Многоканальные переносные инфракрасные газоанализаторы для контроля транспортных выбросов

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию Московский Государственный Университет Инженерной Экологии на правах рукописи

Бурыкин Алексей Владимирович

МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ПЕРЕНОСНЫЕ ИНФРАКРАСНЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ ВЫБРОСОВ

Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Кораблев Игорь Васильевич Москва –2002

СОДЕРЖАНИЕ СТР. Введение 1. Актуальность темы

5

2. Цели работы

5

3. Научная ценность

6

4. Практическая ценность

6

5. Реализация в промышленности

7

6. Апробация работы

8

7. Положения, выносимые на защиту

8

ГЛАВА 1 Приборы и методы контроля выбросов автотранспорта (обзор)

9

1.1 Предельно допустимые значения содержания вредных веществ

9

в выбросах автомобильного транспорта 1.2. Общая характеристика оптико - абсорбционного метода газо-

12

вого анализа 1.3 Инфракрасные газоанализаторы с газонаполненными прием-

14

никами излучения 1.4 Инфракрасные газоанализаторы с неселективными приемни-

16

ками излучения 1.5 Характеристики отечественных и зарубежных газоанализато-

27

ров для контроля транспортных выбросов Выводы главы 1

39

ГЛАВА 2

41

Моделирование и оптимизация метрологических характеристик 2

аналитических каналов ИК - газоанализаторов для контроля транспортных выбросов 2.1 Анализ статических характеристик оптического канала недис-

41

персионного инфракрасного газоанализатора 2.2 Выбор структурной схемы и методики выбора параметров ана-

61

литического канала газоанализатора для контроля транспортных выбросов. 2.3 Модель погрешности аналитического канала газоанализатора

63

2.4 Анализ метрологических характеристик аналитического канала

69

Выводы главы 2

77

ГЛАВА 3 Разработка двухкомпонентного ИК – газоанализатора для контро-

78

ля транспортных выбросов 3.1 Качественные показатели газоанализаторов для контроля

79

транспортных выбросов 3.2 Выбор технического и алгоритмического обеспечения двух-

80

компонентного ИК газоанализатора для контроля транспортных выбросов 3.3 Экспериментальное исследование характеристик двухкомпо-

88

нентного ИК газоанализатора 3.4 Результат разработки двухкомпонентного инфракрасного газо-

92

анализатора Выводы главы 3

98

ГЛАВА 4. Разработка пятикомпонентного газоанализатора для контроля

99 3

транспортных выбросов 4.1 Выбор структурной схемы и параметров настройки многокомпонентного ИК газоанализатора

99

4.2 Выбор параметров спектральной настройки газоанализатора 4.3 Исследование метрологических характеристик газоанализатора

109

4.4. Результаты разработки многокомпонентного газоанализатора

121

4.5. Газоанализатор для контроля СО2 в дыхательных смесях баро-

130

камер

135

4.6. Перспективы улучшения метрологических характеристик газоанализаторов для контроля транспортных выбросов.

139

Выводы главы 4 149 ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

150

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.

152

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Описания и внешний вид газоанализаторов.

156

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Требования к газоанализаторам.

163

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Внедрение газоанализаторов.

166

4

Введение. 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.

2. Цели 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: Построить модели метрологических характеристик оптических и аналитических каналов многокомпонентных оптико – абсорбционных газоанализаторов для контроля транспортных выбросов; Определить и исследовать основные источники погрешностей ИК – газоанализаторов; Осуществить структурную и параметрическую оптимизацию аналитических каналов ИК – газоанализатора на основе метрологических показателей; 5

Разработать на основе полученных результатов многоканальные переносные микропроцессорные импортозамещающие ИК – газоанализаторы для контроля транспортных выбросов, отвечающих требованиям евростандартов. 3. Научная ценность 1) Модели метрологических характеристик оптического и аналитического каналов ИК газоанализаторов, учитывающих 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 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 без применения поверочных газовых смесей в процессе длительной эксплуатации за счет имитации поглощения излучения анализируемым газом контролируемым изменением яркости ИК источника излучения. 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 6

для контроля транспортных выбросов и диагностики карбюраторных двигателей органами экологического контроля и станциями техобслуживания; - пятикомпонентный

переносной

безобтюраторный

импорто-

замещающий газоанализатор «Инфралайт-МК» (каналы СО, СН, СО2), 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 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. Этот прибор также продавался частным порядком различным организациям. Прибор включен в Госреестр под №16965-98. 2) Изготовлена опытная партия пятиканальных газоанализаторов «Инфралайт-МК» в количестве 10 шт. Прибор включен в Госреестр под №2062300. 7

3) Изготовлено 3 опытных образца газоанализатора КАГВ. Прибор прошел успешно Госиспытания, принят на снабжение в 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» имени академика Феста Н.Я. (Москва, 2001г) и на Международной конференции по вопросам инженерной экологии МГУИЭ (Москва, 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.

8

ГЛАВА 1. Приборы и методы контроля выбросов автотранспорта 1.1. Предельно допустимые значения содержания вредных веществ в выбросах автомобильного транспорта 1.1.1. Содержание оксида углерода и углеводородов в отработавших газах определяют при работе двигателя в режиме холостого хода на минимальной (nmin) и повышенной (nпов) частотах вращения коленчатого вала двигателя, установленных предприятием-изготовителем. При отсутствии данных предприятия-изготовителя значение nmin устанавливается не выше 1100 мин-1 для автомобилей категорий М1 и N1 (классификация по ГОСТ Р 25478-01) и 900 мин-1 для автомобилей остальных категорий. Значение nпов устанавливается в пределах 2500-3500 мин-1 для автомобилей категорий М1 и N1 и 2000-2800 мин-1 для автомобилей остальных категорий. 1.1.2 Содержание оксида углерода, углеводородов должны быть в пределах значений, установленных предприятием-изготовителем автомобиля и подтвержденных при сертификационных испытаниях, но не выше величин, приведенных в таблице 1.1. Значения, приведенные в таблице 1.1, принимаются в качестве предельно допустимых также в случае, если данные предприятия-изготовителя отсутствуют или не указаны. 1.1.3. Коэффициент λ (формулу для вычисления см. Приложение 2) определяют в режиме холостого хода на nпов у автомобилей, оборудованных трехкомпонентной системой нейтрализации отработавших газов. Значение коэффициента λ должно быть в пределах, установленных предприятиемизготовителем автомобиля. Если данные предприятия-изготовителя отсутствуют или не указаны, значение λ должно быть в пределах 1±0,03.

9

Предельно-допустимое содержание оксида углерода,

Таблица 1.1

углеводородов в отработавших газах автомобилей Комплектация автомобиля

Частота Оксид угвраще- лерода, объемная ния ва- доля, % ла, мин-

Углеводороды, млн-1

Автомобили всех категорий, произ- n min веденные до 01.01.1977г.

4,5

—

Автомобили категорий М1 и N1 не n min оснащенные системами нейтрализации отработавших газов nпов

3,5

1200

2,0

600

Автомобили категории М2, М3, N2, N3, не оснащенные системами нейтрализации отработавших газов

nmin

3,5

2500

nпов

2,0

1000

Автомобили категорий М1 и N1. nmin оборудованные окислительной системой нейтрализации отработавших nпов газов.

1,0

400

0,6

200

Автомобили категорий М2, М3, N2, N3, оборудованные окислительной системой нейтрализации отработавших газов

nmin

1,0

600

nпов

0,6

300

nmin

0,5

100

nпов

0,3

75

Автомобили всех категорий с трехкомпонентной системой нейтрализации отработавших газов и те же автомобили, оборудованные встроенной бортовой диагностикой1)

1) Дополнительные требования для этой группы автомобилей в п.1.1.3

10

1.1.4. При превышении норм, указанных в п.п. 1.1.2. и 1.1.3., автомобиль считается технически неисправным. 1.1.5. Предприятия-изготовители, находящиеся на территории Российской Федерации, к каждому новому автомобилю должны прикладывать специальный документ - Экологический паспорт транспортного средства, содержащий сведения о комплектации автомобиля оборудованием для снижения вредных выбросов, предельно допустимых нормах содержания загрязняющих веществ в отработавших газах и другую необходимую информацию для проведения экологического контроля. Эти же сведения должны содержаться в технической документации на автомобиль (руководстве (инструкции) по эксплуатации, руководстве по техническому сервису (техническому обслуживанию и ремонту)). Экологический паспорт транспортного средства на новые автомобили, произведенные за пределами Российской Федерации и продаваемые официальными дилерами, должен оформляться продавцами автомобилей на основании документов, выданных органом по сертификации. Вновь произведенные автомобили, не имеющие Экологического паспорта транспортного средства, не допускаются к эксплуатации. 1.1.6 Контроль автомобилей на соответствие требований п.п. 1.1.2. и 1.1.3. должен проводиться: на предприятиях, изготавливающих двигатели и автомобили, при приемочных, периодических испытаниях и контрольных проверках серийной продукции; при сертификационных испытаниях; при регулярных проверках технического состояния находящихся в эксплуатации автотранспортных средств, проводимых в установленном порядке специально уполномоченными органами; на предприятиях, эксплуатирующих и обслуживающих автомобили, при техническом обслуживании, ремонте или регулировке агрегатов, узлов и 11

систем, влияющих на изменение содержания вышеуказанных веществ в отработавших газах; на предприятиях, осуществляющих капитальный ремонт автомобилей; при выборочном контроле на дорогах общего пользования, проводимых специально уполномоченными органами. 1.1.7 Системы, агрегаты, узлы и детали автомобиля, влияющие на выброс загрязняющих веществ, должны быть сконструированы, изготовлены и установлены таким образом, чтобы выбросы загрязняющих веществ не превышали требований настоящего стандарта в период всего срока эксплуатации автомобиля при условии соблюдения правил эксплуатации и обслуживания, указанных в прилагаемых к автомобилю инструкциях (руководствах) Российские предприятия-изготовители автомобилей несут гарантийные обязательства по данным требованиям для автомобилей, произведенных после введения в действие настоящего стандарта, в период пробега автомобиля не менее 80 000 км или 4 лет эксплуатации. 1.2. Общая характеристика оптико - абсорбционного метода газового анализа За последние десятилетия метод газового анализа, основанный на избирательном поглощении лучистой энергии анализируемым компонентом сложной смеси, получил широкое распространение. По данным фирм - разработчиков аналитических приборов США, Японии, ФРГ, около 40% парка аналитических приборов, используемых в промышленности и лабораторной практике для определения состава вещества, основаны на оптическом абсорбционном методе. Причинами столь широкого применения абсорбционных анализаторов являются их высокая избирательность и чувствительность, а также универсальность. Абсорбционные приборы в зависимости от того, используется в них или нет спектральное разложение потока лучистой энергии, разделяются на 12

дисперсионные и бездисперсионные. Применение сложной и дорогостоящей спектральной аппаратуры для аналитических целей оправдано только тогда, когда разнообразие аналитических задач вызывает необходимость частого перехода от одних спектральных интервалов к другим. Однако в большинстве случаев в условиях производства или оперативного контроля такой необходимости нет, так как аналитические задачи имеют стабильный характер в течение длительного времени. Для решения подобных задач обычно используются бездисперсионные абсорбционные анализаторы. Светосила бездисперсионных приборов обычно намного превосходит светосилу дисперсионной аппаратуры, и чувствительность бездисперсионных газоанализаторов выше. Вне зависимости от того, в какой области спектра анализируемое вещество поглощает излучение, способы выделения необходимых интервалов спектра аналогичны: использование избирательных источников излучения; использование избирательных приемников; использование всевозможных светофильтров; различные комбинации указанных способов. Абсорбционный метод является одним из самых избирательных методов газового контроля, это обусловлено высокой специфичностью спектров поглощения различных веществ. Наилучшая избирательность наблюдается в дальней инфракрасной (ИК) области спектра, где вращательные линии поглощения веществ строго специфичны, однако, к сожалению, они очень слабы. Кроме того, детекторы ИК- излучения в этой области спектра не обладают высокой чувствительностью. В средней ИК- области спектра при достаточно интенсивных полосах поглощения и эффективных приемниках удается получить хорошую избирательность. Именно в этом спектральном диапазоне работает большая часть, абсорбционных газоанализаторов. Чувствительность абсорбционного метода весьма велика, во всяком случае, достаточна для того, чтобы использовать абсорбционные анализато13

ры для определения следов газов и предельно допустимых концентраций в воздухе производственных помещений. Универсальность абсорбционного метода характеризуют следующие факторы: метод позволяет определять концентрацию широкого класса веществ; метод позволяет перекрывать практически весь диапазон измерения концентрации от микро примесей до 100%; метод допускает достаточно простое аппаратурное оформление. При переходе с одного анализируемого компонента на другой или на другой диапазон необходимы лишь незначительные конструктивные изменения (например, изменение длины кюветы, концентрации заполнения лучеприемника или смены светофильтра). Таким образом, потенциальные возможности абсорбционного метода анализа весьма значительны. В обзоре рассмотрены принципиальные схемные решения абсорбционных газоанализаторов и приведены данные о приборах, в которых реализованы эти решения. Отмечаются основные тенденции в развитии оптических абсорбционных анализаторов. 1.3. Инфракрасные газоанализаторы с газонаполненными приемниками излучения Среди всех абсорбционных анализаторов ИК - газоанализаторы занимают доминирующее положение. Инфракрасным способом можно анализировать все газы, молекулы которых состоят не менее чем из двух различных атомов. Во всем мире для определения основных промышленных газов, таких, как СО, СО2, СН4, С2Н2 и др., используются тысячи ИК - газоанализаторов, и количество их быстро увеличивается. Выбор той или иной измерительной схемы газоанализаторов определя14

ется в каждом конкретном случае требованиями к прибору в части его метрологических, эксплуатационных и экономических характеристик. В связи с необходимостью более эффективного использования ИК- газоанализаторов и расширения областей их применения возрастают требования к повышению стабильности, избирательности, чувствительности и надежности. Наибольшее распространение в ИК- газоанализаторах в свое время получили селективные оптико-акустические приемники (ОАП) с конденсаторными микрофонами. Такие газоанализаторы

принято называть оптико-

акустическими. Самой известной, ставшей уже классической, является двухлучевая амплитудная схема непосредственного отсчета. По этой схеме было реализовано в СССР и за рубежом и выпускается до настоящего времени значительное количество оптико-акустических газоанализаторов. Здесь необходимо отметить один из первых зарубежных приборов — URAS 1 . В СССР по этой схеме был разработан газоанализатор микроконцентраций ГИП 10МБ для определения содержания окиси углерода и углекислого газа в технологических смесях и для контроля микропримесей СО в воздухе производственных помещений. Два источника ИК- радиации, представляющие собой накаливаемые током нихромовые спирали, излучают в два идентичных оптических канала. Оба потока, прерываясь синфазно обтюратором и проходя через фильтровые камеры, поступают соответственно в рабочую и сравнительную кюветы. В рабочей камере происходит избирательное поглощение анализируемым компонентом ИК- энергии, а сравнительный поток используется в качестве эталонного пучка. Сравнение рабочего и эталонного потоков осуществляется на селективном двухкамерном ОАП. Камеры приемника, отделенные друг от друга конденсаторным микрофоном, наполнены газом, доля которого должна быть определена в анализируемой смеси. В отсутствие анализируемого компонента система балансируется заслонкой. Если через рабочую кювету про15

текает анализируемый газ, то часть ИК- энергии поглощается в кювете. В результате рабочая приемная камера ОАП нагревается меньше, чем сравнительная. Система разбалансируется, и с конденсаторного микрофона снимается сигнал разбаланса, зависящий от концентрации анализируемого компонента. Этот сигнал измеряется непосредственно при помощи селективного усилителя. Газоанализаторы ГИП 10МБ имели диапазон измерения 0—0,005% СО и СО2. Основная погрешность этих приборов составляет ± 10% от диапазона измерения. Приборы предназначены для работы при температурах 10-35°С. Позднее были разработаны усовершенствованные модели газоанализаторов (ГИП 10МБ 1,2,3А) . Модернизации подвержены как оптическая, так и электронная схемы приборов. В этих газоанализаторах потоки излучения прерываются в противофазе. Приемник излучения стал более симметричным. Давления, развиваемые в его камерах, воздействуют на одну и ту же сторону микрофона. Модернизация позволила существенно повысить эксплуатационные и метрологические характеристики приборов, однако с развитием техники и микроэлектроники более перспективным стало развитие другого типа приборов. На том же методе основаны технологические ОАГ типа «Кедр», предназначенные для контроля таких газов как СО, СО2, СН4, С2Н2 в широком диапазоне концентраций и широко используемые в народном хозяйстве. 1.4.

Инфракрасные газоанализаторы с неселективными приемниками излучения

Наряду с хорошо зарекомендовавшими себя газоанализаторами с селективными ОАП в последнее время за рубежом и в России стали все шире применяться газоанализаторы с твердотельными приемниками излучения. Принцип действия и схемные решения приборов с твердотельными 16

приемниками аналогичны оптико-акустическим и основаны на избирательном поглощении молекулами газа ИК-излучения. Любой инфракрасный газоанализатор с неселективным приемником излучения состоит из следующих узлов: источника ИК-излучения, модулятора, рабочей кюветы, светофильтра и усилительно-измерительного устройства. Наибольшее распространение в качестве приемников излучения в этих газоанализаторах получили фоторезисторы и пироприемники. Однолучевые газоанализаторы - самые простые из этого класса приборов. В однолучевых приборах (рис.1.1) излучение источника проходит светофильтр, рабочую кювету с исследуемым газом и падает на приемник. Сигнал приемника усиливается и измеряется тем или иным устройством. По такому принципу были построены газоанализаторы: Beckman 598 ( CША ), серия SS фирмы ADC (Великобритания ), MIRAN-101, 103 фирмы “Foxboro” (США). 1

2

4

5

6

3

Рис. 1.1. Однолучевой газоанализатор с неселективным приемником излучения : 1 - источник ИК - излучения ; 2 - светофильтр ; 3 - модулятор ; 4 - кювета ; 5 - приемник ИК - излучения ; 6 - показывающий прибор. 17

В продолжение развития этого класса приборов фирма “Foxboro” выпустила газоанализаторы с клиновыми интерференционными фильтрами, которые позволяют одним прибором измерять концентрацию широкого круга газообразных веществ. Это приборы MIRAN-104, IA . Для обеспечения максимальной чувствительности эта же фирма применяет многоходовую рабочую кювету с длиной оптического пути до 20 м. Газоанализатор MIRAN-80 оснащен микрокомпьютером, в память которого закладывалась программа калибровки, измерения полосы пропускания, фильтра, обсчета полученных данных (это был важный этап, получивший развитие в современных переносных приборах, о которых будет сказано ниже). Газоанализатор MIRAN-80 применяется при анализе сложных газовых смесей, где количество компонентов достигает 11. Все однолучевые недифференциальные приборы обладают существенным недостатком: сигнал с приемника изменяется с изменением его чувствительности, интенсивности излучения источника и усиления, поэтому необходима частая калибровка, что требует немало времени, и, кроме того, это не всегда удобно для приборов непрерывного действия. В двухлучевых приборах ( рис. 1.2 ) излучение источника разделяется на два пучка . Один из них проходит через рабочую кювету с анализируемым газом, другой - через кювету сравнения с веществом, не поглощающим ИКизлучение на аналитической длине волны. Оба потока сводятся на приемное устройство, и далее регистрируется отношение или логарифм отношения интенсивностей обоих потоков. По такой схеме реализованы приборы СМОГ-1 и СО-тестер (СССР). Преимуществами двулучевых приборов являются более высокая стабильность и независимость к изменению дестабилизирующих параметров.

