автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Оптико-акустический газоанализатор оксида углерода для мониторинга атмосферного воздуха

Введение

СОДЕРЖАНИЕ

Глава I.

Методы и приборы для контроля содержания СО в окружающей атмосфере.

1. Источники СО, основные задачи контроля СО в окружающей среде.

2. Основные методы газового анализа для контроля СО. Требования к аналитическим приборам для определения микроконцентраций.

3. Применение оптико-акустического метода газового анализа для мониторинга атмосферного воздуха. Информационный критерий.

Выводы главы I

Глава II.

Оптико-акустические газоанализаторы для контроля микроконцентраций СО

1. Оптико-акустический приемник, основные физические закономерности ОА приемника.

2. Закономерности поглощения ИК излучения. Спектральные и интегральные функции поглощения, усредненные спектральные функции.

3. Теория ударного уширения спектральных линий, влияние параметров газовой смеси на ширину спектральных линий

4. Классификация оптических схем оптико-акустических газоанализаторов

5. Двухлучевые схемы, основные характеристики, влияние конструктивных особенностей оптической схемы на "светосилу" и стабильность анализаторов.

6. Двухканальные схемы оптико-акустических газоанализаторов. Схема положительно-отрицательной фильтрации.

7. Однолучевые схемы с последовательно расположенными камерами лучеприемника.

8. Влияние состава заполняющего газа и температуры на метрологические характеристики оптической схемы с последовательными камерами. Модель влияния температуры на стабильность нуля.

9. Конструктивные особенности О А лучеприемника с последовательными камерами. Проблемы балансировки нулевого сигнала.

Ю.Измерительные схемы в оптико-акустических анализаторах

Выводы главы II

Глава III.

Применение микропроцессорных систем для обработки информации и управления работой оптико-акустического газоанализатора

1. Основные требования к измерительной схеме газоанализатора.

2. Особенности проектирования микроконтроллерных устройств управления объектами;

3. Осуществление основных функций газоанализатора при помощи микроконтроллера

3.1. Цифровое фазовое детектирование.

3.2. Обработка сигналов по схеме отношений.

3.3. Алгоритм цифровой фильтрации.

3.4. Компенсация температурной погрешности нуля.

3.5. Повышение стабильности нуля, автоматическая корректировка с помощью генератора нулевой смеси

Выводы главы III

Глава IV

Разработка микропроцессорного оптико-акустического газоанализатора на микроконцентрации ИФАН-М и исследование его характеристик

1. Конструкция оптико-акустического лучеприёмника ИФАН-М.

2. Экспериментальное исследование характеристик ИФАН-М.

2.1. Исследование светосилы измерительных кювет

2.2. Исследование переходного процесса макета ИФАН-М.

3. Состав и конструкция ИФАН-М;

4. Обеспечение стабильности нуля с помощью генератора нулевой 120 смеси;

5. Метрологические характеристики ИФАН-М.

6. Метрологическое обеспечение ИФАН-М. 126 Выводы главы IV

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Оксид углерода СО, сопутствующий продуктам сгорания топлива является одним из характерных загрязнителей окружающего воздуха. В силу его большой распространённости возрастает необходимость контроля содержания СО в воздухе производственных помещений, а также и в атмосферном воздухе. Пороговый уровень содержания оксида углерода в воздухе рабочих помещений составляет порядка 10 ррт, а в атмосфере городов с интенсивным движением автомобильного транспорта - от 5 до 15 ррт. Понятно, что при измерении столь малых концентраций к измерительным приборам (газоанализаторам) предъявляются повышенные требования по чувствительности, избирательности, стабильности и т.п.

При проектировании подобных приборов необходимо не только совершенствовать измерительную часть, но и шире использовать достижения современной микроэлектроники, а именно: проектировать прибор в комплекте с микропроцессорами, микродатчиками и т. п.

Указанные задачи следует решать не только при разработке приборов, реализующих новые методы анализа, но и при совершенствовании существующих анализаторов, работающих на базе известных методов, потенциальные возможности которых еще далеко не исчерпаны.

Включение в состав газоанализаторов процессорных средств (микропроцессоров) т. е. универсальной свободно программируемой техники с соответствующим программным обеспечением, позволило в последнее десятилетие создать новое поколение приборов - микропроцессорные аналитические приборы, состоящие из первичного измерительного преобразователя и измерительно-вычислительного средства на базе микропроцессора.

Одним из важнейших этапов проектирования газоанализаторов со встроенными микропроцессорами является этап математического моделирования, в результате которого формализуются наиболее общие алгоритмы и закономерности измерительного процесса. Формирование технологии проектирования приборов должно осуществляться на базе готовых технических средств, спроектированных с использованием прогрессивных способов преобразования сигналов аналитической измерительной информации.

