Снижение температурных погрешностей абсорбционных инфракрасных газоанализаторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Каверин, Андрей Алексеевич

• Каверин, Андрей Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат технических наук Каверин, Андрей Алексеевич

1 Обзор инфракрасных газоанализаторов и методов повышения точности их работы

1.1 Актуальность абсорбционных спектральных методов анализа

1.2 Обзор методов и устройств спектрального анализа газообразных веществ

1.3 Обзор методов снижения зависимости выходных сигналов газоанализаторов от температуры

1.4

Выводы по главе

2 Анализ температурных погрешностей инфракрасных абсорбционных газоанализаторов

2.1 Изменение потока излучения от излучателя к приемнику при изменении температуры окружающей среды

2.2 Изменение коэффициента пропускания излучений элементами оптического блока

2.2.1 Влияние пропускания окон

2.2.2 Зависимость пропускания светофильтра от температуры

2.2.3 Изменение коэффициента отражения деталей оптического блока

2.2.4 Зависимость излучения «стенки кюветы приемник» от температуры

2.2.5 Температурные погрешности приемника излучения

2.2.6 Изменение угла сканирования ИК-фильтра

2.3 Методические погрешности

2.3.1 Влияние температуры на пропускание газом ИК-излучения

2.4

Выводы по главе

3. Разработка математической модели зависимости функции поглощения излучения газами от их температуры

3.1. Общие сведения о спектроскопии

3.2. Спектр линии поглощения

3.3. Зависимость интенсивности линии поглощения излучения от температуры

3.4. Природа колебательно-вращательных полос поглощения излучения

3.4.1. Колебательные движения молекул

3.4.2. Вращательные энергии молекул

3.4.3. Интенсивности вращательно колебательных полос поглощения излучения газами

3.5. Составление математической модели зависимости функции поглощения от температуры

3.6. Выводы по главе

4 Разработка способов снижения температурных погрешностей абсорбционных инфракрасных газоанализаторов и их экспериментальная проверка

4.1 Мультипликативная составляющая аппаратурных тепловых погрешностей газоанализаторов и способы ее снижения

4.2 Аддитивная составляющая аппаратурных тепловых погрешностей газоанализаторов и способы ее снижения

4.3 Методические погрешности абсорбционных газоанализаторов и способы их снижения

4.4 Экспериментальный образец инфракрасного газоанализатора и результаты его опытно-промышленных испытаний

4.5

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Снижение температурных погрешностей абсорбционных инфракрасных газоанализаторов»

