СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МИКРОКОНЦЕНТРАЦИЙ ГОРЮЧИХ И ТОКСИЧНЫХ ГАЗОВ

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способу обнаружения микроконцентраций горючих газов задолго до образования взрывоопасной смеси с воздухом, токсичных и других газов задолго до образования опасных для жизни концентраций, и может быть использовано в решении задач мониторинга зон с возможными утечками этих газов.

В настоящее время в поисковых системах Интернета (Google, Yandex) можно обнаружить большое число предложений приборов газоанализаторов для широкого спектра горючих и токсичных газов. Так, в работах [1, 2, 3, 4, 5, 6] приведены параметры газоанализаторов, работа которых основана на селективном поглощении газами углеводородной группы излучения инфракрасного (ИК) диапазона с длиной волны 2÷5 мкм. Обнаружение токсичных и других газов опасных для человека, основанное на селективном поглощении этими газами ИК излучения, также возможно предлагаемым способом.

В дальнейшем анализ возможной реализации предлагаемого способа будет производиться на примере обнаружения горючих газов углеводородной группы в диапазоне длин волн ИК излучения 2÷5 мкм.

В работе [7], в которой также используется абсорбированное поглощение длин волн в указанном диапазоне, предложено повышение точности измерения концентрации газов и повышение надежности работы за счет исключения механических подвижных частей в приборе.

Описанный в [7] ИК газоанализатор может быть принят в качестве прототипа (аналога) предлагаемого способа по техническому исполнению и достигаемому результату.

Недостатком прототипа, как и многих анализаторов из [1, 2, 3, 4, 5, 6] является невысокая чувствительность при обнаружении горючих газов (не превышает 2·10^-3 атм, что в 10 раз меньше взрывоопасного уровня). Этот недостаток вызван в основном маленькими размерами контролируемого объема (малым расстоянием ИК излучатель - ИК приемник).

Другим недостатком прототипа является сложность оптических систем прохождения рабочего и опорного ИК лучей, а также наличие двух ИК приемников при регистрации этих лучей, шумовые характеристики которых могут быть близки, но никогда не совпадают. Последний недостаток важен при регистрации микроконцентраций токсичных газов.

Недостатком газоанализаторов с ИК излучателем в виде He-Ne-лазера является большой вес и высокая стоимость этих приборов.

Техническим результатом предлагаемого способа является устранение перечисленных недостатков прототипа.

Обнаружение утечек горючих газов задолго до образования взрывоопасной смеси с воздухом не менее 0,0002 атм включает в себя операции пропускания двух близких по значению инфракрасных (ИК) излучений на рабочей λ_раб и опорной λ_опор длинах волн через контролируемый объем, в котором излучение на λ_раб горючие газы поглощают, а на λ_опор не поглощают, при этом выходные сигналы ИК приемника, на который воздействует излучение на λ_раб и λ_опор, формируют системой обработки информационный сигнал о наличии утечки и ее масштабе. В соответствии с предложением ИК излучения на длины λ_раб и λ_опор осуществляют двумя полупроводниковыми излучателями, которые работают в импульсном режиме и которые располагают рядом друг с другом так, что оси излучателей направляют на центр ИК приемника, а расстояние ИК излучатели - ИК приемник образует контролируемое пространство, при этом оба ИК излучателя снабжают интерференционными фильтрами, которые «сужают» спектр излучения, а сами излучения фокусируют в плоскости приема этих излучений так, что размер сфокусированных излучений устанавливают из условия D_изл≤5 D_пр, длительности импульсов излучения на λ_раб и λ_опор равны друг другу, Δt_раб=Δt_опор, а тактовую частоту F_т, которая задает импульсный режим работы, устанавливают тактовым генератором из равенства

при этом ИК излучатель на λ_раб запускают тактовыми импульсами от генератора напрямую, а излучатель на λ_опор запускают тактовыми импульсами, которые задерживают на время в диапазоне

и обеспечивают временное разнесение импульсов ИК излучения на λ_раб и λ_опор, а выходные импульсные сигналы ИК приемника подают на входы двух усилителей, которые закрыты по входу в исходном состоянии и их открывают синхронно с появлением выходных импульсов ИК приемника, для чего усилитель на λ_раб открывают тактовыми импульсами напрямую от генератора, а усилитель на λ_опор открывают тактовыми импульсами, которые задерживают на время Т_зад, при этом время работы усилителей устанавливают равным 0,9 Δt_раб, а выходные сигналы усилителей сравнивают в схеме сравнения, для чего выходной сигнал усилителя на λ_раб задерживают на время Т_зад; где D_изл и D_пр - соответственно размер сфокусированных излучений на λ_раб и λ_опор в плоскости ИК приемника и размер входного окна приемника, Т_т - период повторения тактовых импульсов, q - скважность импульсного режима.

