автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Многокомпонентные переносные инфракрасные газоанализаторы для контроля транспортных выбросов

На правах рукописи

БУРЫКИН АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ ПЕРЕНОСНЫЕ ИНФРАКРАСНЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ ВЫБРОСОВ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА -2002

Работа выполнена в Московском Государственном Университете Инженерной Экологии.

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Кораблев Игорь Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Пушкин Игорь Александрович, кандидат технических наук Бузановский Владимир Адамович

Ведущая организация: Новомосковский институт РХТУ

им. Д.И. Менделеева

Защита состоится «26» декабря 2002 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.145.02 при Московском Государственном университете инженерной экологии, 107884, г.Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУИЭ.

Автореферат разослан «_»_200_г.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук Н. В. Мокрова

Общая характеристика работы.

1. Актуальность темы

Выбросы автотранспортных средств являются в настоящее время одним из основных источников загрязнения воздушной среды. Так, например в московском мегаполисе они обуславливают более 80 % загрязнений атмосферы. В этой связи требования к составу отработанных газов автомобилей постоянно ужесточаются. Так по нормам "EURO-III" предельные концентрации выбросов токсичных компонентов к 2005г. должны быть ниже действующих в настоящее время в ЕС норм ''EURO-II'' для углеводородов на 40 %, окиси углерода на 30 %, окислов азота на 40 % и т.д.

Ужесточение требований к источникам загрязнений требует в свою очередь совершенствования метрологических и эксплуатационных характеристик средств контроля выбросов автомобильного транспорта.

Эти требования касаются не только функциональных характеристик газоанализаторов (количество одновременно определяемых компонентов в выбросах должно быть не менее 4-5, снижены пределы обнаружения, повышена точность определений, увеличены межповерочные интервалы и др.), но и таких эксплуатационных показателей как уменьшение массы, габаритов и потребляемой мощности газоанализаторов (прибор должен быть, как правило, переносным), повышение требований к простоте обслуживания (до уровня бытового прибора) и надежности газоанализаторов. Последнее возможно при широкой автоматизации контрольных операций на базе микропроцессорных средств, позволяющих одновременно осуществлять функции диагностики характеристик газоанализатора и коррекции его показаний при изменении неинформативных параметров. Сравнение указанных требований с характеристиками внесенных в Госреестр РФ отечественных газоанализаторов для контроля транспортных выбросов свидетельствуют о том, что эти приборы нуждаются в существенном совершенствовании.

Поэтому разработка схемо - технических решений, позволяющих улучшить метрологические и эксплуатационные характеристики газоанализаторов и создание на этой основе переносных импортозамещающих газоанализаторов для контроля транспортных выбросов является актуальной научно- технической задачей, имеющей важное народно- хозяйственное значение.

Работа выполнена в рамках научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма 207 «Экология и рациональное природопользование», код проекта 02.01.088.

2. Цель работы

Основной целью работы является создание многокомпонентных переносных импортозамещающих ИК - газоанализаторов для контроля транспортных выбросов с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, отвечающих требованиям международных стандартов.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

■S Построить модели метрологических характеристик оптических и аналитических каналов многокомпонентных оптико - абсорбционных газоанализаторов для контроля транспортных выбросов;

S Определить и исследовать основные источники погрешностей ИК - газоанализаторов;

S Осуществить структурную и параметрическую оптимизацию аналитических каналов ИК - газоанализатора на основе метрологических показателей;

S Разработать на основе полученных результатов многоканальные переносные микропроцессорные импортозамещающие ИК - газоанализаторы для контроля транспортных выбросов, отвечающие требованиям евростандартов.

3. Научная ценность

1) Модели метрологических характеристик оптического и аналитического каналов ИК газоанализаторов, учитывающие влияние основных параметров прибора и неинформативных параметров анализируемой среды.

2) Обоснование выбора структуры и параметров аналитических каналов ИК газоанализаторов для контроля транспортных выбросов на основе точностных показателей.

3) Методика выбора параметров спектральной настройки аналитического канала СО2 (перестройка спектральной характеристики канала с центра на край полосы поглощения СО2) многокомпонентного ИК газоанализатора, позволяющая уменьшить на порядок нелинейность статической характеристики канала при незначительном уменьшении глубины модуляции зондирующего потока.

4) Методика коррекции функции преобразования аналитического ИК канала газоанализатора за счет имитации поглощения излучения анализируемым газом контролируемым изменением яркости ИК источника излучения, что позволяет в процессе длительной эксплуатации обходиться без применения поверочных газовых смесей в баллоне.