18

1

2

4

5

6

3 4’

Рис. 1.2. Двухлучевой газоанализатор с неселективным приемником излучения: 1 - источник ИК - излучения ; 2 - светофильтр ; 3 - модулятор ; 4 - рабочая кювета ; 4’ - сравнительная кювета ; 5 - приемник ИК - излучения ; 6 - показывающий прибор. Несмотря на очевидные преимущества и универсальность двухлучевых приборов, с течением времени стали заметны и их недостатки, особенно при использовании в промышленности. К основным недостаткам необходимо отнести различную степень загрязнения кювет и чувствительность к неизмеряемым компонентам при наложении полос поглощения. Кроме того, устройства разделения и сведения пучков излучения весьма сложны. Поэтому позже стали применять и выпускать приборы иного класса - двух- и много волновые. На рис. 1.3 показана схема таких приборов.

19

1

2

4

5

6

3

2’

Рис. 1.3. Двухволновой газоанализатор : 1 - источник ИК - излучения ; 2 - светофильтр рабочий ; 2’- светофильтр сравнительный ; 3 - модулятор ; 4 - кювета ; 5 - приемник ИК - излучения ; 6 - показывающий прибор. В них светофильтрами выделяются область максимального поглощения анализируемого вещества и область, в которой поглощение отсутствует. Эти схемы, сочетающие стабильность двухлучевых приборов и простоту однолучевых, получили название двухволновых, или бичастотных. По такой схеме реализованны газоанализаторы модели 206 фирмы “Anacon” (США) . В этих приборах ИК - излучение направляется через вращающийся обтюратор. В нем установлены два узкополосных интерфереционных фильтра, выбранные в качестве измерительного и эталонного. Настроить газоанализатор на измерение отдельного компонента в смеси можно, устанавливая соответствующие светофильтры измерения и сравнения. Важной особенностью с применением светофильтров является то, что на их базе сравнительно легко можно реализовать приборы для многокомпонентного анализа. Так, в приборе Р1-503 АН-S фирмы RIKEN ( Япония ) установленны два аналитических и один фильтр сравнения, что позволяет кон20

тролировать одновременно содержание двух газов. Еще большие возможности имеет прибор Infragas 500 фирмы KENT (Великобритания). В диске модулятора установлены пять аналитических и один фильтр сравнения. Этот прибор может одновременно анализировать пять компонентов. Фирма ANATEK разработала модель газоанализатора PSA- 401 , в которой смена светофильтров производится возвратно - поступательным движением фильтрующего блока с частотой 6 Гц. Излучение, падающее на приемник, промодулированно несущей частотой 600 Гц. Следует отметить, что твердотельные приемники не имеют тех уникальных качеств, которыми обладают ОАП. Избирательность и чувствительность определяются в основном использующимися интерференционными фильтрами. Поэтому для улучшения избирательности используется другой тип приборов с газонаполненным фильтром (рис.1.4), заполненным смесью анализируемого компонента с азотом. ИК - излучение поочерёдно проходит через газонаполненный модулятор, содержащий анализируемый компонент и инертный газ. Внешним светофильтром 3 выделяется интересующий нас спектральный диапазон. После прохождения кюветы излучение падает на приемник. На рис. 1.5 иллюстрируется принцип действия таких приборов. В отсутствии анализируемого компонента в рабочей кювете сигнал с приёмника соответствует сигналу на рис. 1.5 , где импульс 1 образуется при прохождении излучения через газовый фильтр, заполненный анализируемым компонентом; сигнал 2 образуется при прохождении излучения через газовый фильтр, заполненный азотом. В присутствии анализируемого газа в кювете сигнал с приемника имеет форму , изображённую на рис. 1.5 пунктиром. Видно, что оба сигнала изменились, но абсолютное изменение сигнала 2 больше, чем изменение импульса 1. Это происходит из-за того, что уровень

21

3

1

4

5

6

2

Рис. 1.4. Газоанализатор с газонаполненным фильтром: 1 - источник ИК - излучения; 2 - газонаполненный фильтр-модулятор; 3 - светофильтр ;4 - кювета ; 5 - приемник ИК - излучения ; 6 - показывающий прибор.

2

1

2

1

Рис. 1.5. Сигнал, поступающий с приемника излучения газоанализатора с газонаполненным модулятором : сплошная линия - анализируемый компонент в кювете отсутствует, пунктир - с анализируемым компонентом в кювете

22

импульса 1 уже уменьшен поглощением в газовом фильтре анализирующим компонентом. Обрабатывая изменения сигналов 1 и 2 , на выходе измерительного устройства получают показания, пропорциональные концентрации анализируемого газа в кювете. По такому принципу действия построены анализаторы: серия RF фирмы ADC ( Великобритания ), модель 48 фирмы “Thermo Electron” (США), модель 3003 фирмы “Dasibi” ( США ). Последние две модели оснащены многоходовой рабочей кюветой, что позволяет существенно повысить чувствительность анализа. В настоящее время в НПО “ХИМАВТОМАТИКА” находятся в производстве такие приборы, как технологический газоанализатор “Кедр” с оптико - акустическим преобразователем (ОАП), “Автокедр”, “Автокедр - М”, “Инфралайт 11Е” и “Инфралайт-МК”. Оптико - акустический “Кедр” используется в основном в стационарных условиях, т.к. во первых, он неустойчив к вибрации, во вторых весьма массивен. Сейчас, в связи с нарастающей необходимостью контроля выбросов автомобильного транспорта, с целью улучшения экологической обстановки, возникла острая потребность в компактных переносных приборах: надежных, удобных и простых в эксплуатации (в особенности с учетом того, что эксплуатироваться они будут не специалистами). Этим требованиям отвечают газоанализаторы “Автокедр”, “Инфралайт 11Е” и последние разработки - “Автокедр - М” и “Инфралайт-МК”. Все эти приборы предназначены для измерения содержания СО и СН в выбросах автотранспорта, а также числа оборотов двигателя. Газоанализаторы “Автокедр - М” и “Инфралайт 11Е” являются микропроцессорными приборами, они сходны по своим характеристикам, но имеют конструктивные различия, обусловленные разной элементной базой. “Автокедр - М” является полностью разработкой НПО “ХИМАВТОМАТИКА” и использует схему измерения, аналогичную двухволновому газоанализатору ( рис. 1.3 ), только с тремя светофильтрами на модуляторе ( один сравнения и два на каналы СО и СН). “Инфралайт 11Е” базируется на 23

измерительном блоке фирмы “Sensors., inc.” ( США ), использующем пульсирующий источник ИК - излучения, что позволяет не использовать механический модулятор. Схема измерения является двухканальной (рис. 1.6). Использование микропроцессорной техники дает возможность исключить сравнительный канал, а в качестве сравнительного сигнала использовать сигнал, записанный в памяти контроллера при “обнулении” прибора (без анализируемой смеси). Обнуление происходит автоматически, по заданному контроллером регламенту и занимает не более 30 с. Использование микропроцессорной техники позволяет также сохранять результаты измерений на внешней ЭВМ, корректировать алгоритм работы прибора в случае необходимости без переделки конструкции прибора, улучшить эксплуатационные характеристики газоанализатора за счет использования встроенной самодиагностики и автоматизации процессов подготовки и проведения измерения. Перспективно развитие приборов в плане усовершенствования средств обработки информации, поступающей с приемника излучения, а также создание схем с использованием новой элементной базы (типа импульсных источников излучения) и нестандартной компоновкой.

24

1

4

2

3

5

Рис. 1.6. Двухканальный газоанализатор с неселективным приемником излучения и пульсирующим источником излучения: 1 - пульсирующий источник ИК - излучения ; 2 - светофильтры ; 3 - приемники ИК - излучения ; 4 - кювета ; 5- показывающий прибор.

Так, например, можно расположить фильтры непосредственно на приемниках излучения, что дает компактный твердотельный приемник, который условно можно назвать селективным, а это, в свою очередь, позволяет даже при отсутствии импульсного источника излучения убрать механическую систему передачи ( пасики ), разместив более компактный обтюратор на оси шагового двигателя (рис.1.7).

25

1

4

7

2

5

6

3

Рис. 1.7. Двухканальный газоанализатор с неселективным приемником излучения: 1 - источник ИК - излучения ; 2 - светофильтры ; 3 - модулятор ; 4 - кювета ; 5 - приемники ИК - излучения ; 6 - показывающий прибор; 7 - шаговый двигатель. Это увеличивает надежность, уменьшает габариты приборов при приблизительно той же стоимости. По такой схеме реализованы газоанализаторы для контроля транспортных выбросов в Черчикском НПО “ХИМАВТОМАТИКА” и в ОАО «Альфа-Динамика».

26

1.5. Характеристики отечественных и зарубежных газоанализаторов для контроля транспортных выбросов Проведен обзор технических характеристик отечественных и зарубежных газоанализаторов, используемых для контроля транспортных выбросов. Эти данные сведены в табл. 1.2 и 1.3. В табл. 1.2, 1.3 приняты следующие обозначения: ∆ - предел допускаемой основной абсолютной погрешности; δ - предел допускаемой основной относительной погрешности; γ - предел допускаемой основной приведенной погрешности. Среди отечественных газоанализаторов, внесенных в Госреестр РФ, следует упомянуть, прежде всего, приборы разработки ПО «Аналитприбор» г. Смоленск типа ГИАМ модели 22, 23, 25, 27. Их технические характеристики представлены в сводном виде в табл.1.2. К числу приоритетных отечественных разработок относятся также приборы НПО «Химавтоматика» – «Автокедр», «Автокедр – М» и «Инфралайт 11Е». Перечисленные

приборы

являются

недисперсионными

оптико-

абсорбционными анализаторами, имеющими, как правило, два аналитических (по СО и СН) канала и канал тахометра. Внесенные в Госреестр РФ импортные приборы (см. табл.1.3) имеют, как правило, четыре аналитических канала (СО, СО2, СН, О2), канал тахометра, а также во многих случаях позволяют определять дымность выбросов и температуру масла. Газоанализатор “Инфралайт-МК” измеряет в дополнение к выше перечисленному температуру масла и оксид азота (NO). По своим функциональным возможностям, техническому уровню и стоимости импортные приборы в целом превосходят отечественные аналоги. Поэтому улучшение метрологических и эксплуатационных характе27

ристик отечественных оптико-абсорбционных газоанализаторов для контроля транспортных выбросов является актуальной научно-технической задачей, имеющей важное народно-хозяйственное значение. Из приведенных данных можно заключить о следующих тенденциях развития этого направления газоаналитического приборостроения: - аналитические каналы СО, СО2, СН, дымности (для дизельных двигателей) реализуются в подавляющем числе газоанализаторов на основе дисперсионного инфракрасного (ИК) оптико-абсорбционного метода анализа; - селективность многокомпонентного анализа достигается в основном за счет использования узкополосных интерференционных фильтров, настроенных на полосы ИК поглощения анализируемых компонентов, т.е. используются системы внешней фильтрации излучения; - многокомпонентность анализа транспортных выбросов хорошо совместима с системами внешней фильтрации излучения, при этом число узкополосных фильтров обычно на единицу больше числа определяемых компонентов (лишний оптический канал используется для получения сравнительного сигнала); - используются в основном твердотельные достаточно широкополосные приемники ИК излучения (очень часто пироприемники), отличающиеся хорошими техническими и эксплуатационными характеристиками, т.е. широко применяемые и хорошо зарекомендовавшие себя при технологическом контроле селективные оптико-акустические приемники практически вытеснены из данного сегмента многокомпонентного анализа; - наблюдается отказ от обтюраторных механических схем модуляции зондирующего ИК излучения и переход на безобтюраторные электрические схемы модуляции с использованием малоинерционных широкополосных источников ИК излучения; - стремление использовать один кюветный преобразователь (рабочую кювету) на все оптические каналы многокомпонентного газоанализатора; 28

- системотехника многокомпонентных газоанализаторов в части, касающейся обработки сигналов измерительной информации, обычно строится на использовании комбинированных алгоритмов обработки, включающих оценку отношения разности сравнительного и рабочего сигналов к сигналу сравнительного канала; - отказ от аналоговой техники при реализации комбинированных алгоритмов обработки сигналов и повсеместный переход на микропроцессорные системы обработки. Из приведенных данных следует, что создание отечественного многоканального импортзамещающего газоанализатора для контроля транспортных выбросов является актуальной научно-технической задачей, имеющей важное социальное и народно-хозяйственное значение.

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

Выводы. 1. Проведенный обзор технических характеристик отечественных и зарубежных газоанализаторов, используемых для контроля транспортных выбросов, показал, что отечественные приборы являются недисперсионными оптикоабсорбционными 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, четыре аналитических канала (СО, СО2, СН и О2), канал тахометра, а также во многих случаях позволяют определять дымность выбросов и температуру масла. 2. По своим функциональным возможностям, техническому уровню и стоимости импортные приборы в целом превосходят отечественные аналоги. Поэтому, разработка многокомпонентных ИК- газоанализаторов для контроля транспортных выбросов с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, отвечающих требованиям современной нормативной базы, является актуальной научно-технической задачей, имеющей важное народно-хозяйственное значение. 3. 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: Построить модели метрологических характеристик оптических и аналитических каналов многокомпонентных оптико – абсорбционных газоанализаторов для контроля транспортных выбросов; Определить и исследовать основные источники погрешностей ИК – газоанализаторов;

39

Осуществить структурную и параметрическую оптимизацию аналитических каналов ИК – газоанализатора на основе метрологических показателей; Разработать на основе полученных результатов многоканальные переносные микропроцессорные импортозамещающие ИК – газоанализаторы для контроля транспортных выбросов, отвечающих требованиям евростандартов.

40

ГЛАВА 2. Моделирование и оптимизация метрологических характеристик аналитических каналов ИК - газоанализаторов для контроля транспортных выбросов 2.1 Анализ статических характеристик оптического канала недисперсионного инфракрасного газоанализатора 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 характеристиками элементов, нетрудно выразить статическую характеристику (СХ) оптического канала недисперсионного ИК газоанализатора [ ]: W(x) = Кп•Ку•Кр•Te ∫ Jo(ν) • Sφ(v) • Т(х,v)dv + ξ ,

(2.1)

где Кп;Ку;Кр;Те - коэффициенты передачи соответственно приемника радиации, усилителя, регистрирующего блока, рабочей кюветы, незаполненной анализируемым веществом; 41

Jo(v)- спектр интенсивности зондирующего пробу излучения (источника излучения); Sφ(v) -спектральное пропускание фильтрующего элемента; T(х,v) -спектральное пропускание анализируемого вещества, которое в приближении закона Бугера-Ламберта-Бера имеет вид: T ( x, v ) =

J (v, x ) = e − D ( x ,v ) , Jo(v)

D ( x, v ) = l ∑ χ j (v ) x j

-

(2.2) (2.3)

j

оптическая плотность анализируемого вещества, χj(ν) – коэффициент поглощения j –го компонента; l - длина рабочей кюветы; T(х,v) - собственное пропускание анализируемой среды; xj – концентрация j –го компонента; ν[см-1]=104/λ [мкм] - спектральная частота и длина волны (λ) излучения; ξ - собственные шумы канала. При x=0 имеем согласно (2.1): ∞

W(0) = Кп•Ку•Кр•Te ∫ Jo(ν) Sφ(v) dv + ξ =U1 + ξ ,

(2.4)

0

где UJ - обобщенный параметр канала, зависящий от характеристик и параметров всех входящих в него звеньев и отображающий выходной сигнал канала в нулевой точке (х=0). С учетом (2.2)-(2.4) выразим СХ (2.1) в виде: W(x)=U1 T(x) + ξ=U1(1-Z(x))+ ξ ,

(2.5)

42

∞

где T ( x) =

∫ Jo(v)Sφ (v)T ( x, v)dv 0

∞

,

(2.6)

∫ Jo(v)Sφ (v)dv 0

Z(x)=1-T(x) -

(2.7)

функции пропускания и поглощения соответственно. Соотношение (2.5) определяет рабочую (недетерминированную) СХ финала. Нормируется не рабочая, а номинальная (детерминированная) СХ, т.е. СХ канала при номинальных значениях неинформативных параметров Uˆ 1 ; ξˆ = 0 ; Wˆ ( x) = Uˆ 1 ⋅ T ( x) = Uˆ 1 (1 − Zˆ ( x)),

(2.8)

где символ “ K ˆ ” отображает номинальное значение соответственно параметра (функции), равное обычно математическому ожиданию соответствующей случайной величины (функции). В квазимонохроматическом режиме (ν=ν0), когда функция Sφ(ν) аппроксимируется прямоугольником единичной высоты и бесконечно малой ширины ∆νφ, соотношения (2.2)-(2.8) преобразуются к виду: T ( x) = T ( x, v 0 ) = e − D ( x ,vo ) ; Uˆ 1 = Jˆo(v 0 ) ⋅ ∆vφ ⋅ Kˆ n ⋅ Kˆ y ⋅ Kˆ p ⋅ Tˆe ; Wˆ ( x) = Uˆ 1 e − D ( x ,v0 ) , S=

dWˆ = −Uˆ 1 ⋅ χ (v 0 ) ⋅ l ⋅ e − χ ( v ) xl , dx

(2.9) (2.10)

где S- чувствительность (коэффициент преобразования) оптического канала. Из (2.9) следует, что СХ дисперсионного (квазимонохроматический режим работы канала) преобразователя имеет экспоненциальный характер, т.е. выходной сигнал, Ŵ(x) канала и его чувствительность S увеличиваются прямо пропорционально Uˆ 1 и уменьшаются по экспоненте при увеличении измеряемой концентрации х. Вместе с тем чувствительность S неоднозначно зависит от параметров χ(v0) и l Из (2.9) видно, что чувствительность при уве43