Еще в одном варианте предложенного способа общее время работы Т_сис ограничивают по времени в соответствии с выражением

а схему сравнения снабжают функцией накопления разностных сигналов, которые возникают на каждом периоде Т_т, число которых задают равным N.

В дальнейшем пояснение при обосновании реализации предложенного способа подтверждается чертежами.

Фиг. 1 - спектральные характеристики рекомендуемых ИК излучателей серии ИЛ 151 А на Δ_раб=3,39 мкм и λ_опр=3,0 мкм;

Фиг. 2а - упрощенная блок-схема ИК излучателей,

где 1 и 2 - излучатели на λ_раб и λ_опор,

3 и 4 - оптические фильтры на λ_раб и λ_опор,

5 и 6 - фокусирующие линзы РЖ диапазона,

7 и 8 - формирователи импульсов, которые запускают (включают) излучатели 1 и 2,

9 - линия задержки на время Т_зад,

10 - тактовые импульсы;

Фиг. 2б - временная диаграмма работы блока ИК излучателей;

Фиг. 3 - спектральные обнаружительные способности рекомендуемых фотоприемников серии РД-36 и РД-43;

Фиг. 4а - упрощенная блок-схема ИК приемника,

где 11 - фотоприемник серии РД-36 или РД-43,

12 и 13 - усилители выходных сигналов фотоприемника (закрытых в исходном состоянии),

14 и 15 - электронные ключи, отпирающие усилители 12 13 синхронно с приходами на их входе сигналов фотоприемника,

16 - генератор тактовых импульсов с частотой FT (периодом повторения Т_т),

17 - схема сравнения выходных сигналов с усилителей 12 и 13,

18 - усилитель разностного сигнала со схемы сравнения,

19 - индикаторный блок с указанием измеренного уровня концентрации токсических газов в контролируемом объеме;

Фиг. 4б - временная диаграмм работы блока приемника.

Возможность практической реализации предложенного способа далее обосновывается на примерах смеси углеводородов с воздухом. Нижний предел взрывоопасности для таких газов составляет ~2%, то есть при атмосферном давлении опасной считается добавка этих газов (от метана до бутана) в количестве 0,02 атм, как указано [8, 9].

Предлагаемый способ базируется на следующих исходных данных:

- коэффициент поглощения ИК излучения α углеводородами колеблется от 7 см^-1 атм^-1 до 23 см^-1 атм^-1, что позволяет использовать для расчетов среднее значение поглощения - 15 см^-1 атм^-1 [10];

- поглощение ИК излучения подчиняется закону Бугера-Бера [11] вида

где Р_о и Ρ - соответственно мощность ИК источника излучения и мощность этого излучения на расстоянии L от источника.

В таблице 1 приведены расчетные значения отношения Р/Р_о при различных значениях α и L, при этом содержание углеводородов в воздухе выражено в % и в давлении. Отметим, что содержание горючих газов в воздухе равно 0,2% (2·10^-3 атм), в 10 раз меньше взрывоопасного уровня, содержание, равное 0,02% (2·10^-4 атм), - в 100 раз меньше взрывоопасного уровня и содержание 0,002% (2·10^-5 атм) - в 1000 раз меньше взрывоопасного уровня, что соответствует нормальному их содержанию в атмосфере.

Из табл.1 следует, что с увеличением расстояния прохождения ИК излучения в воздухе L отношение Р/Р_о уменьшается, что свидетельствует о росте поглощения мощности в воздухе с различным содержанием горючих газов.

Так, при L=100 см поглощение при содержании газов, равном 2·10^-4 и 2·10^-5 атм, составляет соответственно 0,26 Р_о и 0,03 Р_о. Конечно, первое значение поглощения ИК излучения зарегистрировать значительно проще, если Р_о имеет достаточно большое значение.