Микропроцессор участвует с помощью соответствующих алгоритмов в расчете концентрации анализируемого газа, управлении аналитическим измерительным процессом, автоматической компенсации изменения давления, температурной погрешности и др.

Включение микропроцессора в измерительную цепь позволяет производить автоматическую поверку прибора, увеличивает надежность и обеспечивает самодиагностику неисправностей газоанализатора в процессе наладки и эксплуатации. Использование микропроцессоров и новых алгоритмов обработки позволит спроектировать ряд новых моделей аналитических приборов, способных решать широкий, круг задач аналитического контроля.

Работа выполнялась в соответствии с программой Министерства образования РФ «Экология и рациональное природопользование» (код проекта 02.01.088).

Цель работы

Целью работы является разработка приборов-анализаторов СО для оснащения городских постов экологического мониторинга, соответствующих современному техническому уровню.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

• Исследовать влияние конструктивных параметров лучеприёмника с последовательными камерами на основные метрологические характеристики (чувствительность, избирательность, балансировка нуля);

• Разработать алгоритмы схем отношений для несбалансированных сигналов;

• Разработать алгоритмы цифрового фазового детектирования сигнала с оптико-акустического лучеприёмника;

• Исследовать температурную зависимость сигналов лучеприёмника с последовательными камерами с целью введения температурной компенсации вместо термостатирования;

• Исследовать методы повышения избирательности при анализе малых концентраций оксида углерода.

Научная ценность.

• На основе функции интегрального поглощения и электроакустической аналогии предложены модели статической характеристики оптико-акустического газоанализатора с последовательными камерами.

• На основе функции интегрального поглощения и молекулярно-кинетической теории газов предложены модели влияния газов-разбавителей и температуры на характеристики газоанализатора.

• Разработана методика определения параметров балансировки сигналов лучеприёмника по экспериментальным данным и с применением синхронного детектирования.

• Исследованы характеристики генератора нулевой смеси в зависимости от расхода газа, температуры нагрева и объёма используемого катализатора.

• Разработаны алгоритмы и программное обеспечение газоанализатора, позволяющие автоматизировать процесс измерения оксида углерода и управление прибором.

Практическая ценность

• Предложена конструкция оптико-акустического лучеприёмника с последовательными камерами, позволяющая оперативно изменять основные конструктивные параметры (активные объёмы, пневматические сопротивления);

• На основе экспериментальных исследований были определены параметры генератора нулевой смеси, обеспечивающие высокую стабильность нуля и избирательность в течение длительного периода времени.

• Разработана схема микроконтроллера, реализующая основные функции прибора.

• На основании исследований разработан комплект конструкторской документации для серийного выпуска газоанализаторов на опытном производстве НПО "Химавтоматика"

Реализация

Изготовлен макет прибора, результаты его испытаний полностью подтвердили метрологические характеристики газоанализатора. Комплект конструкторской документации внедрён в опытное производство НПО "Химавтоматика", запущена партия опытных образцов в количестве 10 шт.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Четвёртой Международной теплофизической школе "Тепло-физические измерения в начале XXI века" (Тамбов, 2001 г.)

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, иллюстрируется рисунками, содержит таблицы, список литературы и приложение.

Основные выводы по работе

1. Проведён анализ и систематизация современных методов определения микроконцентраций СО в воздухе производственных помещений. На основе комплексного информационного критерия показано, что оптико-акустический метод является в настоящее время вполне конкурентоспособным по сравнению с остальными методами.

2. На основе функций интегрального поглощения проведено сопоставление различных оптических схем. Проведён анализ конструкции, технологических и метрологических характеристик. Получены аналитические выражения СХ, связанные с конструктивными параметрами схем.

3. Разработана конструкция лучеприёмника с последовательными камерами, позволяющая конструктивно менять соотношение активных объёмов камер.

4. Исследованы метрологические характеристики оптической схемы с последовательно расположенными камерами; проведена оптимизация параметров лучеприёмника по критерию минимального порога обнаружения.

5. На основе функции интегрального поглощения и молекулярно-кинетической теории газов предложены модели влияния температуры на стабильность нуля и чувствительность газоанализатора. Проведённые оценки показывают, что температурный сдвиг составил порядка 20% шкалы при изменении температуры на 10°С и может быть устранён с помощью термокомпенсации.

6. На основе функций спектрального поглощения исследована избирательность схемы лучеприёмника с последовательными камерами методами машинного моделирования; изучена зависимость избирательности к мешающим компонентам от концентрации заполнения лучеприёмника и содержания газов-разбавителей.

7. Предложены алгоритмы обработки выходного сигнала лучеприёмника по схемы отношений, что обеспечивает повышенную стабильность чувствительности схемы и нечувствительность к внешним параметрам; этот алгоритм можно рассматривать как обобщение фазового метода.