4. Практическая ценность

На основе проведенных исследований осуществлен выбор технического и алгоритмического обеспечения аналитических каналов и разработаны с участием автора следующие многокомпонентные переносные ИК газоанализаторы:

- двухкомпонентный ИК газоанализатор «Автокедр-М» (каналы СО, СН), отвечающий требованиям ГОСТ Р 51832-01 и использующийся для контроля транспортных выбросов и диагностики карбюраторных двигателей органами экологического контроля и станциями техобслуживания;

- пятикомпонентный переносной безобтюраторный импортозамещающий газоанализатор «Инфралайт-МК» (каналы СО, СН, СО2), отвечающий требованиям ГОСТ Р 51832-01 и "EURO-II" и предназначенный для контроля транспортных выбросов и диагно-

стики карбюраторных двигателей органами экологического контроля и станциями техобслуживания; - двухкомпонентный ИК газоанализатор КАГВ (канал СО2), сходный по принципу действия с предыдущими двумя приборами, но предназначенный для измерения кислорода и углекислого газа в дыхательных смесях и газовых средах барокамер, и разработанный по заказу ВМФ.

Разработанные газоанализаторы позволяют осуществить контроль и диагностику карбюраторных двигателей автомобилей, что имеет большое значение для мегаполисов.

5. Реализация в промышленности

1) Изготовлена опытная партия газоанализаторов «Автокедр-М» в количестве 60 шт. Изготовленные газоанализаторы эксплуатировались органами Московской Экологической Полиции в качестве проверочного средства и в жестких условиях эксплуатации работали достаточно стабильно. Прибор включен в Госреестр под №16965-98.

2) Изготовлена опытная партия пятиканальных газоанализаторов «Инфралайт-МК» в количестве 10 шт. Прибор включен в Госреестр под №20623-00.

3) Изготовлено 3 опытных образца газоанализатора КАГВ. Прибор прошел успешно Госиспытания, принят ВМФ РФ и запланирован к выпуску на 2003г. Прибор включен в Госреестр под №22379-02.

6. Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Конференции молодых специалистов НПО «Химавтоматика», посвященная памяти Фесты Н. Я. (Москва, 2001г) и на Международных конференцях по вопросам инженерной экологии МГУИЭ (Москва 2001г, 2002г).

7. Положения, выносимые на защиту

1) Модели метрологических характеристик аналитических каналов ИК газоанализаторов для контроля транспортных выбросов и их экспериментальное подтверждение;

2) Выбор структуры и параметров аналитических каналов, а также технического и алгоритмического обеспечения ИК газоанализаторов для контроля транспортных выбросов на основе точностных показателей;

3) Многокомпонентные переносные ИК газоанализаторы для контроля транспортных выбросов «Автокедр-М» и «Инфралайт-МК» и их внедрение в народное хозяйство.

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, изложенных на 160 страницах, иллюстрируется рисунками, содержит 8 таблиц, список литературы, включающий 32 наименования, 3 приложений.

Основное содержание работы

Во введении обоснованна актуальность разработки многокомпонентных переносных газоанализаторов для контроля транспортных выбросов, сформулированы цели и задачи исследования, указаны пути их достижения, раскрыты основные пункты научной и практической ценности выполняемой работы, а также перечисленны основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор технических характеристик отечественных и зарубежных газоанализаторов, используемых для контроля транспортных выбросов. Отмечается, что отечественные приборы являются (на момент постановки задачи исследования) недисперсионными оптико-абсорбционными газоанализаторами, имеющими, как правило, два аналитических по СО и СН канала и канал тахометра. Переносные газоанализаторы - обычно с твердотельным приемником ИК радиации.

Внесенные в Госреестр РФ импортные приборы имеют, как правило, не менее четырех аналитических каналов (СО, СО2, СН и О2), канал тахометра, а также во многих случаях позволяют определять дымность выбросов и температуру масла.

Каналы контроля примесей СО, СН и СО2 в транспортных выбросах реализуются на основе ИК оптико-абсорбционного метода.

По своим функциональным возможностям, техническому уровню и стоимости импортные приборы в целом превосходят отечественные аналоги.

Поэтому создание импортозамещающих многокомпонентных переносных отечественных газоанализаторов с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, предназначенных для широкого круга пользователей, является актуальной научно-технической задачей, имеющей важное народно-хозяйственное значение.

Вторая глава работы посвящена моделированию и оптимизации метрологических характеристик аналитических ИК каналов многокомпонентных газоанализаторов для контроля транспортных выбросов.

В недисперсионном анализе признак «канал» определяется как спектральный интервал, согласованный с полосой поглощения определяемого компонента анализируемого вещества. Техническое обеспечение любого канала многокомпонентного газоанализатора включает следующие основные элементы: источник ИК излучения; модулятор или прерыватель зондирующего пробу ИК излучения; кювету с анализируемой средой; узкополосный фильтрующий элемент, выделяющий в спектре источника интервал, совпадающий с полосой поглощения анализируемого компонента; приемник радиации с предварительным усилителем сигнала измерительной информации; регистрирующий блок, в котором выделяется, преобразуется, обрабатывается и визуализируется информативный параметр сигнала измерительной информации. Структурная схема канала представляет собой последовательное соединение перечисленных элементов. Задаваясь харак-