Таким образом, целесообразным следует считать расстояние L между ИК измерителем и ИК приемником при реализации предложенного способа в переносном конструктивном исполнении не менее 100 см.

В качестве ИК излучателей авторы предлагают использовать разработанные и производимые на предприятии ОАО НИИ «Гириконд» (г. Санкт-Петербург) малогабаритные быстродействующие полупроводниковые ИК излучатели серии ИЛ 151 А на основе фрактально структурированных нанокомпозитных пленок соленида свинца и твердых растворов на его основе.

Спектральные характеристики предложенных ИК излучателей приведены на фиг. 1, а характеристики источников излучения в таблице 2 (из [12]).

Длина волны излучения, соответствующая максимуму излучения (то есть фотолюминесценции), находится в прямой зависимости от полупроводникового материала и метода изготовления излучающей пленки. Из фиг. 1 и табл.2 следует, что для предлагаемого способа следует использовать для рабочей длины волны λ_раб=3,39 мкм излучатель ИЛ 151 А-В с концентрацией CdSe в твердом растворе Pb_1-xCd_xSe, равной 10%, и излучатель на λ_опр=3,0 мкм с концентрацией CdSe, равной 20%. Так как ширина спектра поглощения токсичными газами в среднем составляет 20-60 нм [10, 13], то рекомендованный излучатель на λ_раб необходимо снабдить оптическим интерференционным фильтром, который «сужает» излучаемый спектр (без фильтра спектр на полувысоте составляет 500 нм из табл. 2). Фильтр представляет собой кремниевую пластину толщиной 380 мкм с двусторонним многослойным оптическим покрытием. Ширина спектра узкополостного интерференционного фильтра составляет 40 нм при пропускании не менее 0,7.

Предлагается и на ИК излучателе на λ_опор установить аналогичный узкополостной фильтр на 3,0 мкм с шириной спектра излучателя 40 мкм и пропусканием не менее 0,7, что существенно упростит настройку на ноль измерительной системы.

Важным при реализации способа является возможность изготовления упомянутых фильтров по специальному заказу на том же предприятии «Гириконд».

Полный угол ИК излучения в приборах серии ИЛ 151 А можно принять равным 40° по аналогии с другими ИК излучателями, выпускаемыми в корпусе КТ-2 (см. [12]) предприятия «Гириконд».

При рекомендованном расстоянии РЖ излучатели - ИК приемник L=100 см и угле излучения 40° излучатели в плоскости приемника формируют пятно диаметром ~73 см. При приемной площадке приемника, например, равной ~4·10^-2 см на нее в этом случае поступает излучение ~10^-5 от излучающей мощности Р_о. С учетом других потерь Р_о, о которых будет указано далее, необходимость фокусировки на λ_раб и λ_οпοр является обязательной. В предложенном способе размер сфокусированных ИК излучений D_изл на λ_раб и λ_опор рекомендуется привязать к размеру входного окна ИК приемника D_пр, а выражение для этой связи будет предложено далее в описании.

Таким образом, каждый излучатель следует также снабдить фокусирующей германиевой линзой [11]. При этом оба излучателя на λ_раб и λ_опор располагают рядом друг с другом (возможно касание корпусов), но существенным при конструктивном исполнении устройства, реализующего предлагаемый способ, является следующее - оси излучателей и излучений направляют на центр ИК приемника. Для упрощения исполнения этого требования предлагается ИК излучатели и ИК приемник размещать на единой жесткой опоре с конструктивными элементами, которые при смене приемников и излучателей обеспечивают выполнение указанного требования.

Как следует из таблицы 2, максимальную мощность излучения позволяет реализовать импульсный режим излучения, который рекомендуется авторами.