Актуальность проблемы: Современные техника и технологии позволяют человеку по-новому взглянуть на вопросы экологии, охраны труда и промышленной безопасности.При этом нередко основной проблемой становится несовершенство измерительной техники для контроля за качеством воздушной среды.Существуюпдие приборы для определения состава газовых сред, называемые газоанализаторами, способны обеспечить удовлетворительную погрешность результатов измерений в изменяющихся условиях окружающей среды.Выпускаемые промышленностью газоанализаторы имеют различные принципы действия, основанные на измерении количественного значения какого-либо физико-химического параметра газовой смеси связанного с концентрацией определяемого компонента. В настоящее время наиболее распространены газоанализаторы с принципами действия, основанными на: электрохимических явлениях (электрохимические и полупроводниковые газоанализаторы), абсорбционных свойствах газов (хроматографы), взаимодействии газов с электромагнитными излучениями ультрафиолетового, инфракрасного и микроволнового диапазонов. Современные электромагнитные и полупроводниковые газоанализаторы характеризуются простотой конструкции и относительно малой стоимостью, однако, им присущи ограниченный срок службы, сильная зависимость результатов измерений от температурных параметров среды и концентраций неизмеряемых компонентов смеси. Хроматографы обладают высокой избирательностью анализа, поэтому они используются для определения состава сложных газовых смесей, особенно органических веществ. Чувствительность хроматографов сильно зависит от температуры среды, поэтому они обязательно содержат устройство термостатирования хроматографической колонки. Сорбент, заполняющий хроматографическую колонку, подбирается индивидуально для различных составов газовых смесей и имеет ограниченный срок службы. Поэтому использование хроматографов предполагает высокую квалификацию обслуживающего персонала и, как правило, лабораторных условий.Спектральные газоаналитические приборы с принципом действия, основанным на зависимости поглощения (отражения, излучения) электромагнитного излучения газовой смесью от ее состава, несомненно сложней и дороже электрохимических и полупроводниковых газоанализаторов, но по возможности определять концентрацию газа в сложной смеси они приближаются к хроматографам. При этом несомненными преимуществами таких приборов являются: обеспечивающее увеличенный срок службы отсутствие расходных материалов; непрерывность процесса измерения; высокое быстродействие; более простая и дешевая, по сравнению с хроматографами, конструкция; возможность использования в полевых и производственных условиях. Поэтому спектральные методы газового анализа перспективны.Выбор спектральной области для газового анализа позволяет проводить определение молекулярного или атомарного состава газовых смесей. Для молекулярного анализа испоьзуется инфракрасная (ИК) область, а наиболее просто реализуем - абсорбционный (основанный на эффекте поглощения излучений) метод измерений.В Томском политехническом университете около 30 лет ведутся разработки ИК абсорбционных газоанализаторов (ГА) с твердотельными приемниками изл5Д1ения.В работе основное внимание уделено разработанному в ТПУ ГА с принципом действия основаным на зависимости коэффициента поглощения ИК-излучения газами от длины волны этого излучения. Особенности конструкции газоанализатора позволяют существенно снизить зависимость результатов измерения от содержания в анализируемой смеси неизмеряемых газов и от загрязнения пылью оптического блока прибора. Имеются разработки для измерения концентраций метана, аммиака, окислов углерода и азота.Однако их широкое внедрение затруднено зависимостью результатов измерения от температуры анализируемой газовой смеси и окружающей среды.Теоретическое решение этой проблемы и экспериментальное подтверждение позволят осуществить переход на новый уровень при контроле качества воздушной среды, что говорит об актуальности проблемы.Также в работе обоснованы способы снижения температурных погрешностей для ИК-газоанализаторов других типов.Цель работы и задачи исследования: Цель диссертационной работы состоит в разработке инфракрасного газоанализатора со сниженной чувствительностью к температуре окружающей среды.Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи: 1. Проведена классификация температурных погрешностей отечественных и зарубежных ИК- газоанализаторов; 2. Построена математическая модель влияния температурных погрешностей на результат измерения газоанализатора; 3. Проведен анализ математической модели и выработаны мероприятия для уменьшения влияния температуры анализируемых газов и окружающей среды на результат измерений; 4. Эффективность разработанных мероприятий по снижению температурных погрешностей ИК- газоанализаторов экспериментально проверена с помощью макетного образца. По результатам проведен сравнительный анализ экспериментальных данных и результатов расчетов по математической модели.Методы исследования: Проведенные в работе теоретические исследования основаны на использовании основных положений и законов теории измерений, теории информации и теплотехники, методов математической статистики, основ теории матриц, теории спектроскопии и численных методов решения систем уравнений. Для аналитических преобразований полученных математических моделей применялся пакет компьютерных программ Mathematica 4.1 (с) Wolfram Research.Экспериментальные исследования проводились в лабораториях кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности ТПУ и Томской Электронной Компании, выпускаюп];ей оборудование газового контроля.Г Научная новизна: 1. Разработаны математические модели, описывающие: - влияние температурных параметров среды на результаты измерений функции поглощения излучения газами; - зависимость функции поглощения излучения газами от их температуры.2. Составлены рекомендации по разработке абсорбционных газоанализаторов с пониженной чувствительностью результатов измерений к флуктуациям температуры окружающей и анализируемых сред. На данные технические решения подана заявка на выдачу патента Р Ф .Основные положения, выносимые на защиту: 1. Математические модели аддитивной и мультипликативной составляющих аппаратурных погрешностей ИК- газоанализаторов при изменении температурных параметров среды.2. Разработанная математическая модель, адекватно описывающая зависимость функции пропускания излучения газами от температуры.3. Рекомендации по снижению температурных погрешностей абсорбционных газоанализаторов на стадии разработки их оптических схем.4. Результаты экспериментальных исследований образца разработанного газоанализатора.Практическая ценность работы: 1. Разработаны рекомендации по построению газоанализаторов, позволяюш,ие снизить влияние температуры окружающей среды на результаты измерения функции поглощения излучения газовой смесью, в том числе для газоанализаторов со сканированием по оптической частоте.2. Разработана математическая модель зависимости поглощения излучения анализируемыми газами от температуры, на основании которой предложены технические способы снижения методических погрешностей абсорбционных газоанализаторов.Реализация результатов работы: Материалы проведенного при написании диссертации обзора газоаналитической техники переданы для использования в отдел автоматизации технологических процессов ОАО "ТомскНИПИнефть ВПК", где используются при анализе оборудования газового контроля Макетный образец разработанного газоанализатора ФГА-1М был испытан и использован для анализа состава воздуха при разработке проекта реконструкции нефтебазы "Центральная" ОАО "Красноярскнефтепродукт". В последующем данный образец был внедрен для контроля процентного содержания оксида углерода в атмосферных выбросах вытяжной системы вентиляции гальванического участка предприятия. Данные результаты подтверждены следующими документами: 1. Справка об использовании материалов диссертационной работы в проекте реконструкции нефтебазы "Центральная" ОАО "Красноярскнефтепродукт"; 2. Справка об использовании материалов диссертационной работы при анализе оборудования для контроля загазованности; 3. Акт о внедрении опытного образца инфракрасного газоанализатора.Аппробация работы: Материалы исследований и основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях и симпозиумах: IV-я областная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии", 1998г.; - II и III международные научные симпозиумы студентов, аспирантов и молодых ученых имени академика М.А. Усова "Проблемы геологии и освоения недр", 1998г., 1999г.; - III и IV Всероссийские научно-технические семинары "Энергетика: Экология, Надежность, Безопасность", 1997г., 1998г.; - V , VII Всероссийская научно-техническая конференция "Энергетика: Экология, Надежность, Безопасность", 1999г., 2001г.; на научных семинарах кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности инженерно-экономического факультета Томского политехнического университета.По результатам докладов получены диплом и сертификат III международного научного симпозиума студентов, аспирантов и молодых ученых имени академика М.А. Усова в рамках российской научно-социальной программы для молодежи "Шаг в будущее".Публикации: По результатам проведенных исследований опубликовано девять печатных работ.Структура и объем диссертации: Работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 142 страницах машинописного текста, содержит 21 рисунок и 5 таблиц.Библиографический список включает 95 наименований. Приложение содержит 2 справки об использовании материалов работы и акт о внедрении.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБ0ТБ1 Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, отмечены научная новизна, практическая ценность и результаты реализации работы.В первой главе сделан обзор инфракрасных газоанализаторов и методов повышения точности их работы. Отмечена актуальность абсорбционных спектральных методов анализа. Рассмотрены классические спектральные методы и устройства анализа газообразных веш;еств, обработка входных сигналов фотоприемников в газоанализаторах, а также оптимизация способов обработки промодулированных сигналов в газоанализаторах непосредственного отсчета.