теристиками элементов, выразим статическую характеристику (СХ) оптического канала недисперсионного ИК газоанализатора :

W(x) = и1 Т(х)+£ = и1 (1-2(х)) + £,,

да

где и1 = W(0) = Кп'КуКр'Тг ¡Зо(V) • - обобщенный параметр кнала,

0

зависящий от характеристик и параметров всех входящих в него звеньев: Кп;Ку;Кр; Те - коэффициенты передачи соответственно приемника радиации, усилителя, регистрирующего блока, рабочей кюветы, незаполненной анализируемым веществом;

Зо(\>)- спектр интенсивности зондирующего пробу излучения (источника излучения);

^ф(у) -спектральное пропускание фильтрующего элемента;

да

Г Л(у)8ф(у)Т (х, у)СУ Т (х) = 0_, Z(x) = 1-T(x)

о

функции пропускания и поглощения анализируемого газа соответственно,

Т(х,у) - спектральное пропускание анализируемого вещества, которое в приближении закона Бугера-Ламберта-Бера имеет вид:

Т(х, V) = ^^ = е") ; х, V) =7? X (V)х,

оптическая плотность анализируемого вещества, %()) - коэффициент поглощения ] -го компонента; х, - количество поглощающего вещества ] -го компонента; I - длина рабочей кюветы;

)[см-1]=104/Х [мкм] - спектральная частота и длина волны (X) излучения, § - собственные шумы канала.

Проведенное исследование моделей метрологических характеристик простейшего оптического канала (чувствительностей к измеряемому и неопределяемым компонентам смеси, показателей избирательности, систематической и случайной составляющих погрешности) показало, что на основе этой структуры трудно достичь требуемого уровня метрологических характеристик многокомпонентного газоанализатора.

Поэтому при выборе структурной схемы и параметров настройки многокомпонентного газоанализатора были исследованы другие варианты построения аналитических каналов прибора, основанных на использовании принципов избыточности (дифференциальные схемы, схемы отношения и др.). Аналитический канал многокомпонентного ИК газоанализатора, предназначенный для определе-

ния концентрации одного из компонентов, реализуется на основе двух простейших оптических каналов (рабочего и сравнительного), в каждом из которых формируется сигнал измерительной информации соответственно '¡(х) и 'ср-и2 Наличие сравнительного сигнала , независящего от х, обеспечивает информационную (структурную) избыточность, используемую для повышения точности аналитических измерений. Сравнение ''(х) и 'ср осуществляется обычно либо путем их вычитания (дифференциальная схема), либо путем измерения отношения '¡(х)/ 'ср.. Показаны преимущества комбинированной схемы, сочетающей положительные свойства дифференциальной схемы и схемы отношения:

ит (X)

(X)/ , ¡к и\1 (Х) ПЛ

я(х)= 1 - 1 ^ -1 - К ——, (1)

и 2

где yj(x) - сигнал измерительной информации ¡-го аналитического канала; К- / и - эмпирически определяемый для каждого компонента коэффициент, равный отношению номинальных значений сигналов 'ср и '¡(О).

и 1

Рекомендуемая настройка ¡-го аналитического канала: К — 1. В этом

¿2

случае у}. (х) — 1 - Г] (х) — (х) ,

т.е. измерительный сигнал у. (х) в момент настройки (номинальный режим)

является функцией относительного поглощения и не зависит от неинформативных параметров средства измерения.

Показано, что многокомпонентный ИК газоанализатор целесообразно исполнять на основе многоканальной оптической схемы. Применение однолучевой (однокюветной) схемы позволяет упростить оптическую схему прибора и существенно уменьшить погрешности сигнала, обусловленные неселективными влияющими величинами, например, практически устранить влияние загрязнений кюветы анализатора.

Число аналитических каналов многокомпонентного газоанализатора равно числу определяемых компонентов п, а число оптических спектральных каналов равно п+1, т.е. сравнительный оптический канал является общим для всех аналитических каналов. На рис. 1 приведены примеры полученных экспериментально СХ трех аналитических каналов (СО, СН, СО2) многокомпонентного газоанализатора, реализованных на основе комбинированной схемы. Там же сплошными линиями представлены аппроксимации СХ степенными функциями вида:

Вт

Уа (X т) — *

Кт т -1

(1 + ктх)1-т -1

т

Уг

а) Градуировочная характеристика аналитического канала СО и её аппроксимация.

Уг

.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0,6 0.7 0.В 0.9 С У.В

б) Градуировочная характеристика аналитического канала СН и её аппроксимация.

Уг

в) Градуировочная характеристика аналитического канала СО2 и её аппроксимация.

Рис.1 Градуировочные характеристики аналитических каналов.

где х - информативный параметр;

В, К - параметры аппроксимации;

т - показатель степенной функции.

