую мощность, наличие расходных материалов, необходимую частоту проведения градуировки, наличие понятного интерфейса прибора, сохранения данных в форме определенного количества протокольных страниц, получения данных в различных единицах измерения.

В имеющейся литературе зачастую характеристики тех или иных приборов и методов представлены только отчасти. Поэтому в рассмотрение будут взяты лишь те параметры, которые представлены в открытых источниках.

1.2 Хемилюминесцентные газоанализаторы

В ходе некоторых экзотермических реакций часть (не освобождаемой) химической энергии запасается в виде энергии возбуждения электронов, (колебательные или вращательные состояния продуктов химической реакции). Если процесс дезактивации последних сопровождается испусканием излучения, имеет место явление хемилюминесценции [29, 55, 68, 69, 70, 72, 73, 75].

Наибольшее распространение хемилюминесцентный метод получил, при реакция оксида азота с озоном [62, 63, 66]. На данном принципе построен анализатор серии СЬЛ-755, структурная схема которого приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Структурная схема анализатора диоксида азота серии СЬЛ-755:1 - осушитель, 2 - помпа, 3 - датчик расхода пробы, 4 - генератор озона, 5 -реактор (камера измерения), 6, 13 - поглотители Ы02, 7, 10, 12 - фильтры, 8, 11, 14 - клапаны, 9 - конвертер Ы0/Ы02, 15 - источник микропотока

калибровки.

Технические характеристики прибора приведены в таблице 1.1: Таблица 1.1. Технические характеристики газоанализатора СЬЛ-755 серии.

Диапазон измерений 0 - 500 ppm Разрешение цифровой шкалы 0,001 ppm

Шум прибора <2% от измеряемого значения Нижний предел обнаружения 1 ppb

Дрейф нуля 1% / 24 часа Дрейф диапазона 1% / 24 часа

Время запаздывания 15 сек Диапазон температур от +10 до +50 Со

Нелинейность ± 1 %(полная шкала) Погрешность измерений 0.5 ррЬ или не менее 1% от измеренного значения

Когда газ пробы с компонентом N0 и газообразным озоном (03) смешивается в реакторе, компонент N0 окисляется и превращается в N02:

N0 + Оз ^ N02 + О2; (1.1)

Часть N02 находится в возбужденном состоянии. Возбужденные молекулы N02 высвобождают энергию возбужденного состояния в виде излучения, когда возвращаются в основное состояние:

N0 + Оз ^ N02* + О2; (1.2)

К02*: молекулы N0 в возбужденном состоянии:

N02* ^ N02 + ЬУ (1.3)

Это явление называется хемилюминесценцией, а уровень излучения прямо пропорционален количеству молекул N0 до начала реакции. Поэтому концентрацию N0 в пробе можно получить измеряя интенсивность потока излучения [21, 22, 57].

До того, как вернуться в основное состояние, некоторые молекулы N02 теряют энергию возбужденного состояния за счет столкновения с другими молекулами. В этом случае N02 возвращается в основное состояние, но хемилюминесценции не происходит:

N02* + М ^ N02 + М (1.4)

М: другие молекулы

Вероятность потери энергии зависит от вида партнера по столкновению и иногда чувствительность детектора к N0 отличается в зависимости от вида, и концентрации сопутствующих газовых компонентов. Известно, что вероятность потери энергии из-за С02 и Н20 больше, чем от N и 02 в компонентах обычного отработанного газа двигателей, и что изменение концентрации С02 и Н20 в пробе имеет тенденцию менять чувствительность к N0.

В общем случае для уменьшения интерференции С02 и Н20 внутри реактора поддерживается состояние вакуума.

N0 пробы не обладает хемилюминесценцией и не может быть измерено детектором. Поэтому перед измерением он преобразуется в N0 с помощью конвертера N0^ Конвертер работает при температуре 113 0С или 191 0С (в зависимости от комплектации).

Углерод (С), который является основным компонентом в конвертере К0Х, используется в восстановительном процессе. Поэтому конвертер нуждается в регулярной проверке эффективности или замене:

N02 + С ^ N0 + СО (1.5)

2N02 + С ^ 2N0 + С02 (1.6)

Данный метод имеет ряд недостатков [66]:

1) требует применения мощного вакуумного насоса;

2) требуется фотоумножитель, работающий в красной области спектра, с охлаждением, что увеличивает стоимость прибора и его габаритны;

3) требуется высокая концентрация озона для обеспечения полного

протекания реакции между озоном и оксидом азота (содержание озона в

газовой смеси- до нескольких процентов), что обусловливает

необходимость применения высоковольтного генератора озона, а также

специальных угольных фильтров для очистки воздуха (отсутствие

15

очистки может привести к отравлению персонала озоном и выходу из строя насоса и другого оборудования).

В газоанализаторе модели Р-310А «ОПТЭК», для контроля атмосферы, используется хемилюминесцентная реакция, протекающая на поверхности твердотельного хемилюминесцентного датчика с нанесенной на него хемилюминесцентной композицией (рис. 1.2) [44, 45, 47]. Датчик имеет пористую поверхность, за счет чего поверхность раздела, на которой протекает реакция, значительно увеличивается.

Рис. 1.2. Первичный измерительный преобразователь хемилюминесцентного анализатора «газ-твердое тело».

Композиция наносится путем пропитки датчика с последующей сушкой. Таким образом, реакция протекает на поверхности раздела фаз «твердое тело» - газ [10, 65, 81, 83].

Датчик представляет собой пластину диаметром 25 мм из клееного нетканого материала, насыщенного смесью латексов. Раствор, которым пропитывается датчик, представляет сбой смесь, содержащую люминол, карбонат натрия, сульфит натрия, йодид калия и нелетучие растворители.

Датчик располагается непосредственно на окне фотоэлектронного

умножителя (ФЭУ) и имеет диаметр, соответствующий диаметру окна ФЭУ.

Хемилюминесцентное свечение регистрируется фотоумножителем и

передается на аналогово-цифровой преобразователь, далее - на контроллер.

ФЭУ и сенсор установлены в проточном реакторе, защищенном от

16

попадания внешнего излучения [8, 38].

Газоанализатор имеет встроенный калибратор на базе термодиффузионного источника микропотока, что позволяет минимизировать влияние изменения условий проведения измерений (температуры, давления, влажности и пр.). Схема прибора изображена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Блок-схема газоанализатора Р-310А

Газоанализатор Р-310А, имеет следующие технические характеристики:

3 3

диапазон измерений 0 - 1 мг/м , разрешение шкалы 0,001 мг/м , предел допускаемой основной приведенной и относительной погрешности ± 25 % (0 - 0,08 мг/м3).