личении произведения χ(v0)•l сначала растет, в точке D=l достигает экстремума, а затем падает. В недисперсионных ИК анализаторах используется полихроматический режим. СХ полихроматического оптического канала в общем виде определяются соотношениями (2.5)-(2.8). Для конкретизации вида СХ необходимо задаться видом спектральных функций Jo(v), Sφ(v), χ(ν) и др. Спектральная характеристика неселективного источника ИК излучения, являющегося аналогом абсолютно черного тела, обычно задается формулой Планка:

Jo(v) =

ε λ ⋅ 8πh ⋅ c ⋅ v 5 ⋅ s 10 20 (exp(hvc / 10 4 ⋅ k ⋅ T ) − 1)

,

(2.11)

где ελ - спектральный коэффициент черноты источника, h - постоянная Планка, k - постоянная Больцмана, Т- абсолютная температура, с - скорость света, s - площадь излучающей поверхности. Спектральная характеристика интерференционного фильтра Sφ(v) аппроксимируется в зависимости от условий различными функциями, среди которых наиболее часто используют [ ]: Sφ (v) = Tφ ⋅ exp[−4 ln 2 ⋅ 2( Sφ (v) =

v − v0 2 ) ], ∆φ

(2.12)

Tφ и др., 1 + 4((v − v 0 ) / ∆ φ ) 2

где Тф - пропускание фильтра в максимуме (ν0, λ0); 44

∆φ - ширина полосы пропускания фильтра по уровню Тф/2. Спектральное пропускание анализируемого газа в приближении Бугера - Ламберта - Бера определяется соотношениями (2.9), (2.3). Функция χi(ν) имеет сложный характер, но при модельных исследованиях χi(ν) обычно описываются дисперсионной кривой:

χ i (v ) =

α i ⋅γ i π [(v − v 0 ) 2 + γ i2 ]

,

χ (v ) = ∑ χ i (v )

(2.13)

i

∞

где α i = ∫ χ i (ν )dν - интегральная интенсивность i -линии; 0

γi - полуширина линии; ν0i - центр линии; χ(ν) - коэффициент поглощения полосы. Задаваясь контуром колебательно-вращательной полосы можно в принципе согласно (2.13) рассчитать χ(v). Однако в связи с недостатком знаний об индивидуальных характеристиках линий χi(v) при расчете функций пропускания обычно используется метод моделей спектров, включающий гипотезы о характере расположения линий в полосе и их интенсивности. В модели Эльзассера, например, предполагается равенство интенсивностей линий αi, полуширин γi, и расстояний между ними d. Однако эта модель применима лишь в случае отсутствия перекрывания линий. В противном случае, более подходящей оказывается статистическая модель Гуди [ ], в основе которой лежит допущение о случайном распределении положения и интенсивности линий в полосе при их одинаковой полуширине. При больцмановском распределении интенсивности линии в полосе функции поглощения всей полосы (без учета аппаратной функции канала) имеет вид:

45

Z v (U ) = 1 − exp[−

αU d 1 + α U / πγ

(2.14)

] = 1 − Tv (U ),

где U= Pαl- масса поглощающего газа, Pα - парциальное давление поглощающего газа, l -толщина поглощающего газа, a, d - средняя интенсивность и среднее расстояние между линиями в полосе,

γ - средняя ширина линии на уровне 0,5.

Выражение (2.14) имеет следующие асимптотические приближения: при U<<1

Zv(U ) =

при U>>1

α U; d

Zv(U ) = 1 − exp[− α ⋅ γ ⋅U / 2d 2 ],

(2.15)

Соотношения (2.14), (2.15) однако не могут быть использованы для конкретизации вида СХ канала газоанализатора (2.5), (2.8), поскольку при их получении не учитывались спектральные характеристики источника Jo(v) и фильтра Sφ(ν). Для получения модели СХ полихроматического канала сделаем следующие упрощающие допущения: 1) Спектр интенсивности источника Jo(v) в полосе пропускания канала принимаем постоянным Jo(v) = Jo = const. 2) Для поглощающего газа введем регулярную зависимость gГ(v), учитывающую вид контура линии поглощения: g Γ (v ) = e

−

v − v0 δ δ

,

(2.16)

где ν0δ - частота, соответствующая центру полосы поглощения, δ - полуширина полосы на уровне 0,5. Тогда пропускание газовой смеси в соответствии с (2.14): ТГ =1-Zν(U)⋅gГ(ν),

(2.17)

3) Пропускание интерференционного фильтра принимаем в виде: 46

v − v0φ

Sφ ( v ) = T φ ⋅ e

∆

(2.18)

,

где ν0φ - частота, соответствующая центру полосы пропускания фильтра, ∆ - полуширина полосы фильтра на уровне 0,5. С учетом (2.4)-(2.7) и (2.16)-(2.18) выразим СХ оптического канала ИК газоанализатора:

∞

W ( x ) = Jo ⋅ Tφ ⋅ Te ⋅ Kn ⋅ Ky ⋅ Kp ⋅ ∫ Sφ (v) ⋅ (1 − Zv (U ) ⋅ g Γ (v))dv = 0

Zv(U ) ∞ − = U 1 [1 − e ∆ ∫0

где

v − v0 n δ

⋅e

−

v − vφ ∆

(2.19)

dv],

U1=Jo⋅Tφ⋅Te⋅Kn⋅Ky⋅Kp⋅2∆ -обобщенный параметр газоанализатора. Второе слагаемое в (2.19) после интегрирования преобразуется к виду

2∆⋅Zν(U)⋅G,

(2.20)

где G - фактор спектральной настройки канала, равный: G = ( M ⋅ e − M / N − e − N ) / M 2 − 1,

(2.21)

М = ∆/δ - соотношение полуширин фильтра и контура полосы анализируемого газа;

N=

ν 0 n − ν 0φ δ

-безразмерная расстройка фильтра относительно v0n.

С учетом (2.20) рабочая СХ канала имеет вид: 47

W(x)=U1(1-Zv(U) G)+ξ Полученное в (2.21) разделение переменных (информативного параметра U или х и параметров спектральной настройки G) является следствием сделанных выше упрощающих допущений и вследствие этого лишь приближенно отображает картину явлений в оптическом канале. На рис.2.1 и рис.2.2 представлена серия зависимостей фактора G от параметров спектральной настройки М и N оптического канала. Из приведенных данных следует, что при М→0 полихроматический канал приобретает свойства монохроматического. Особенности монохроматического режима рассмотрены выше. С увеличением М и фиксированном уровне U фактор G (при обычных расстойках N→0) уменьшается, что приводит согласно (2.21) к увеличению абсолютного уровня выходного сигнала канала W, но в то же время уменьшает полезную глубину модуляции этого сигнала за счет изменения информативного параметра U (т.е. величина Zv(U)G уменьшается). Такой же характер имеет зависимость глубины модуляции от параметра N. При нулевых расстройках (N→0) и фиксированном значении U G→1, т.е. глубина модуляции максимальна и определяется уровнем измеряемой концентрации. С увеличением расстройки N уровень глубины модуляции быстро уменьшается (почти по экспоненте), при этом, вообще говоря, изменяется и характер зависимости Zv(U). Отмеченная трансформация зависимости Zv(U) от параметров спектральной настройки будет рассмотрена ниже в разделе 2.4. Чувствительность оптического канала S к информативному параметру (х, U) при принятых выше допущениях:

S=

dZv (U ) dW = U1 ⋅ ⋅G , dU dU

(2.22)

48

49

50

При (U→0) согласно (2.14)

S = U1 ⋅G ⋅

dZv(U ) α ⋅ (2 + α ⋅ U / πγ ) = U1 ⋅G , dU d ⋅ (1 + α ⋅ U / πγ ) 1,5

(2.23)

Т.е. при фиксированном уровне U1 чувствительность зависит от параметров спектральной настройки G. Проследим, например, зависимость S от полуширины пропускания оптического фильтра ∆ при нулевых расстройках (N=0). В этом случае при фиксированном уровне x(U) относительная чувствительность канала имеет вид:

Sотн = S /

U 1 dZv ∆ ⋅ = ∆ dU ∆ / δ + 1

На рис.2.3 представлена зависимость Sотн оптического канала от ∆ для СО2 (δ=26 см-1). Рабочая СХ оптического канала при наличии в анализируемой газовой смеси нескольких компонентов с частично перекрывающимися полосами поглощения видоизменяется и в простейшем случае при наличии одного измеряемого и одного неизмеряемого компонентов согласно (2.19)-(2.21) может быть представлена в виде: W ( x) = U 1 [1 − Zv(U ) ⋅ G − Zv(U H ) ⋅ G H ] + ξ ,

(2.24)

где Zv(U), Zv(UH)- функции поглощения соответственно измеряемого и неизмеряемого компонентов в полосе канала, G и Gн, определяемые согласно (2.20) фактору спектральной настройки для указанных компонентов. В соответствии с (2.24) показатель избирательности канала И, определяемый как отношение чувствительностей S (к измеряемому) и SH (к неизмерямому) компонентам, имеет вид: 51

52

И=

S G Z ' v(U ) = ⋅ S H G H Z ' v(U H )

(2.25)

На рис.2.4 представлена зависимость относительного показателя избирательности Иотн оптического канала, настроенного на полосу поглощения СО2 от полуширины оптического фильтра ∆ по отношению к неизмеряемым в данном канале компонентам: СН4 (кривая 1), N2O (кривая 2), СО (кривая 3) для фиксированных значений измеряемой величины U и неизмеряемых компонентов UH , при которых Z'v(U) / Z'v(UH) = 1. Данные для расчета фактора G взяты из таблицы 2.1. Таблица 2.1 Характеристики линий в полосах поглощения газов.

-1

-2

-1

газ

d , см

∆ν, см-1

ν0, см-1

α , см

γ , см

CO2

1,56 .

103

2350

2500

0,082

СО

3,84

230

2143

260

0,065

СН4

10,5

464

3018

320

0,18

N2O

0,84

107

2224

1920

0,05

В таблице 2.1 приняты следующие обозначения: ν 0 - центр полосы; d - среднее расстояние между линиями;

∆ν - ширина полосы; α - средняя интенсивность линий в полосе;

γ - средняя ширина линии.

53

54

Из приведенных на рис.2.4 данных следует, что избирательность канала при разнесении центров поглощения газов, т.е. при увеличении параметра N, тем больше, чем меньше полуширина фильтра. Это позволяет по заданной избирательности И по отношению к определенному неопределяемому компоненту оптимизировать выбор параметров фильтра ∆.

2.2 Выбор структурной схемы и методики выбора параметров аналитического канала газоанализатора для контроля транспортных выбросов. Огромное разнообразие схем построения оптико-абсорбционных анализаторов базируется на относительно небольшом числе элементов одинакового назначения, что позволяет построить классификацию и осуществить типизацию оптико-фильтровых аналитических приборов (АП). В [

] показано, что типовыми структурными схемами оптико-

абсорбционных АП являются: схема непосредственной оценки пропускания пробы; дифференциальная неравновесная схема измерения пропускания Т(х); автоматически уравновешиваемые (компенсационные) схемы; различные варианты схем отношения сравниваемых в АП световых потоков и др. Сравнительный анализ метрологических характеристик (МХ) типовых вариантов построения оптико-абсорбционных АП показал [1], что заметными преимуществами обладают оптико-абсорбционные АП реализуемые на основе схемы отношения. В этих схемах эффективно подавляются аддитивные и мультипликативные составляющие погрешности АП, а алгоритм отношения сравниваемых сигналов относительно просто реализуется в цифровой форме на базе микропроцессорных средств. Схемы отношения широко применяются при построении дисперсионных и недисперсионных оптико-электронных АП [2]. В задачах многокомпонентного количественного анализа, к которым относится задача контроля 55

транспортных выбросов, предпочтительно применение многоканальных однолучевых или двухлучевых оптических схем. Многоканальность, обеспечиваемая за счет внешней фильтрации зондирующего излучения с помощью узкополосных интерференционных фильтров, позволяет осуществлять практически независимые измерения концентраций нескольких загрязняющих веществ, имеющих полосы поглощения в ИК области спектра. Применение однолучевой схемы позволяет упростить оптическую схему прибора и существенно уменьшить погрешности анализа, обусловленные неселективными влияющими физическими величинами, например, влияние загрязнений рабочей кюветы анализатора.

Возникаю-

щие при этом проблемы нелинейности СХ АП, вызванные различными уровнями коэффициентов поглощения ИК радиации для различных измеряемых компонентов, в принципе также разрешаются с помощью современных микропроцессорных контроллеров. Число спектральных каналов в многоканальном оптико-абсорбционном АП обычно выбирается на единицу большим числа определяемых компонентов. Дополнительный спектральный канал используется для создания сравнительного сигнала Wrf, уровень которого не зависит (точнее, практически не зависит) от измеряемых концентраций загрязняющих веществ в анализируемой пробе, но зависит от основных влияющих физических величин (интенсивности источника ИК излучения, коэффициентов передачи незаполненного кюветного преобразователя и приемника радиации, коэффициента усиления усилителя, спектральной характеристики фильтра). Оцифрованные значения сигнала измерительной информации j-го спектрального канала оптико-абсорбционного АП можно представить в виде: Wj = UjT(xj); Wrf = Urf где Uj = Кп•Ку•Кр•Te ∫ Jo(ν) • Sφ(v) dv - выходной сигнал j-го канала при xj=0; 56

где Кп; Ку ;Кр; Те - коэффициенты передачи соответственно приемника радиации, усилителя, регистрирующего блока, рабочей кюветы, незаполненной анализируемым веществом; Jo(ν) и Sφ(ν) – спектральные характеристики источника излучения и селективного фильтрующего элемента; Т(хj) = 1 – Z (xj) – усредненная по полосе прозрачности фильтра функция относительного пропускания (z(xj) – поглощения) анализируемого газа, зависящая от концентрации хj j-го компонента смеси. Из-за неконтролируемых изменений неинформативных параметров Jo(ν), Кп, Ку, Кр, Те, Sφ(ν), а также вследствие действия собственных шумов АП, сигналы Wj, Uj, Wrf ведут себя как величины случайные. Для уменьшения влияния случайных изменений этих сигналов обычно осуществляется их усреднение. Обозначим усредненные за n оборотов обтюратора значения сигналов Wj, Uj, Wrf. При реализации алгоритма отношения в качестве информационного сигнала можно использовать отношение: Wj α (xj) =

Uj - T(xj)

= Wrf

Urf

Однако сигнал αj не удобен для использования, поскольку при xj=0 αj(0) =Uj /Urf этот сигнал достигает максимума, т.е. шкала сигнала αj не имеет фиксированного нуля. Более удобным для практического использования является комбинированная измерительная схема, в которой сочетаются положительные свойства дифференциальной схемы и схемы отношения. В этом случае в качестве сигнала измерительной информации можно использовать отношение разностного сигнала 57

Wrf – Wj к сравнительному: Wrf -Wj α′(xj) =

Wj =1-

Wrf

Uj T(xj) =1-

Wrf

Urf

Сигнал α′ при xj=0 не равен нулю, что не удобно при практическом использовании. Поэтому предпочтительно использовать в качестве сигнала измерительной информации схемы отношения величину:

Wj yj = 1 -

Uj Kj = 1 – Kj

T(xj),

(2.26)

Urf

Wrf

где Kj = Ûrf/Ûj – эмпирически определяемый для каждого компонента коэффициент, равный отношению номинальных значений сигналов Ŝrf(0) и Ŝj(0). При установке нуля газоанализатора необходимо выполнить следующие условия для каждого компонента: Uj Kj

=1 ,

(2.27)

Urf Такой установочный режим можно считать номинальным, при этом: ŷj(xj)= 1 – T(xj) = Z(xj),

(2.28)

58

т.е. измерительный сигнал является функцией относительного поглощения и практически не зависит от неинформативных параметров средства измерения. При xj=0 функции Т(0)=1; Z(0)=0 и следовательно ŷj(0)=0. При увеличении уровня xj сигналы ŷj(xj), yj(xj), отображающие номинальную и реальную статические характеристики СИ, изменяются, при этом эти зависимости имеют нелинейный характер. Вид функций T(xj), z(xj) известен лишь приближенно. Уточнение вида СХ осуществляется на стадии градуировки газоанализатора по образцовым газовым смесям (ПГС), когда определяется градуировочная характеристика СИ yг(xj). Градуировочная характеристика – это оценка номинальной СХ СИ ŷ(xj). На Рис. 2.5-2.7 представлены примеры градуировочных характеристик (в виде экспериментальных точек на графиках y(cx)) для аналитическиих каналов СО, СН и СО2, а также аппроксимации градуировочных харктеристик указанных каналов, полученные методом наименьших квадратов. Yг

Рис. 2.5 Градуировочная характеристика аналитического канала СO и её аппроксимация. 59

Yг

Рис.2.6 Градуировочная характеристика аналитического канала СН и её аппроксимация. Yг

Рис.2.7 Градуировочная характеристика аналитического канала СO2 и её аппроксимация.

60

Поскольку целью аналитического измерения является определение оценки измеряемой концентрации xj (обозначим ее xj∗ ), то необходимо обращение номинальной СХ (точнее ее оценки) по алгоритму: xj∗ = ŷ –1 (yj),

(2.29)

где ŷ –1 - функция, обратная номинальной характеристике. Но поскольку известна не номинальная, а градуировочная характеристика СИ: yг(xj) = ŷ(xj) + ∆yг , то вместо (xj) используют : xj∗ = ŷ –1 (yгj),

(2.30)

где ∆yг –погрешности метрологического обеспечения СИ, включающие погрешности ПГС, и погрешности аппроксимации СХ. При полиноминальной аппроксимации градуировочной характеристики количество ПГС, необходимых для построения yг(xj) j-ой шкалы, на единицу больше показателя степени аппроксимирующего полинома. Например, при квадратичной аппроксимации необходимо минимум три ПГС, соответствующих различным точкам шкалы.