В результате проведенного поиска выявлены следующие известные способы снижения температурных погрешностей при абсорбционном анализе: 1. Термостатирование прибора и анализируемой газовой смеси. Этот способ увеличивает габариты, массу, энергопотребление измерительных приборов, снижает их быстродействие из-за увеличения времени пробоподготовки.2. Использование в схемах операции отношения аналитического сигнала к сигналу опорного канала позволяет устранить аппаратурные составляющие и температурных погрешностей, однако зависимость функции поглопдения излучения газами от их температуры в данных схемах не учитывается. В схемах существуют проблемы создания основного и рабочего измерительных каналов с идентичными температурными зависимостями параметров. Например, при изготовлении газоанализаторов ГИАМ-6 производится подбор элементов каналов в пары по специальной методике, что усложняет процесс производства.3. Экспериментальное определение зависимости выходного сигнала прибора от температуры окружающей среды с последующей компенсацией погрешности измерения при помощи встроенного компьютерного устройства.Так как зависимости поглощения излучения газами от температуры чрезвычайно разнообразны, имеют явно нелинейный характер, могут быть как убывающими, так и для "горячих полос" возрастающими функциями, теоретическое обоснование данного способа снижения температурных погрешностей отсутствует. Вид функции зависимости выходного сигнала от температуры не определен, что приводит к необходимости проведения большого числа экспериментов на стадиях разработки газоанализаторов, вынуждает изготовителей приборов, часто не всегда оправданно, проводить большое число измерений на стадии настройки и калибровки приборов.Выше изложенное позволяет сделать вывод об актуальности выбранной темы исследования и разделить всю работу на следующие части: 1. Исследование аппаратурных составляющих температурной погрешности результатов измерений методами абсорбционного контроля.Составление математических моделей аппаратурных составляющих погрешности, их анализ и выработка предложений по их снижению.2. Исследование зависимости функций пропускания излучения газами от их температуры. Составление математической модели температурной зависимости функций пропускания, ее исследование и выработка технических решений по компенсации влияния температуры газов на результаты измерения их концентраций абсорбционными методами.3. Экспериментальные исследования эффективности предложенных технических решений.Во второй главе приведена классификация температурных погрешностей инфракрасных газоанализаторов, как аппаратурных: изменение потока излучения от излучателя к приемнику при изменении температуры окружающей среды, изменение коэффициента пропускания излучений элементами оптического блока (влияние пропускания окон, зависимость пропускания светофильтра от температуры), изменение коэффициента отражения деталей оптического блока, зависимость излучения "стенки кюветы приемник" от температуры, температурные погрешности приемника излучения, изменение угла сканирования ИК - фильтра; так и методических: влияние температуры на пропускание газом ИК - излучения.Анализ модели принятой для численной оценки влияния температзфных параметров окружающей среды на детали оптического блока позволил сделать вывод о существенной зависимости мощности зондирующего излучения от температуры деталей схемы.По результатам анализа схем абсорбционных газоанализаторов с использованием интерференционных фильтров для выделения требуемых частот зондирующего излучения, исследования их математической модели и с учетом теоретических основ расчета тепловых преобразователей сделаны следующие выводы: 1. С увеличением температуры окружающей среды мощность потока ИКизлучения также увеличивается. При этом значение приращения составляет примерно (0,3 - 0,4) * 10-3 ВтК"\ или в процентах от диапазона А1 = 50^ равняется 31%. Степень отклонения этого отклонения от линейной зависимости до 4,6%.2. С повышением температуры интерференционного фильтра его параметры изменяются: происходит сдвиг длины волны А-о (максимальное пропускание) в длинноволновую область спектра, а с понижением - в коротковолновую.3. Полуширина и максимальное пропускание интерференционного фильтра практически постоянны при изменении температуры.В третьей главе приведены общие сведения о спектроскопии, описан спектр линии поглощения излучения молекулами газов, зависимость интенсивности линии поглощения от температуры, а также освещены вопросы природы колебательно-вращательных полос поглощения излучения, в том числе: колебательные движения молекул, вращательные движения молекул, интенсивности колебательно-вращательных полос поглощения излучения газами. По результатам анализа спектроскопических теорий разработана математическая модель зависимости функции поглощения излучения газами от их температуры. Математический анализ основывался на методе моделей спектров поглощения.Суть методов моделей спектров поглощения состоит в моделировании спектров атмосферных газов набором линий поглощения одинаковой ширины при предположении об определенном законе их расположения и интенсивности.По результатам литературного обзора и анализа математических выражений, описывающих процессы поглощения излучений ИК- диапазона газами, можно сделать следующие выводы о зависимости спектров поглощения газов от их температуры: 1. Спектры поглощения ИК- излучения газами состоят из групп близко расположенных линий. Группу таких линий называют полосой поглощения излучения.6. Интенсивность линий поглощения излучения в полосе ИК - спектра зависит от удаленности линий от центра полосы и от температуры анализируемого газа.7. Для инженерных расчетов в простейшем случае линейных молекул для наиболее интенсивной полосы поглощения, соответствующей 1 обертону, зависимость функции поглощения излучения от температуры анализируемой газовой смеси и от концентрации компонента смеси описывается системой выражений.Эта система выражений не имеет аналитического решения относительно исконной концентрации Сг- Ее нахождение по измеренным значениям функции поглощения и температуры Г возможно лишь численными методами.В четвертой главе разработаны способы снижения температурных погрешностей абсорбционных инфракрасных газоанализаторов, в том числе: мультипликативной составляющей аппаратурных тепловых погрешностей, аддитивной составляющей аппаратурных тепловых погрешностей, методических погрешностей абсорбционных газоанализаторов. Исследования позволили сформулировать следующие правила повышения точности измерений функции поглощения излучения газовой смесью: 1 Изменения температурных параметров среды вызывают значительные погрешности результатов измерений абсорбционных газоанализаторов. Все эти погрешности относительно измеряемой концентрации газов разделяются на мультипликативные и аддитивные.2 Аддитивная составляющая аппаратурной погрешности при измерении значений функции поглощения излучения газовой смесью вызывается изменением параметров основного и дополнительного измерительных каналов. Она снижается при вычислении разности сигналов этих каналов.Обязательным условием такого снижения погрешности является идентичность изменения характеристик каналов при изменениях температуры среды.3 В ГА со сканированием оптической частоты зондируюш,его излучения аддитивная составляюш,ая погрешности, вызываемая изменениями параметров измерительного тракта, ничтожно мала по сравнению с составляющей, вызываемой проецированием на приемник зеркальной поверхностью качающегося интерференционного фильтра участков оптического блока с изменяющейся в пространстве и времени температурой.Установка перед приемником бленды в виде жалюзи позволяет снизить данную погрешность более чем в 10 раз.4 Для снижения аппаратурной части мультипликативной составляющей, вызываемых изменениями среды, погрешностей при синтезе оптических схем абсорбционных газоанализаторов необходимо вводить дополнительные (опорные) измерительные каналы, отвечающие следующим требованиям: 4.1. Основной и дополнительный измерительные каналы должны иметь возможно большее число общих элементов.4.2. Спектральные коэффициенты поглощения излучения анализируемым газом в основном и дополнительном измерительных каналах должны существенно различаться.4.3. Изменения оптических характеристик основного и дополнительного измерительных каналов в основном и дополнительном спектральных интервалах при изменениях температуры окружающей среды должны быть идентичны.Инвариантность результатов измерений к мультипликативным составляющим погрешностей достигается вычислением отношения сигнала основного измерительного канала к сигналу опорного канала.Для газоанализаторов с интерференционными фильтрами, которые не способны выделить одну линию спектра, требования п.п. 4.2 и 4.3 противоречивы. Усиление требований п.4.2 приводит к схеме ГА, описанного в работах М.Э. Гусельникова, а усиление требований п.4.3 - к схеме ГА со сканированием оптической частоты зондирующего излучения, которая обладает более простой конструкцией и повышенной информационной способностью.Дальнейшая часть четвертой главы посвящена разработке экспериментального образца инфракрасного газоанализатора, максимально возможно отвечающего выше изложенным требованиям. Он разработан на основе газоанализатора ФГА 1. Для снижения аддитивной составляющей пофешности средств измерения в схему добавлена бленда. Мультипликативная составляющая данной погрешности снижается путем введения дополнительного опорного канала, состоящего из: модулятора; синхронного детектора, выполненного из постоянного запоминающего устройства, умножающего цифро - аналогового преобразователя, интегрирующего устройства, аналогового запоминающего устройства. Деление сигнала основного измерительного канала на сигнал опорного канала осуществляется при помощи аналого - цифрового преобразователя. Результат выводится на цифровой индикатор.Для снижения методической составляющей температурной погрешности возможно использование полученных в 3 главе выражений. Однако это приведет к существенному усложнению ГА. Поэтому в предлагаемом простом недорогом приборе проще использовать табличный процессор, выполненный на базе датчика температуры, А Ц П и постоянного запоминающего устройства.Этот процессор устанавливает коэффициенты преобразования измеренного значения функции поглощения излучения газом в зависимости от ее величины и от температуры анализируемой газовой смеси.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Каверин, Андрей Алексеевич