Существенными недостатками метода измерения концентрации N02 являются: ограниченный ресурс хемилюминесцентного датчика (сенсор газоанализатора Р-310А имеет время жизни около 2 недель после чего заменяется оператором), датчик теряет свою селективность по мере выработки композиции, поэтому необходима постоянная его градуировка от внутреннего термодиффузионного источника микропотока N0^ Газоанализатор имеет большую погрешность (± 25 %).

1.3 Электрохимические газоанализаторы

Практически все переносные газоанализаторы, использующиеся для контроля промышленных выбросов и транспортом, базируются на электрохимическом методе, для измерения диоксида азота.

Метод основан на явлении протекания электрохимической реакции в электрохимической ячейке (рис. 1.4). Электролит, заполняющий ячейку, вступает в химическую реакцию с анализируемый газ. В результате между электродами начинает протекать ток из-за возникновения заряженных ионов. Возникающий ток пропорционален концентрации анализируемого компонента в пробе [28, 40, 58].

Электрический датчик обрабатывает возникающий электрический сигнал.

Капилляр

Рис. 1.4. Электрохимическая ячейка.

Газоанализаторы, использующие данные датчики, позволяют производить измерения в диапазоне 0 - 1000 ррт с минимальным разрешением в 0,5 ррт (примерно 1,027 мг/м ) за счет применения трехэлектродного сенсора с платой трансмиттера. Электрохимические датчики имеет сравнительно хорошие характеристики по ряду параметров,

но обладает при этом сильной перекрестной чувствительностью к хлору, зависимостью чувствительности от температуры.

Характеристики электрохимических датчиков оксида азота от различных фирм производителей, приведены в табл. 1.2:

Таблица 1.2. Технические характеристики электрохимических датчиков диоксида азота.

Фирма Диапазон измерений Дрейф нуля Разрешение шкалы Воспроизводимость

Сйу ТееЬпо1о§у 0 - 100 ррт 0.2 ррт 0,5 ррт 2 %

МЕМБЕАРОЯ N02/8-100 0 - 100 ррт 0.6 ррт 0,3 ррт 2 %

А1рЬавеше Ш2-ЛБ 0 - 200 ррт 2% 0,1 ррт 2 %

Недостатком электрохимических датчиков является сильная перекрестная чувствительность к другим газам, зависимость от температуры и давления, необходимость частой градуировки [5].

1.4 Оптико-абсорбционный газоанализатор

Метод оптической адсорбционной спектроскопии реализован в анализаторе ОАС3600М. Сущность абсорбционного метода анализа заключается в зависимости ослабления потока оптического излучения в определенном спектральном интервале от концентрации определяемого компонента [2, 13, 36, 38, 56, 80, 85].

Коэффициент пропускания монохроматического потока излучения через слой NO2 можно рассчитать по закону Бугера-Ламберта-Бэра.

Газоанализатор ОАС3600М представляет собой автоматический стационарный прибор непрерывного действия, конструктивно состоящий из измерительного блока стоечного или настольного исполнения и управляющего компьютера, соединенных между собой при помощи электрического кабеля.

В качестве источника излучения в газоанализаторе ОАС3600М

используется дейтериевая лампа серии L2D2 от «Hamamatsu Photonics».

Лампа состоит из вольфрамовой нити накала, размещенной в одной части

баллона лампы и анода, размещенного с другой стороны лампы. В баллоне

дейтериевой лампы находится молекулярный дейтерий, тяжелый стабильный

изотоп водорода. В отличие от ламп накаливания, нить не является

источником света в дейтериевой лампе. Вместо этого в процессе работы

лампы в ней создается дуга от нити накала к аноду, подобно тому, как это

происходит в дуговых лампах. Поскольку для работы нить накала должна

иметь очень высокую температуру, на разогрев накала требуется не менее 20

секунд. После этого происходит подключение анодного напряжения, и

загорается дуга. Так как температура горения очень высока, нить накала

(подогреватель) отключается после появления дуги. Дуга возбуждает

молекулы дейтерия, содержащиеся в лампе, на более высокое энергетическое

состояние. Дейтерий затем излучает свет, при переходе обратно в исходное

состояние. Этот процесс вызывает непрерывное ультрафиолетовое

излучение. Этот процесс не является подобным процессу распада атомов

возбужденных состояний (атомная эмиссия), где электроны возбуждаются и

испускают излучение. Вместо этого при молекулярном излучении

происходит радиационный распад молекул возбужденных состояний, в

данном случае молекулярного дейтерия (D 2). Из-за высокой температуры

внутри лампы для нее не может быть использовано обычное стекло (к тому

же плохо пропускающее УФ излучение). Вместо него используется

20

плавленый кварц, фторид магния или УФ стекло. Дейтериевая лампа испускает излучение в диапазоне от 112 нм до 900 нм, хотя его непрерывный спектр только от 180 нм до 370 нм. Срок службы дейтериевой лампы составляет около 4000 часов. В работе с такой лампой необходимо использовать защиту глаз, от мощного УФ-излучения и рук от высокой температуры работающего баллона лампы.

В качестве приемника оптического излучения в газоанализаторе ОАС3600М используется ПЗС линейка TCD1304AP от «TOSHIBA».

Оптическая схема газоанализатора ОАС3600М приведена на рисунке

1.5.

Рис. 1.5-Оптическая схема газоанализатора ОАС3600М 1 - источник излучения (лампа), 2, 5 - оптическая система формирования параллельного пучка, 3 - кювета, 4 - призма, 6 -дифракционная решетка, 7 - приемник оптического излучения (ПЗС -линейка)

Излучение от источника (1) (дейтериевая лампа) формируется оптической системой (2) в параллельный пучок и попадает в первую секцию кюветы газоанализатора (3). Излучение из первой секции кюветы (3) перенаправляется с помощью призмы (4') во вторую секцию (3') и аналогично с помощью второй призмы (4') в третью секцию кюветы (3").

Общие потери в системе составляют ? = 0,42 т.е. больше половины излучения от источника поглощается оптической системой.

Технические характеристики прибора приведены в таблице 1.3:

Таблица 1.3. Технические характеристики газоанализатора ОАС3600М.

Диапазон измерений 10 - 5000 ррт Разрешение цифровой шкалы 10 ррт

Погрешность измерений 4% от измеренного значения Нижний предел обнаружения 10 ррт

К недостаткам данного газоанализатора можно отнести следующее: Источнику излучения, дейтериевой лампе, необходима система питания и поджога, требуется время на разогрев для выхода в рабочий режим. Лампа сильно греется во время работы.

Оптическая система поглощает большую часть излучения от источника, для начала измерения необходимо заполнить весь объем кюветы (около 2 литров), газоанализатор не способен измерять малые концентрации. У газоанализатора отсутствует опорный канал в связи, с чем во время работы дрейфует нулевая линия и требуется периодическая корректировка во время работы. Так же газоанализатор обладает высоким энергопотреблением и большими габаритами.