Из приведенных данных следует, что СХ всех аналитических каналов в диапазоне изменения измеряемых концентраций соответствующих компонентов, являются нелинейными. Используя в качестве критерия нелинейности отношения дифференциальных чувствительностей, соответствующих началу и концу диапазонов измерения

КЩ, =

йУ, ( Хтп)/йх = (Хшт)

Я,- (Хтах )

( хтах)/йх

,

заключаем, что для всех каналов Кн >1, причем для канала СО2 Кн > 102 , т.е. отмечается очень высокая нелинейность СХ.

Помимо моделей СХ аналитических каналов в работе получены и исследуются модели:

- номинальной чувствительности ]-го канала

„ йу п йТ йТ й7

Я, = —- = -К■ - -

,

йх, 1 и2 йх, йх, йх,

показатели избирательности ]-го канала к 1-му неопределяемому в канале компоненту:

Я / йТ / йх

И, =] 7

1 /ЯИг йТ / йхт

абсолютной погрешности канала по координате XJ , обусловленной неконтролируемыми изменениями неинформативных параметров,

Ау, Т ( х,)

1 Я, йТ / йх,

1 1

где 5и1 - относительные изменения параметра и1, обусловленные неконтролируемыми изменениями параметров прибора 10, Кп , Ку, Т1 и др.; - приведенной к диапазону измерения погрешности канала

Ах, [1 - 7 (х1)]

^ = Т^=ТОТ ^

тах тах йх

Для исследования зависимости погрешности аналитического канала от измеряемой величины удобно воспользоваться отношением текущего значения погрешности Дх^), ^ (xj) к соответствующим значениям погрешности в нулевой точке шкалы Дх^0), у(0):

А. (х;.) У] (х.) Т(х]) СТ(0)/Сх] Т(х]) К

а(х.) = —-——=——— =-----— =--- Кн (х.),

1 Ах. (0) у} (0) Т(0) СТ(х.)/Сх. Т(0) н 1

где Кн (х.) текущий коэффициент нелинейности СХ аналитического канала. В соответствии с приведенными данными коэффициент Кн(х1) > 1, причем Кн(0) и увеличивается с ростом х.. Для аналитического канала на СО2, например, коэффициент КНх.) превышает 102 в верхней точке шкалы канала. Отношение функций пропускания Т(х)/Т(0)<1 и в противоположность Кн(х.. этс соотношение уменьшается с ростом х.

Введенный безразмерный фактор а(х.) определяет характер распределения погрешности вдоль шкалы соответствующего аналитического канала. При а(х.)=1 погрешности аналитического канала определяется аддитивной составляющей, при а < 1 или а > 1 проявляется мультипликативная погрешность, причем тем в большей степени, чем больше отклонение фактора а от единицы. Фактор а(х. равен произведению текущей нелинейности СХ канала Кн(х1) на отношение функций пропускания Т(х-)/Т(0). Эти сомножители как функции измеряемой величины х1 изменяются в противоположные стороны, что позволяет в принципе синтезировать инвариантные относительно фактора а(х.) аналитические каналы, в которых мультипликативная погрешность практически не проявляется.

Близки в инвариантном в указанном выше смысле аналитические канала многоканального газоанализатора с относительно слабо нелинейными СХ (каналы СО и СН), в которых коэффициент Кн(х)<2, а Т(х.)/Т(0)>0,5. В аналитическом канале с ярко выраженной нелинейностью СХ (канал СО2), в котором за пределами линейного участка СХ коэффициент К^х.)» 1 и увеличивается вместе с ростом х., а глубина модуляции излучения информативным параметром х. в конце диапазона измерения не превосходит 0,5 (Т(х.)/Т(0)>0,5), фактор а(х„) = Кн(х.)/2>>1 и, следовательно, погрешность этого аналитического канала определяется мультипликативной составляющей, превосходящей в а(хт) раз аддитивную составляющую. Таким образом, применение схемы отношения (точнее комбинированной измерительной схемы) не позволяет в аналитическом канале с сильно нелинейной СХ (Кн(хт)>>1) подавить до требуемого по ТЗ уровня мультипликативную погрешность газоанализатора.

Для уменьшения мультипликативной погрешности в канале СО2 газоанализатора в принципе пригодны любые способы уменьшения фактора а до уровня а(хт)=1, сводящиеся соответственно к уменьшению коэффициента нелинейности СХ Кн(х/) и отношения Т^/Т^), или, что то же, к увеличению относительного поглощения 1(х.). Среди способов уменьшения коэффициента нелинейности СХ канала СО2 выделим следующие:

а) уменьшение толщины поглощающего зондирующее излучение слоя в канале за счет уменьшения длины рабочей кюветы. Такое решение в однолу-

чевом многоканальном газоанализаторе вызывает, однако пропорциональное уменьшение чувствительности и других аналитических каналов (СО, СН) газоанализатора и поэтому не может быть рекомендовано;

б) уменьшение интегрального (по полосе СО2) коэффициента поглощения определяемого в аналитическом канале компонента одним из следующих способов:

- спектральная настройка оптического канала СО2 на одну из более слабых по сравнению с полосой 4,27 мкм полос поглощения СО2;

- спектральная перестройка оптического канала СО2 с центра на край полосы поглощения СО2. Оба последних способа осуществляются за счет подбора требуемой спектральной характеристики интерференционного фильтра в канале СО2;

- спектральная перестройка оптического канала СО2 за счет сочетания систем внутренней и внешней фильтрации полосы СО2. Внутренний фильтр (например, заполненная смесью СО2 и N герметичная кювета) вырезает при достаточно большой концентрации СО2 в фильтре центр полосы поглощения линии СО2, так что анализируемая смесь, прокачиваемая через рабочую кювету, поглощает излучение лишь на краях полосы поглощения, где эквивалентный коэффициент поглощения СО2 существенно меньше. Внешняя фильтрация полосы поглощения СО2 в целом осуществляется, как всегда, с помощью интерференционного фильтра.

В третьей главе представлены результаты разработки двухкомпонентногс переносного ИК газоанализатора для контроля транспортных выбросов, в том числе: обоснование выбора структуры и параметров газоанализатора, выбор технического, алгоритмического и метрологического обеспечения прибора.

В разрабатываемом газоанализаторе используются два аналитических канала (СО, СН), в каждом из которых используется комбинированная измерительная схема (гл. 2). В газоанализаторе «Автокедр - М» в качестве основных элементов оптической схемы выбраны: источник ИК излучения - нихромовая нить накаливания, питаемая стабилизированным источником тока, светофильтры узкополосные, интерференционные, изготовленные по технологии вакуумного напыления и имеющие максимум пропускания Хсо=4,66 мкм, Хсн=3,40 мкм, Ха(=3,90 мкм соответственно; 100мм кювета с сапфировыми стеклами, неселективный пироэлектрический приемник ИК радиации типа МГ-32. Предварительный усилитель формирует измерительный сигнал в виде периодических однопо-лярных импульсов амплитудой до 4В.

Эти импульсы поступают на АЦП с разрешающей способностью не хуже 1,22мВ и временем аналого-цифрового преобразования не более 200мкс, а затем уже в цифровом виде в микропроцессорный контроллер с объемом встроенной памяти не менее 32 кБайт. Основное требование к центральному процессору -обеспечение заданного быстродействия. Обтюратор вращается с частотой 1,1Гц, следовательно, длина одного периода выходного сигнала с пироприёмника со-

ставляет около 900 мс. АЦП позволяет получить в течении одного периода дс 4500 оцифрованных точек. Т.е. втечение одного периода процессор должен успеть обработать все эти точки, провести усреднения, внести поправки по температуре и давлению и вывести результат на индикацию.

Исходя из всего этого, для проектирования опытных образцов газоанализатора был выбран процессор DS5000 фирмы Dallas Semiconductor (США). Процессор полностью совместим с серией 8051 (МК51 в отечественной интерпретации), имеет достаточное быстродействие для решаемой задачи, его тактовая частота составляет 16МГц. Объём его оперативной памяти составляет 32 кБайт, что позволяет не ограничивать возможности разрабатываемой программы нехваткой памяти. Микропроцессор имеет встроенный контроллер последовательного порта, что особенно важно при отладке программы, когда часто приходится вносить в неё необходимые корректировки. Эта особенность позволяет исключить использование программатора, а вместо этого подключать микроконтроллер прямо к последовательному порту любого компьютера и осуществлять прошивку программы с его помощью.

В газоанализаторе контроллер осуществляют следующие функции: выделение аналитических сигналов, обработка сигналов по заданным алгоритмам, учет функций влияния неинформативных параметров, линеаризация СХ газоанализатора, управление режимами работы газоанализатора.

Поскольку анализируемая газовая смесь содержит значительное количество водяных паров и мелкодисперсной сажи, газоанализатор «Автокедр - М» оборудуется автоматической системой пробоподготовки с влагоотделением, включающий фильтры грубой и тонкой очистки газа от сажи, влагоотделитель, побудители расхода.

Алгоритмическое обеспечение газоанализатора «Автокедр - М» включает следующие операции:

1. Усреднение первичных сигналов после их преобразования в АЦП в цифровом виде. При этом используется непрерывное весовое усреднение по последним 10 цифровым значениям сигнала.

2. Реализация алгоритма отношения (1) соответствующего усредненного рабочего сигнала к усредненному сравнительному сигналу.

3. Линеаризация статической характеристики (СХ) газоанализатора и расчет концентрации Cj.