128

8. Методами машинного моделирования проведено исследование схем фазового детектирования в зависимости от уровня шумов, количества точек замера на период и для различных алгоритмов синхронного детектирования.

9. Разработана схема микроконтроллера, реализующее основные функции прибора:

• обработка выходного сигнала с помощью синхронного детектирования;

• реализация схемы отношений;

• компенсация влияния температуры и давления;

• адаптивные алгоритмы цифровой фильтрации;

• автоматическая корректировка нуля;

• управление работой прибора и диагностика неисправностей.

10.Разработана программа, позволяющая сохранить отношение сигнал/шум при заданном быстродействии и вычисление сумм в фоновом режиме.

11 .Разработана адаптивная система цифровой фильтрации 3-х уровней:

• усреднение в течение периода модуляции;

• усреднение по нескольким периодам;

• усреднение выходного значения концентрации.

12.Предложено и обосновано применение ГНС для автоматической корректировки нуля, что обеспечивает повышенную избирательности и стабильность.

13.Разработана конструкция и исследованы характеристики ГНС в зависимости от температуры, расхода газа и типа применённого катализатора.

14.Разработан комплект КД, по которому изготовлены 3 опытных образца микропроцессорного газоанализатора ИФАН-М.

15.Проведены испытания опытных образцов. По результатам проведённых испытаний можно сделать вывод, что газоанализатор ИФАН-М имеет существенно лучшие характеристики по сравнению с ИФАН-1 по избирательности, стабильности и порогу обнаружения. Комплект документации передан в опытное производство НПО "Химавтоматика" для серийного выпуска.

1. Анцупова Н.Ю. Широкодиапазонный оптико-акустический газоанализатор для контроля жизнедеятельности семян в условиях длительного хранения. М: МГУИЭ, дис. на соискание ученой степени кандидата технических наук, 1998.

2. Анализатор ULTRAMAT 3. Проспект фирмы "Siemens" (ФРГ), 1981.

3. Анализатор ULTRAMAT 4. Проспект фирмы "Siemens" (ФРГ), 1982, Т Е681/1040.

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

5. Бреслер П.И. Элементы теории и расчета оптико-акустических газоанализаторов на основе некоторых закономерностей поглощения инфракрасной радиации газами" в кн."Автоматические газоанализаторы" ЦИНТИЭлектропром. Москва, 1961 г. стр.21

6. Герасимов Б.И., Кораблев И.В., Козлов В.Р., Мищенко C.B. Методы и приборы экологического мониторинга. Тамбов: 1996. - стр.39.

7. Герасимов Б.И. Проектирование аналитических приборов для контроля состава и свойств веществ. М.: Машиностроение, 1984.-36с.

8. Герасимов Б.И., Глинкин Е.И. Микропроцессорные аналитические приборы. М. Машиностроение, 1989.

9. Горелик Д.О. Метрологическое обеспечение газоаналитических измерений. М.: Изд-во стандартов, 1976.- 72 с.

10. Ю.Горелик Д.О., Конопелько Л.А., Мониторинг загрязнения атмосферы и источников выбросов. М.: "Издательство стандартов", 1992.

11. ГОСТ 13320-81. Приборы газоаналитические промышленные автоматические непрерывного действия. Типы и основные параметры. Технические требования. М.: Изд-во стандартов: 1981.

12. Кораблев И.В., Колпаков М.В., Лосицкий И.Г., Рылов В.А. Об однолучевом оптико-акустическом газоанализаторе. М.: НИИТЭХИМ, в сб.ст. «Автоматизация химических производств», вып. 1, 1969.-стр. 97-101.

13. Кораблев И.В., Лосицкий И.Т., Мацнев В.М., Меламед А.Г. Рылов В.А. Применение метода ИК поглощения для анализа микропримесей вредных веществ в воздухе. Журнал Всесоюзного химического общества им. Д.И.Менделеева. 1970, т. 15,} 5 Стр. 537542.

14. Кораб лев И.В., Рылов В. А., Лосицкий И.Т., Меламед А.Г. Оптико-акустические газоанализаторы. М.: Приборы и схемы управления, т. 10, 1973. - стр. 38-40.

15. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. М.: Машиностроение, 1974.- 424 с.

16. Лосицкий И.Т., Рылов В.А. Исследование дифференциальных оптико-акустических приемников. М.: НИИТЭХИМ, в сб. "Автоматизация химических производств", вып. 4, 1966.- стр. 75-89.

17. Лосицкий И.Т., Рылов В.А. Некоторые вопросы теории однолучевого оптико-акустического газоанализатора, Сб."Автоматизацияхимических производств", Москва, НИИТЭХИМ, 1964, }3,4, стр.61-64.

18. Лосицкий И.Т.,Меламед А.Г.,Рылов В.А. Однолучевой ИК газоанализатор. В сб. "Автоматизация химических производств" (материалы научно-технической конференции 1967, сентябрь) НИИТЭХИМ, 1970. Стр. 84-87.