1.4 Критический анализ существующих методов измерения

диоксида азота.

В обзоре приведены основные, существующие, методы измерения диоксида азота. Задачей обзора было, в первую очередь, изучение методов, лежащих в основе разработанных коммерческих приборов.

Рассмотренные методы и анализаторы на их основе для анализа двуокиси азота в промышленных выбросах и транспортом имеют ряд существенных недостатков. Хемилюминесцентным газоанализаторам, основанных на методе реакции оксида азота с озоном, необходим генератор озона. Также для анализа требуется конвертер для обеспечения нагрева пробы, в следствии чего происходит разложение двуокиси азота в оксид азота. Все это влияет на увеличения времени измерений, уменьшающее быстродействие анализа и увеличивающее энергопотребление. Данные газоанализаторы из-за своей высокой цены в основном устанавливаются на заводских конвейерах, для выборочного анализа отработанного газа выпускаемых транспортных средств или на промышленных.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Антонов Александр Сергеевич, 2015 год

источнику

(3.9)

для второго используемого источника:

SL e = SXax ' X1 = 0,09 (3.10)

где x 1 и X 11 — коэффициенты использования потока излучения для первого и второго источника ПОИ.

Отсюда с учетом выражений (3.9) и (3.10)

SL e = SL e X / X = 0,153 (3.11)

Пороговый поток и обнаружителъная способность. Дано ФЛе и Dl по первому (паспортному) источнику. Определить Ф^ и D? по произвольному источнику.

Можно записать одно и то же выражение силы тока шума фотоприемника через S^е, Ф£е и через S^, Ф^:

I = ф1 ' S1 = Ф1 ' S ' X

'ш ^пе ^интe ^пе ^Xmax Л ,

I = Ф11 ' S11 = Ф11 ' S ' Y11

'ш ^пе ^интe ^пе ^Xmax Л •

Отсюда

Ф11 = ф1 ' у1 / Y11 •

^пе ^пе Л ' Л ,

обнаружительная способность D? = DI - у11 / у1 •

3.3 Снятие спектральной характеристики используемого

излучающего диода

Для определения спектральной характеристики источника излучения был проведен эксперимент. На вход оптоволоконного зонда подавалось излучения от изучающего диода. Излучение после прохождения волоконно-оптического переменного аттенюатора попадало на спектрометр Ocean Optics QE65000. Данные полученные со спектрометра отображались на компьютере. Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3. 1 - источник излучения, 2 - оптоволоконный зонд, 3 -волоконно-оптический переменный аттенюатор, 4 - спектрометр Ocean

Optics QE65000.

Спектральная характеристика излучающего диода представлена на рисунок 3.4.

Рисунок 3.4. Зависимость интенсивности излучения от длинны волны.

Если излучение от источника обладает непрерывным спектром при этом занимает участок спектра определенного размера, то для Фv выполняется:

780пт

Фу= 683 • | Ф^САУСАЩ

380пт

где Фе,Х(Х) — спектральная плотность величины Фе, определяется как отношение величины ^Фе(Х) расположенный на малом спектральном интервал и заключённый между X и X + dX к ширине этого интервала:

ФЛЯ)=^

ал

Здесь под Фе(Х) имеется ввиду часть потока излучения, у которого длина волны меньше текущего значения X.

С учётом световой эффективности следует:

780пт

683 • | Фе л (л)ал

к =

380пт

Ф.

или, что тоже самое:

683 • | ФеЛ(Л)г (л)ал

£ _ _380пт_

| Фел л(Л)аЛ

0

Световой коэффициент полезного действия — это безразмерная величина, определяемая в общем случае следующим соотношением:

780пт

I Фе,л(Л)У (л)ал

^ _ 380пт

'V

Фе

или ему эквивалентным:

| ФеЛ(Л)У (Л)ёЛ

^ _ 380пт_

'у ад

\

0

Отсюда можно сказать, что значения К и цу различаются в 683 раза. Также, максимальное значение, равное единице, светового коэффициента полезного действия принимается только когда монохроматическое излучения на длине волны в 555 нм, на которой У(Х) максимальна, равна единице. Рисунок 3.5 к расчету КПД используемого источника излучения по приемнику излучения.

Рисунок 3.5

Таким образом:

400

|Ф м (Л)К (Л)М V = 380-= 0.89

' V СП

3.4 Расчет кюветы опытного образца

Вначале рассмотрим оптико-абсорбционный метод. В данном случае речь идет о способе измерения концентрации атомов и молекул, находящихся в газовой фазе, основанном на исследовании резонансного поглощения излучения. Как и большинство других аналитических инструментальных методов, этот метод чаще всего используется как относительный, и искомое содержание определяемого вещества находят с помощью градуированного графика, построенного по стандартным образцам состава.

Однако рассматриваемый метод один из немногих инструментальных методов анализа, в которых могут быть реализованы абсолютные измерения (без применения стандартных образцов состава), что было отмечено Львовым [1].

Как было сказано выше сущность абсорбционного метода анализа заключается в зависимости ослабления потока оптического излучения в определенном спектральном интервале от концентрации определяемого компонента [4, 6].

Коэффициент пропускания монохроматического потока излучения через слой К02 можно рассчитать по закону Бугера-Ламберта-Бэра [43].

т= Фт/ Ф0 =ехр (-а[С]1), (3.12)

где Ф0 и Фт - поток излучения на входе и выходе из оптической кюветы, в которой находится поглощающая среда; а - спектральный показатель

19 2

поглощения (сечение поглощения) вещества (N02), 610-19 (см /молек.); I -длина оптического пути поглощения, (см); [С]- концентрация поглощающей

-5

среды в газовой смеси, (молек./см ).

Для контроля автотранспортных выбросов диапазон измерения концентрации диоксида азота составляет от 0 до 1000 ррт. В опытном

образце модели применяется 150 мм кювета. Подставив минимальное значение концентрации NO2 в 1 ppm (4,710+14молек./см3) в формулу 3.12, определим коэффициент пропускания: т 2:

т2 = Ф2/ Ф0 =exp(-a[C]l)=exp(-(610'19) 4,710+1415)=0,9

Коэффициент поглощения а = 0,1

Значение фототока ПОИ, при коэффициенте пропускания т2 = 0,9, будет:

1ф,1 = Фо-Т1-Т2^ = 0,009[Вт] 0,8 0,9 0,1 [А/Вт] = 0,000648 [А],

где: Ф0 - поток излучения от излучающего диода 0,009[Вт], т1 - коэффициент пропускания оптической системой (0,8), - спектральная чувствительность приемника 0,1[А/Вт].

