автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Улучшение пороговых характеристик оптико-абсорбционных газоанализаторов на основе метода модуляции информативного параметра

Государственный комитет Российской Федерации ■ по высшему образованию

: Л10СК0ВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ХИМИЧРХКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

ПОПОВА ЕЛЕНА БОРИСОВНА

УЛУЧШЕНИЕ ПОРОГОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИКО-АБСОРБЦИОННЫХ ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ НА ОСНОВЕ МЕТОДА МОДУЛЯЦИИ ИНФОРМАТИВНОГО ПАРАМЕТРА

Специальность 05.11.13—Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена в Московской Государственной академии химического машиностроения.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кораблев И. В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Герасимов Б. И., кандидат физико-математических наук Рылов В. А.

Ведущая организация: Инженерный центр «Аквита» (г. Москва).

Защита диссертации состоится 1995 г.

в -¡^ час. на заседании диссертационного совета Д063.44.02 в Московской Государственной академии химического машиностроения по адресу: 107884, ГСП, Москва, Б-66, ул. Старая Басманная, дом 21/4, МГАХМ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан м » XI 199<3 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук,

доцент Г. Д. ШИШОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Защита природной среды от промышленных, сельскохозяйственных и бытовых загрязнений является одной из наиболее актуальных технических и социальных проблем. Для ее решения необходим, в частности, непрерывный контроль выбросов загрязняющих веществ, оценка их содержания в природной среде с последующим воздействием на источники выбросов с целью минимизации загрязнений до предельно-допустимого уровня. Задачи контроля природной среды решаются с помощью автоматизированных систем экологического мониторинга (АСЭМ). Требования к характеристикам средств измерений, используемых в АСЗМ, очень высоки и обусловлены сложностью объектов контроля (природной среды), характерными особенностями которых являются низкие на пределе обнаружения соответствующих аналитических методов уровни измеряемых величин, высокая размерность объектов контроля, высокий уровень помех, обусловленных главным образом, неконтролируемыми изменениями неинформативных параметров объекта. Поэтому наряду с точностью, предел обнаружения является важнейшей характеристикой приборов экологического контроля.

К числу широко используемых при экологических измерениях методов газового анализа относится оптико-абсорбционный, позволяющий определять концентрации различных веществ в широком диапазоне изменения концентраций. Высокая чувствительность и избирательность выгодно отличают его от других методов.

Вместе с тем известные оптико-абсорбционные газоанализаторы (ОАГ) характеризуются недостаточно высокими пороговыми.характеристиками, что является следствием используемого в них модуляционного метода измерения сигналов измерительной информации. Сущность модуляционного метода состоит в том, что модулируются неинформативные параметры информационного сигнала (обычно сравниваемые тем или иным способом потоки излучения).

Эта проблема может быть решена с помощью применения вместо широко используемой в настоящее время модуляции потока излучения, модуляции информативного параметра. На практике этот вид модуляции реализуется различными способами, одним из которых является периодическое изменение концентрации анализируемого .'газа

на пути потока излучения.

Решению проблемы улучшения пороговых характеристик ОАГ на основе методов модуляции информативного параметра и посвящена данная работа.

Работа выполнена в соответствии с комплексной научно-технической программой "Датчики" Госкомвуза РФ.

Цель и задачи работы. Целью работы является исследование способов улучшения пороговых характеристик оптико-абсорбционных газоанализаторов на основе метода модуляции информативного параметра.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

- выявить и исследовать основные факторы, влияющие на уровни пороговых характеристик ОАГ;

- провести сравнительный анализ метрологических (в том числе пороговых) характеристик ОАГ, реализованных на основе типовых измерительных схем;

- построить математические модели метрологических и пороговых характеристик ОАГ с модуляцией информативного параметра;

- разработать макет ОАГ с модуляцией информативного параметра с улучшенными пороговыми характеристиками;

- произвести сравнения пороговых характеристик ОАГ с модуляцией неинформативного и информативного параметров.

Научная новизна работы.