Вообще говоря, СХ газоанализатора yj (Cj) нелинейна. Для получения значения концентрации определяемого компонента С необходимо осуществить обратное преобразование:

С = fj-1( yj ),

где fj-1 - функция, обратная yj . С этой целью на стадии метрологического обеспечения газоанализатора определяется градуировочная статическая характеристика (СХ) газоанализатора yj = fj (Cj), эта характеристика аппроксимируется

полиномом второй степени, а затем в контроллере осуществляется обращение номинальной характеристики в соответствии с алгоритмом:

_ _ _ РоТ

Cj = К2 • у (1 + К • Уj + К ■ у2)- ,

РТо

где K2j - чувствительность обратной СХ газоанализатора по) - му компоненту; Kзj , К4 - коэффициенты линеаризации СХ газоанализатора; Ро, То - номинальные значения давления и температуры анализируемого газа задаваемые в процессе калибровки газоанализатора;

Р, Т - фактические значения указанных параметров, измеренные с помощью датчиков, встроенных в газоанализатор. 4. Окончательное весовое усреднение значений С

В результате разработки был получен прибор «Автокедр - М» со следующими техническими характеристиками:

диапазоны измерений:

СО.....................................................................0-5, 0-10 % об.

СН.............................................................0- 1000,.0- 5000 ррт

Частота вращения коленчатого вала.........500- 10 000 об/мин

Приведенная погрешность:

• для каналов СО, СН........................................................±5%

• для канала тахометра...................................................±2,5%

Время установления показаний.....................................10 сек.

Время прогрева (при 20°С)............................................15 мин.

Прибор имеет выход на ЭВМ в интерфейсе Я8232.

Питание:

• от сети переменного тока 220В\ 50Гц

• от источника постоянного тока 12В

Средняя потребляемая мощность....................................10 Вт

Масса.....................................................................................5 кг

Габариты................................................................144х254х275

Межповерочный интервал газоанализатора...................1 год

Гарантийный срок -12 месяцев.

Газоанализатор «Автокедр -М» выдержал все виды Государственных приемочных испытаний, включен в Госреестр под №16965-98 и выпускается в настоящее время ОАО НПО «Химавтоматика» мелкими сериями. В настоящее время выпущено 60 газоанализаторов «Автокедр - М».

В четвертой главе представлены результаты разработки переносного пяти-компонентного ИК - газоанализатора для контроля транспортных выбросов (каналы СО, СН, СО2 реализованы на основе ИК абсорбционного метода).

Структурная схема четырехканального однокюветного оптико-абсорбционного газоанализатора представлена на рис. 2.

Рис.2 Структурная схема многоканального ИК газоанализатора

1 - пульсирующий ИК-излучатель; 2 - кювета; 3 - четыре интерференционных фильтра и пироприемника на одной подложке

В анализаторе имеется три аналитических канала (СО, СН, СО2) и соответственно четыре спектральных канала (один спектральный канал используется е качестве сравнительного). Спектральные интервалы выделяются с помощью узкополосных интерференционных фильтров, расположенных на единой подложке в одном корпусе, конструктивно совмещенной с четырьмя пироэлектрическими приемниками излучения. В качестве ИК источника используется пульсирующий малоинерционный неселективный источник излучения. Сигналы спектральных каналов обрабатываются в ЭВМ в соответствии с алгоритмом (1).

Примеры полученных экспериментально градуировочных характеристик трех аналитических каналов (СО, СН, СО2) газоанализатора представлены на рис.1. Особо сильной нелинейностью отличается СХ канала СО2

Известно, что при увеличении степени нелинейности СХ существенно возрастают трудности аппроксимации и соответственно линеаризации статических характеристик (увеличивается количество необходимых для градуировки ПГС), увеличиваются трудности расчета параметров аппроксимирующей и линеаризующей функции, уменьшается точность определения этих параметров и др. Е конечном счете это приводит к увеличению погрешности аналитического канала, имеющей в основном систематический характер

Таким образом, уменьшение нелинейности СХ аналитических каналоЕ (главным образом канала СО2) ИК газоанализатора для контроля транспортных выбросов имеет большое значение для оптимизации метрологических характеристик прибора.

При разработке многокомпонентного ИК газоанализатора для уменьшения нелинейности СХ канала СО2 использовались:

1) уменьшение интегрального коэффициента поглощения полосы СО2 за счет спектральной перестройки оптического канала СО2 с центра на край полосы поглощения;

2) спектральная перестройка оптического канала СО2 за счет сочетания систем внутренней и внешней фильтрации полосы СО2. Внутренний газовый фильтр (ГФ) (например, заполненная смесью СО2 и N герметичная кювета) вырезает при достаточно большой концентрации СО2 в фильтре центр полосы поглощения линии СО2, так что анализируемая смесь, прокачиваемая через рабочую кювету, поглощает излучение лишь на краях полосы поглощения, где эквивалентный коэффициент поглощения СО2 существенно меньше. Внешняя фильтрация полосы поглощения СО2 в данном случае осуществляется, как всегда, с помощью интерференционного фильтра.