4.5. Выводы по 4 главе:

Проведенный анализ и экспериментальная проверка предложенных в работе методов снижения погрешностей измерений инфракрасных абсорбционных газоанализаторов позволили сделать следующие выводы:

1. Изменения температурных параметров среды вызывают значительные погрешности результатов измерений абсорбционных газоанализаторов. Все эти погрешности относительно измеряемой концентрации газов разделяются на мультипликативные и аддитивные.

2. Для снижения аппаратурной части мультипликативной составляющей, вызываемых изменениями среды, погрешностей при синтезе оптических схем абсорбционных газоанализаторов необходимо вводить дополнительные (опорные) измерительные каналы, отвечающие следующим требованиям:

2.1. Основной и дополнительный измерительные каналы должны иметь возможно большее число общих элементов.

2.2. Спектральные коэффициенты поглощения излучения анализируемым газом в основном и дополнительном измерительных каналах должны существенно различаться.

2.3. Изменения оптических характеристик основного и дополнительного измерительных каналов в основном и дополнительном спектральных интервалах при изменениях температуры окружающей среды должны быть идентичны.

Инвариантность результатов измерений к мультипликативным составляющим погрешностей достигается вычислением отношения сигнала основного измерительного канала к сигналу опорного канала.

3. Для газоанализаторов с интерференционными фильтрами, которые не способны выделить одну линию спектра, требования п.п. 2.2 и 2.3 противоречивы. Усиление требований п.2.2 приводит к схеме ГА, описанного в [38], а усиление требований п.2.3 - к схеме ГА со сканированием оптической частоты зондирующего излучения, которая обладает более простой конструкцией и повышенной информационной способностью.