Далее подставим в формулу 3.12 значение концентрации газа в 1000 ppm (2,310+16 молек./см3) для проверки динамического диапазона газоанализатора:

т3 = / Ф0 =exp (-o[C]l)=exp(-(6W-19) 2,310+1615)=0,17

Коэффициент поглощения а = 0,83

Значение фототока ПОИ, при коэффициенте пропускания т3 = 0,17, будет:

1ф,2 = Ф0 ТПз^ = 0,009[Вт] 0,80,170,1[А/Вт] = 0,0001224 [А]

Из приведённых выше вычислений следует, что данная длина кюветы полностью подходит для контроля автотранспортных выбросов, так как порог чувствительности выбранного приёмника излучения (PD-440-0/1.4)

19 1/7

составляет 1,0-10- Вт/(Гц см).

3.5 Расчет отклонения от основного закона светопоглощения

Закон Бугера-Ламберта-Бера можно считать строго установленным так как его многократно проверялся на опытах. Однако на практике наблюдаться отклонения от закона Бугера-Ламберта-Бера, которые происходят в следствии несоблюдения закона светопоглащения. Другими словами, закон Бугера-Ламберта-Бера, выполняется лишь при прохождении плоскопараллельного пучка излучения через гомогенную изотропную среду монохроматического света при совпадении величины С (концентрация вещества в растворе) в уравнении (3.13) и минимальной заселенности возбужденного энергетического уровня [9, 11, 23].

/ = /о -10(3.13)

Где I) - интенсивность излучения после прохождения кюветы; 10 -интенсивность излучения до прохождения кюветы; е - коэффициент, зависящий от природы вещества; с - концентрация; I - длина толщина слоя газа.

Если толщина слоя выдерживается постоянной, то зависимость оптической плотности от концентрации поглощения излучения вещества в газе изображается линией, которая проходит через начало координат с тангенсом угла наклона, равного е.

Нарушение описанных условий приводит к отклонениям от закона Бугера-Ламберта-Бера, в виде искривления данной зависимости. Иначе говоря, коэффициент поглощения е не постоянен, а уменьшается или возрастает с ростом концентрации (С). Если коэффициент поглощения возрастает, то говорят о положительных, а при уменьшении - об отрицательных отклонениях от закона Бугера-Ламберта-Бера (рис. 3.6).

о с

Рисунок 3.6. Зависимость оптической плотности от концентрации

поглощающего излучения вещества при соблюдении закона Бугера-Ламберта-Бера (1), положительных (2), отрицательных (3) отклонениях от

закона.

Основные, самые частые причины отклонения от закона Бугера-Ламберта-Бера можно разделить на три группы:

1) Физико-химические, отклонения, вызванные свойствами анализируемого вещества.

2) Инструментальные.

3) Из-за анизотропии излучаемого объекта.

К физико-химическим причинам можно выделить, прежде всего, несоответствие подставляемого значения концентрации С в уравнение действительной концентрацией вещества в растворе.

К инструментальным причинам кажущихся отклонений от закона можно отнести немонохроматичность падающего на образец зондирующего потока излучения или нелинейная зависимость показаний приборов от интенсивности излучения.

Так же отклонение может вызывать неравномерное распределение поглощающего вещества в пучке света.

Теоретически рассчитаем отклонение от закона Бугера-Ламберта-Бера в случаи отклонения максимума излучения излучавшего диода на ±2 нм.

На рисунке 3.7 представлено зависимость оптической плотности от концентрации поглощающего излучения вещества (КЭ2), без смещения на ±2 нм (ряд 1), с смещением (ряд 2)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

ppm

Рисунок 3.7 - зависимость оптической плотности от концентрации поглощающего излучения вещества (NO2), без смещения на ±2 м (ряд 1), с

смещением (ряд 2)

Из рисунка 3.7 видно, что при увеличении концентрации изменяется коэффициент оптической плотности. Погрешность измерения при изменении оптической плотности составляет: 1,5%

р

р

3.6 Выбор и расчет электрической схемы блока питания

опытного образца

Так как элементы, из которых состоит прибор, требуют питания 5В,

необходимо использовать блок питания, дающий на выходе 5В постоянного

тока, подключаемый к сети 220В 50Гц.

В схеме трансформатор Т1 используется для преобразования напряжения.

На его выходе получается 5,5 В переменного напряжения. Затем в схему

включен диодный мост для выпрямления напряжения. Для сглаживания

пульсаций после выпрямления диодным мостом установлены конденсаторы

67

С1 и С2. Для стабилизации напряжения устанавливается интегральная микросхема КР142ЕН2Б, имеющая следующие выводы:

Вывод 05- опорное напряжение; Вывод 11 и 12 - входное напряжение; Вывод 14 - выключатель; Вывод 04 -дифференциальный усилитель; Вывод 03 - обратная связь; Вывод 08 - выход 1; Вывод 10 - выход 2 ; Выводы 01, 02 - защита по току; Вывод 13 - коррекция.

Для усиления по току установлен транзистор 2ББ1322. Выходное напряжение задается резисторами Яос1 и Яос2, конденсаторы С4 и С5 служат для фильтрации высокочастотных помех.

Рассчитаем мощность трансформатора:

Р вых ивых 1вых (3-13)

где ивых - выходное напряжение, 5,5 В; 1вых - выходная сила тока 1,21 А; Рвых = 6,6 Вт.

Рассчитаем мощность потерь на диодах выпрямителя:

Р = 2и I (3 13)

1 выпр ^ '-'правых у /

где ипр - прямое падение напряжения на диоде, 1В; РвЬтр = 2,42 Вт.

Отсюда требуемая мощность трансформатора:

Ртр (Рвых+ Рвътр)!п (3-14)

где п - КПД трансформатора 0,6

Отсюда требуемая мощность Ртр = 15 Вт

Напряжение на входе ИМС должно быть от 5 до 10 В и превышать выходное, минимум на 3 В, т.е напряжение должно составлять 7 В. Если вторичная обмотка трансформатора нагружена на мостовой выпрямитель, то напряжение на выходе выпрямителя под нагрузкой уменьшается и рассчитывается по формуле:

ивых = 1,41 и - 2ипр (3.15)

68

где ивых - выпрямленное напряжение, 7 В; и2 - напряжение вторичной обмотки трансформатора; ипр - прямое падение напряжение на диоде, 1 В. Из формулы получаем и2 = 12 В.

Таким образом выбираем трансформатор ТП 121-7 с выходным напряжением 12,5 В и выходным током 1, 21 А.