61

В соответствии с (2.26) рабочая СХ газоанализатора имеет вид: Uj yj = y(xj) =1-Kj

T(xj) ,

(2.31)

Urf Номинальная СХ: Ûj ŷj = 1-Kj

T(xj) , Ûrf

а при рекомендуемой настройке параметров газоанализатора (2.29): ŷj = 1 – T(xj) = z(xj),

(2.32)

Таким образом, номинальная СХ оптико-абсорбционного газоанализатора, реализованного по схеме отношения, не зависит от параметров СИ, а определяется лишь параметрами усредненной по полосе прозрачности фильтрующего элемента функции пропускания (поглощения): T(xj) = ∫ Jo (ν) Sф(ν) e –D dν/ ∫ Jo Sф(ν) dν, Где D(xj) – оптическая плотность анализируемой пробы. Чувствительность j–го аналитического канала к измеряемой величине: dŷj Ûj dT dT Sj = —— = - Kj — • — = — dxj Ûrf dxj dxj

62

Чувствительность j – го аналитического канала к i–ой неизмеряемой величине: dyj Wj =

Ûj ⋅

= - Kj dxнi

dT

Ûrf

dT =

,

dxнi

dxнi

Показатели избирательности аналитического канала к i-му неопределяемому компоненту: Wj Иj=

dT =

Wнi

dT /

dxi

,

(2.33).

dxнi

В следующем разделе перейдем к рассмотрению модели погрешности аналитического канала ИК – газоанализатора. 2.3 Модель погрешности аналитического канала газоанализатора Метрологические характеристики и показатели метрологической надежности традиционно являются объектом исследований и оптимизации при разработке любых средств измерений, в том числе и при создании и совершенствовании газоанализаторов для контроля транспортных выбросов. Модель погрешности j– го аналитического канала в статике ∆Хj представляет собой случайную величину и может быть представлена в виде нескольких составляющих [ ]: ∆yj ∆xj =

1

∆xнi

∆yj (u,q,ε) + ∆xг + Σ

= Sj

m

Sj

i

; Иi

63

где хj – измеряемая величина, например, концентрация определяемого компонента , y(xj,u,q,ε) - рабочая статическая характеристика (СХ) АП, u,q,ε - векторы неинформативных параметров канала – влияющие физические величины, отображающие соответственно внешние условия (u ), параметры АП (q ), шумы АП (ε ) и сопутствующие любому измерительному процессу; ŷj(x) = y(xj,u,q,ε) – номинальная СХ аналитического канала, при номинальных значениях неинформативных параметров; ∆yj (u,q,ε)=yj- ŷj – погрешность канала по выходу, обусловленная случайными отклонениями неинформативных параметров от номинальных уровней; ∆хг – погрешность метрологического обеспечения АП, обусловленная, главным образом, погрешностями используемых при градуировке ПГС; ∆xнi – отклонение i-го неизмеряемого компонента объекта контроля от номинального уровня, принятого при градуировке АП; Иj=

Sj

- показатель избирательности АП к i-му

Sнi

неопределяемому компоненту; Sj =

d ŷj

- чувствительность АП к измеряемому компоненту;

dx dŷj

Sнi=

- чувствительность АП к i-му неизмеряемому компоненту; dxнi

64

Первый (∆сj) и второй центральный (σ2∆хj) моменты ∆хj (или их оценки) определяют соответственно систематическую и случайную погрешности канала: ∆сj=М {∆хj};

σ2∆х=М{ (∆хj - ∆сj)2},

где М{∆хj} - математическое ожидание ∆хj при фиксированном хj; σ2∆хj – дисперсия случайной погрешности канала. Для промышленных приборов обычно нормируются не частные показатели погрешности (∆с, σ∆х), а интервальная характеристика погрешности в виде предела основной абсолютной (∆j), относительной (δj=∆j/хj) или приведенной (γj =∆j/Дj) погрешностей АП, ∆j = |∆сj| + кσ∆хj, где к – коэффициент, зависящий от принятой доверительной вероятности Рg и в большинстве случаев принимаемый равным 2, что соответствует Рg ≅ 0,95; Дj – диапазон измерения АП по j – му компоненту. Основная абсолютная погрешность ∆j и базирующиеся на ней показатели δj и γj выбраны в качестве критерия оптимизации газоанализатора для контроля транспортных выбросов. Модель погрешности АП, обусловленной неконтролируемыми изменениями неинформативных параметров, как случайной величины по выходу измерительного преобразователя при фиксированном значении xj:

∆yj = yj – ŷj = - ∆ ( Kj

Uj Urf

) T(xj)

65

Модель погрешности АП по измеряемой координате (концентрации j – го компонента): ∆yj

Uj

dT = δ (Kj ) T(xj) / , ∆xj = Urf dxj Wj где относительная случайная величина: ∆z

Sj δ (Kj

) = δ Kj + δUj - δUrf ;

δz =

Srf

z

Если коэффициент Kj поддерживается в процессе измерения на номинальном уровне Kˆ j , то приведенная погрешность АП: ∆xj γj =

T(xj) [ δUj - δUrf ],

= xmj

(2.34)

xmj⋅dT/dxj

где xmj – наибольшее значение xj , соответствующее верхней точке шкалы АП. Перепишем модель (2.34) в виде: [ 1 – z (xj)] γj =

xmj ⋅dT/ dxj

[ δSj - δSrf ],

(2.35)

При xj =0 z(0)=0 и величина 66

1 γjo = γj (0) =

xmj ⋅dT(0)/ dxj

[ δSj - δSrf ] ;

(2.36)

отображает погрешность АП (как случайную величину) в нулевой точке шкалы средства. Соответственно при xj >0 второе слагаемое в (2.35): z (xj) [ δSj - δSrf ] ;

γjм =

γj =γjo -γjм

(2.37)

xmj ⋅dT/ dxj отображает мультипликативную составляющую погрешности АП. Поскольку z (xj) ≤ xmj ⋅dT/ dxj ≅ z(xmj) и обычно (3-4)Zmj ≈ 1, то в соответствии с (2.36), (2.37) в сопоставимых условиях γjo > γjм

(2.38)

Таким образом, погрешность оптико-абсорбционного АП, реализованного по схеме отношения, определяется в основном аддитивной составляющей ошибки (или погрешностью в нулевой точке шкалы). Это вызывает необходимость более частой подстройки нулевой точки шкалы АП. Это требование, как правило, закладывается в регламент настройки и проверки оптикоабсорбционных газоанализаторов. Погрешность (2.35) γj является случайной величиной. В технической документации нормируется обычно предел основной допускаемой погрешности АП γjn. В соответствии с (2.26) и (2.35) составляющими γjn являются систематическая (γjn) и случайная (σj) погрешности, где в свою очередь составляющими γjn являются: оценка математического ожидания γj; погрешности метрологического обеспечения АП ∆хг/ хmj,

67

включающие погрешности используемых при градуировке ПГС и погрешности аппроксимации СХ. Соответственно основными составляющими СКО случайной погрешности σγ АП являются: инструментальная погрешность, обусловленная неконтролируемыми изменениями физических величин δUj и δUrf; неисключенные остатки упомянутых систематических погрешностей , а также случайные изменения ∆xнj неинформативных параметров объекта контроля, проявляющиеся в связи с ограниченным показателем избирательности. Если ограничиться инструментальными составляющими погрешности, то: γjn =γjn  + Kσγ,

K≅2, Pg=0,95

(1-z) σγ =

σs√2(1-Rs) ,

γjn = <γj >

xmj ⋅dT/ dxj где принято, что <δUj 2> = <δU2rf > = σ2U R = <δUj ⋅ δUrf > / σ2U

- коэффициент взаимной корреляции случайных

величин δUj и δUrf ; скобками <…>обозначена операция усреднения соответствующей случайной величины. Доминирующими составляющими γjn являются погрешности аппроксимации градуировочной характеристики АП. Доминирующими составляющими СКО случайной погрешности σγ являются относительно слабо коррелированные селективные (спектральные) компоненты случайных величин δUj и δUrf. Неселективные составляющие случайных вариаций рабочего и сравнительного сигналов, к числу которых относятся δT, δKn, δKy, δKр и др., подавляются схемой отношения практически полностью. 68

2.4 Анализ метрологических характеристик аналитического канала

В соответствии с данными, полученными в предыдущих разделах, рабочая СХ любого аналитического канала многоканального фильтрового оптико-абсорбционного газоанализатора имеет вид:

y j = y j (x j ) = 1 − K j ⋅

U1 T (x j ) , U2

(2.39)

Номинальная СХ Uˆ yˆ j ( xi ) = 1 − Kˆ j ⋅ 1 T ( x j ), Uˆ 2

(2.40)

а при рекомендуемой настройке параметров аналитического канала: yˆ ( x j ) = 1 − T ( x i ) = z ( x i )

(2.41)

Таким образом, номинальная СХ j-го аналитического канала газоанализатора, реализованного по рекомендуемой комбинированной измерительной схеме, не зависит от таких параметров аналитического канала как J0(ν), Tl, Kn, Ку, K0, а определяется лишь спектральными характеристиками определяемого компонента и фильтрующего элемента, усредненными в полосе пропускания канала и отображаемого в виде функций относительного пропускания:

∫S

T ( x j ) = ∆v

φ

(v)e D ( v ) dv

∫ Sφ (v)dv

(2.42)

∆v

69

или поглощения Z (x j ) = 1− T (x j ) .

(2.43)

Номинальная чувствительность аналитического канала к измеряемой в аналитическом канале концентрации xj равна:

Si =

dyˆ j dx j

= −K j ⋅

Uˆ 1 dT dT dz ⋅ = = Uˆ 2 dx j dx j dx j

(2.44)

Чувствительность аналитического канала к неизмеряемой в данном канале концентрации равна: S Hi = dyˆ j dx Hi = − dT dx Hi

(2.45)

Показатели избирательности аналитического канала, построенного на j-ый компонент, к i-му неопределяемому в канале компоненту равен: И i = S j S Hi =

dT dx j dT dx Hi

(2.46)

Модель погрешности аналитического канала, обусловленной неконтролируемыми изменениями неинформативных параметров, как случайной величины, по выходу аналитического канала (при фиксированном значении xj) имеет вид: ∆y j = y j − yˆ j = ∆ ( K j

U1 )T ( x j ) U2

(2.47)

Модель погрешности канала по измеряемой величине (без учета погрешностей аппроксимации и линеаризации СХ) имеет вид:

70

∆x j =

∆y j Sj

где δ ( K j

δ ⋅ (K j

=

U1 )T ( x j ) U2

dT dx j

,

(2.48)

∆K j ∆U 1 ∆U 2 U1 )= + − = δK j +δU 1 − δU 2 U2 Kˆ 1 Uˆ 1 Uˆ 2

Если настроечный коэффициент Кj. поддерживается в процессе измерения на номинальном уровне Кj (т.е. δКj = 0), то абсолютная ∆xj, относительная дхj и приведенная γj погрешности аналитического канала как случайные величины имеют соответственно следующий вид:

∆x j =

δx j =

γj =

T (x j ) dT dx j

∆x j xj

∆x j x mj

=

=

(2.49)

(δU 1 − δU 2 );

T (x j ) (δU 1 − δU 2 ); dT xj dx j

(2.50)

T (x j ) (δU 1 − δU 2 ); dT x mj ⋅ dx j

(2.51)

где хmj- значения хj, соответствующее верхней точке шкалы j-го аналитического канала. Производя в моделях (2.49) - (2.51) замену T(хj)=1-z(хj), получим, например, для приведенной погрешности: γj =

[1 − z ( x j )] (δU 1 − δU 2 ) dT x mj ⋅ dx j

(2.52)

71

Соотношения вида (2.52) более удобны для анализа составляющих погрешности аналитического канала. При хj → 0, например, z(х ) → 0, T(хj) → 1,

dT (0) 1 (δU1 − δU 2 ) = γ j отобра=const и соотношение хj(0) = dT (0) dx j xmj dx j

жает погрешности аналитического канала вблизи нулевой точки шкалы. Эта составляющая погрешности не зависит от уровня хj. С увеличением уровня измеряемой величины хj функция z(хj) возрастает (относительное пропускание Т(хj)- уменьшается) и соответственно проявляется зависимость погрешности аналитического канала от хj (т.е. проявляется мультипликативная погрешность аналитического канала):

γ mj =

z( x j ) dT x mj dx j

(2.53)

(δU 1 − δU 2 )

Характер зависимости γjm от хj существенно зависит от уровня измеряемой величины. На линейном участке СХ аналитического канала, где Т(хj) и z(хj) являются линейными функциями хj, а

dT = const , мультипликативные соdx j

ставляющие абсолютной ∆хj и приведенной γj, погрешностей канала по модулю возрастают пропорционально уровню хj,. γ mj =

z( x j ) ⋅ x j dT xj x mj dx j

(δU 1 − δU 2 ) =

xj x mj

(δU 1 − δU 2 )

(2.54)

В то же время уровень относительной погрешности δхj на линейном участке СХ, где

dT x j = -z(хj) «1, имеет вид: dx j

72

δx j =

 1  1 (δU 1 − δU 2 ) =  − 1 (δU 1 − δU 2 ) ≅ (δU 1 − δU 2 ), (2.55) dT ( ) ( ) z x z x   j j   xj dx j

1 − z( x j )

т.е. изменяется обратно пропорционально уровню хj (поскольку на линейном участке СХ функция z(хj) изменяется пропорционально уровню хj) и определяет тем самым предел обнаружения измерительного канала. Из приведенного рассмотрения следует, что на линейном участке рабочей СХ аналитического канала, где обычно хj<< хmj, абсолютная и приведенная погрешности канала определяются в основном аддитивными составляющими и практически не зависят от уровня измеряемой концентрации хj. В отличие от этого относительная погрешность аналитического канала на том же участке СХ имеет гиперболический характер зависимости от хj и таким образом всецело определяется мультипликативной составляющей погрешности. При выходе за пределы линейного участка СХ номинальные чувствительности Sj аналитических каналов уменьшаются. В экспоненциальном приближении СХ, например, это уменьшение чувствительности с увеличением оптической плотности анализируемой смеси происходит по экспоненте. Уменьшение чувствительности приводит к увеличению уровня погрешностей аналитических каналов в соотношении 1/Sj. Однако реальный характер зависимости абсолютной и приведенной погрешностей аналитических каналов от измеряемой величины хj определяется фактором T (x j ) S(x j )

=

T (x j ) dT dx j

, который с ростом хj увеличивается несколько медленнее,

чем 1/S(хj) (за счет уменьшения функции T(хj)). Более наглядное представление о характере зависимости погрешности аналитического канала от измеряемой величины, можно составить на основе отношения текущего значения погрешности ∆хj(хj), γj(хj) к соответствующим значениям погрешности в нулевой точке шкалы ∆хj(0), γj(0). 73

Составляя эти отношения для абсолютной и приведенной погрешностей аналитического канала, получим в соответствии с (2.54), (2.55) соотношение вида:

a( x j ) =

∆x j ( x j ) ∆x j (0)

где K H ( x j ) =

=

γ j (x j ) γ j (0)

=

dT (0) / dx j dT ( x j ) / dx j

T ( x j ) dT (0) / dx j T (x j ) ⋅ = ⋅ K H ( x j ), T (0) dT ( x j ) / dx j T (0)

(2.56)

текущий коэффициент нелинейности СХ анали-

тического канала. В соответствии с приведенными данными коэффициент KH(хj) ≥ 1, причем КH(0) →1 и увеличивается с ростом хj. Для аналитического канала на СО2, например, коэффициент KH(хj) превышает 102 в верхней точке шкалы канала. Отношение функций пропускания Т(хj)/T(0)≤1 и в противоположность КH(хj) это соотношение уменьшается с ростом хj. Из приведенного анализа следует: 1) Введенный безразмерный фактор а(хj) определяет характер распределения погрешности вдоль шкалы соответствующего аналитического канала; 2) При а(хj)=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; 3) Фактор а(хj) равен произведению текущей нелинейности СХ канала KH(хj) на отношение функций пропускания Т(хj)/Т(0). Эти сомножители как функции измеряемой величины хj изменяются в противоположные стороны, что позволяет в принципе синтезировать инвариантные относительно фактора a(хj) аналитические каналы, в которых мультипликативная погрешность практически не проявляется; 74

4) Близки в инвариантном в указанном выше смысле аналитические канала многоканального газоанализатора с относительно слабо нелинейными СХ (каналы СО и СН), в которых коэффициент КH(хj)≤2, а T(хj)/Т(0)≥0,5; 5) В аналитическом канале с ярко выраженной нелинейностью СХ (канал СО2), в котором за пределами линейного участка СХ коэффициент KH(хj)>> 1 и увеличивается вместе с ростом хj, а глубина модуляции излучения информативным параметром хj в конце диапазона измерения не превосходит 0,5 (T(хj)/Т(0)≥0,5), фактор а(хm) ≅ KH(хj)/2>>1 и, следовательно, погрешность этого аналитического канала определяется мультипликативной составляющей, превосходящей в а(хm) раз аддитивную составляющую; 6) Таким образом, применение схемы отношения (точнее комбинированной измерительной схемы) не позволяет в аналитическом канале с сильно нелинейной СХ (KH(хm)>>1) подавить до требуемого по ТЗ уровня мультипликативную погрешность газоанализатора; 7) Для уменьшения мультипликативной погрешности в канале СО2 газоанализатора в принципе пригодны любым способом уменьшения фактора а до уровня а(хm)=1, сводящиеся соответственно к уменьшению коэффициента нелинейности СХ KH(хj) и к увеличению относительного поглощения z(хj); 8) Среди известных 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 однолучевом многоканальном газоанализаторе вызывает однако пропорциональное уменьшение чувствительности и других аналитических каналов (СО, СН) газоанализатора и поэтому не может быть рекомендовано;

75

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 (например 2,7 мкм); - рассмотренная в предшествующем разделе 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 N2 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.

76

Выводы В работе сформирован критерий оптимизации оптико-фильтровых каналов газоанализатора (предел допускаемого значения основной погрешности) и выделены основные составляющие этого показателя. Построены математические модели статических характеристик и погрешностей каналов газоанализатора для различных вариантов оптических схем и алгоритмов обработки сигналов измерительной информации. Осуществлен сравнительный анализ вариантов построения каналов и алгоритмов обработки информации Особое внимание уделено оптико - недисперсионному каналу на СО2 в выбросах в связи с аномально высоким поглощением ИК радиации в полосе 4,28 мкм, вызывающим существенную нелинейность статической характеристики этого канала и, как следствие, высокий уровень погрешности в конце диапазона измерения. Рассмотрены варианты устранения этого явления.