4. Использование аналитических выражений для вычисления концентраций газов по измеренным значениям их функций поглощения излучения и температуре приведет к существенному усложнению ГА. Поэтому в простых недорогих приборах проще использовать табличные процессоры, устанавливающие коэффициент преобразования измеренного значения функции поглощения излучения газом в зависимости от ее величины и от температуры анализируемой газовой смеси.

5. Аддитивная составляющая аппаратурной погрешности при измерении значений функции поглощения излучения газовой смесью вызывается изменением параметров основного и дополнительного измерительных каналов. Она снижается при вычислении разности сигналов этих каналов. Обязательным условием такого снижения погрешности является идентичность изменения характеристик каналов при изменениях температуры среды.

6. В ГА со сканированием оптической частоты зондирующего излучения аддитивная составляющая погрешности, вызываемая изменениями параметров измерительного тракта, ничтожно мала по сравнению с составляющей, вызываемой проецированием на приемник зеркальной поверхностью качающегося интерференционного фильтра участков оптического блока с изменяющейся в пространстве и времени температурой. Установка перед приемником бленды в виде жалюзи позволяет снизить данную погрешность более чем в 10 раз.

7. Проверка полученной в работе математической модели зависимости функции поглощения излучения оксидом углерода от его концентрации и температуры показала адекватность выражений (3.44) и (3.45).

8. В результате применения результатов выполненных в работе исследований удалось улучшить следующие метрологические характеристики ранее

Заключение

Из результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований, позволивших развить методы расчета и проектирования абсорбционных инфракрасных газоанализаторов с интерференционными фильтрами, вытекают следующие наиболее важные выводы:

1. Несмотря на большое разнообразие газоанализаторов различных принципов действия, абсорбционные инфракрасные с интерференционными светофильтрами, обладающие низкой погрешностью измерений, компактностью, высоким быстродействием и надежностью функционирования, по совокупности данных параметров превосходят другие приборы. Это объясняет широкое распространение таких газоанализаторов.

2. Анализ схем и методов проектирования абсорбционных инфракрасных газоанализаторов показал, что одним их основных факторов, сдерживающих совершенствование метрологических характеристик приборов абсорбционного контроля, является слабая проработка вопросов зависимости результатов анализа состава веществ от их температуры и температуры окружающей среды. Поэтому исследование вызываемых дрейфами температурных параметров среды погрешностей измерения концентраций газов абсорбционными методами, с последующей выработкой технических мероприятий по снижению данного вида погрешностей, является актуальной задачей.

3. Наиболее весомый вклад при измерениях концентрации газа абсорбционными методами вносят следующие погрешности:

Аппаратурная аддитивная составляющая погрешности, вызываемая дрейфами температурных параметров среды;

Аппаратурная мультипликативная составляющая температурных погрешностей;

Методическая погрешность, вызываемая нелинейной зависимостью функции поглощения излучения газовой смесью не только от ее состава, но и от ее температуры.

4. Аппаратурная аддитивная составляющая температурной погрешности абсорбционных газоанализаторов для многоканальных схем преимущественно обусловлена неидентичностью вызываемых дрейфом температуры изменений оптических параметров основного и дополнительного измерительных трактов. В схеме газоанализатора со сканированием частоты зондирующего излучения данная погрешность преимущественно обусловлена проецированием на приемник зеркальной поверхностью качающегося интерференционного фильтра излучений от участков оптического блока с изменяющейся в пространстве и времени температурой.

5. Аппаратурная мультипликативная составляющая температурных погрешностей инфракрасных газоанализаторов снижается путем вычисления отношения сигналов основного и дополнительного измерительных каналов, в том числе вызываемой измерениями в различающихся спектральных интервалах. При реализации данного метода газоанализаторы со сканированием частоты зондирующего излучения имеют преимущество, обусловленное идентичностью всех элементов и спектрального интервала основного и дополнительного измерительных каналов.

6. Для анализа методических погрешностей абсорбционных газоанализаторов была разработана математическая модель зависимости функции поглощения излучения газами от их концентрации и температуры. Для случая газов с линейными молекулами (оксида углерода) проведено экспериментальное подтверждение адекватности разработанной модели. Анализ полученной модели показал невозможность ее аналитического разрешения относительно измеряемой концентрации газа. Поэтому показана возможность применения табличных процессов для снижения температурных составляющих методических погрешностей. Этот процессор должен устанавливать коэффициент преобразования основного измерительного тракта в зависимости от измеренных значений функции поглощения излучения газовой смесью и от ее температуры.

7. Абсорбционный инфракрасный газоанализатор со сканированием частоты зондирующего излучения имеет большую информационную способность, более прост и дешев по сравнению с многоканальными схемами. Поэтому его совершенствование более перспективно. Для снижения аппаратурных составляющих температурных погрешностей результатов измерения предложено дополнить данную схему специальной блендой в виде жалюзи и механическим модулятором мощности зондирующего излучения. Предложено и проанализировано несколько вариантов бленд и способов модуляции, оценена их эффективность.

8. Проверка эффективности разработанных средств снижения температурных погрешностей абсорбционных газоанализаторов проведена путем модернизации образца газоанализатора со сканированием частоты зондирующего излучения в соответствии с выработанными предложениями. Испытания модернизированного газоанализатора показали, что внедрение предложений позволили снизить аппаратурную составляющую температурной погрешности в 20 раз, а ее методическую составляющую в 2,7 раза.