Значения резисторов обратной связи определяются соотношением: Яос2< 1, 6 кОм

(и — 2 3]

Яве1 = I -вых-- \Яое 2

I 2.3 )

где ивых - выходное напряжение стабилизатора, 12 В Яос1 = 6,8 кОм

Значения сопротивлений резисторов схемы защиты определяются следующим образом:

0.5

(3.16)

Я1 =

I.

(3.17)

" пор

где 1пор= пороговое значение силы тока, 1,21 А Отсюда = 0,43 кОм; Я2 = 2 кОм

Я3 = Ц вых + 05

0.3

Я3 = 40 кОм

Схема источника питания приведена на рисунке 3.8:

(3.18)

Рис. 3.8 - Схема блока питания

Т1 - трансформатор переменного тока (ТП 121-7, 12,5 В, 1,21А);

- диодный мост (^Ю05М, 1,5 А, 50В);

УТ1 - биполярный транзистор (2ББ1322, 1,5А, 50В, 1Вт) Е - Интегральная микросхема КР142ЕН2Б СД - керамический конденсатор (К10-17Б, X7R, 50 В, 0,1 мкФ); С1 - электролитический конденсатор (К50-35, 25 В, 4700 мкФ); С2 - керамический конденсатор (К10-17Б, X7R, 50 В, 0,1 мкФ); С3 - керамический конденсатор (К10-17Б, X7R, 50 В, 0,1 мкФ); С4 - керамический конденсатор (К10-17Б, X7R, 50 В, 0,1 мкФ); С5 - керамический конденсатор (К10-17Б, Y5V, 50 В, 1 мкФ);

- резистор С1-4 430 Ом, 0, 25 Вт; Я2 - резистор С2-23 2 кОм, 0, 25 Вт;

Я3 - резистор С2-29в 40,2 кОм, 0, 25 Вт; Яос1 - резистор С2-23 6,8 кОм, 0, 25 Вт; Яос2 - резистор С2-23 1,6 кОм, 0, 25 Вт.

3.7 Электрическая схема разработанного газоанализатора

Рисунок 3.9. Электрическая схема разработанного газоанализатора

Для питания излучающего диода применяется «модуль управления излучающего диода» (рисунок 3.9). Модуль служит для подачи питания (+5 В) и позволяет работать излучающему диоду в импульсном режиме, длительность импульса 5 мкс, частота 2 кГц. В модуль встроена защита излучающего диода (резистор 18 Ом).

Резистор Я, определяется по формуле:

Я = (V - V) /1,

где: ¥<, - напряжение питания; V - прямое напряжение, расчётное для каждого типа светодиодов (обычно: 2 - 4 В); I - ток светодиода (должно быть меньше максимально допустимого для используемого светодиода!).

Обычно, величину сопротивления не получается подобрать точно, поэтому рекомендуется использовать резистор большего номинала.

В блоке приема к фотодиодам подключены операционные усилители, которые в свою очередь подключаются к компаратору. Сигнал с усилителей вычитается на компараторе, после чего подается на АЦП связанный с контроллером, передающий данные на компьютер, через ЯБ-485 порт.

Блок приема выполнен на одной площадки для терма-стабилизации. Используя компаратор для вычитания сигнала опорного приемника от основного приемника оптического излучения, убирается дрейф нулевой линии. Благодаря работе излучающего диода в импульсном режиме, диод не сильно греется, а пик излучения (395 нм) во время работы смещается не более чем на ± 2 нм.

Потребляемая мощность данной схемы составляет около 1,25 Вт, максимальная мощность с учетом всех элементов 10 Вт.

Разработанный газоанализатор

На рисунке 3.10 представлена диаграмма сравнения потребляемой мощности созданного газоанализатора с другими приборами для измерения диоксида азота.

500

400

¿5 00

500

100

10 10

I Разработанный газоанализатор Электрохимический

Хемилюминесцентны

200 ИОптико-

абсорбционный

Рисунок 3.10. Потребляемая мощность газоанализаторов диоксида азота.

Из рисунка 3.10 видно, что созданный газоанализатор обладает потребляемой мощностью равной электрохимическому и значительно меньшей по сравнению с хемилюминесцентным и существующим оптико-абсорбционным.

3.8 Анализ шумов электронного тракта прибора

Выходной цепи приемника кроме полезного сигнала так же присутствует хаотический сигнал со случайными частотой и амплитудой т.е. шум приемника. Из-за шума становятся невозможно определить малые полезные сигналы, т. е. шум ограничивает возможности приемника оптического излучения. Напряжение шума фотоприемника может появиться по внутренним и внешним причинам, например, от воздействия тепла, от тока фотоприемника или фотонного характера излучения и т. д. Шумы является процессом случайным и их описывают математическим ожидание (средний уровень шума), среднеквадратическим значением или дисперсией.

72

0

Спектральную плотность шума определяют согласно распределению шума по спектру (дисперсией), приходящейся на единицу полосы частот.

При хаотическом тепловом движении свободных электронов в ПОИ вызывается тепловой шум. По формуле Найквиста можно определить дисперсию напряжения теплового шума в полосе А/:

и2.ш = 4кТЯА/, /т2ш = 4кТЯ~1А/,

и= 2,264-1015

где Я — сопротивление приемника оптического излучения (для фотодиода используют сопротивление базы ЯБ).

Электрический ток — это поток частиц, которые флуктуируют во времени откуда появляется дробовый шум. по формуле Шоттки можно найти дисперсию тока дробового шума в полосе А/ :

/д2р.ш = 2 е!йА/,

где е = 1,6-10-19 А-с — заряд электрона, 10 — среднее значение тока в приемнике в амперах. Спектр дробового шума равномерен. Ток дробового шума протекая по нагрузочному сопротивлению Ян, создает напряжение шума

идр.ш = 2 е10 В А/.

и2Рш = 1,28-10

21

Суммарный шум от усилителей и компаратора составляет: 8.11210-15 В При расчете суммарного шума приемника оптического изучения, что шумы некоррелированные, поэтому дисперсия суммарного напряжения шумов:

и\ = и2 + и2 +... = 1.038 -10~14

ш.Е др.ш т.ш

3.9 Анализ погрешностей электронного тракта опытного

образца

Исходные свойства материала, технология изготовления и конструктивное оформление прибора все это влияет на шумовые свойства и восприимчивость к электромагнитным помехам. Ранее в главе 2 проводилось обоснование выбора приемника оптического излучения и его режима работы для разрабатываемого газоанализатора. В качестве приемника был взят фотодиод для обеспечения линейности выбран фотодиодный режим работы для которого характерно большое внутреннее сопротивление приемника излучения. В свою очередь необходимо предпринять дополнительные меры для минимизации влияния помех.

Например, к мерам уменьшающие дисперсию измерения, можно отнести следующее:

— типа аналога цифрового преобразователя с двойным интегрированием на период кратный периоду питания;

— применение частотных фильтров для уменьшения помех:

— применение схемы с симметричным низкоомным входом типа преобразователя ток/напряжение.