Построены математические модели метрологических и пороговых характеристик для достаточно широкого класса ОАГ с модуляцией неинформативного параметра, реализованных на основе типовых измерительных схем (прямого измерения, дифференциальной, логомет-рической), и показано, в частности, что уровень предела обнаружения ОАГ ограничивается аддитивной составляющей абсолютной погрешности средства измерения.

Построены математические модели метрологических и пороговые характеристик ОАГ с модуляцией информативного параметра (модуляция осуществляется путем изменения концентрации анализируемол газа в рабочей кювете) и показано, что по критерию минимума пре дела обнаружения эти ОАГ имеют значительные преимущества и

сравнению с обычными за счет существенного уменьшения уровня аддитивной погрешности газоанализатора в идеальном случае до уровня, определяемого собственными шумами фотодетектора абсорбцио-метра (теоретический предел обнаружения).

Осуществлена оптимизация параметров одноканального ОАГ с модуляцией информативного параметра, реализован макет этого ОАГ и экспериментально показано, что в сопоставимых условиях уровень предела обнаружения созданного прибора на порядок ниже, чем у дифференциального ОАГ с модуляцией потока излучения.

Практическая значимость.

Разработанные модели метрологических и пороговых характеристик ОАГ с модуляцией информативного и неинформативного параметров можно использовать как на стадии разработки приборов (задачи структурной и параметрической оптимизации создаваемого ОАГ), так и на стадии эксплуатации ОАГ. В частности, полученные результаты позволяют расширить сферу применения ОАГ с модуляцией информативного параметра за счет более полного охвата диапазона малых и микроконцентраций, что имеет существенное значение для решения задач экологического контроля.

Предложен вариант создания ОАГ, модуляция в котором осуществлялась за счет изменения давления анализируемой смеси в рабочей кювете прибора с помощью пневматической системы с регулируемой частотой модуляции.

Полученные экспериментальные результаты дали возможность снизить предел обнаружения ОАГ на порядок по сравнению с прибором в котором модуляция осуществлялась путем модуляции потока излучения.

Полученные в диссертационной работе результаты используются при подготовке специалистов по автоматизации аналитического контроля, а тагасе в разработке современных систем контроля НПО "Химавтоматика".

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

1.Первая научно-техническая конференция "Состояние и проблемы технических измерений" (г.Москва, МГТУ, 1994);

2.Вторая международная теплофизическая школа "Повышение эф-

фективности теплофизических исследований технологических процессов промышленного производства и их метрологического обеспечения" (г.Тамбов,1995);

З.На двух НТК, в Московской Государственной академии химического машиностроения в 1993 и 1995 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 4 работы: две статьи и тезисы докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех основных глав, выводов, списка литературы и приложения. Включает страниц машинописного текста, рисунков, таблиц, список литературы на 87 наименований.

На защиту выносятся:

' - математические модели метрологических и пороговых характеристик ОАГ с модуляцией информативного и неинформативного параметров и их сравнительный анализ;

- теоретические и экспериментальные обоснования преимуществ ОАГ с модуляцией информативного параметра по критерию минимума предела обнаружения;

- макет ОАГ с модуляцией информативного параметра с улучшенными, по сравнению, с прототипом пороговыми характеристиками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цели и задачи работы, приведены основные научные и практические результаты, полученные автором.

В первой главе представлена общая характеристика абсорбционного метода анализа газов, а также рассмотрены различные схемь ОАГ с модуляцией неинформативного параметра; исследованы их метрологические и пороговые характеристики; выявлены основные факторы, влияющие на уровни пороговых характеристик.

Одним из широко используемых при экологических измерения? аналитических методов является абсорбционный метод анализа газов, основанный на способности веществ избирательно поглощай электромагнитное излучение.

Основой этого метода является закон Бугера-Лаыберта-Беера, устанавливающий связь между интенсивностью 1о падающего и прошедшего I через поглощающую анализируемую среду толщиной 1 потоков излучения

I-I0e_D ; D-kxl (1)

где к - коэффициент поглощения анализируемого вещества на длине волны X; х - концентрация анализируемого вещества; D - оптическая плотность вещества.