9. Полученные в работе результаты использованы при создании образца газоанализатора ФГА-1М. Данный прибор использован для инспекционных измерений содержания оксида углерода в воздухе нефтебазы "Центральная" ОАО "Красноярскнефтепродукт" и внедрен в НЛП "Томская Электронная Компания".

Выполненный в работе обзор средств контроля состава атмосферы используется при анализе оборудования газового контроля в процессе работы отдела автоматизации технологических процессов ОАО "ТомскНИПИнефть".

Акт внедрения и справки об использовании материалов данной работы приведены в Приложении.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Каверин, Андрей Алексеевич, 2002 год

1. Акопян М.Е., Головин А.В., Родин А. А. Фотоионизационная спектроскопия молекул. Изд-во С.-Петербугского университета, 1996. -315 с.

2. Аксененко М.Д., Красовский Е.А. Фоторезисторы. М.: Советское радио, 1973. -56 с.

3. Алейников М.С., Цветков В.А. Метод расчета фокальной оптической системы инфракрасных газоанализаторов атмосферных загрязнений.: Тр. ГГО. -Л., 1979, Вып. 421. с. 72-80.

4. Исследование методов повышения информационной способности фильтровых газоанализаторов вредных примесей в атмосфере: отчет о НИР/ТПИ: рук. Алейников М.С. Томск, 1978. -ВИНИТИ, №Б-708056-200с. ДСП

5. Антропов П.Я., Габриэлянц Г.А., Жабрев И.П. и др. Использование методов лазерного газоанализа для решения ряда геологических и промысловых задач //Советская геология. 1979. - №10. -с.92-98.

6. Арутюнов О.С., Гаева JI.A., Кротова Н.Б., Кудрявцева Т.В. Приборы контроля загрязнения окружающей среды фирмы HORIBA (Япония): Экспресс-информация /ЦНИИТЭИ приборостроения. -М., 1978. -Вып. 5. -12с.

7. Бабицкий Ю.В., Коноплева Н.П., Кудрявцева Т.В. Приборы контроля загрязнения воздушной среды: Экспресс-информация /ЦНИИТЭИ приборостроения. -М., 1976. -Вып. 6. -9с.

8. Балакин В.А., Баллод Л.А., Бирюлин В.П. и др. Лазерные анализаторы углеводородов в воздухе //ПТЭ. 1981. -№2. -с.263.

9. Батюков В.Г., Безух Б.А., Дятлов К.Н. и др. Портативный инфракрасный СО тестер //ЖПС. 1979. -Т.31 №6. -с. 1124-1127.

10. Бахшиев Н.Г. Введение в молекулярную спектроскопию. -Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1987. -216с.

11. Безух Б.А. Дубров Г.А., Дунаев В.Б., Ляшкевич В.Д. Многокомпонентный газоанализатор "Смог-2" //Каталог приборов /Под ред. B.C. Буракова, К.Н. Цветаева. -Минск: Наука и техника, 1978. -18-19.

12. Бенуэлл К. Основы молекулярной спектроскопии /Пер. с англ. -М.: Мир, 1985. -528с.

13. Борисевич Н.А., Валидов М.А., Верещагин В.Г. и др. Комбинированные инфракрасные фильтры //ЖПС.-1971.-Т.15, №6.-с.1120-1121.

14. Борисевич Н.А., Верещагин В.Г. Новый тип дисперсионных фильтров для инфракрасной области спектра //ЖПС.-1970.-Т. 12, № 1 .-с. 168-172.

15. Борисевич Н.А., Верещагин В.Г., Валидов М.А. Инфракрасные фильтры. -Минск: Наука и техника. 1971. -224с.

16. Борман Д.В., Кораблев И.В., Рылов В.А., Зотова Н.В. О возможностях построения ИК абсорбционных анализаторов газов и паров на светодиодах //ЖПС. -1974. -Т.20, №5. -с.847-851.

17. Бреслер П.И. Оптические абсорбционные газоанализаторы и их применение. Л.: Энергия, 1980. -164с.

18. Броунштейн A.M. Фролов А.Д. Оптические газоанализаторы //Методы определения газообразных загрязнений в атмосфере. Проблемы аналитической химии. -М.: Наука, 1979. -Т. 6. с. 184-202

19. Бузанова Л.К., Глиберман А .Я. Полупроводниковые фотоприемники -М.: Энергия, 1976. -64 с.

20. Булгаков А.Б. Фильтфотометрический газоанализатор с частотной модуляцией ИК-излучения //Дис. канд. техн. наук. Томск, 1991.

21. Комплект инфракрасных дисперсионных фильтров //Каталог приборов /Под ред. B.C. Буракова, К.Н. Цветаева.-Минск: Наука и техника, 1978. -с.30-31.

22. Комплект интерференционных фильтров //Каталог приборов /Под ред. B.C. Буракова, К.Н. Цветаева.-Минск: Наука и техника, 1978. -с.34-35.

23. Оптические элементы //Каталог приборов /Под ред. B.C. Буракова, К.Н. Цветаева Минск: Наука и техника, 1987. -с.30-35.

24. Буров А.Н., Васильева Н.Л., Гоженко Н.А. Перспективы развития приборов для определения загрязнений атмосферы //Состояние и перспективы развития аналитического приборостроения до 1985 года. -М.: НИИТЭХИМ, 1975. с.5 - 22.

25. Ван Дер Зил А. Шум (источники, описание, измерение). -М.: Советское радио, 1973. -229 с.