Полученные при испытаниях данные для аналитического канала СО2 (без газового фильтра и с фильтром длиной 2,4мм и с концентрацией заполнения 60% СО2) свидетельствуют, что использование ГФ существенно уменьшает коэффициент нелинейности СХ (более, чем в 7 раз), но вместе с тем заметно уменьшается и глубина модуляции измерительного сигнала у^х) измеряемой величиной (с 0,47 до 0,14), что вызывает в сопоставимых условиях пропорциональное увеличение погрешности канала.

Поэтому в связи с рекомендациями, изложенными в гл.2, для линеаризации СХ канала СО2 многокомпонентного газоанализатора была использована процедура перестройки оптического канала СО2 с центра на край полосы поглощения за счет подбора требуемой спектральной характеристики интерференционного фильтра. Трудность заключается в том, что чтобы найти требуемые спектральные характеристики интерференционного фильтра (ИФ) среди готовых коммерческих изделий. В конечном счете, эта задача была решена с помощью стандартного покупного ИФ. Обратная СХ канала СО2 газоанализатора, полученные экспериментально для соответствующих спектральных настроек оптического тракта по изложенной выше методике, представлены на рис. 3.

Из приведенных данных видно, что использование режима спектральной настойки ИФ на край полосы поглощения СО2 предпочтительнее, чем использование режима внутренней фильтрации с помощью газового фильтра. Можно отметить следующие преимущества режима спектральной настройки ИФ на край полосы по сравнению с режимом внутренней фильтрации: - получатся большая глубина модуляции сигнала у! измеряемой величиной. В приведенном примере при перестройке с центра на край полосы поглощения СО2 глубина модуляции уменьшается немногим более 1,5 раз с 0,5 до 0,32 в то время как в методе внутренней фильтрации этот параметр уменьшается более чем в 3 раза;

Рис.3 Обратная СХ аналитического канала СО2 при различных спектральных настройках оптического тракт: а) ИФ с Хтах=4,24 мкм; б) ИФ с Хтах=4,45 мкм.

- показатели нелинейности СХ уменьшаются более чем на порядок и составляют в конце диапазона измерения СО2 величину порядка 10, что можно легко скомпенсировать с помощью относительно простых алгоритмов линеаризации;

- ИФ по сравнению с газовыми фильтрами имеют лучшие стабильностные характеристики, конструктивно существенно проще встраиваются в прибор, что имеет важное значение при создании переносных газоанализаторов.

Указанные причины послужили основанием для выбора параметров спектральной настройки аналитического канала СО2. При разработке многокомпонентного ИК газоанализатора для контроля транспортных выбросов. В канале СО2 исполь-

зован ИФ с Хтах=4,45мкм, настроенный на край полосы поглощения СО2. В остальных оптических ИК каналах используются стандартные покупные ИФ.

Для уменьшения дополнительной температурной погрешности был применен метод температурной компенсации приборной погрешности по снятым температурным зависимостям. Были рассчитаны влияния на температурные погрешности разных схем обработки сигналов, т. е. выявлен характер роста погрешности «Инфралайта - МК» - рост преимущественно мультипликативный.

Давление вносит погрешность в измерение через изменение свойств пробы, практически не воздействуя на прибор, при измерении ИК радиации. В общем виде компенсация воздействия давления пересчитывается по следующей формуле (для линейной зависимости):

С=((Р0/Р-1)Кр+1)Ср;

где С - скомпенсированное значение концентрации;

Р0 - калибровочное значение давления;

Р - текущее значение давления;

Кр - рассчитываемый по экспериментальным данным коэффициент;

Ср - нескомпенсированное значение концентрации при давлении Р.

На основе проведенных исследований разработан многокомпонентный газоанализатор для контроля транспортных выбросов «Инфралайт - МК». Прибор предназначен для измерения концентрации оксида углерода (СО), суммы углеводородов (СН), диоксида углерода (СО2), кислорода (О2) и оксидов азота (N0) в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями.

В приборе имеются также встроенные средства для измерения частоты вращения коленчатого вала двигателя автомобиля и температуры масла, предусмотрена возможность вычисления коэффициента полноты сгорания топлива X.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Измеряемая величина Диапазон измерения (ДИ), % об. Основная относи -тельная, % погрешность: или абс.

Концентрация углеводородов 0 - 1000 млн-1 + 25 млн-1

(СН). 0 - 5000 млн-1 + 5

Концентрация окиси углерода 0 - 5 + 0,2 % об.

(СО). 0 - 10 + 5

Концентрация двуокиси углеро-

да (СО2). 0 - 18 + 5 + 0,5 % об.

Концентрация кислорода (О2) 0 - 21 + 5 + 0,2 % об.

Концентрация суммы окислов азота (N0) 0 -2000 млн-1 + 200млн-1

Частота вращения коленчатого вала двигателя автомобиля Температура масла 0 - 1000 об./мин 0 -10000 об./мин 20 - 120 0С + 25 об./мин. + 250об./мин. + 2 0С

Достоинства прибора

• высокая надежность и стабильность показаний

• малый вес (6кг) и энергопотребление (< 20 ВА)

• высокая селективность

• автоматическая калибровка нулевых показаний

• автоматическое отделение влаги

• расчёт значения коэффициента избытка воздуха

• измерение температуры масла двигателя

• встроенный термопринтер

Гарантийный срок -12 месяцев. Межповерочный интервал -1 год. Данные о сертификации :

Прибор зарегистрирован в Госреестре под № 20623-00.