Абсорбционные методы различаются в зависимости от того, используется или не используется в приборах, реализующих эти методы, спектральное разложение потоков: - дисперсионные или бездисперсионные.

В промышленном контроле в большинстве случаев используют бездисперсионные методы.

В настоящее время известно много различных схем построения абсорбционных газоанализаторов, которые классифицируются по ряду признаков, например, по числу используемых в приборе спектральных интервалов или каналов - К (один - 1К, двух - 2К, многоканальные - МК); по количеству используемых в анализаторе кювет или лучей -Л (1Л, 2Л, МЛ); по используемому в приборе способу обработки сигналов измерительной информации (схема непосредственной оценки - Н; дифференциальная неравновесная схема - Л; схемы отношений с использованием логарифмических усилителей - Л; комбинированная схема - К и др.); по способу модуляции параметра. По последнему признаку выделяют газоанализаторы с модуляцией информативного параметра и газоанализаторы с модуляцией неинформативного параметра. К первому типу относятся приборы, в которых модуляция осуществляется путем периодического изменения обобщенного информативного параметра D. Практически это достигается за счет модуляции любого из параметров (k, х, 1), через который выражается оптическая плотность D.

К второму типу относятся газоанализаторы с модуляцией потока излучения, которое осуществляется различными способами. Чаще всего используют прерывание потоков с помощью неселективного обтюратора.

Модуляция потоков может быть осуществлена и непосредственно путем изменения напряжения или тока питания источника излучения. Такие приемы используются в основном в газоразрядных и квантовых источниках радиации.

В последние годы получает все большее развитие новый класс ОАГ, основной особенностью которых является подача анализируемой смеси непосредственно в камеру оптико-акустического приемника (ОАП)

В работе получены модели метрологических и пороговых характеристик газоанализаторов с модуляцией неинформативного параметра.

Для ОАГ вида 1К1Л/Н статическая характеристика (СХ) имеет

вид:

У1(х)-и1Т(х.хн)-и1С1-2(х,хн)3 (2)

где 1 - относительная интегральная характеристика поглощения;

х„ - неинформативный параметр анализируемого объекта;

1)1 - обобщенный параметр газоанализатора, определяющий его выходной сигнал •при х-0.

Модель приведенной погрешности однолучевого ОАГ, обусловленная неконтролируемыми, относительно малыми, изменениями неинформативных факторов хн. иа,

/ч

5Хп1-йх/Хтах-(М-М)/БХтах"

1/2т{5и1Т(хо,хн)П^и1>+Л«г/2т+Щнл/Н5 (3)

Г-<

где Ът-Жтах.йЪ/йх. " относительное поглощение излучения анализируемой пробы, соответствующее максимальному значению измеряемой величины Хщах!

Дх~х*-х - отклонения показания прибора х* от действительного значения измеряемой величины х, обусловленные изменениями неинформативных факторов хн, 1)1, £,;

Нл-З/Бн^ - показатель избирательности газоанализа-

тора;

Знл'-и^/скнЗ !>?н - чувствительность прибора к 3-му неопределяемому компоненту; Шг - погрешность градуировки прибора по выходу;

Ши.Г) - абсолютная погрешность газоаналитического преобразователя по выходу, обусловленная ^ факторами III, символом ... обозначены номинальные значения соответствующих величин, равные, как правило, их математическим ожиданиям.

Пеовая группа слагаемых в ('31 определяет инструментальную погрешность газоанализатора, а слагаемое ЕСДхнз/Н.;) - погрешность, обусловленную недостаточной избирательностью прибора.

Для обеспечения линейности шкалы в промышленных ОАГ вводят ограничение ¿^0.2. При этом, для достижения заданной точности измерения, нестабильность 5111 параметра и! должна быть в 5-10 раз ниже уровня заданной погрешности прибора.

Но в промышленных условиях трудно обеспечить такую стабильность неинформативных параметров. Поэтому однолучевая схема используется лишь в лабораторных приборах, где перед каждым измерением осуществляется подстройка начала и конца диапазона измерения.