26. Ван Дер Зил А. Шумы при измерениях. -М.: Мир, 1979. -292 с.

27. Ваня Я. Анализаторы газов и жидкостей. М.: Энергия, 1970. -552с.

28. Вейнгеров М.Л. Физические основы создания оптических газоанализаторов, в которых используется поглощение инфракрасной и ультрафиолетовой радиации /Автоматические газоанализаторы /Под ред. М.Л. Вейнгерова и др. М. :ЦИНТИ электропром, 1961. -с. 177-192.

29. Верещагин В.Г., Захарич М.П. Инфракрасные фильтровые анализаторы АФ-2 и АФ-2М //ЖПС. 1981. -Т.34 №6. -с. 1130-1132.

30. Вечкасов И.А., Кручинин Н.А. и др. Приборы и методы анализа в ближней инфракрасной области. -М.: Химия, 1977. -280 с.

31. Справочник по инфракрасной технике Под ред. У. Волф, Г Цисис -Москва: Мир, 1999. в 4-х томах

32. Гейко О.Н., Гончарук В.Ф., Мазан Е.Г. и др. Образцовый газоанализатор на углеводороды.: Тр. ГГО. -Л., 1984.-Вып.477. с.139-144.

33. Гермензон Е.М., Малов Н.Н., Мансуров А.Н. Молекулярная физика -М.: Академия, 2000. -272с.

34. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Изд. 3-е перераб. и доп. -М.: Советское радио, 1977. -608 с.

35. Графов К.В., Ковалев С.И., Мейстер Э.К., Муратова Г.Е. Модернизированный анализатор микропримесей окиси и двуокиси углерода //Состояние и перспективы развития аналитического приборостроения до 1985 года. М.: НИИТЭХИМ, 1975. - с.133-139.

36. Гусельников М.Э. Многокомпонентный фильтрфотометрический абсорбционный газоанализатор со специализированным вычислительным устройством //Дис. канд. техн. наук. Томск, 1989.

37. Демочка О.И., Волосова Л.Л., Максимов В.И., Цветков В.А. Контроль вредных выбросов автотранспорта с помощью фильтровых газоанализаторов.: Тр. ГТО. Л. 1984. -Вып. 477. -с. 114-122.

38. Демочка О.И., Красов В.И., Максимов В.И., Цветков В.А., Чистяков А.Н. Измерительная аппаратура для контроля выхлопных газов автомобилей.: Тр. ГГО. -Л., 1981. Вып. 453. -с. 90-94.

39. Другов Ю.С. Беликов А.Б., Дьякова Г.А., Тульчинский В.М. Методы анализа загрязнений воздуха.- М.:Химия, 1984.-384с.

40. Жаров В.П., Гоменюк А.С., Пясецкий В.Б., Тохтуев Е.Г. Лазерный оптико-акустический детектор углеводородов //ЖПС. -1983. -Т.39, №6. -с.1029-1035.

41. Практикум по молекулярной спектроскопии/ Жигалова Е.Б., Лобода Л.И., Морозова Ю.П. и др. -Томск: Изд-во Томск. Ун-та, 1985.

42. Жилинкас Р.П. Измерители отношения и их применение в радиоизмерительной технике. -М.: Советское радио, 1975. -320 с.

43. Зайцев Ю.В. Электроника в охране окружающей среды //ННЖТ. Сер. Радиоэлектроника и связь. -М.: Знание, 1979. -Вып. 6. -64с.

44. Игнатов Б.Г., Посошенко Л.З., Александров А.Л. и др. Усилитель с синхронным детектором УСД-1 //ПТЭ. -1975. -№4. -с. 240.

45. Ипатов А.В., Берлин А.Б. Селективный усилитель с синхронным интегратором // ПТЭ. -1973 .-№ 1. -с. 118-120.

46. Каверин А.А. Газоанализатор метана //Проблемы геологии и освоения недр: Материалы докладов Второй Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых им. академика М.А. Усова. -Томск: Изд-во НТЛ, 1998, с. 144-145.

47. Каверин А.А., Гусельников М.Э. Газоанализатор для очистки выбросов от окислов азота// Энергетика: Экология, надежность, безопасность: Материалы пятой всероссийской научно-технической конференции. -Томск: Изд-во ТПУ, 1999, с.239-240.

48. Калитеевский Н.И. Волновая оптика. -М.: Высшая школа 1995. -463с.

49. Клее Р.Дж. Фотоприемники видимого и ИК диапазонов / Пер. с англ. М.: Радио и связь 1985. - 328с., ил.

50. Кораблев И.В. Об оптимизации параметров фазового абсорбциометра //ЖПС. -1972. -Т. 16, №6. -с. 1067-1072.

51. Кораблев И.В., Лосицкий И.Т., Меламед А.Г., Рылов В.А. Оптико-акустические газоанализаторы //Методы определения газообразных загрязнений в атмосфере. -М.: Наука, 1979. -с.202-211.

52. Красов В.И. Автоматический контроль загрязнений атмосферы и его приборное обеспечение.: Тр. ГТО. -Л., 1979. -Вып.421. -с.3-12.

53. Красов В.И., Малейко Л.В., Цветков В.А. Инфракрасный газоанализатор двуокиси углерода и водяного пара в атмосфере.: Тр. ГГО. —Л., 1979. Вып. 421.-е. 18-26.

54. А.с. 569916, СССР, МКИЭ G01N21/26. Газоанализатор /В.И. Красов, Л.В. Малейко, В.А. Цветков, Е.И. Юревич (СССР).

55. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. -М.: Советское радио, 1978.-400 с.

56. Ландсберг Г.С. Оптика. -5-е изд., перераб. и доп. -М.: Наука, 1976. -с.687.

57. Левитин И.Б. Инфракрасная техника. -Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние,1973.-158 с.

58. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (измерительные преобразователи). -Л.: Энергоатомиздат, 1983. -320с.

59. Лейте В. Определение загрязнений воздуха в атмосфере и на рабочем месте. Л.: Химия, 1980. -344с.

60. Ляшкевич В.Д., Красовский А.Н., Дубров Г.А., Безух Б.А. Многокомпонентный инфракрасный газоанализатор //Тез. докл. XII научно-техн. конф. молод, специалистов, поев. 60-летию ГОИ (15-19 мая 1978 г.). -Л., 1978. -с. 279.

61. Максимов В.И., Цветков В.А. Спектральный газоанализатор эмиссионных газов.: Тр. ГГО. -Л., 1981. Вып. 453. -с. 84-89.

62. Малышев В.И. Введение в экспериментальную спектроскопию. М.: Наука, 1979.-с.406-411

63. Манита М.Д., Салихджанова P.M., Яворовская С.Ф. современные методы определения загрязнений населенных мест. -М.: Медицина, 1980. -256 с.

64. Манойлов В.Е., Неделин П.Н. и др. Приборы контроля окружающей среды. -М.: Атомиздат, 1980. 216с.

65. Методы и приборы газового анализа в АСУ ТП (Сборник научных трудов ВНИАП).-Киев, 1978.-112 с.

66. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. -Л.: Машиностроение. Ленинградское отд-ние, 1983. -696 с.

67. Морозов В. Узкополосный синхронный фильтр //Радио. -1972. -№11. -с. 53-54.

68. Нарышкин А.К., Врачев А.С. Теория низкочастотных шумов. -М.: Энергия, 1972. 153 с.

69. Новик В.К., Гаврилова Н.Д., Фельдман Н.Б. Пироэлектрические преобразователи. -М.: Советское радио, 1979. -177 с.

70. Павлов А.В., Черников А.И. Приемники излучения автоматических оптико-электронных приборов. -М.: Энергия, 1972. -240 с.

71. Перегуд Е.А., Быховская М.С., Гернет Е.В. Быстрые методы определения вредных веществ в воздухе. М.: Химия, 1970. -360с.

72. Перегуд Е.А., Горелик Д.О. Инструментальные методы контроля загрязнений атмосферы. Л.: Химия, 1981. - 384с.

73. Перчик О.Ф., Юзба Т.А. Газоанализаторы концерна "Сименс" //Методы и приборы газового анализа в АСУ ТП. Киев: ВНИИАП, 1978. -с.27-34

74. Лазерный абсорбционный анализ и его приложения в геологии, геофизике и экологии: Сб. статей /Под ред. А.И. Попова. -М.: Энергоиздат, 1982. -60с.

75. Профос П. Измерения в промышленности/ Пер. с нем. М.: Металлургия, 1990.

76. Савенко В.Г. Измерительная техника. -М.: Высшая школа, 1974. 336 с.

77. Томашик А.К. Особенности использования лазера ЛГ-44 в системе определения содержания метана в атмосфере //Методы и приборы газового анализа в АСУ ТП. Киев: ВНИИАП, 1978. -с.49-51.

78. Тхоржевский В.П. Автоматический анализ газов и жидкостей на химических предприятиях. -М.: Химия, 1976. -272с.

79. Тхоржевский В.П. Автоматический анализ химического состава газов. -М.:Химия, 1969. 324с.

80. Уорк К., Уорнер С. Загрязнение воздуха. Источники и контроль. -М.: Мир, 1980. -544с.

81. Фарзане Н.Г. и др. Автоматические детекторы газов и жидкостей. М.: Энергоатомиздат, 1983. -96с.

82. Фельдман Э.М., Хомяков А.Т., Шмырин Ю.Н. Методы и приборы автоматического газового анализа загрязнения атмосферного воздуха. -Киев: Наукова думка, 1975. 28с.

83. Фурсов А.И. Разработка световодных устройств для контроля температуры газообразных и сыпучих средств //Дис. канд. техн. наук. -Томск, 1988.

84. Хинкли Е.Д., Ку Р.Т., Келли П.Л. Методы обнаружения молекулярных загрязнений по поглощению лазерного излучения //Лазерный контроль атмосферы. -М.: Мир, 1979. -с.280-344.г/

85. Хэкфорд Г. Инфракрасное излучение. М.; Л.: Этергия, 1964. 336с.

86. Цветков В. А. Оптимальное проектирование спектральных газоанализаторов.: Тр. ГТО. -Л., 1984, Вып. 477. с. 60-63.

87. Цветков В. А., Иванченко К.В. Сравнительные характеристики спектральных газоанализаторов эмиссионных газов. :Тр. ГГО. Л., 1984. -Вып.477. - с.73-81.

88. Цветков В.А., Красов В.И. Королева Е.А. Состояние и тенденции развития спектральных газоанализаторов контроля загрязнения атмосферы.: Тр. ГГО. -Л., 1981, Вып. 453. с. 54-65.

89. Шоль Ж., Марфан И., Монш М. и др. Приемники инфракрасного излучения. -М.: Мир, 1969. -284с.

90. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов 4-е издание. М.: Логос, 1999. -479с.

91. Якушенков Ю.Г., Луканцев В.Н., Колосов М.П. Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах. -М.: Радио и связь, 1981. -180 с.