В случаи применения схемы обработки сигнала без изначальной модуляции полезного сигнала необходимо учитывать сверхнизкочастотных шумы ПОИ на входе электронной схемы. Дополнительную же систематическую аддитивную погрешность определяет температурный дрейф всех усилительных каскадов, приведенные к входу аналога цифровому преобразователю. Зависимость абсолютной чувствительности от температуры ПОИ, как и температурная зависимость коэффициента у канала усиления передачи сигнала ПОИ, так и погрешность напряжения от опорного источника питания в свою очередь определяет величину дополнительной систематической мультипликативной температурной погрешности измерения.

Используемые в составе рабочего средства измерения 16 битный АЦП AD7706 обладает следующими параметрами: 65536 однозначных ступеней квантования, погрешность преобразования не более ±1 мр (единица младшего разряда АЦП), в диапазоне температуры от 10 и до 40 °C дополнительная температурная погрешность равна ± 1 мр, погрешность постоянства опорного напряжения за время преобразования не превышает 0,2%. Погрешность опорного напряжения является дополнительной инструментальной погрешностью.

Для удобства работы с прибором выберем переход между шкалами, равный 10, тогда погрешность отображения результата измерений будет:

_ к ■ d U - P >

max

где, f — это составляющая основной погрешности, d — погрешность

квантования равная +0.59, P — максимальное число квантований, к —

коэффициент перехода между шкалами.

Найдем составляющую дискретного представления основной

погрешности прибора с помощью подстановки значений шкального перехода

и параметров выбранного АЦП:

fe = 10-0.5/65536 = 7.63 10-5

Отсюда, погрешность получаемой информации составляет 0.0076%.

Погрешность справедлива для минимального значения измеряемой величины

на конкретном диапазоне измерений. Разрешение АЦП по напряжению:

5/65536 = 0,0000763 вольт = 0,0763 мВ

Фотодиод как первое звено электронной схемы обладает наибольшим

разбросом параметров. Для компенсации разброса применяемый фотодиод

комплектуется своим сопротивлением нагрузки тем самым нормируя

чувствительность звена фотодатчика.

С учетом текущих коэффициентов передачи промежуточных звеньев

можно обеспечить необходимые переходы шкалы индикатора для этого

необходимо обеспечить соответствие масштаба шкалы и сигнала

75

фотодатчика. Рекомендованное опорное напряжение на АЦП равно 2.5В. Согласующий каскад предоставляет 10х переходы шкалы с изменением коэффициента передачи 1/10/100. Таким образом необходимая нормированная чувствительность по напряжению фотодатчика будет равна = 2,5 ■ 10-5 [В/млм], отсюда, единице младшего разряда индикатора будет соответствовать освещенность 1 млм если коэффициенте передачи согласующего усилителя равен 100.

Повышение температуры увеличивает среднею энергию фотонов, что в свою очередь приводит к эмпирическому закону об удвоении величины изначального тока полупроводникового диода при увеличении температуры на 10С° относительно комнатной температуры. Закон можно экстраполировать с помощью экспоненциальной функцией или более сложными функциями.

Таким образом зависимость темнового тока I от температуры можно записать в следующим виде:

/ = /,0 - ехр(0.0693АТ)

Фотодиод в электронной схеме можно характеризовать чувствительностью 8 [А/лм] и темновым током 110. В случае фотодиода как элемент структурной схемы измерителя освещенности, его так же можно характеризовать двумя параметрами такими как чувствительностью по напряжению и начальным смещением световой характеристики в следствии темнового тока. Представим выражение для нахождения величины смещения:

АФ(АТ) = гсф^Яя/,0 - ехр(0.0693АТ)

Где: 8У = 110 -5 [В/лм] - вольтовая чувствительность фотодатчика,

Ян - сопротивление нагрузки ФД.

тсф - интегральный коэффициент пропускания Тш составил 0.0294

Главной особенностью данного уравнения является выражение через конкретную величину рабочего температурного интервала температурные зависимости величины дрейфа начального смещения фотодатчика АФ0Й(АТ). Найдем влияние аддитивной компоненты температурной погрешности

для лабораторных условий (АТ = 20оС) к прибору.

12

Темновой ток фотодиода в 10" А. Величина типового значения сопротивления нагрузки, - 50 кОм. Запишем значения в выражение:

50 103 1012

АФС>И (8оС) = —--ехр(0.0693 • 20 • 0.0294) = 0.184млм

Так, при применении фотодатчика с темновым током равным 1 нА величина дрейфа начала шкалы будет на уровне 0,4% для шкалы младшего разряда.

Так же температурная погрешность для опорного источника может проявляется в виде смещения компенсации начального уровня.

На данный момент измерительные электронные схемы для аналоговых сигналов строятся на базе универсальных усилительных узлов или по-другому операционные усилители. Операционные усилители обладают набором различных параметров. Некоторые параметры зависят от температуры. Таким образом операционные усилители (ОУ) также вносят вклад в аддитивную погрешность прибора. Токовой температурной зависимостью можно пренебречь в случаи если схема спроектирована правильно, но даже так присутствует температурный дрейф начального смещения.

В усилительной схеме разрабатываемого используются три ОУ, А08476. Начальное смещением данных операционных усилителей не более 50 мкВ при величине дрейфа 1 мкВ/°С.

Прецизионный усилитель применяется с постоянным, единичным коэффициентом передачи.

Обычно величину начального смещения компенсируют при настройке прибора, так же надо учесть, что к дополнительной погрешности приводит температурный коэффициент отдельных звеньев. Пусть коэффициент передачи от входа данного каскада до входа АЦП будит K¿, отсюда выражение для температурного смещения начального уровня усилительного канала из-за дрейфа входных цепей операционного усилителя будит равен:

ЛПаАЦП (ЛТ) = Zatr Kk ЛТЯн Ito где aik — температурный коэффициент смещения i-того каскада и коэффициент передачи его до АЦП - K^.

С учетом того, что на младшем диапазоне измерения в 1 мВ на входе аналога цифрового преобразователя соответствует потоку излучения в 1 млм, выведем выражение для нахождения дрейфа начала шкалы в связи с температурной нестабильности ОУ:

ЛФф(ЛТ) = ¿ай • Kik • ЛГЯН110SV1 i=1

Температурный дрейф при использовании выше сказанных элементов будет равен 90 мкВ/К, что при изменении температуры в 20 °C приведет к погрешности в 0,2 % относительной величины.

По мимо влияния окружающей температуры на показания газоанализатора так же оказывает влияние перемены в напряжении питания электронной схемы. Современные операционные усилители обладают коэффициентом подавления влияния источника питания на уровне от 90 до 120 дБ, а нестабильность на уровне долей вольта не оказывает значительного влияния на конечные результаты от прибора.