К числу важнейших характеристик газоанализатора относятся предел или .порог обнаружения. Под пределом обнаружения Хп понимается такое значение измеряемой величины х, при котором относительная погрешность 5х не превосходит заданного уровня 1/1

бхп-Дх/х<1/Ь ; Хп>ЬДх (4)

При пороговых измерениях обычно

Показано, что пороговые характеристики ОАГ определяются аддитивной составляющей погрешности прибора и в случае (3) для схемы 1К1Л имеют вид:

Хп1=№^х)-1Ь-(би1+г,/и1}- (5)

Современные абсорбционные газоанализаторы реализуются на базе более сложных структурно-избыточных схем, лучше защищенных от влияния основных мешающих факторов. К ним относятся, в част-

ности, дифференциальная, компенсационная и логометрическая схемы приборов.

Статическая характеристика дифференциального ОАГ имеет следующий вид:

W2(X)-UiT-U2+£2-Ui(1-Z)-U2+£,2 (б)

Приведенная к диапазону измерения погрешность дифференциального абсорбциометра равна:

5Xn2--5uJw!?c+5UiZ/Zm^2/t^ (7)

где Ivih.-uV. SU^-AUe/U«: Uc-"UiZm.

Первое и третье слагаемое в модели (7), независяще от текущего значения концентрации х, отображают аддитивную составляющую погрешности, а второе слагаемое - мультипликативную составляющую.

Предел обнаружения прибора имеет вид:

ХП2- CdZ/dx Г1 L {SUsUHJl+^/Ui > (8)

Следует отметить, что пороговые характеристики ОАГ определяются аддитивными составляющими погрешности и практически не зависят от мультипликативной погрешности.

Как известно, уменьшить уровень мультипликативной составляющей погрешности в ОАГ можно за счет использования алгоритмов отношения рабочего и сравнительного сигналов. Техническая реализация алгоритмов отношения в ОАГ осуществляется с помощью: 1) компенсационных измерительных схем; 2) различных вариантов лого-метрических схем, логометрических усилителей, в том числе фазо-метрических схем и др.; 3) цифровых вычислительных устройств,

реализуемых на базе микропроцессоров. Однако эти структурные

№

способы уменьшения погрешности в сопоставимых условиях^понижают аддитивную составляющую погрешности ОАГ. Поэтому пороговые уровни дифференциальной и логомегрической структур одинаковы и в сопоставимых условиях приблизительно на порядок ниже, чем у ОАГ вида 1К1Л/Н.

Во второй главе анализируются способы модуляции информатив-

ного параметра ОАГ; получены модели метрологических и пороговых характеристик ОАГ, в которых используется данный способ.

Как уже отмечалось, модуляция информативного параметра ОАГ может быть осуществлена путем периодического изменения любого из параметров анализируемой пробы, от которых зависит оптическая плотность.

Выделим в модели СХ ОАГ W(x) информативный параметр а, который образует с измеряемой величиной х комбинацию вида ах и допустим, что осуществляется модуляция параметра a(t) по закону a(t)-aotl+mf(t)], где ао - номинальное значение параметра, m -глубина модуляции, f(t) - периодическая функция времени. Для четной относительно t функции WCa(t)x]-W(x,t) ее разложение в ряд Фурье имеет вид:

W(x, t)-Wo (x)+EW]<cosko)t ; (9)

где Wo(x)-2/T?W(x,t)dt; о

Т/г

W^ (х)-4/тJW(x,t)coskwtdt; u-2ir/t; о

при m-0; W0|m=o-W; W|dm=0-0

Рассматривая свойства коэффициентов Фурье Wo и Wk, следует отметить, что Wo представляет собой СХ ОАГ с модуляцией неинформативного параметра, а амплитуда k-ой гармоники - СХ ОАГ с модуляцией информативного параметра. Обычно выбирается первая гармоника отклика W(x,t). При х-0 и заданном выше виде связи х и a(t), Wi(0)-0, что и обеспечивает более высокую стабильность нулевой точки шкалы ОАГ с модуляцией информативного параметра по сравнению с обычными приборами.