Выводы и основные результаты работы.

В работе изложены научно-обоснованные технические решения по созданию методического, аппаратурного, алгоритмического и метрологического обеспечения газоаналитических средств контроля выбросов автотранспорта, разработаны и внедрены в народное хозяйство многокомпонентные переносные микропроцессорные ИК газоанализаторы с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками. В том числе:

1) Построены модели метрологических характеристик оптического и аналитического каналов ИК газоанализаторов, учитывающие влияние основных параметров прибора и неинформативных параметров анализируемой среды.

2) Обоснован выбор структурной схемы аналитического канала, сочетающей свойства дифференциальной схемы и схемы отношения и позволяющей эффективно (более чем на порядок) подавлять аддитивные и мультипликативные составляющие погрешности.

3) Осуществлена параметрическая оптимизация аналитического канала на основе метрологических показателей.

4) Теоретически и экспериментально обоснованна методика выбора параметров спектральной настройки аналитического канала СО2 многокомпонентного ИК газоанализатора, заключающаяся в перестройке спектральной характеристики канала с центра на край полосы поглощения СО2, что позволяет на порядок уменьшить нелинейность статической характеристики канала при незначительном уменьшении глубины модуляции зондирующего потока.

5) Обоснованна методика коррекции функции преобразования аналитического ИК канала газоанализатора за счет имитации поглощения излучения анализируемым газом контролируемым изменением яркости ИК источника излучения, что позволяет в процессе длительной эксплуатации обходиться без применения поверочных газовых смесей в баллоне.

6) На основе проведенных исследований осуществлен выбор технического и алгоритмического обеспечения аналитических каналов и разработаны с участием автора следующие многокомпонентные переносные ИК газоанализаторы:

- двухкомпонентный ИК газоанализатор «Автокедр-М» (каналы СО, СН), отвечающий требованиям ГОСТ Р 51832-01 и использующийся для контроля транспортных выбросов и диагностики карбюраторных двигателей органами экологического контроля и станциями техобслуживания;

- пятикомпонентный переносной безобтюраторный импортозамещающий газоанализатор «Инфралайт-МК» (каналы СО, СН, С02), отвечающий требованиям ГОСТ Р 51832-01 и "EURO-II" и предназначенный для контроля транспортных выбросов и диагностики карбюраторных двигателей органами экологического контроля и станциями техобслуживания;

- двухкомпонентный ИК газоанализатор КАГВ (канал СО2), сходный пс принципу действия с предыдущими двумя приборами, но предназначенный для измерения кислорода и углекислого газа в дыхательных смесях и газовых средах барокамер, и разработанный по заказу ВМФ.

7) Разработанные газоанализаторы выдержали все виды испытаний и включены в Госреестр («Автокедр-М» включен в Госреестр под №16965-98, «Инфралайт-МК» включен в Госреестр под №20623-00, КАГВ включен в Госреестр под №22379-02). Газоанализаторы изготавливаются опытными партиями в количестве от 10 до 60 шт. в зависимости от типа прибора.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях.

1. А.В. Бурыкин, В.П. Агафонов, В.В. Зайкин, И.В. Кораблев. Инфракрасные газоанализаторы для контроля выбросов автотранспор-та.//Труды МГУИЭ: Сборник статей аспирантов и студентов. - М.: МГУИЭ, 1999 - Том IV. с. 45-51.

2. А.В. Бурыкин, И.В. Кораблев. Автоматическая корректировка чувствительности ИК - газоанализаторов для контроля выбросов автотранспорта без применения поверочных газовых смесей.//Труды МГУИЭ: Сборник статей аспирантов и студентов. - М.: МГУИЭ, 2001 - Том V. с. 45-51.

3. Бурыкин А.В., Кораблев И.В. Оптимизация метрологических погрешностей характеристик многокомпонентного газоанализатора для контроля транспортных выбросов.//Международная конференция по вопросам инженерной экологии. МГУИЭ; 2002г, г. Москва.

4. Бурыкин А.В. Основные источники погрешностей и способы их компенсации в инфракрасных газоанализаторах для контроля выбросов автотранспорта. //Конференция молодых специалистов НПО «Химав-томатика» », посвященная памяти Фесты Н.Я. - М. 2001.

5. Бурыкин А. В. Возможность автоматической корректировки инфракрасных газоанализаторов без применения поверочных газовых смесей для газов с меняющимся фоновым содержанием в воздухе.// «Экологические системы и приборы» №9 2002г. М: ООО Издательство «Научтехлитиздат». с .19-21.