Из-за вариаций температуры происходят процессы, в следствии которых изменяются коэффициенты передачи для отдельных звеньев. Например, приемник оптического излучения при температурах, приближенных к нормальным температурный коэффициент равен - 0,003 °С. Температурная погрешность от источника опорного напряжения приводит так же как к

смещению начального уровня, но и так же к изменению чувствительности АЦП.

При несогласованность температурных коэффициентов резисторов в цепи обратной связи может возникнуть существенное увеличение нестабильности общего коэффициента передачи. Для исключения такой возможности необходимо выполнить требования по согласованию используемых компонентов, что обеспечит стабильность канала.

Используем понятие чувствительности для характеристики

измерительного канала. Чувствительности определяется произведением коэффициентов передачи всех звеньев в измерительном канале.

Отсюда зависимость чувствительности канала от температуры будит равна:

в1к (АТ) = Око (1 - аш АТ )(1 - аопАТ)

где Око - начальное значение чувствительности канала при АТ=0 в [1/млм],

^ = 0,003 [ 1/оС] - температурный коэффициент чувствительности ПОИ;

аоп = 0,0017 [1/оС] - температурный коэффициент опорного напряжения.

С учетом выражения для мультипликативной составляющей систематической дополнительной температурной ошибки будит иметь следующий вид:

АтФ(АТ) = [1 - (1 - а шАТ)(1 - аопАТ)] • Ф

где Ф — текущее измеряемое значение светового потока.

В процессе обработки сигнала возможно скомпенсировать дополнительную систематическую мультипликативную погрешность. При подстановке численных значений температурных коэффициентов в выражение, приведенное выше, можно вывести выражения необходимое для учета этой компоненты систематической погрешности.

Фк = {[1 - 0.003(Т - Т0)] • [1 - 0.0017(Т - Т0 )]}-1

где и Фк — измеренные и компенсированные значения светового потока

Приведем сводную таблицу (таблица 3.3) электронного измерительного канала с помощью, которой можно оценить относительную величину вклада отдельных составляющих погрешности.

Таблица 3.3 Погрешность измерения электронного канала

№ Источник ошибки

1 АЦП основная дискретизации (случайная) 0.003%

2 АЦП дополнительная систематическая 0.02 %

3 АЦП дополнит. систематическая от Т 0.02 %

4 ИОН дополнит.систем. мультип. от Т 0.15 %/оС

5 ИОН дополнит систем. аддитив. от Т 0.009%/оС

6 Фотодиод аддитив. систем. допол. отТ 0.002%/оС

7 Фотодиод мультип. системат. допол. от Т 0.49%/оС

8 Дрейф нуля усилителя случайн. допол. 0.0005%

ИТОГО при работе в лабораторных условиях (АТ = 20оС) 0.7 %

Согласно таблицы 3.3 видно, что основной вклад в погрешность результатов измерений в электронном канале прибора вносят температурные зависимости чувствительности и так же начальный ток фотодиода и источника применяемого опорного напряжения. Без аппаратного решения термокомпенсации фотодиода аддитивные погрешности его начального тока ограничивают возможность увеличения чувствительности прибора.

3.10 Исследование влияния температуры на измерения

газоанализатора

Как известно все газоанализаторы тестируются при комнатных условиях, т.е. при температуре 20оС. Однако в действительности

80

газоанализаторы работают в помещениях или на улицах, температура которых может, как значительно превышать, так и быть ниже нормальны условиях эксплуатации. В большинстве газоанализаторов встроен датчик температуры и если температура значительно откланяется от нормы, оператор будет предупрежден о возможных ошибочных измерениях. Однако можно попробовать ввести в программу формулу пересчета, согласно которой будит учитываться температура окружающей среды, с целью повышения достоверности результатов измерений.

Для данных целей была использована климатическая камера ТХВ-150, диапазон поддержания температуры от минус 60 до плюс 100 0С, точность поддержания температуры ± 2 0С; диапазон поддержания относительной влажности от 30 до 99 %, точность поддержания влажности ± 5 %, зав. № 173, аттестат испытательного оборудования № 242/920-13 до 15.01.2014 г.

В нормальном состоянии диоксид азота существует в равновесии со своим димером ^04. Наличие неспаренного электрона в молекуле NO2 обуславливает его склонность к образованию димера. При температуре диоксид азота в 158 °С, он состоит только из молекул N0^ Диоксид азота в данном состоянии очень темного, почти черного цвета. В точке кипения диоксид азот выглядит как желтоватая жидкость, в содержании которой около 0.1 % диоксида азота. Если температура ниже 21°С, то диоксид азота представляет собой бесцветную жидкость (или желтоватая из-за примеси мономера). Если температура ниже -11 °С то принимает вид белых кристаллов, состоящие только из молекул ^04.

Отсюда можно сделать вывод, что концентрация диоксида азота сильно зависит от температуры, на основании чего можно сделать вывод, что включение в программу формулу пересчета от температуры более актуальной.

Согласно техническим требованиям к разрабатываемому прибору

рекомендуемый диапазон температур +5 до +45 0С. Для нахождения

зависимости концентрации диоксида азота от температуры был проведён

81

эксперимент. В данном эксперименте на вход газоанализатора подавался газ с одной и той же концентрацией из одного и того же баллона при различной температуре в диапазоне от +1 до +43 0С, результаты эксперимента приведены на рисунке 3.11.

60

50

40

и

30

20

10

У - *

*

/

*

Кг

А

/ *

—1 ч

98 100 102 104 106 108 110 112 114 116

ррт

Рисунок 3.11 - зависимость концентрации диоксида азота от

температуры.

0

Из рисунка 3.11 установлено, что при изменении температуры дополнительная погрешность газоанализатора составляет около 6% от измеренного значения. Согласно требованиям, к газоанализаторам диоксида азота, погрешность измерений не должна превышать 10%. Скорее всего именно из-за влияния температуры выставлена столь большая погрешность к измерениям.

Для уменьшения данной погрешности, согласно данным эксперимента можно вывести формулу:

Би = БИзм + 0,302^(20,5 - Тизм) (3.13)

где Бизм - измеренная концентрация газа. Тизм - текущая температура.

3.11 Исследование влияния давления в тракте газоанализатора на измерения диоксида азота

Диоксид азота при изменении давления подчиняется законам идеального газа, уравнением состояния идеального газа:

pV = mRT (3.14)

M v '

Где R - .молярная газовая постоянная и равна 8,3\Дж/(молъК), V -объем газа, p - его давление, T - температура, m - масса вещества и M - его молярная масса (NO2 46,0055 г/моль).