В простейшем случае использования в ОАГ структуры 1К1Л получим из (2) и (9) СХ соответственно непараметраческого Wo(x) и параметрического Wi(x) ОАГ в виде:

Wo-Ui[i-Zo(x)]+e,o ; Wi-UiZi(x)+*i (и)

Zo(x)-2/XlZ(X,t)dt ; Zi(x)-4/TÎZ(X,t)coswtdt; о о

- 10 -

где гСхД) - относительное изменение 1)1 под воздействием к и г"(и.

Известно несколько способов модуляции информативного параметра в ОАГ.

В способе, предложенном М.Л.Вейнгеровым и Мяо Цзядин, рабочая кювета выполнена в виде полого клина, сквозь который проходит поток излучения, пересекающий кювету в разных участках бла-* годаря вращающейся зеркальной перескопной системе. Недостатком этого прибора является модуляция толшины слоя окружающей кювету среды, в которой может содержаться вещество, имеющее спектр поглощения, совпадающий со спектром поглощения определяемого компонента.

Для устранения влияния мешающих факторов на показания прибора вводят выполненную в виде встречного клина сравнительную кювету, заполненную мешающим компонентом. В этом случае при соблюдении закона Бугера и при х-Ох модель СХ ОАГ принимает вид:

№(х, и-111ехр[-01 (и ]+£, ; ш-Оц/Ох (12)

где Ои-О^+тсоБыГ) ;

Оь Оц - оптические плотности образца при длине поглощающего слоя 1 и 1} соответственно.

Функции Ъ\ и а2{/<1х (1-0, 1) в этом (фотометрическом) режиме имеют вид:

Zo-.l-expL-DiJFf.niDx) ; 2х-2ехр[-0х]Рх (тОх) ; (13)

с1го/с1х-ехр[-Ох]-СГо(п£>х)"П^х(ш01)> ; (14)

агх/их-ехр [- Ох ] [Го (шБх )+Тг (п€х) ]-2?\ №1) > (15)

где Рк(тОх) - модифицированная функция Бесселя первого рода к-го порядка.

Анализ полученных СХ, а также приведенных в диссертации точностных характеристик ОАГ показал,что СХ ОАГ имеет экстремальный характер (Рис.1).Экстремальное значение оптической плотности Ощ-0хш(1+шсо511)1), поэтому ОАГ можно эксплуатировать в режиме 0х<0щ. Показано также, что точность параметрической системы выше, чем у

обычной, при соблюдении следующих условий т*1, ос<1, Вх< 1 (где ос - отношения показателей среднеквадратического отклонения (СКО) погрешностей, вызванных изменением неинформативного параметра Их ОАГ и действием аддитивного шума О-

В фильтрометрическом газоанализаторе (ФГА) модуляция осуществляется путем периодического изменения коэффициента поглощения, применяется эффект смещения длины волны максимального пропускания интерференционного фильтра от угла падения потока излучения на его поверхность. Периодическое изменение угла падения потока излучения на поверхность интерференционного фильтра обес: печивает выделение полос поглощения компонентов анализируемой газовой смеси в спектральном интервале сканирования.

Другой способ модуляции коэффициента поглощения - колебание маски в плоскости изображения спектру поглощения. Маска - специальная пластинка с чередующимися прозрачными и непрозрачными зонами, повторяющими положение линий поглощения в плоскости изображения на выходе спектрального прибора. Применение такого элемента, пропускающего излучение только на определенных участках спектра, соответствующих структуре спектра поглощения определяемых атомов или молекул, позволяющих ослабить влияние на результаты любых примесей, спектр поглощения которых мало соответствует по структуре анализируемым.

Известен способ модуляции за счет изменения количества молекул определяемого компонента (т.е.концентрации анализируемой смеси) на пути потока излучения. Этот способ может быть выполнен как периодической подачей в рабочую кювету то анализируемой, то сравнительной смеси, так и путем- изменения давления газа в рабочей кювете с помощью пневматического генератора.