77

ГЛАВА 3. Разработка двухкомпонентного ИК газоанализатора для контроля транспортных выбросов Последнее время на Российском рынке пользуются повышенным спросом различные приборы для измерения содержания вредных газов в выхлопах автомобильного транспорта. Это связано с тем, что выбросы транспорта являются одним из основных источников загрязнений воздушной среды мегаполисов. Так, например, в Московском регионе более 80% загрязнений в воздухе обусловлено транспортными средствами. Основной вклад в загрязнение воздушной среды вносят такие компоненты как окись углерода (СО) и углеводороды (СН). Для контроля содержания этих компонентов в выбросах автотранспорта (как на стадии технического обслуживания автомобилей, так и в процессе их эксплуатации) используются в настоящее время в основном инфракрасные (ИК) газоанализаторы. Для этих целей широко используются как импортные приборы (фирмы «Бош», «Авеста» и др.), так и отечественные газоанализаторы с различной степенью импортной комплектации («Инфралайт 11Е», «ГИАМ 29», «Автотест»). Падение рубля и пропорциональное удорожание импорта вызвало увеличение спроса на отечественные разработки в этой области. В данной главе рассматриваются задачи проектирования двухканального переносного ИК газоанализатора для контроля транспортных выбросов, в том числе: выбор оптимальной структуры и параметров оптикоабсорбционных фильтров газоанализатора, выбор технического, алгоритмического и метрологического обеспечения ИК газоанализатора.

78

3.1 Качественные показатели газоанализаторов для контроля транспортных выбросов Основными качественными показателями газоанализаторов для контроля транспортных выбросов являются: показатели назначения; показатели надежности; метрологические показатели. Показатели назначения, включающие количество контролируемых параметров, диапазоны изменения контролируемых параметров и другие, определяются в основном действующими в соответствующих странах нормативными документами. Нормативная база, действующая в настоящее время в РФ применительно к автотранспортным средствам в целом и к выбросам этих средств, в частности, в существенной мере отстает от мирового уровня. Соответствующее совершенствование нормативной базы сдерживается главным образом реальным состоянием отечественного машиностроительного и топливного комплексов, для модернизации которых требуются огромные инвестиционные вложения. Именно эти факторы сдерживают совершенствование показателей назначения отечественных газоанализаторов для контроля транспортных выбросов. При соответствующем изменении отечественной нормативной базы переход на новые показатели назначения, контуры которых представлены в табл.1.2, не вызовет принципиальных затруднений. Показатели надежности газоанализаторов для контроля транспортных выбросов определяются системотехникой приборов и используемой в них элементной базой. Отечественная элементная база в целом уступает импортной по техническим характеристикам, надежности и особенно номенклатуре. Поэтому во многих отечественных газоанализаторах используется, наряду с отечественной, импортная комплектация (например, в 79

газоанализаторе «Инфралайт 11Е»). В этих условиях для обеспечения конкурентоспособности отечественных приборов приходится усложнять системотехнику газоанализаторов. Главным образом за счет системотехнических решений наряду с частичной импортной комплектацией удается поддерживать показатели надежности, а также метрологические характеристики газоанализаторов для контроля транспортных выбросов, на уровне лучших зарубежных образцов. Так, например, предприятие-изготовитель НПО «Химавтоматика» гарантирует соответствие газоанализатора «Автокедр-М» требованиям ТУ в течение 12 месяцев эксплуатации, срок хранения без переконсервации – 6 месяцев, проверку чувствительности прибора по ПГС – раз в 3 месяца и др. 3.2 Выбор технического и алгоритмического обеспечения двухкомпонентного ИК газоанализатора для контроля транспортных выбросов В настоящее время, в связи с возрастающей необходимостью контроля выбросов автомобильного транспорта для улучшения экологической обстановки в мегаполисах возникла острая потребность в компактных переносных приборах: надежных, удобных, и простых в эксплуатации (в особенности с учетом того, что эксплуатируются они, как правило, не специалистами). В соответствии с требованиями действующих стандартов простейший ИК газоанализатор для контроля транспортных выбросов должен измерять содержание двух компонентов СО и СН в выбросах автотранспорта, а также контролировать число оборотов двигателя. В соответствии с рекомендациями, полученными во второй главе диссертации, в двухкомпонентном газоанализаторе следует использовать трехканальную оптическую схему измерения. Сигналы измерения каналов - 2 рабочих, по СО и СН соответственно и сравнительного, выделя80

ются с помощью трех интерференционных светофильтров, установленных на обтюраторе (см. рис.3.1). Частота вращения обтюратора 1,1 Гц. В переносных ИК газоанализаторах желательно использовать безобтюраторные схемы измерения. Однако это требует использования малоинерционных модулирующих источников ИК излучения. В ИК газоанализаторе «Инфралайт 11Е», например, используется измерительный блок фирмы «Sensors., inc.» (США), включающий пульсирующий источник ИК – излучения, что позволяет исключить механический модулятор. В разрабатываемом двухканальном газоанализаторе используются два аналитических канала (СО, СН), в каждом из которых используется комбинированная измерительная схема (гл. 2). Использование микропроцессорной техники дает возможность в принципе исключить сравнительный канал, а в качестве сравнительного сигнала использовать сигнал, полученный при первоначальной настройке прибора при продувке его чистым воздухом. Этот сигнал запоминается контроллером и затем используется при обработке сигналов измерительной информации. Использование микропроцессорной техники позволяет также сохранять результаты измерений в памяти ЭВМ, корректировать алгоритм работы прибора в случае необходимости без переделки конструкции прибора, упрощает использование газоанализатора, так как программа производит самодиагностику и подготовку прибора к работе, а также осуществляет управление процессом измерения. В газоанализаторе «Автокедр – М» в качестве основных элементов оптической схемы выбраны (рис.3.1):

81

1

2

4

5

6

3 2’

7

Р

8

Т

9 Рис.3.1 Структурная схема газоанализатора «Автокедр –М»: 1-источник ИК – излучения; 2 – светофильтр рабочий (2шт.); 2’ – светофильтр сравнительный; 3 – модулятор; 4 – кювета; 5 – приемник ИК – излучения; 6 – усилитель; 7 – АЦП; 8 – контроллер (Р и Т – коррекция по давлению и температуре соответственно); 9 – показывающий прибор. источник ИК излучения (1) – нихромовая нить накаливания, питаемая стабилизированным источником тока, светофильтры узкополосные, интерференционные (2, 2’), изготовленные по технологии вакуумного напыления и имеющие максимум пропускания λсо=4,66 мкм, λсн=3,40 мкм, λRf=3,90 мкм соответственно; 100мм кювета с сапфировыми стеклами (4), неселективный пироэлектрический приемник ИК радиации (5) типа МГ32. Предварительный усилитель (6) формирует измерительный сигнал в виде периодических однополярных 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. 82

Плата контроллера (ПК) выполняет следующие функции: 1. управления пневматическим клапаном; 2. управления раздельным включением двух побудителей расхода; 3. опрос управляющей клавиатуры; 4. ввода сигнала с первичного преобразователя (пироприемника); 5. ввода стробирующего сигнала с оптопары; 6. ввода сигнала с датчика давления; 7. ввода сигнала с датчика температуры; 8. ввода сигнала с тахометра; 9. цифрового обмена в формате RS-232; 10. вычисление концентраций с коррекцией по давлению и температуре; 11. вывода индикации показаний; 12. вывода показаний на печать в чековом формате. ПК включает мультиплексор и 10-12 разрядное АЦП, контроллер (К), формирователь сигнала RS 232 и силовые ключи (СК) из набора силовых транзисторов (рис. 3.2). ПК

11. 4. 6. 7.

АЦП СК

2.

К 10. 3. 5. 8.

1.

12. RS232

9.

Рис.3.2 Структурная схема ПК.

83

Проблема выбора типа центрального процессора является одной из важнейших при проектировании. К примеру, на этапе отладки программного обеспечения необходимо, чтобы процессор не только выполнял все вышеперечисленные задачи, но и обеспечивал достаточно быструю модернизацию программы. Основное требование к центральному процессору – обеспечение заданного быстродействия. Обтюратор вращается с частотой 1,1Гц, следовательно, длина одного периода выходного сигнала с пироприёмника составляет около 900 мс. АЦП позволяет получить в течении одного периода до 4500 оцифрованных точек. Т.е. в течение 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 функци: выделение аналитических сигналов, обработка сигналов по заданным алгоритмам, учет функций влияния, линеаризация СХ газоанализатора, управление режимами работы газоанализатора. 84

Поскольку анализируемая газовая смесь содержит значительное количество водяных паров и мелкодисперсной сажи, газоанализаторы «Автокедр – М» и «Инфралайт 11Е» оборудуются автоматической системой пробоподготовки с влагоотделением, включающий фильтры грубой и тонкой очистки газа от сажи, влагоотделитель, побудители расхода и др. (рис.3.2). Атмосферный воздух Проба газа 2 1 4

5

Сброс газа Сброс влаги

Вход парогазовой смеси Влага

Рис.3.3 Схема пробоподготовки газоанализатора: 1 – Фильтр грубой очистки; 2 – Влагоотделитель с фильтром тонкой очистки по каналу пробы газа; 3 – Перепускной клапан; 4 – Побудители расхода; 5 – Кювета газоанализатора. Остановимся подробнее на алгоритмах обработки сигналов измеряемой информации, использованных в газоанализаторе «Автокедр–М». При одном полном обороте обтюратора на выходе усилителя 6 наблюдаются первичные (сырые) импульсные сигналы измерительной инфор85

мации, связанные с частичным поглощением анализируемыми компонентами газовой смеси ИК радиации источника в полосах пропускания соответствующих интерференционных фильтров. Амплитуды первичных сигналов U’co, U’cн зависят не только от концентраций соответствующих анализируемых компонентов Ссо, Ссн в газовой смеси, но и от большого числа неинформативных факторов (интенсивности источника ИК излучения, коэффициентов пропускания светофильтров и кюветного преобразователя при Ссо и Ссн = 0, коэффициентов преобразования приемника ИК – излучения и усилителя электрических сигналов, используемой системы стробирования импульсных сигналов, режима работы обтюратора и др.), изменяющихся случайным образом. Для уменьшения влияния этих факторов в газоанализаторе «Автокедр – М» предусмотрены следующие операции: 1.

Усреднение первичных сигналов U’co, U’сн, U’Rf после их преобразования в АЦП в цифровом виде. При этом используется непрерывное весовое усреднение (по последним 10 цифровым значениям сигнала) Uco = 0,9 Uco + 0,1 U’co

где U’co - среднее значение Uco на предыдущем такте усреднения. Аналогично производится усреднение сигналов U’сн, U’Rf . 2.

Реализация алгоритма отношения соответствующего усредненного рабочего сигнала Ūj к усредненному сравнительному сигналу URf Uj y j = 1 – Kj

; URf

86

где Kj =

U rf0

U i0

– эмпирический настроечный коэффициент;

Ūrf0 – усредненный сравнительный сигнал URf на нулевой концентрации; Ūi0.- усредненный рабочий сигнал Ūj на нулевой концентрации. Физически сигнал отношения yj, j = CO, CH в общем случае отображает функцию относительного поглощения ИК радиации соответствующего компонента газовой смеси в рабочей кювете (5). 3.

Линеаризация статической характеристики (СХ) газоанализатора и расчет Сj. Вообще говоря, СХ газоанализатора yj (Сj) нелинейна. Для получения

значения концентрации определяемого компонента Сj необходимо осуществить обратное преобразование: Сj = fj-1(yj ), где fj-1 – функция, обратная yj . С этой целью на стадии метрологического обеспечения газоанализатора определяется полиномная 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: PoT Cj = K2j ⋅yj (1 + K3j ⋅yj + K4j ⋅y2)

, PTo

где K2j – чувствительность обратной СХ газоанализатора по j – му компоненту; K3j , K4j – коэффициенты линеаризации СХ газоанализатора; Ро, То – номинальные значения давления и температуры анализируемого газа задаваемые в процессе калибровки газоанализатора; 87

Р, Т – фактические значения указанных параметров, измеренные с помощью датчиков, встроенных в газоанализатор. 4.

Окончательное весовое усреднение значений Cj в соответствии с алгоритмом Cj = 0,95 Cj,j-1 + 0,05 Cj,j ,

гдеCj – конечный результат измерения концентрации j – компонента, выводимый на индикацию; Cj,j – текущее значение концентрации; Cj,j-1 - значение концентрации, полученное на предыдущем усреднении. 3.3 Экспериментальное исследование характеристик двухкомпонентного ИК газоанализатора Структурная схема экспериментальной установки для изучения характеристик двухкомпонентного ИК газоанализатора представлена на рис. 3.4. Воздух

4

1 3

2 Рис. 3.4 Структурная схема экспериментальной установки 1 – разрабатываемый анализатор; 2 – баллоны с газовой смесью известного состава; 3 – ЭВМ; 4 – трехходовой кран. 88

Порядок проведения экспериментального исследования: 1. Включение и прогрев макета газоанализатора; 2. Продувка анализатора чистым воздухом, установка нуля; 3. Подача образцовой газовой смеси из баллона; 4. Фиксация показаний прибора («сырые сигналы»); 5. Продувка линии чистым воздухом; 6. Далее с п. 3, меняя баллоны с газовой смесью. Порядок обработки газовых испытаний: 1. Для СО : А) построение диаграммы Uсо (t) как функции времени. Б) нахождение настроечного коэффициента K1 K1 = URf(O)/ Uco(O) B) нахождение сигнала отношения Yco Yco = 1 – K1* Uco/Urf Г) построение диаграммы Yco (t) для каждой газовой смеси для оценки стабильности аналитического канала 2. Для СН: А) построение диаграммы Ucн (t) Б) нахождение коэффициента К1 K1 = Urf (O) / Ucн (O) 89

В) нахождение Ycн Ycн = 1 – K1* Ucн/Urf Г) построение диаграммы Ycн (t) для каждой газовой смеси. Параллельно производилась оценка статистических параметров характеристик газоанализатора для контроля транспортных выбросов. Показано, что предел относительного СКО по сырым сигналам (Uco’, Ucн’, URf’) для серийно выпускаемых приборов не превосходит 1%, а предел допускаемого значения приведенной погрешности по измеряемым концентрациям (Ссо, С сн) обычно не превосходит 3%. Это увеличение связано с наложением систематической погрешности, обусловленной неточной аппроксимацией СХ. Индивидуальная подгонка каждого газоанализатора при выпуске (в механической и аналитической частях) позволяет практически вдвое уменьшить указанные выше пределы и достичь показателей порядка 0,5% по сырым сигналам и 1,5 – 2% по концентрациям. В заключении приведены результаты исследования избирательности газоанализатора “Автокедр –М”. Исследования проводились в соответствии с методикой, указанной выше в п.2.2. В качестве основных мешающих компонентов в соответствии с моделью объекта контроля рассматривались диоксид углерода (СО2) и пары воды. Полученные экспериментальные результаты для сигналов Uj для трех каналов газоанализатора представлены в таблице 3.1. Обнаружено относительно небольшое влияние СО2 по каналу СО, представленное в табл.3.2, где

90

SCO [Uco(0) – Uco(co)] CCO2 Иco =  =  ×  SCO2 CCO [Uco(0) – Uco(co2)] Таблица 3.1. Смесь

U co, мВ

Ucн, мВ

URf, мВ

2126

2159

2513

2481

2159

2516

1795

2156

2508

Воздух

2468

2155

2513

СО2

2448

2160

2512

Воздух

2486

2161

2517

СО2

2414

2160

2507

Воздух

2488

2161

2517

С3Н8

2489

2049

2521

Воздух

2493

2166

2522

Н2О 17,5 % отн

2492

2165

2523

Воздух

2486

2164

2521

2489

2165

2520

СО

2,56%

Воздух СО

Н2О

9% 4,6% 18,7%

75% отн

Таблица 3.2

Концентрация газовой смеси (СО2)

Иco

4,6% об

9,05

18,7% об

18,88

91

Перекрестного влияния СО на канал СН и СН на канал СО не наблюдается. С учетом этого рекомендуется нормирование допускаемой дополнительной погрешности γдн от изменения содержания указанных выше не измеряемых компонентов в пределах не более 0,3γn (γn-предел допускаемого значения основной приведенной погрешности): γдн = Сх(Снimax)= 0,3γn . Общий вид и характеристики газоанализатора «Автокедр–М» проиллюстрированы в Приложении 1. Там же приведены общий вид и характеристики газоанализатора «Инфралайт 11Е», сделанного на оптическом блоке фирмы «Sensors» (США).

3.4 Результаты разработки двухканального ИК газоанализатора В результате проведенного исследования и выполнения ОКР создан и выпускается мелкосерийно переносной импортзамещающий газоанализатор «Автокедр –М», предназначенный для контроля транспортных выбросов, со следующими характеристиками: Мощность, потреблемая в режиме измерения, В*A, не более: -АВТОКЕДР-М-0 -

8

-АВТОКЕДР-М-1 -

10

-АВТОКЕДР-М-2 -

15

Масса прибора не более 5 кг. Габаритные размеры прибора не более 254x144x275 мм. Внешний вид газоанализатора «Автокедр–М» представлен в Приложении №1.

92

Газовый тракт прибора герметичен. При подаче избыточного давления 15 КПа (0,15 кгс/см2) спад давления в течении 1 мин. не должен превышать 1,5 КПа (0,015 кгс/см2). Время прогрева контролируется автоматически и превышает 15 мин. при 20 0С. Определение основной погрешности прибора при определении концентраций анализируемых газов производится с помощью поверочных газовых смесей (ПГС) в баллонах по ГОСТ 9293-74 и ТУ 6-16-2956-87 согласно табл. 3.3. Таблица 3.3 Измеряемый компонент

Предел измерения

Смеси газовые поверочные стандартные образцы ТУ 6-162956-62 Концентрация компонента в азоте объемная доля,% (млн-1) Номиналь- Допустиное знамое откчение лонение

1

2

-

-

СО С3Н8

Номер по Госреестру

0-5 % 0-10 %

С6Н14 0-1000млн-1 0-5000млн-1

3 Азот особой чистоты

Допустимая погрешность аттестации

4 -

5 -

6 Гост 9293-74

2,5 4,65 9,5 0,10 0,18 0,45 0,9

0,25 0,50 0,5 0,01 0,02 0,05 0,05

+/- 0,04 +/- 0,08 +/- 0,08 +/- 0,004 +/- 0,004 +/- 0,010 +/- 0,015

3827-87 3831-87 3831-87 5897-91 5897-91 5326-90 5328-90

500 900 2600 4750

100 100 250 250

+/- 20 +/-20 +/- 100 +/-100

5318-91 5318-91 5321-90 5321-90

ПРИМЕЧАНИЕ. Допускается вместо азота использовать чистый атмосферный воздух.