19. Лосицкий И.Т. Исследование и разработка однолучевых оптико-акустических газоанализаторов. М.: МИХМ, дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук, 1970.

20. Новицкий П.В. Основы информационной теории измерительных устройств. Л.: Энергия, 1968. - 348 с.

21. Преобразователь газоаналитический "Оазис". Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М., 1986.

22. Проспект фирмы "Оптэк" (Россия), 2001.

23. Проспект фирмы "S.A. Environment" (Франция), 2000.

24. Рылов В.А., Кораблев И.В., Гальцова Г.А. Изучение оптико-акустического метода анализа и исследование метрологических характеристик фазометрического газоанализатора ОАЗИС. М.: МИХМ, Методические указания, 1989.- 24 с.

25. Рылов В.А. Исследование избирательности оптико-акустических газоанализаторов. -М.:АХП, НИИТЭХИМ, вып.6, 1984.- стр. 18

26. Рылов В.А. Исследование схем оптико-акустических газоанализаторов повышенной избирательности. ЖПС, 46, вып.З, стр. 474, 1987

27. Рылов В.А., Гальцова Г.А., Анцупова Н.Ю. Моделирование метрологических характеристик однолучевых оптико-акустических газоанализаторов. М.: МГУИЭ, 1998.- 24 с.

28. Рылов В.А., Свиргун С.П., Шевчук А.И. Применение понятия канала и луча при структурном анализе схем оптико-электронных приборов.-М.: Автоматизация химических производств, т.4, 1980.-стр.46

29. Рылов В.А., Гальцова Г.А., Кораблев И.В. Изучение одноканальных схем оптико-акустических газоанализаторов и исследование метрологических характеристик газоанализатора КЕДР. М.: МИХМ, Методические указания, 1990. - 24 с.

30. Сташин В.В., Урусов A.B., Мологонцева О.Ф. Проектирование цифровых устройств на однокристалльных микроконтроллерах. М.: "Энергоатомиздат", 1990.

31. Тишин М.В., Рылов В.А., Анцупова Н.Ю. "Особенности конструкций оптико-акустических газоанализаторов для контроля оксида углерода в отходящих газах ТЭЦ" Труды МГУИЭ. М.: МГУИЭ, 1999.

32. Тишин М.В., Рылов В.А., Анцупова Н.Ю. "Особенности применения микропроцессорных устройств в оптико-акустическихгазоанализаторах на малые концентрации" Труды МГУИЭ. М.: МГУИЭ, 2000.

33. Тишин М.В., Рылов В.А., Анцупова Н.Ю. "Влияние неопределяемых компонентов на метрологические характеристики абсорбционных газоанализаторов" Труды IV Международной теплофизической школы "Теплофизические измерения в начале XXI века", Тамбов, 2001.

34. Тишин М.В., Рылов В.А., Анцупова Н.Ю. "О температурной зависимости дифференциальных оптико-акустических приёмников" Труды IV Международной теплофизической школы "Теплофизические измерения в начале XXI века", Тамбов, 2001

35. Тишин М.В., Рылов В.А., Анцупова Н.Ю. "Микропроцессорный оптико-акустический газоанализатор на микроконцентрации" (в печати)

36. I.Edwards D.K., Menurd W.A. Comparasion of Models for Correlation of Total Band Absorbtion. Appl.Opt. 1964, V.3, №5, p.621-625.

37. Goody R.M. QuartJoum.Roy.Met.Soc. 1952, V.78, p.336.

38. Landenburg R., Reiche F. Ann.d.Phys. 1913, V.42, №11, p.181-209.

39. Elsasser W.M. Heat transfer by infrared radiation in the atmosphere., Harvard Meteorol. Studies., №6, 1942.

40. Каталог "Dallas Semiconductor" (США), 1996.

41. Сошников B.H. Оптика и спектроскопия 1961, т.10, Т4, с.448.

42. Воднев В.В., Лосицкий И.П., Рылов В.А., Сорокин В.П. Однолучевой газоанализатор сред. Авт. свид. СССР , 587373, кл. П01, 21/02. Опубл. Бюл. изобр. 1, 1978.

43. Воднев В.В., Лосицкий И.П., Рылов В.А., Сорокин В.П. Однолучевой оптико-абсорбционный анализатор сред. Авт. свид. СССР, 531067, кл. ПО 1 21/02. Заявл. 15.02.72, 1784150. Опубл. 11.02.77

44. Кораблев И.В., Кулаков М.В., Рылов В.А., Трубин В.Е. О некоторых способах улучшения стабильности ИК-газоанализаторов. В сб.: Автоматизация химических производств" М., НИИТЭХИМ, 1972. Стр. 37-41.