На фиг. 2а представлена блок-схема работающих в импульсном режиме ИК излучателей, где под 1 и 2 обозначены излучатели на λ_раб и λ_οпοр, которые снабжены узкополосными оптическими фильтрами 3 и 4 и фокусирующими линзами 7 и 8. Излучатели 1 и 2 включают формирователи импульсов 7 и 8, которые запускают тактовыми импульсами от генератора. Для временного смещения импульсов излучения на λ_раб и λ_опор излучение на λ_опор задерживают на время Т_зад, для чего тактовые импульсы 10 запускают формирователь импульса 8 через линию задержки 9. Так как рекомендуемые ИК излучатели должны работать в импульсном режиме с известными характеристиками (см. табл. 2), то эти характеристики и являются рабочими. Поэтому длительность излучения на λ_раб и λ_опор следует устанавливать равными Δt_раб=λt_опор=100 мкс. Рекомендуемая скважность излучений q=200, тактовая частота F_т тактового генератора оказывается равной

где Τ_т - период повторения импульсов.

Значение F_т может изменяться (для данных табл. 2 в связи с этим и импульс излучения может быть длительностью, меньшей 100 мкс, и скважность q может быть больше значения 200 (при этих изменениях параметры излучений не изменяются).

Если длительность ИК излучения λt_раб и λt_опор взять из табл. 2, то время задержки Т_зад авторы предлагают равным Т_зад=(0,4÷0,6) Т_т. В этом случае при с задержка Т_зад=(8÷12)·10^-3 с и при ее среднем значении Т_зад=0,5 Т_т импульсы излучения на λ_раб и λ_опор окажутся разведенными по времени и будут восприниматься ИК фотоприемником как импульс с частотой 100 Гц. Предложенный диапазон изменения задержки Т_зад связан с тем, что временной интервал между импульсами излучения меньше 0,4 Т_т (то есть меньше 8·10^-3 с), по мнению авторов, может вызвать затруднения при приеме таких импульсов фотоприемником.

На фиг. 2б приведена описанная выше временная диаграмма работы блока излучателей. Каждая диаграмма изображает положение основных импульсов в главных точках схемы на временной оси:

т.А - импульсы тактового генератора,

т.В - тактовые импульсы, задержанные на Т_зад и иллюстрация положения импульсов излучения на λ_раб и λ_опор на временной оси.

В качестве приемника излучений на λ_раб и λ_опор предлагаются фотоприемники ИК диапазона, которые выпускает компания ООО «АИБИ» (IBSG Co.Ltd) в сотрудничестве с лабораторией ИК оптоэлектроники ФТИ им. А.Ф.Иоффе (г. Санкт-Петербург). На фиг. 3 представлены спектральные распределения обнаружительной способности выпускаемых фотоприемников серии РД-36 или РД-43, у которых чувствительная площадка составляет 2×2 мм, а обнаружительная способность составляет либо 5·10⁹ Вт^-1, Гц^1/2, см для РД-36, либо 7·10⁸ для РД-43.

Достоинствами предлагаемых фотоприемников следует считать:

- высокое быстродействие,

- высокое значение обнаружительной способности,

- комнатная температура работы.

Так как фотоприемники указанной серии, выполненные в корпусе ТО-5 или ТО-8, имеют внешний размер 1÷2 см (это размер D_пр), то фокусирующие пятна излучений на Δ_раб и λ_опор диаметром D_изл в зоне ИК фотоприемника предложено устанавливаться выражением

Например, при D_пр=1 см пятно D_изл не должно превышать 5 см.

Мощность излучения, которая воздействует на фоточувствительный элемент фотоприемника площадью 4·10^-2 см² при приеме импульсных ИК излучений на λ_раб и λ_опор определяется из выражения

где Р_о - мощность излучения; Κ₁ - коэффициент пропускания λ_раб и λ_опор узкополостными оптическими фильтрами (K₁=0,7); К₂ - коэффициент пропускания излучений фокусирующей линзой (К₂≅0,35); К₃ - коэффициент, учитывающий площадь приемной площадки и размер пятна излучений в зоне ИК приемника (например, при D_изл=5 см, Κ₃=5,1·10^-4); К₄ - коэффициент, учитывающий возможное увеличение ширины спектра излучения на λ_раб и

λ _опор, равной 40 нм, и истиной ширины поглощения углеводородами (примем К₄≅0,5).