93

Перед каждой подачей ПГС необходимо установить нулевые показания. Определить переводной коэффициент Кп гексана в пропановый эквивалент. Для определения переводного коэффициента Кп необходимо откалибровать газоанализатор по гексану. Затем через прибор пропустить 3 раза пропановую смесь в диапазоне 0-1000 млн-1 и в диапазоне 05000млн-1. Коэффициент Кп определить для каждого из диапазонов как среднее значение из 3-х определений: Сг Кп = ----- , Сп где Сг - показния газоанализатора по пропановой смеси; Сп - значение концентрации пропана, указанное в паспорте на ГСО, млн-1; Значения Кп для каждого из диапазонов занести в паспорт на газоанализатор. Определение основной приведенной погрешности проводится при поочередном пропускании поверочных газовых смесей СО в азоте и СН в азоте с содержанием определяемого компонента в % от диапазона измерения: азот - ПГС N 1 ,(50 + 5) % - ПГС N 3, (95 + 5) % - ПГС N 5 в следующей последовательности 1-3-5-3-1. ПРИМЕЧАНИЕ. Допускается вместо ПГС N1 (для измерения концентрациии углеводородов и окиси углерода) использовать чистый атмосферный воздух. Отсчет показаний на каждой ПГС, подаваемой из баллона на штуцер "ВХОД" прибора, должен производиться спустя 1 мин с момента подачи ПГС. 94

Для показаний газоанализатора по каналу СО основная приведенная погрешность рассчитывается по формуле: Аj - Ао Yо = --------- . 100 % , Ак для измерения СН: Аj-АохКп

Yо =

--------- . 100 % , Ак

где Аj -показания газоанализатора (% или млн-1), Ао - значение концентрации анализируемого компонента в ПГС, записанное в паспорте, % (или млн-1). Ак - верхний предел диапазона измерений газоанализатора, % (или млн-1). Кп - переводной коэффициент гексана в пропановый эквивалент. Пределы допускаемой основной погрешности приведены в табл.3.4. Таблица 3.4. Измеряемая величина

Диапазон Основная приведенная измерения (ДИ), погрешность, % от диапазона измерения % об. * об/мин

Концентрация углеводородов.

0 - 1000 млн-1 0 - 5000 млн-1

+5 +5

Концентрация окиси углерода.

0-5 0 - 10

+5 +5

Частота вращения коленчатого вала двигателя автомобиля

0 - 1000* 0 - 10000*

+ 2,5 + 2,5

95

Дополнительная погрешность газоанализатора, вызванная изменением температуры окружающей среды на каждые 100С в диапазоне от 0 до 400 С, не превышет 0,6 долей основной приведенной погрешности Yд. Дополнительная погрешность газоанализатора при изменении неизмеряемых компонентов в анализируемой газовой смеси не превышает 0,8 долей основной приведенной погрешности Yд. Дополнительная погрешность газоанализатора при изменении атмосферного давления от 84 до 106,7 кПа (от 630 до 800 мм Нg) на каждые 3,3 кПа (25 мм Нg) от границ диапазона (94 + 0,7) кПа не превышает 0,3 долей основной приведенной погрешности Предел допускаемого времени установления показаний 20 с. Предел допускаемого интервала времени работы газоанализатора без корректировки чувствительности не менее 6 месяцев. Средняя наработка на отказ должна быть не менее 10 000ч. Критерием отказа является неустраняемый выход основной погрешности за допустимые пределы. Полный средний срок службы не менее 10 лет. Критерием предельного состояния газоанализаторов является экономическая целесообразность восстановления или ремонта. Прибор в транспортной таре выдерживает без повреждений: 1) воздействие температур от минус 50 до 50 оС; 2) воздействие относительной влажности (95+3) % при температуре 30 оС; 3) транспортную тряску с ускорением 30 м/с2 при частоте ударов от 80 до 120 в минуту.

96

Газоанализатор выдерживает 20 %-ную перегрузку, вызванную выходом содержания измеряемого компонента за пределы ДИ, в течение 5 мин с восстановлением нормальной работы после снятия перегрузки в течение 5 мин. Технические характеристики прибора соответствуют при: 1) температуре окружающего воздуха (20 + 5) оС; 2) атмосферном давлении (101,3 + 0,7) кПа; 3) напряжении питания 12 +1,2 В. Газоанализатор «Автокедр –М» включен в Госреестр под №16965-98 и выпускается в настоящее время ОАО НПО «Химавтоматика» мелкими сериями. В настоящее время выпущено 60 газоанализаторов «Автокедр – М».

97

ВЫВОДЫ 1. Представлены результаты разработки двухкомпонентного переносного ИК газоанализатора для контроля транспортных выбросов, в том числе: обоснование

выбора структуры и параметров газоанализатора, выбор

технического, алгоритмического и метрологического обеспечения прибора. 2. В разрабатываемом газоанализаторе используются два аналитических канала (СО, СН), в каждом из которых используется комбинированная измерительная схема. 3. На основе проведенного анализа выбрано алгоритмическое обеспечение газоанализатора для контроля транспортных выбросов, позволяющее практически устранить коррелированные между собой составляющие погрешности каналов и значительно уменьшить относительно слабо коррелированные спектральные составляющие погрешности в аналитических каналах газоанализатора. 4. В результате проведенного исследования и выполнения ОКР создан и выпускается мелкосерийно переносной импортзамещающий газоанализатор «Автокедр – М», предназначенный для контроля транспортных выбросов. Проведенные в соответствии с разработанной методикой экспериментальные исследования характеристик газоанализатора «Автокедр – М» подтвердили правильность разработанных моделей метрологических характеристик оптико-абсорбционного газоанализатора.

98

ГЛАВА 4. Разработка пятикомпонентного газоанализатора для контроля транспортных выбросов Из пяти компонентов, содержание которых требуется контролировать в транспортных выбросах в соответствии с требованиями современных стандартов, три компонента (СО, СН, СО2) обычно контролируются с применением метода абсорбции ИК радиации, а два оставшихся (O2 и NO) – с помощью различных разновидностей электрохимического метода. Рассмотрим реализацию ИК каналов пятикомпонентного газоанализатора для контроля транспортных выбросов. 4.1 Выбор структурной схемы и параметров настройки многокомпонентного ИК газоанализатора Аналитический канал многокомпонентного недисперсионного ИК газоанализатора предназначен для определения концентрации одного из компонентов анализируемой многокомпонентной газовой смеси. В принципе для этих целей может быть использован рассмотренный в главе II простейший оптический канал. Однако известно [ ]. что метрологические характеристики простейшего одноканального газоанализатора недостаточны и не удовлетворяют современным требованиям, например, по стабильности показаний. Поэтому аналитический канал в современных оптико-абсорбционных газоанализаторах (как однокомпонентных, так и многокомпонентных) реализуется обычно на основе двух простейших оптических каналов - рабочего и сравнительного - так называемые однолучевые двухканальные схемы (2К1Л), либо на основе одного спектрального канала, включающего однако две кюветы (рабочую и сравнительную) - одноканальные двухлучевые схемы (1К2Л). В том и другом случаях обычно с помощью модуляционных систем разделения сигналов в аналитическом канале формируются два сигнала измерительной информации: рабочий, отображаемый соотношением вида 99

(2.1), и сравнительный, практически независящий от измеряемой в канале концентрации x, но зависящий от основных влияющих физических величин и неинформативных параметров Кп, Ку, Кр, Те, Sφ( v), Jo и др.: W cp = Kn • Ky • Kp • Те •∫Jo • Sφ(v}dv+ξ2= U2 + ξ2

где Uˆ 2 = Wˆ ср - номинальное значение сигнала сравнительного канала. Наличие в аналитическом канале сравнительного сигнала обеспечивает информационную (структурную) избыточность, используемую для повышения точности аналитических определений. С этой целью используется комбинаторика сигналов W(x) и W cp трех видов: - сравнение сигналов W(x) и W cp путем их вычитания yg (x)= Wcp - W(x)

(4.1)

используемое в дифференциальных схемах измерения; - сравнение сигналов путем измерения их отношения

y0 (x)=W(x)/Wcp,

(4.2)

используемое в схемах отношения; - комбинированная

измерительная

схема, сочетающая положитель-

ные свойства алгоритмов (4.1), (4.2) (4.3)

100

Достаточно хорошо известны [ ] преимущества и недостатки перечисленных измерительных схем и соответственно алгоритмов обработки сигналов (4.1)-(4.3) оптико-абсорбционных анализаторов. В дифференциальной схеме, например, при Uˆ 1 = Uˆ 2 и x = 0, yg(0)=0 и х>0 ŷg(x)= Û1·Z(x) = Û1· Zˆ (U ) ⋅ Gˆ

(4.4)

т.е. обеспечивается подавление фонового сигнала в нулевой точке шкалы и существенное уменьшение аддитивных погрешностей по сравнению со схемой простейшего оптического канала, рассмотренной в Главе 2. В схеме отношения (4.2) при х=0 yˆ 0 (0) =

Uˆ 1 , т.е. шкала сигнала уо не имеет фиксированного нуля, но в этой Uˆ 2

схеме при Uˆ 1 = Uˆ 2 информативный сигнал у0(х)=Z(U)⋅G/Gcp зависит только от измеряемой величины и параметров спектральной настройки каналов. В комбинированной схеме в случае U1≠U2, что обычно и имеет место практике, предпочтительно

на

использовать модифицированный алгоритм

обработки сигналов:

(4.5)

ˆ

Wср - эмпирически определяемый для каждого компонента коэффигде Kˆ = Uˆ 1

циент, равный отношению номинальных значений сигналов Ŵср и Ŵ(0). При настройке аналитического канала необходимо следующее условие: 101

Kˆ ⋅ U ср U 2 = 1

(4.6)

В этом случае согласно (4.3)

y(x)=1-T(x)=Z(x)G,

(4.7)

т.е. измерительный сигнал в момент настройки является функцией относительного поглощения и практически не зависит от неинформативных параметров средства измерения. При х=0, Т(х)=0, Z(0)=0 и у(0)=0, т.е. схема имеет подавленный нуль и с ней, как показано выше (гл.2), хорошо подавляются как аддитивные, так и мультипликативные составляющие погрешности. В современных многоканальных недисперсионных ИК газоанализаторах для контроля транспортных выбросов целесообразно использовать многоканальную однолучевую (МК1Л) оптическую схему. Это объясняется тем, что применение однолучевой (т.е. однокюветной) схемы позволяет упростить оптическую схему прибора и существенно уменьшить погрешности анализа, обусловленные неселективными влияющими физическими величинами, например, практически устранить влияние загрязнений рабочей кюветы анализатора. Число аналитических каналов в недисперсионном многоканальном ИК газоанализаторе равно числу определяемых компонентов анализируемой смеси, имеющих полосы поглощения в ИК диапазоне, а число спектральных оптических каналов обычно на единицу больше числа определяемых компонентов, т.е. в этом случае сравнительный канал является общим для всех аналитических каналов. Типовой перечень загрязняющих воздух компонентов в выбросах автотранспорта, определяемых с помощью недисперсионного ИК метода, включает: СО, СН, СО2. При таком наборе определяемых компонентов многоканальный ИК недисперсионный газоанализатор, реализованный по комбинированной схеме вида МК1Л, включает при аналитических 102

канала (соответственно по СО, СН, СО2), один сравнительный оптический канал и общий для всех четырех спектральных каналов кюветный преобразователь. Использование общей для всех каналов кюветы приводит к существенной нелинейности СХ аналитического канала СО2 из-за аномально высокого интегрального коэффициента поглощения этого компонента по сравнению с другими определяемыми компонентами. Рабочие и номинальные СХ каждого из аналитических каналов многоканального ИК газоанализатора, реализованного по схеме МК1Л. отображаются соотношениями (4.3)-(4.7)для у(хj); ŷ(хj), где j - номер определяемого компонента. Видно, что зависимость ŷ(хj) при настройке (4.6) определяется функциями поглощения Z(xj) или пропускания Т(хj). имеющими, как уже отмечалось нелинейный характер. Модели функций T(хj), Z(хj) определяются на стадии градуировки каждого их каналов газоанализатора по ПГС, когда определяется градуировочная характеристика j -го аналитического канала уГ(хj), являющейся эмпирической оценкой неизвестной номинальной характеристики ŷ(хj). При построении нелинейных градуировочных характеристик уГ(хj) для определяемых компонентов возникает задача аппроксимации полученных эмпирических данных нелинейными функциональными

зависимостя-

ми. Удачным оказалось предложенная Рыловым В. А. [ ] методика аппроксимации СХ газоаналитических преобразователей степенными функциями вида:

(4.8)

где х - информативный параметр; В, K - параметры аппроксимации; т - показатель степенной функции.

103

При изменении показателя т от 0 до 2 аппроксимирующая функция (4.8) отображает соответственно: линейную СХ уa = В⋅х, (т → О), закон квадратного корня (т=0,5), логарифмический закон (т=1), гиперболический закон (т=2) и др. Аппроксимация проводится методом наименьших квадратов, т.е. минимизируется относительное квадратичное отклонение уa (х,В,К,т) от у(хj), т.е. целевая функция имеет вид:

(4.9)

п - количество ПГС, используемое при эмпирическом построении yг(х). Ниже приводятся полученные экспериментально градуировочные характеристики трех аналитических каналов (СО, СН, СО2) многоканального ИК газоанализатора. Структурная схема экспериментальной установки для получения статических характеристик аналитических каналов представлена на рис.3.4. Порядок проведения экспериментального исследования включает следующие этапы: 1. Включение и прогрев газоанализатора; 2. Продувка анализатора чистым воздухом, установка нуля; 3. На анализатор подана газовая смесь из баллона и разбавителя определенной концентрации. 4. Зафиксированы показания прибора («сырые сигналы»). 5.Проведена продувка линии воздухом. 6. Далее с п. 3. меняя баллоны с газовой смесью или концентрацию газовой смеси с помощью разбавителя. Структурная схема используемого в экспериментальных исследованиях четырехканального однокюветного оптико-абсорбционного газоанализатора представлена на рис.4.1. В анализаторе имеется три аналитических канала (СО, СН, СО2) и соответственно четыре спектральных канала (один спек104

тральный канал используется в качестве сравнительного). Спектральные интервалы выделяются с помощью узкополосных интерференционных фильтров, расположенных на единой подложке в одном корпусе, конструктивно совмещенной с четырьмя пироэлектрическими приемниками излучения (рис.4.1). В качестве источника используется пульсирующий малоинерционный неселективный источник излучения. Обработка сигналов спектральных каналов (так называемых сырых сигналов) осуществляется в контроллере. Пример массива экспериментальных данных для сигналов четырех аналитических каналов, полученных в процессе градуировки аналитических каналов приведены в таблице 4.1. Сигналы спектральных каналов обрабатываются затем в ЭВМ в соответствии с алгоритмом (4.5). Примеры полученных экспериментально градуировочных характеристик трех аналитических каналов (СО, СН, СО2) газоанализатора представлены (в виде точек) соответственно на рис.2.5-рис.2.7. На тех же рисунках сплошными линиями представлены аппроксимации соответствующих градуировочных характеристик степенными функциями вида (4.8), а также полученные в соответствии с методом МНК параметры аппроксимирующих функций В, К, т. На приведенных рисунках приняты следующие обозначения: Y(i)- экспериментальное значение выходного сигнала; d(i) - относительная погрешность аппроксимации в i-ои точке. Из приведенных данных следует, что СХ всех аналитических каналов в диапазоне изменения измеряемых концентраций соответствующих компонентов анализируемой смеси, являются нелинейными, причем особо сильной нелинейностью отличается характеристика канала СО2.

105

Рис.4.1 Структурная схема многоканального ИК газоанализатора 1 - пульсирующий ИК-излучатель; 2 - кювета; 3 - четыре интерференционных фильтра и пироприемника на одной подложке

Наиболее чувствительным критерием нелинейности СХ является величина отношения дифференциальных чувствительностей, соответствующих обычно началу и концу диапазона измерения:

KH =

dy ( x min )dx S ( x min ) = dy ( x max )dx S ( x max )

(4.10)

Очевидно, что для линейных СХ Кн = 1. Из приведенных на рис.2.5рис.2.7 данных видно, что показатель нелинейности Кн для канала СО2, например, превышает 102, т.е. чувствительность к информативному параметру по диапазону измерения изменяется более чем на два порядка. Наличие большой нелинейности СХ вызывает заметное ухудшение метрологических характеристик газоанализатора. Здесь можно выделить два фактора:

106

Таблица 4.1 Результаты газовых испытаний оптико-абсорбционного многоканального газоанализатора. конц-я CO2, %об. азотО 18,7 16,76 13,05 11,59 10,17 8,87 7,99 5,57 2,46 1,62 0,86 азотО CO, %об. азотО 0,197 1,209 1,345 1,454 1,903 2,565 4,4 5,644 7,385 9,792 (нул-е) азотО C3H8, ppm. 0 1030 1800 4740 7900 азотО

Wrf 17375 17232 17223 17244 17246 17273 17263 17297 17263 17323 17306 17323 17390 17409 17237 17210 17210 17246 17226 17217 17243 17237 17180 17176 17216 17401 17397 17401 17365 17320 17409

Wco2 19439 11580 11622 11746 11800 11882 11943 12020 12199 12900 13409 14455 19660 19788 18808 18322 18378 18438 18385 18340 18425 18418 18323 18272 19556 19690 19709 19757 19716 19671 19749

Wco 22047 20596 20643 20772 20827 20914 20968 21017 21110 21400 21498 21638 22072 22097 21834 19743 19603 19527 19124 18622 17491 16892 16160 15320 21918 22083 22084 22084 22049 22034 22092

Wch 18564 18499 18490 18510 18521 18572 18552 18558 18510 18553 18531 18525 18555 18574 18331 18315 18309 18354 18337 18324 18348 18333 18304 18288 18298 18564 17291 16444 13857 11948 18550

107

1) Для получения показания газоанализатора (оценки значения измеряемой в аналитическом канале величины →xj*) необходимо осуществить обратное преобразование СХ xj* = ƒj-1(yj)

(4.11)

где ƒj-1 - функция, обратная yj(xj). Операция (4.11) называется линеаризацией, а ƒj-1- функцией линеаризации. 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. В конечном счете это приводит к увеличению погрешности аналитического канала, имеющей в основном систематический характер. На рис.4.2 для примера показана функция линеаризации по каналу СО2;

Рис.4.2 Функция линеаризатора по каналу СО2

108

2) Существенное изменение (уменьшение) дифференциальной чувствительности S(xj) при увеличении измеряемой концентрации от хmin до хmax вызывает в соотношении обратной пропорции увеличение как случайной, так и систематической составляющих погрешности аналитического канала. Модель этого явления рассмотрена в разделе 2.3. Таким образом, уменьшение нелинейности СХ аналитических каналов (главным образом канала СО2) ИК газоанализатора для контроля транспортных выбросов имеет большое значение для оптимизации метрологических характеристик прибора. Один из эффективных подходов, позволяющих уменьшить нелинейность СХ оптико-абсорбционных анализаторов, рассмотрен в следующем разделе.