Процесс, протекающий при постоянной температуре T, называется изотермическим процессом. Согласно уравнению состояния идеального газа (3.14) видно, что при неизменных значениях массы газа и постоянной температуре T и его молярной массы M, при произведении объема V газа на его давления p должно оставаться постоянным [17]:

pV = const (3.15)

Одним из способов осуществления изотермического процесса может быть осуществлен при, изменении объема газа, но с постоянной температурой. Изотермой называют график изотермического процесса. Изотерма изображается в прямоугольной системе координат гиперболой, по оси ординат у которой отсчитывается давление газа, а по оси абсцисс его объем (рис. 3.12).

Уравнение (3.15), в котором устанавливается связь между давлением и объемом газа при неизменной температуре, было получено экспериментально, при этом до создания молекулярно-кинетической теории газов в 1662 г. английским физиком Робертем Бойлем (1627 — 1691) и в 1676 г. французским физиком Эдмом Мариоттом (1620—1684). Поэтому это уравнение называют законом Бойля — Мариотта.

Отсюда можно сделать вывод, что измерения газа необходимо производить при постоянном давлении. Для контроля давления в газоанализаторе в канале измерения встроен датчик давления, насос (побудитель расхода) в системе пробоподготовки служит ограничителем поступающего газа и при отклонении давления на значение влияющие на достоверность измерений необходимо остановить работу газоанализатора с целью проверки выходного тракта на наличие пробки (увеличение давления) или утечки (уменьшение давления).

3.12 Алгоритм работы газоанализатора

В связи выше проведенными исследованиями (зависимость измерений от температуры и давления) соответственно был изменен алгоритм работы газоанализатора, рисунок 3.13.

Рис. 3.13 - Алгоритм работы газоанализатора.

При запуске газоанализатор переключает клапан для взятия атмосферного воздуха, тем самым продувая кювету от находящегося в ней газа. После продувки смотреться сигналы с опорного приемника излучения иопр и основного приемника излучения иосн, сигнал с опорного приемника не должен выше определенного значения (больше 10%). В случаи разницы значений больше заданного, программа останавливается и выводит сообщение (Ошибка 1) о необходимости прочистить кювету от грязи. Если сигналы не отличаются от заданного значения, прибор переходит в стадию теста на утечку, целью которого является проверка герметичности газового

тракта. В случаи отрицательного результат выводиться ошибка (ошибка 2) о необходимости проверки целостности газового тракта, программа останавливается. Если тест на утечку успешно пройден, программа встает в режим ожидания команд от оператора.

При начале измерений программа, считывает значения с контроллера, который передает значения температуры, давления и сигнал с приемника (после прохождения компаратора). Данные с датчика давления необходимы для проверки состояния газового тракта (давление должно быть постоянным). В случае увеличения давления в тракте, останавливается работа прибора и фиксируется ошибка (ошибка 3), сигнализирующая о необходимости проверки выходного шланга на наличие пережатия.

Данные сигнала и температуры используются для пересчета в концентрацию (ррт) с учетом термокомпенсации, после чего результат выводиться на экран при этом параллельно сохраняются данные в файле. Цикл повторяется до нажатия кнопки остановки оператором. После нажатия кнопки остановки прибор переключает клапан на атмосферный воздух и продувает магистраль, после чего входит режим ожидания.

3.13 Сборка рабочего образца устройства

Сборка опытного образца осуществлялась на базе приборостроительного предприятия «Мониторинг» с использованием предложенной элементной базы с размещением в корпусе с габаритными размерами - 300-200 100 мм. На рисунке 3.14 приведен рабочий образец газоанализатора.

5 6 7

Рис. 3.14 - Рабочий образец оптико-электронного газоанализатора. 1 -Источник излучения. 2 - экран компьютера, 3 - плата компьютера. 4 -опорный приемник оптического излучения, 5 - кювета, 6 - блок вычитание для приемников излучения, 7 - основной приемник излучения, 8 - блок работы

источника излучения

Глава 4. Метрологические испытания рабочего образца оптико-электронного газоанализатора

4.1 Программа испытаний

Программа испытаний рабочего образца была разработана с учетом требований ГОСТ Р 50759-95 (Анализаторы газов для контроля промышленных и транспортных выбросов) и ГОСТ Р 52931-2008 (Приборы контроля и регулирования технологических процессов) [14, 19, 30, 33, 34]. Программа включала в себя следующие испытания: (таблица 4.1)

Таблица 4.1 Программа испытаний

1. Установка нуля и контроль дрейфа нулевой линии

2. Градуировка газоанализатора

3. Определение основной погрешности измерения

4. Определение дополнительных погрешностей

5. Определение суммарной дополнительной погрешности газоанализатора от влияния неизмеряемых компонентов

6. Влияние температуры

В процессе испытаний были использованы следующее оборудование и источники градуировочных/поверочных смесей:

- генератор-разбавитель мод. 645 ГР-03М (номер в Госреестре 11591-88);

- поверочная смесь в баллоне (ГСО № 4012-87 100 ppm);

- генератор озона ГС-024-1 (номер в Госреестре 23505-08);

- генератор газовых смесей ГГС-03-03 по ШДЕК.418313.001 ТУ, свидетельство о поверке № 242/6769-2013

Все испытания проводились при следующих условиях (за исключением случаев, оговоренных особо):

■ температура окружающего воздуха (20 + 5) 0О,

■ относительная влажность (30...80) %;

■ атмосферное давление (101,3 3,3) кПа.

+2з

■ напряжение питания (230 -23) В, частотой (50 + 1) Гц;

■ механические воздействия и внешние электрические и магнитные поля находились в пределах, не влияющих на работу газоанализаторов;

■ контрольно-измерительные приборы, используемые при испытаниях, были поверены. Средства испытаний были аттестованы в соответствии с ГОСТ Р 8.568;

■ баллоны с поверочными газовыми смесями (в дальнейшем ПГС) перед началом проведения испытаний были выдержаны при температуре (20 + 5) °С в течение периода времени, не менее 24 часов.

Запись данных осуществляли на встроенном промышленном компьютере с установленным программным обеспечением, на который подавали выходной сигнал с газоанализатора N0^ При проведении испытаний газоанализатора использовалась установка со следующей газовой схемой.

4.1.1 Методика установки нуля и контроля дрейфа нулевой

линии

Для оценки дрейфа нулевой линии на опытный образец подавался чистый воздух от генератора газовых смесей ГГС-03-03 (свидетельство о поверке № 242/6769-2013, концентрация SО2, И2Б, N0, Ш2, С12, МН3 и суммы углеводородов за вычетом метана не превышала значений

-5

концентраций = 0,003 мг/м ). Результаты испытаний представлены в графическом виде на рисунки 4.1