Подставив исходные значения коэффициентов при Ρ_ο=1,2·10^-3 Вт, мощность ΔΡ_пр на приемном элементе фотоприемника оказывается равной ~7,5·10^-8 Вт, что на порядок превышает обнаружительную способность фотоприемника РД-36 и, следовательно, обеспечивает надежную регистрацию импульсных излучений на λ_раб и λ_опор·

В предложенном способе присутствие горючих газов в контролируемом пространстве обнаруживают и определяют их концентрацию после установления нуля на шкале отсчета. Этот ноль устанавливают, когда в контролируемой зоне токсичные газы отсутствуют, и выходные сигналы фотоприемника от импульсов на λ_раб и λ_опор оказываются равными друг другу. В схему сравнения эти сигналы должны поступать одновременно, для чего выходной сигнал от λ_раб следует задержать на то же время задержки Т_зад.

Таким образом, предлагается следующая работа блока ИК приемника, условная схема которого представлена на фиг. 4а. На фиг. 4а под 11 представлен фотоприемник серии РД-36, выходные сигналы которого поступают на два усилителя 12 и 13, закрытых по входу в исходном состоянии. Усилители открывают синхронно с поступлением выходных сигналов фотоприемника электронными ключами 14 и 15, которые запускают тактовыми сигналами от тактового генератора 16 с частотой F_т. При этом тактовые сигналы на электронный ключ, которые открывают усилитель на λ_опор, подают через линию задержки 9, т.е. задерживают на время Т_зад. Электронные ключи открывают усилители на время, равное 0,9Δt_paб, т.е. с задержкой на время 0,1Δt_раб импульсов электронных ключей 14 и 15 относительно момента прихода на усилители выходных сигналов фотоприемников. Такая задержка, по мнению авторов, необходима для исключения влияния переходных процессов во входных цепях усилителей 12 и 13 при поступлении переднего фронта выходного сигнала фотоприемника на работу схемы сравнения 17.

Одновременность поступления выходных сигналов усилителей в схему сравнения обеспечивают включением в цепь усилителя на на λ_раб линии задержки 9 на время Т_зад. Разностный сигнал со схемы сравнения усиливают усилителем 18 до уровня, который необходим для индикаторного блока 19, формирующего шкалу измерения концентрации обнаруженных горючих газов.

Временная диаграмма работы блока приемника представлена на фиг. 4б, где каждая диаграмма изображает положение основных импульсов в главных точках схемы на временной оси: т. Ρ - выходные импульсы с фотоприемника, т. Ε - тактовые импульсы тактового генератора 16, т. F и т. Μ - соответственно импульс электронного ключа 15, открывающего усилитель на λ_опор 13 и выходной сигнал усилителя 13, т. N - выходной сигнал усилителя на λ_раб 12, т. Ρ - разностный сигнал на выходе схемы сравнения (18). В кружках на диаграммах в увеличенном виде показано смещение по времени на 0,1Δt_paб относительно прихода сигналов фотоприемника (t.D) импульсов электронных ключей, открывающих усилители 12 и13 на время Δt_раб.

Максимальный выходной сигнал на выходе схемы сравнения 17 получают, когда одно из излучений на λ_раб или на λ_опор отсутствует. Как уже отмечалось, при отсутствии горючих газов ноль шкалы измерения концентрации определяют при равенстве мощности излучения на λ_раб и λ_опор и равенстве выходных сигналов с фотоприемника, идентичности и равенстве характеристик усилителей 12 и 13.

Если при регистрации концентрации горючих газов в 46% или 26% от максимального значения не представляет сложности для специалистов в области электронной схемотехники, то регистрация уровней концентрации 3÷5% сложна.

Регистрацию и измерение таких низких концентраций предлагается осуществлять, ограничивая общее время регистрации величиной Т_сис, которую предложено определять из выражения

где Ν - число импульсов со схемы сравнения, несущих информацию о наличии горючих газов. Например, если задать число таких импульсов N=200, то общее время Т_сис=2 с. Схему сравнения в этом случае следует снабдить функцией накопления разностного сигнала. Подобные накопления используются в аналоговом телевидении, когда строчные синхроимпульсы накапливаются в емкостном накопителе (через диодный ключ) до значения, которое по времени накопления соответствует времени кадровой развертки и моменту ее включения. Определяющим условием накопления таким образом разностного сигнала является стабильность работы ИК излучателей, усилителей сигналов фотоприемника и их порогов, определяющих нулевое значение шкалы отсчетов.