4.2 Выбор параметров спектральной настройки газоанализатора Как уже отмечалось, при многокомпонентном анализе возникают трудности с оптимизацией длины рабочей кюветы, общей для всех анализируемых компонентов. В гл.2 показано, что применение комбинированной измерительной схемы не позволяет в аналитическом канале с сильно нелинейной СХ подавить до требуемого уровня мультипликативную погрешность газоанализатора. Среди исследовавшихся способов уменьшения коэффициентов нелинейности СХ канала СО2 можно выделить следующие: - уменьшение толщины поглощающего зондирующее излучение слоя в канале за счет уменьшения длины рабочей кюветы. Такое решение в однолучевом многоканальном газоанализаторе вызывает, однако пропорциональное уменьшение чувствительности и других аналитических каналов (СО, СН) газоанализатора до неприемлемого уровня и поэтому не может быть рекомендовано; - уменьшение интегрального (по полосе СО2) коэффициента поглощения определяемого в аналитическом канале компонента либо за счет спектральной настройки оптического канала СО2 на одну из более слабых по сравнению с

109

полосой 4,27 мкм полос поглощения СО2, либо за счет спектральной перестройки оптического канала СО2 с центра на край полосы поглощения СО2. Оба последних варианта 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 N2 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. При разработке многокомпонентного ИК газоанализатора два последних способа улучшения нелинейности СХ аналитических каналов были испытаны с целью выбора практически наилучшего варианта. При этих испытаниях оптическая схема газоанализатора была модифицирована (рис.4.3). В нее дополнительно введен газовый фильтр (ГФ), заполненный смесью наиболее сильно поглощающего ИК радиацию компонента (СО2) с азотом. А

Б

В 1к 2к nк

Г Рис.4.3. Принципиальная схема оптической кюветы: А - пульсирующий излучатель; Б – газовая кювета; В – блок ПП с оптическими фильтрами; Г – газовый фильтр (кювета с дополнительным объёмом).

110

Полученные при испытаниях данные для аналитического канала СО2 (без газового фильтра и с фильтром длиной 2,4мм и с концентрацией заполнения 60% СО2) показаны на Рис. 4.4, 4.5. Видно, что использование ГФ существенно уменьшает коэффициент нелинейности СХ (более, чем в 7 раз), но вместе с тем заметно уменьшается и глубина модуляции измерительного сигнала yi(x) измеряемой величины (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. Спектральные характеристики этого выбранного фильтра, настроенного на край полосы поглощения СО2, представлены на рис. 4.6. Для сравнения на рис. 4.7 представлена спектральная характеристика ИФ, настроенного на центр полосы СО2. СХ канала СО2 газоанализатора, полученные экспериментально для соответствующих спектральных настроек оптического тракта по изложенной выше методике, представлены на рис. 4.8. 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:

111

112

113

114

115

а)

б) Рис.4.8 СХ аналитического канала СО2 при различных спектральных настройках оптического тракт: а) ИФ с λmax=4,24 мкм; б) ИФ с λmax=4,45 мкм.

116

-

получатся большая глубина модуляции сигнала уi 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;

-

показатели нелинейности СХ уменьшаются почти на 2 порядка 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 использован ИФ с λmax=4,45мкм, настроенный на край полосы поглощения СО2. В остальных оптических ИК каналах используются стандартные покупные ИФ, спектральные характеристики которых представлены на рис. 4.9; 4.10; 4.11.

117

118

119

120

4.3 Исследование метрологических характеристик газоанализатора 4.3.1 Определение основной погрешности газоанализатора Определение основной погрешности газоанализатора производится идентично методике, изложенной в гл. 3 с добавлением проверки по каналу СО2. Метрологическое обеспечение: ПГС в баллонах по ГОСТ 9293-74 и ТУ 6-16-2956-87 согласно табл. 4.2. Таблица 4.2. Перечень применяемых ПГС. Измеряемый компонент

Предел измерения

1

2

-

-

СО

0-5 %

0-0,1% 0-0,5%

С6Н14

0-1000 млн-1 0-5000 млн-1

CO2

Концентрация компонента в азоте объемная доля,% (млн-1) Номинальное значение

0-10 % С3Н8

Смеси газовые поверочные -стандартные Номер по образцы ТУ 6-16-2956-92 Госреестру

0- 20%

3 Азот особой чистоты

Допустимое отклонение

Допустимая погрешность аттестации

4 -

5

6

-

Гост 9293-74

2,5 5,0 9,5

0,25 0,50 0,50

0,04 0,08 0,08

3827-87 3831-87 3831-87

0,10 0,18 0,45 0,9

0,01 0,02 0,05 0,05

0,004 0,004 0,010 0,030

5897-91 5325-90 5326-90 3970-87

500 900 2600 4750

100 100 250 250

20 20 100 100

5898-91 5898-91 5321-90 5321-90

10

1,0

0,1

3777-87

18

1,5

0,2

3779-87

Полученные результаты приведены в разделе 4.4.

121

4.3.2 Исследование дополнительных погрешностей газоанализатора Помимо основной погрешности, в газоанализаторах нормируются дополнительные погрешности от воздействия изменения давления и температуры внешней среды, а также от влияния неизмеряемых компонентов. Стоит отметить, что в приборах для контроля транспортных выбросов система пробоподготовки обеспечивает охлаждение пробы с 150-200 °С на выходе из выхлопной трубы автомобиля, до температуры окружающей среды на входе в прибор. Это достигается за счет длинной пятиметровой транспортной линии. Поэтому, причины возникновения дополнительной температурной погрешности могут быть разными: через изменение свойств пробы или изменение коэффициента преобразования прибора. Система пробоподготовки заимствована из ранее разработанного и проверенного газоанализатора «Автокедр –М» (гл.3). Давление вносит погрешность в измерение через изменение свойств пробы, практически не воздействуя на прибор, при измерении ИК радиации. В общем виде компенсацию воздействия давления можно пересчитать 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. Однако по результатам испытаний существенного отклонения от прямопропорциональной зависимости от давления выявлено не было и был применен алгоритм уменьшения погрешности двухканального газоанали-

122

затора (гл.3). Давление контролируется непосредственно в кювете, чтобы учесть разницу от изменения атмосферного давления, которая может возникнуть за счет пневматического сопротивления линии сброса газа при больших расходах. Для измерения использовался датчик абсолютного давления МРХ4115-АР фирмы «Моторола». Дополнительная погрешность прибора при изменении атмосферного давления от 84 до 106,7 кПа (от 630 до 800 мм Нg) на каждые 3,3 кПа (25 мм Нg) от границ диапазона (94 + 0,7) кПа не превышает 0,3 долей основной погрешности. Перекрестная чувствительность по каналам СО2 и СН не значительна и не требует внесения поправки в результат измерения. Ранее отмечавшееся влияние СО2 на СО в двухкомпонентном газоанализаторе, проявилось и при разработке пятикомпонентного газоанализатора (табл.4.1). При подаче18,7 % об. СО2 возникает абсолютная погрешность по каналу измерения СО равная 2,5% об. Соответственно для уменьшения погрешности необходимо внести поправку в вычисление концентрации по каналу измерения СО: Ссо=Ссо*-2,5/18,7⋅Ссо2 , где Ссо - скорректированное измеренное значение концентрации СО; Ссо* - нескорректированное измеренное значение концентрации СО; Ссо2 - измеренное значение концентрации СО2; Дополнительная погрешность прибора для каналов СО, СН, СО2 при изменении неизмеряемых компонентов в анализируемой газовой смеси не превышает 0,8 долей основной погрешности γ. Температурная зависимость по каналам СН и СО (рис. 4.12, 4.13) идентична результатам, полученным при разработке двухканального газоанализатора. Температурная зависимость по каналу СО2 (рис.4.14) выше нормы (0,6γ на 10 °С), что потребовало особого подхода к подавлению погрешности по данному каналу.

123

124

125

126

Температурная погрешность газоанализатора включает две составляющих: 1) погрешности, вносимой изменением физико - оптических свойств пробы; 2) температурной погрешности самого прибора. Первая зависит от молекулярного состава пробы, от изменения поглощательной способности молекул. Учесть температурные эффекты достаточно сложно, но снять зависимость для конкретного типа прибора не представляет проблем, причем, снятая однажды, эта зависимость будет справедлива в течении достаточно долгого времени. Функция погрешности прибора не так постоянна, однако при достаточном технологическом запасе, можно скомпенсировать и эту погрешность, сняв для этого температурные зависимости прибора при постоянной температуре пробы анализируемого газа. Однако, если температурные зависимости пробы идентичны для данного типа прибора, то приборные температурные погрешности индивидуальны для каждого прибора. В этом случае нет смысла разделять эти две погрешности. Этот вариант был выбран для корректировки температуры. На рис.4.12-4.14 показаны зависимости относительных изменений сигналов Y от температуры пироприемника. Точка контроля выбрана не случайно, на рис.4.15 показаны относительные изменения температур у излучателя, пироприемника и кюветы от температуры окружающей среды. Сильнее всего изменение проявляются у кюветы, но индивидуальными особенностями обладают именно пироприемники с интерференционными фильтрами, и если строить зависимость от температуры кюветы (рис.4.16), то температурные характеристики сигналов могут обретать нелинейный характер. Хотя, если обратить внимание на предельные показатели отклонения измерительного сигнала, видно что они практически равны в обоих случаях.

127

128

129

Для уменьшения температурной погрешности по каналу СО2 вводится поправка y(Tпп) по концентрации 17,6%об. (рис.4.14, ряд4): y=y*(a⋅Tпп+b), где y - скорректированный сигнал отношения; y* - нескорректированный сигнал отношения; Tпп- температура пироприемника; a и b – расчетные коэффициенты. С учетом проведенной температурной корректировки показаний дополнительная погрешность прибора, вызванная изменением температуры окружающей среды на каждые 100 С в диапазоне от 0 до 400 С, не превышает 0,6 долей основной погрешности γ. 4.4. Результаты разработки многокомпонентного газоанализатора На основе проведенных исследований разработан многокомпонентный газоанализатор для контроля транспортных выбросов. Газоанализатор «Инфралайт – МК» ТУ 4215-007-05771185-00 (5Б2.840.506 ТУ) предназначен для измерения концентрации оксида углерода (СО), суммы углеводородов (CH), диоксида углерода (СО2), кислорода (О2) и оксидов азота (NO) 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 λ. Тахометр предназначен для измерения и отображения в цифровом виде частоты вращения коленчатого вала 2-х, 4-х, 6 и 8 цилиндровых четырехтактных двигателей внутреннего сгорания, с бесконтактной и контакт-

130

ной одноискровой системой зажигания с высоковольтным распределением. Прибор представляет собой автоматический переносной показывающий прибор, работающий на принципе избирательного поглощения инфракрасного излучения анализируемым компонентом, а также на электрохимическом методе (датчики на кислород и окислы азота). Прибор является ремонтируемым изделием. Прибор устойчив к воздействию температуры окружающего воздуха от 0 до 400 С. По устойчивости к воздействию влажности окружающего воздуха прибор относится к исполнению В3 по ГОСТ 12997-84. По устойчивости к воздействию атмосферного давления группа исполнения прибора Р1 по ГОСТ 12997-84. Рабочие условия применения прибора: 1) питание прибора : - от бортовой сети автомобиля напряжением от 10,8 до 14,8 (12 +2,8 1,2) В постоянного тока; - от сети переменного тока напряжением 220 В с отклонением от минус 15 до 10 % и частотой 50 Гц с отклонением + 2 % ; 2) температура окружающего воздуха от 0 до 400 C; 3) относительная влажность окружающего воздуха до 95 % при температуре 30 0С и более низких температурах без конденсации влаги; 4) атмосферное давление 84 - 106,7 кПа ( от 630 до 800 мм рт.ст); 5) температура анализируемой смеси на входе в систему пробоотбора не более 2000 С. Тахометр прибора должен подключаться к центральному проводу, импульсы на котором должны иметь следующие характеристики: амплитуда импульсов должна быть в пределах 2-20 кВ, длительность импульсов должна быть в пределах 20-50 мкс. 131

В пределах рабочих условий применения прибор не имеет дополнительных погрешностей (меньше 0,2 основной погрешности), вызванных: 1) изменением напряжения питания; 2) изменением частоты питания ; 3) изменением угла наклона; 4) изменением влажности; 5) изменением расхода анализируемого газа; 6) изменением атмосферного давления; 7) вариацией показаний; 8) содержанием неизмеряемых компонентов в смеси NO, О2, СО, СН, СО2 (по каналам NO, О2). Прибор выпускается в следующих модификациях, наименования, обозначения и особенности конструкции которых приведены в Табл.4.3.

Таблица 4.3. Наименование и обозначение ИНФРАЛАЙТ-МК-1 5Б2.840.506-01 ТУ 4215-007-05771185-00 (5Б2.840.506 ТУ) ИНФРАЛАЙТ-МК-2 5Б2.840.506-02 ТУ 4215-007-05771185-00 (5Б2.840.506 ТУ) ИНФРАЛАЙТ-МК-3 5Б2.840.506-03 ТУ 4215-007-05771185-00 (5Б2.840.506 ТУ) ИНФРАЛАЙТ-МК-1П 5Б2.840.506-01П, ИНФРАЛАЙТ-МК-2П 5Б2.840.506-02П, ИНФРАЛАЙТ-МК-3П 5Б2.840.506-03П, ТУ 4215-007-05771185-00 (5Б2.840.506 ТУ)

Особенности конструкции Измеряет СО, СН, СО2, О2, NO, обороты двигателя, температуру масла Измеряет СО, СН, СО2, О2, обороты двигателя, температуру масла Измеряет СО, СН, обороты двигателя С принтером (индекс “П” как добавочный к любой модификации)

Диапазоны измерения: 1) по каналу СО - объемная доля окиси углерода 0-5, 0-10 %; 2) по каналу CH - объемная доля углеводородов (по гексану) 0 - 1000, 0 - 5000 млн-1;

132

3) по каналу СО2 – объемная доля двуокиси углерода 0 – 16 % (при диапазоне показаний (ДП) 0 –20 %); 4) по каналу О2 – объемная доля кислорода 0 – 21 %; 5) по каналу NO – объемная доля окислов азота 0 – 2000 млн-1; 6) по каналу тахометра - частота вращения коленчатого вала двигателя 0-1000, 0-10000 об/мин; 7) по каналу температурного зонда - температура масла 20-1200С. Мощность, потребляемая в режиме измерения, не более 20 В*A. Масса прибора не более 6 кг. Габаритные размеры прибора не более 280x150x285 мм. Газовый тракт прибора должен быть герметичен. При подаче избыточного давления 15 КПа (0,15 кгс/см2) спад давления в течение 1 мин не должен превышать 1,5 КПа (0,015 кгс/см2). Время прогрева контролируется автоматически и не превышает 15 мин при 200 С. Пределы допускаемой основной погрешности (что больше) приведены в Табл.4.4: Таблица 4.4. Измеряемая величина

Концентрация углеводородов (СН), млн-1. Концентрация окиси углерода

Диапазон измерения (ДИ)

Основная погрешность: относи или абс. тельная, %

0 – 1000, 0 – 5000

+5

+ 25 млн-1

0 – 5, 0 – 10

+5

+ 0,2 % об.

Концентрация двуокиси углерода (СО2), % об.

0 – 16

+5

+ 0,5 % об.

Концентрация кислорода (О2), % об. Концентрация окислов азота (NO), млн-1. Частота вращения коленчатого вала двигателя автомобиля, об/мин. Температура масла, 0С.

0 – 21

+5

+ 0,5 % об.

(СО), % об.

0 –2000 0 – 1000 0 –10000 20 – 120

+ 200 млн-1 + 25 об/мин. + 250 об/мин. + 2 0С

133

Дополнительная погрешность прибора, вызванная изменением температуры окружающей среды на каждые 100 С в диапазоне от 0 до 400 С, не превышает 0,6 долей основной погрешности Yд. Дополнительная погрешность прибора для каналов СО, СН, СО2 при изменении неизмеряемых компонентов в анализируемой газовой смеси не превышает 0,8 долей основной погрешности Yд. Дополнительная погрешность прибора при изменении атмосферного давления от 84 до 106,7 кПа (от 630 до 800 мм Нg) на каждые 3,3 кПа (25 мм Нg) от границ диапазона (94 + 0,7) кПа не превышает 0,3 долей основной погрешности. Предел допускаемого времени установления показаний 20 сек. Предел допускаемого интервала времени работы прибора без корректировки чувствительности не менее 3 месяцев. Требования к надежности: Средняя наработка на отказ не менее 10 000ч. Критерием отказа является неустраняемый выход основной погрешности за допустимые пределы. Средний срок службы не менее 6 лет. Критерием предельного состояния приборов является экономическая целесообразность восстановления или ремонта. Прибор в транспортной таре выдерживает без повреждений: 1) воздействие температур от минус 50 до 500 С; 2) воздействие относительной влажности (95+3) % при температуре 300 С; 3) транспортную тряску с ускорением 30 м/с2 при частоте ударов от 80 до 120 в минуту. Прибор выдерживает 20 %-ную перегрузку, вызванную выходом содержания измеряемого компонента за пределы ДИ, в течение 5 мин с

134

восстановлением нормальной работы после снятия перегрузки в течение 5 мин. Краткие характеристики и внешний вид газоанализатора «ИнфралайтМК» приведены в Приложении 1. 4.5. Газоанализатор для контроля СО2 в дыхательных смесях барокамер Полученные наработки находят применение и при разработке других видов приборов. Так в НПО «Химавтоматика» с участием автора создан Комплекс аналитический газовый водолазный КАГВ – газоанализатор, сходный по принципу действия с предыдущими двумя приборами, но предназначенный для измерения кислорода и углекислого газа в дыхательных смесях и газовых средах барокамер (см. Приложение 1). Принципиальная схема прибора представлена на рис. 4.17: ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

КОНТРОЛЬНЫЙ ФИЛЬТР М

ВХОД ПРОБЫ

КЮВЕТА АНАЛИЗА СО2

ДАТЧИК НА КИСЛОРОД

СБРОС

РАСХОДОМЕР

Рис. 4.17.Принципиальная схема КАГВ. Прибор прошел успешно Госиспытания и принят на снабжение в ВМФ РФ.