В этом случае, модель СХ 1К1Л ОАГ с модуляцией информативного параметра в характерном для экологического контроля режиме ЕК1 (х-Б) имеет вид:

>?1-и1ехр[-0 (й+шсоэшЬ) ]-иФН1 (16)

где III - сигнал рабочего канала; и® - фоновый сигнал прибора.

В приближении пС)1<1:

- 12 -^1~и1ехрС-0]шБ-

Приведенная погрешность прибора имеет вид:

5ХП1-5исБ/От- бифиф/ (истехр С-Б] (исшехрС-0]; (18) Ус -Бтицпехр [-И сШ/с1х

где ис - рабочий сигнал по выходу газоанализатора.

_Предел обнаружения газоанализатора имеет вид:

Хп1-^С^х]_1ибифифЛ?1П1ехр[-0]+^1/(и1Шехр[-0]} (19)

Проводится сравнение погрешностей дифференциального ОАГ с модуляцией неинформативного параметра и недифференциального ОАГ с модуляцией информативного параметра. Показано, что мультипликативные составляющие погрешности сравниваемых ОАГ в сопоставимых условиях одинаковы. Таким образом, отличие заключается в аддитивных составляющих, определяющих пороговые характеристики приборов.

В третьей главе представлены результаты разработки макета оптико-абсорбционного газоанализатора с модуляцией информативного параметра с улучшенными пороговыми характеристиками;

Для исследования пороговых характеристик оптико-абсорбционного газоанализатора с модуляцией информативного параметра была разработана экспериментальная установка на базе дифференциального оптико-акустического анализатора с модуляцией неинформативного параметра "Кедр" со шкалой 0-10% СН4 (измерительная схема 1К2Л/Д), который предназначен для непрерывного измерения объемной концентрации СН4, в технологических газовых смесях.

Чтобы осуществить модуляцию информативного параметра путем периодического изменения давления газа в рабочей кювете, было разработано пневматическое устройство, которое перекрывало подачу анализируемого газа в рабочую кювету газоанализатора с регулируемой частотой. Пневматический модулятор состоит из трех реле трехмембранного типа. Одно из них является генератором задающих импульсов, с помощью другого осуществляется подключение вакуумного насоса, откачивающего анализируемый газ из рабочей кюветы.

Третье в это время перекрывает поступление газа в кювету газоанализатора. В результате этого осуществляется изменение давления в рабочей камере прибора с регулируемой частотой модуляции от 1 до 6 Гц. Рабочий сигнал ОАГ в режиме одноканальной однолучевой схемы 1К1Л/П с модуляцией информативного параметра снимался с платы преобразователя ОАП.

Осуществлялась оптимизация режима работы ОАГ с модуляцией информативного параметра по критерию максимума чувствительности по таким параметрам, как частота модуляции, среднее разряжение в ресивере на выходе рабочей кюветы ОАГ, расход газа и др.

Проведенные исследования показали, что оптимальный режим работы газоанализатора с модуляцией информативного параметра при постоянном расходе соответствует наименьшей частоте, которую возможно достичь без искажения сигнала (в данном случае - 1 Гц). Получены статические и метрологические характеристики макета ОАГ вида 1К1Л/П с модуляцией информативного параметра.

Для выполнения сравнительных измерений пороговых характеристик ОАГ на газоанализаторах с модуляцией информативного и неинформативного параметров стандартный газоанализатор "Кедр" был модифицирован, что позволило, в частности в режиме 1К2Л/Д, изменять частоту вращения неселективного обтюратора в интервале 1-6Гц. С этой целью был использован синхронный двигатель, частота вращения вала которого изменялась путем уменьшения напряжения питания.