Предложенный импульсный режим работы, ограничение времени измерения низких уровней концентрации токсичных газов Т_сис, ограничение по времени работы усилителей выходных сигналов фотоприемника Δt_раб, по мнению авторов, позволит осуществить регистрацию токсичных газов с концентрацией 2÷10^-5 атм.

Схемы сравнения, усилители разностного сигнала и блок формирования информации о содержании горючих газов (на фиг. 4а элементы 17, 18 и 19) для их содержания до 2·10^-4 атм могут быть заимствованы у действующих газоанализаторов, указанных в работах [1÷6]. Для измерения концентраций токсичных газов до 2·10^-5 атм могут быть рекомендованы методы и схемы, которые применяют при исследовании далекого космоса, связанные с регистрацией фотонов и накопления этих сигналов в условиях сигнал/шум меньше единицы.

Достоинством предложенного способа следует считать достижение указанного технического результата, а именно:

- регистрация и измерение в контролируемом пространстве низких уровней содержания токсичных газов углеводородной группы от 2·10^-4 атм (в 100 раз ниже взрывоопасного уровня) до 2·10^-5 атм (в 1000 раз ниже взрывоопасного уровня, которое практически соответствует нормальному присутствию горючих газов в атмосфере);

- малый вес и габариты устройства, реализующего предложенный способ;

- идентичность РЖ излучателей и фокусирующих линз на λ_раб и λ_опор;

- идентичность формирователей импульсов, усилителей сигналов фотоприемника, электронных ключей, открывающих усилители, линий задержки на Т_зад.

Таким образом, по мнению авторов, предложен способ обнаружения горючих газов задолго до образования взрывоопасной смеси с воздухом и токсичных газов задолго до образования опасных для жизни концентраций.

Использованная литература

1. П.И.Бреслер «Оптические абсорбционные газоанализаторы и их применение» - Л.: «Энергия», Ленин., отд., 1980 г.

2. «Газоанализаторы - течеискатели горючих газов, природного газа», производственно-коммерческая группа «Гранат», http://granat-e.ru/catalog-gtggpg.html; E-mail: mailto:marketing@granat-e.ru.

3. «Увидеть небольшие утечки углеводородов с безопасного расстояния», http://www.fliimemadia com/MMC/THG/Brohures/Y820587-PH.pdf.

4. А.Г.Завадовский, И.И.Плюснин, С.Н.Сысоев «Малогабаритный лазерный локатор утечек метана», журнал «Датчики и системы», Челябинский ОУНБ, №4, 2007 г. (УДК 621.018.8656.56, ББК 31.32+39.7).

5. «Газоанализаторы» - «Радикал» г. Воронеж, http://www.radicom.ru/c237-gazoanalizatory.html.

6. «Газоанализаторы ДВК углеводородов» - «АНАЛИТПРИБОР». RU. Г. Смоленск. http://www.analitpribors.ra/gazoanalizatory-dvk-uglevodorodov. html

7. А.О.Васильев, В.Г.Шенанин, П.В.Чартий «Инфракрасный детектор для измерения концентраций молекул токсичных газов в воздушном потоке», патент №2484450, G01N 21/35 от 24.11.2011 г., опубл. 10.06.2013 г., бюл. №16.

8. ГОСТ 12.1.011-78^∗, переиздан и утвержден 06.1988 г. (ИУС-5-82, 10-88).

9. «Взрывоопасные газы и калибровочный газ», «Аррас», Франция, 11.2011 г., http://www.oldhamgas.eom/ru/hode/l1048.

10. А.Н.Попов «Лазерный абсорбционный анализ и его применение», препринт - М.: МИФИ, 1982 г.

11. А.З.Криксунов «Справочник по основам ИК техники» - М.: Сов. радио, 1978 г.

12. Н.Тропинин, А.Тропининд «Полупроводниковые источники излучений для ИК области спектра», журнал «Компоненты и технологии» №11, 2008 г.; E-mail: mailto:tropal@mail.ru.

13. Б.Т.Тотуев, В.И.Левченко, О.Н.Гейко, Н.С.Желязо «Использование лазерного абсорбционного метода для определения макроконцентраций углеводородов в воздухе» - Киев, сб. «Аналитическое приборостроение» ВНИИАП, 1985 г.