Сравнение пороговых характеристик ОАГ вида 1К1Л/П и 1К2Л/Д удобно производить на основе отношения ХП2/Хп1- Подставляя в это отношение выражения (8), (19) ~и пренебрегая шумовыми составляющими £,1/и1П, £,2/и1Д, найдем в режиме ЕК1, т-1, что

Хп2/Хп1" Шфд/^сд) / (Яп/'исп) (20)

Полученные экспериментально зависимости иф/ис от частоты модуляции Г для сравниваемых ОАГ приведены на Рис.2. Видно, что при максимально достигаемой глубине модуляции параметра (т-1) выигрыш по порогу обнаружения в случае ОАГ вида 1К1Л/П должен составить почти два порядка на нижней частоте модуляции. Экспериментально полученное значение отношения ХП2/ХП1 составило 16.5 на частоте модуляции 2Гц и слабо уменьшается с ростом частоты.

- 14 -

СХ оптико-абсорбционных газоанализаторов вида 1К1Л с модуляцией информативного (1) и неинформативного (2) параметров для ш-1 (сплошная линия) и ш-0.1 (пунктирная

линия)

У

Ю~ч АО'3 № Ю'1

Рис.1.

Зависимость отношения рабочего сигнала к фоновому от частоты'модуляции информативного (1) и неинформативного (2) ЦД^л параметров

№ то 80 60

40, 4 г О

Рис.2.

Различие модельных и экспериментальных значений ХП2/ХП1 объясняется двумя факторами:

- реально достигнутое значение ш<1;

- влиянием шумового слагаемого ед/ис на уровень Хп.

Таим образом, на той же базе рабочей кюветы удается снизить уровень предела обнаружения ОАГ, за счет использования метода модуляции информативного параметра, более, чем на порядок (Хп1«1.5*10"2 £об.) по сравнению с ОАГ вида 1К2Л/Д %об.).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Построены математические модели метрологических и пороговых характеристик оптико-абсорбционных газоанализаторов с модуляцией неинформатиЕНого параметра, реализованных на основе типовых измерительных схем (прямого измерения, дифференциальной, ло-гометрической), и показано, что уровень предела обнаружения оптико-абсорбционного газоанализатора ограничивается аддитивной составляющей абсолютной погрешности средства измерения. Поэтому пороговые уровни дифференциальной и логометрической структур одинаковы и в сопоставимых условиях приблизительно на порядок ниже, чем у одноканального однолучевого газоанализатора.

2.Построены математические модели метрологических и пороговых характеристик оптико-абсорбционного газоанализатора с модуляцией информативного параметра (модуляция осуществляется путем изменения концентрации анализируемого газа в рабочей кювете) и показано, что по критерию минимума предела обнаружения эти приборы имеют значительные преимущества по сравнению с обычными за счет существенного уменьшения уровня аддитивной погрешности газоанализатора в идеальном случае до уровня, определяемого собственными шумами фотодетектора абсорбциометра (теоретический предел обнаружения).

3.Предложен вариант создания оптико-абсорбционного газоанализатора, модуляция в котором осуществлялась за счет изменения давления анализируемой смеси в рабочей кювете прибора с помощью пневматической системы с регулируемой частотой модуляции.

4.Осуществлена оптимизация параметров одноканального оптико-абсорбционного газоанализатора с модуляцией информативного параметра, реализован макет этого прибора и экспериментально по-

казано, что в сопоставимых условиях уровень предела обнаружения созданного газоанализатора на порядок ниже, чем у дифференциального оптико-абсорбционного газоанализатора с модуляцией потока излучения.

Основные положения и результаты диссертации изложены в следующих работах:

1.Попова Е.Б., Кораблев И.В. О совершенствовании оптико-абсорбционных газоанализаторов для контроля выбросов. Экология промышленного производства/ВИШ, 1995, вып.1, с.26-27.

2.Попова Е.Б., Кораблев И.В. Улучшение метрологических характеристик оптико-абсорбционного газоанализатора для контроля выбросов. Химическая промышленность, №5-6, 1995.

3.Первая научно-техническая конференция "Состояние и проблемы технических измерений" (г.Москва, 1994);

4.Вторая международная теплофизическая школа "Повышение эффективности теплофизических исследований технологических процессов промышленного производства и их метрологического обеспечения" (г.Тамбов,1995).