135

Измеряемые компоненты, пределы измерений, диапазоны измерений. - кислород: диапазон показаний 0-50% об. дол. диапазон измерений 1) 0-42% об. дол. - двуокись углерода: пределы измерений 0-3% об. дол. диапазоны измерений 1) 0-0,5% об. дол. 2) 0,5-3%об. дол. Предел допускаемой основной абсолютной погрешности (Yд) прибора в нормальных условиях (при атмосферном давлении (760 ± 10) мм рт.ст. и температуре (20±5)0С) по диапазонам измерений не превышает: по кислороду: 1) ±0,5 % об.дол. по двуокиси углерода: 1) ± 0,02 %об.дол. 2) ± 0,15%об.дол. Предел допускаемого изменения показаний за регламентированный интервал времени, равный 30 сут., не должен превышать Yд. Наибольшая допускаемая дополнительная погрешность, вызванная изменением каждой влияющей величины в пределах рабочих условий, не превышает следующих значений: ± 0,25 Yд при измерении двуокиси углерода и ± 0,4 Yд при измерении кислорода на каждые ±10оС - при изменении температуры окружающей среды в диапазоне от 2 до 50 град. С; ± 1,5 YД от неизмеряемых компонентов при измерении двуокиси углерода; ± 0,6 YД на каждые ±24,8 мм рт. ст. (±3,3 кПа) при изменении атмосферного давления от 700 до 800 мм рт. ст. при измерении кислорода. Дополнительные погрешности (менее 20% Yд) от изменения частоты и напряжения питания, расхода анализируемого газа, влажности внешней среды и наклонов не нормируются. Номинальное время установления показаний Т0,9 с момента подачи анализируемого газа на вход прибора не превышает 60 сек (без учета газоподводящих линий). 136

Время подготовки прибора к работе не превышает 30 мин. Основные параметры газовой среды: - состав: кислород, гелий, азот в любых соотношениях в пределах вероятного состава дыхательных газовых смесей или воздух; - температура от 2 до 400С; - относительная влажность 30-98% без выпадения капельной влаги; - допустимое содержание механических примесей в смеси с массовой концентрацией до 1 мг/м3 с размером частиц до 0,02 мм; Газовый тракт прибора герметичен. При подаче избыточного давления 15 КПа (0,15 кгс/см2) спад давления в течение 1 мин не должен превышать 1,5 КПа (0,015 кгс/см2). Потребляемая мощность не превышает 20 ВА. Массогабаритные характеристики прибора: масса не более 6 кг. без системы пробоотбора, габариты - 175х294х190 (длина шланга для подсоединения прибора к пневматическим цепям 1,5 м). КАГВ надежно и устойчиво работает при следующих условиях эксплуатации: - при температуре окружающей среды от 20C до 50oC; - при относительной влажности до 98% при температуре +300C; - при давлении 700-800 мм рт.ст.; - после пребывания в нерабочем состоянии в период транспортировки, хранения в закрытых помещениях, защищенных от воздействия грунтовых вод и атмосферных осадков, при температуре от 00С до 500С, относительной влажности до 98% при температуре 300С, кратковременного до 2 часов пребывания при температуре до – 200 С; - после воздействия механического удара одиночного действия с ускорением до 1,5 q длительностью 0,5 - 2,0 мс; Прибор надежно работает после воздействия длительных статических наклонов (без ограничения времени) до 150 в любую сторону, кратковремен-

137

ных (до 3-х минут) наклонах 450 , качки с амплитудой 450 и периодом 7-9 секунд в любом направлении. Прибор сохраняет метрологические характеристики после кратко временного (до 20 мин.) двукратного увеличения содержания О2, СО2 и вредных примесей по сравнению с рабочими диапазонами и время восстановления рабочих характеристик не более 20 мин. Применяемые материалы и покрытия обеспечивают коррозионную стойкость прибора в течении всего срока службы. Прибор устойчив к воздействию синусоидальной вибрации в диапазоне частот 5-35 Гц. с амплитудой смещения 0,35 мм (группа L1 по ГОСТ 12997-84). Вероятность безотказной работы прибора, за время его непрерывной работы, не менее 0,95 при доверительной вероятности 0,8. Показатели надежности газоанализатора должны определяться в соответствии с ГОСТ В 20.39.303-98. Средняя наработка на отказ прибора не менее 10000 часов. За критерий отказа прибора принимается выход показаний за пределы основной абсолютной погрешности, установленной в ТУ. Срок службы прибора - не менее 10 лет. Критерием предельного состояния является невозможность или экономическая нецелесообразность восстановления прибора. Срок хранения прибора (до ввода в эксплуатацию при хранении в транспортной таре в закрытом помещении при температуре от 0ºС до 50ºС) и срок эксплуатации прибора по электрохимическим датчикам в сумме составляют 10 лет. Срок эксплуатации электрохимического датчика кислорода – 5 лет; после 5 лет эксплуатации требуется его замена.

138

4.6. Перспективы улучшения метрологических характеристик газоанализаторов для контроля транспортных выбросов. Коррекцию нулевого уровня показаний прибора (“нуля” шкалы) можно делать по атмосферному воздуху (при содержании измеряемого компонента в нем менее 0,2% от шкалы, показателе нелинейности Кн = 12 и допускаемой относительной погрешности 5%), а вот корректировка чувствительности прибора до настоящего времени могла осуществляться только с помощью поверочных газовых смесей (ПГС). Стремление аппаратно увеличить надежность ИКГ за счет отказа от ненадежной механической модуляции привело к созданию неинерционных пульсирующих источников ИК– излучения, что повысило надежность приборов, избавив от механических шумов, снизив скорость дрейфа нулевой линии. Однако и в этом случае остается возможность ухода калибровок при длительных сроках эксплуатации (за счет изменения глубины модуляции из-за спектральных уходов). Стоит отметить, что сравнительный канал, как средство борьбы с шумами и дрейфом в таких приборах с периодическим действием, не является необходимым, поэтому были предприняты успешные попытки создания микропроцессорных приборов («Инфралайт 11Е») без сравнительного канала, где в качестве сравнительного сигнала использовалось значение сигнала измерительного канала, зафиксированное при установке нуля. Но такая аналитическая схема заставляет чаще производить корректировку нулевой линии. Поэтому, для дальнейшего улучшения характеристик ИК – газоанализаторов целесообразно использовать сравнительный канал и ввести механизм компенсации долговременной нестабильности чувствительности градуировочной характеристики без применения ПГС. С этой целью предлагается на стадии проверки чувствительности ИКГ имитировать избирательное поглощение ИК – излучения анализируемым компонентом в рабочей кювете понижением напряжения питания малоинерционным излучателем.

139

Зависимость светового потока источника от напряжения питания близка к квадратичной I=f(U2изл): Синд = fc(U2изл) = aапакUр2изл , где

Синд -концентрация по индикации прибора; U изл – напряжение на источнике излучения; aап – общий коэффициент аппаратного преобразования; ак – коэффициент корректировки показаний (ак=(δUизл)2); Uризл – рабочее напряжение на источнике излучения.

Если выразить статическую характеристику i-го оптического канала в виде: Yi = 1− K 1

где

Ui комп , Urf

Uiкомп – сигнал по i – му компоненту; Urf - опорный сигнал; К1 – коэффициент приведения к нулю (К1=U0rf/U0iкомп);

и построить зависимости Yi(С) от концентрации анализируемого компонента и Yi(Uизл) от напряжения питания излучателя (где Urf=U0rf=const) при нулевой концентрации (рис. 4.18), то можно получить зависимость между значением концентрации определяемого компонента и изменением напряжения питания излучателя. Рис. 4.18 Зависимости информативного

Y 1

сигнала Y от концентрации

Uk1

C (U2=const) и напряжения

Uk2

U (U2=var).

Yi(С)

Yi(Uизл) 0

C, U

140

Впрочем, для коррекции чувствительности (или коэффициента чувствительности К2 в функции Синд= K2f(Y), где f(Y) – функция линеаризации) достаточно одного значения этой зависимости. Важно заметить, что в момент коррекции в роли сравнительного сигнала Urf должен выступать запомненный уровень U0rf или U0iкомп:

Y T = 1 − K1

T T T U rfo U iкком U iкком U iкком = − • = − 1 1 , 0 0 U rf0 U iкком U rf0 U iкком

(4.12)

где Ui0комп – значение сигнала по измеряемому каналу при нулевой концентрации и рабочем напряжении излучателя; UiTкомп – значение сигнала по измеряемому каналу при тестовом сигнале (при нулевой концентрации и пониженном на заданную долю напряжении); YT – тестовое значение сигнала. Дополнительный алгоритм для автоматической коррекции чувствительности (к стандартной процедуре калибровки и обнуления) может иметь следующий вид: а) При калибровке: 1. провести калибровку по стандартному алгоритму с применением ПГС; 2. занести Ui0комп в оперативную память; 3. подать пониженное тестовое напряжение UTизл на излучатель, получить UiTкомп; 4. вычислить YT по формуле (4.12);

141

5. вычислить и запомнить (в ПЗУ) значение концентрации CT= K2 f(YT) и К2Т=К2 (К2 – коэффициент чувствительности, f(YT) – функция линеаризации). б) При эксплуатации прибора: 1. провести установку нуля по стандартному алгоритму (по воздуху); 2. занести Ui0комп в оперативную память; 3. подать UTизл на излучатель, получить UiTкомп; 4. вычислить YT по формуле (4.12) и тестовое рабочее значение концентрации CTp=K2 f(YT); 5. пересчитать К2=(CTp /CT) K2T; 6. перейти к режиму измерения. Данный алгоритм применим, как указывалось ранее, для приборов с установкой нуля по воздуху. В тех же случаях, когда содержание в воздухе анализируемого газа, например СО2, может существенно повлиять на показания прибора через вносимые аддитивную и (через функцию линеаризации) мультипликативную погрешности используются другие (расчетные) методы установки нулевой линии. Здесь предлагаемый метод также может быть применен, но в несколько модифицированном виде. С этой целью, чтобы скорректировать собственно чувствительность (К2), в пункте 1. алгоритма а) нужно устанавливать “нуль” по азоту; пункт 6. алгоритма б) будет выглядеть следующим образом: “вычислить значение нулевого сигнала аналитически и перейти к режиму измерения”. За последние годы возросли требования к переносным приборам, контролирующим выбросы автотранспорта как в плане улучшения функциональных способностей (количества контролируемых параметров, вычисления сводных показателей), так и в направлении повышения робастности и удобства эксплуатации (снижение массы и габаритов, неприхотливость в обслуживании, увеличение межповерочных интервалов). Собственно, совре-

142

менный прибор этого класса является не только контролирующим, но и хорошим диагностическим и наладочным средством. Основным и самым наукоемким методом, применяющимся в этих приборах, является инфракрасный абсорбциометрический метод, основанный на избирательном поглощении различными молекулами инфракрасного (ИК) излучения на различных длинах волн. После создания малоинерционных источников ИК излучения, способных модулировать сигнал без малонадежных механических модуляторов, схема многоканального измерения на пироприемниках (ПП) приобрела следующий вид (рис. 4.19): А

Б

В 1к 2к nк

Рис.4.19. Принципиальная схема оптической кюветы: А - пульсирующий излучатель; Б – газовая кювета; В – блок ПП с оптическими фильтрами. Данная схема была применена, в частности, при разработке прибора «Инфралайт – МК» на АООТ НПО «Химавтоматика». Если мы проанализируем источники вносимых погрешностей, то сможем сделать следующие выводы, подтверждаемые прямо или косвенно экспериментальными данными: 1) к инструментальным погрешностям относятся зоны А и В (погрешности, обусловленные изменением измерительных свойств самого прибора, таких как изменение температуры или от старения со временем); 2) в зоне Б погрешности вносятся через изменение свойств пробы (давления и температуры), которые контролируемы и могут быть аналитически компенсированы;

143

3) зона А – устойчива к отклонениям среды, а возможные незначительные отклонения могут быть просчитаны и компенсированы аналитически; 4) зона В – блок ПП с оптическими фильтрами из-за ряда спектральных эффектов обладает индивидуальными характеристиками выходного сигнала для каждого прибора, что затрудняет коррекцию показаний аналитическим способом; 5) из выводов 1) - 4) следует рациональность следующего подхода: погрешности в зоне Б компенсировать аналитически, а инструментальные погрешности зоны В компенсировать методологически, используя стабильность и прогнозируемость зоны А. Поэтому, для дальнейшего улучшения характеристик ИК – газоанализаторов предложено использовать сравнительный канал и ввести механизм компенсации долговременной нестабильности чувствительности градуировочной характеристики без применения ПГС за счет имитации избирательного поглощения ИК – излучения анализируемым компонентом в рабочей кювете понижением напряжения питания малоинерционного излучателя. Однако, при использовании воздуха в качестве нулевого газа, содержащего анализируемый компонент, например СО2 , возникает погрешность установки нуля, вызывающая также дополнительную погрешность установки чувствительности газоанализатора. В данной работе рассматривается способ уменьшения погрешности чувствительности газоанализатора, вызванной указанным фактором. Чтобы представить условия применения коррекции чувствительности путем понижения напряжения излучателя рассмотрим цепь формирования сигнала от напряжения излучателя до выходного сигнала с пироприемника. Общий вид структуры зависимости сигнала с пироприемника (для постоянной температуры окружающей среды, между установками нулевой линии прибора) можно представить в следующем виде:

144

Uпп=fsпп(fфk(I(Uизл)Πkifпогл(С))); где Uпп – сигнал с пироприемника; I(Uизл) - функция светового потока от напряжения излучателя; Πki - произведение коэффициентов пропускания оптических элементов; fпогл(С) – функция поглощения анализируемого газа; fфk(…) – функция пропускания оптических фильтров; fsпп(…) – функция чувствительности пироприемника. По данной схеме была составлена программа, моделирующая поведение оптико – электрического канала. Некоторые ранее не объяснимые эффекты можно было получить на данной модели. Для удобства понимания процесса упростим вид функции, но одновременно добавим зависимость сигнала Uпп от температуры: Uпп=fsпп((k I(Uизл)fпогл(С)), Tср); Здесь k – это сводный коэффициент пропускания, а Тср- температура среды. Отметим, что т.к. пироприемник измеряет собственно изменение температуры (ИК – излучение), т.е. Uпп=fsпп(δТI, Tср); только δТI вызывает дополнительную деформацию в чувствительном элементе и тем самым преобразуется в электрический сигнал. Несмотря на то, что сигнал вырабатывается при изменении температуры, чувствительность зависит от начальной точки Тср и от точки начала шкалы Т0 (Рис.4.20). Рис.4.20:

fsпп

Зависимость сигнала пироприемника от температуры его чувствительного элемента. fsпп - чувствительность пироприемника; Т – ось температуры;

0 Тн

Тср

Ткомп Т0

T

Тн - нижнее значение рабочей температуры;

145

Тср - температура среды; Ткомп – температура при определенной концентрации компонента (конец шкалы концетраций); Т0 - температура при нулевой концентрации компонента (начало шкалы концентраций). Не является фактом то, что изменение чувствительности столь существенно, как показано на рисунке, да и вид самой линии будет разным в зависимости от используемой линии спектра, но очевидно, что изменение любого из параметров, входящих в δТI приводит к изменению чувствительности (и сигнала) пироприемника. Так содержание в воздухе анализируемого газа (СО2) может существенно повлиять на показания прибора через вносимые аддитивную и, через функцию линеаризации, мультипликативную погрешности, и в этом случае используются другие (расчетные) методы установки нулевой линии. В этом случае также может быть применен метод коррекции чувствительности прибора по шкале (коэффициента К2), описанный выше. Применение расчета для установки нулевой линии через другие параметры может дать свою погрешность, отличную от вносимой содержанием газа в воздухе, что может привести к восприятию смещения нуля при тесте, как изменения чувствительности (рис. 4.21). Рис. 4.21 Влияние ошибки установки нуля Синд на коррекцию чувствительности (К2):

К2’ К2

К2

СUизл

Свозд – концентрация измеf(U2изл)

ряемого компонента в воздухе; С0расч – расчетное значение нуля (относительно истинного значения);

0

Свозд СТ0

СТвозд

Свх

С0расч

146

СТ0 – тестовое значение концентрации при обнулении по азоту; СТвозд - тестовое значение концентрации при обнулении по воздуху; Свх – ось концентрации по входу; Синд – ось концентрации по индикации; СUизл – значение по индикации при понижении напряжения излучателя (Uизл); f(U2изл) – функция зависимости сигнала от напряжения излучателя; К2’ – прямая неправильно скорректированной чувствительности. Этот результат получается из формирования сигнала пироприемника Uпп при установке нуля по схеме отношения (относительно Uпп0 – истинного

значения

при

установке

по

азоту).

В

общем

виде

Uпп=

Uпп0(1+δUпп)+∆Uпп; но в схеме отношения удобнее оперировать относительными величинами, поэтому зададим сигнал в следующем виде: Uпп= Uпп0(1+δ0Uпп)=Uпп0k; При задании тестового сигнала UппТ= Uпп0kТ , если нулевую линию выставить по воздуху, то Uпп= Uпп0kвозд/kвозд = Uпп0; и при проведении теста UппТ= Uпп0kТ, а если нуль выставлять по расчету, то мы получим Uпп= Uпп0kТ kвозд/kрасч ≠UппТ . Поэтому предлагается корректировать К2 по воздуху, и только потом выставлять нуль по расчету при фоновом содержании анализируемого газа в воздухе. Алгоритм реализации компенсации может совершенствоваться, например, для случая изменения не только глубины модуляции сигнала, но и некоторого изменения функции нелинейности, дающего свою погрешность. Несмотря на возможные ограничения метода, которые могут выявиться при дальнейшей его разработке, идея представляется довольно перспективной. Она может быть реализована на уже существующих приборах с микропроцессором и управляемым источником ИК – излучения, т.е. не требует мате-

147

риальных затрат на переделку подобных приборов, а результатом внедрения может стать увеличение срока службы прибора без коррекции по ПГС в 5 – 10 раз. Единственным требованием останется стабильность мощности питания излучателя. Зависимость погрешности показаний от чистоты оптического канала уменьшится, что позволит меньше подвергать прибор профилактическим работам. Таким образом, предложенный метод может увеличить срок службы приборов без коррекции по ПГС и без профилактических работ, что экономически выгодно и удобно в эксплуатации.

148

Выводы 1. Представлены результаты разработки переносного пятикомпонентного ИК – газоанализатора для контроля транспортных выбросов (каналы СО, СН, СО2 реализованы на основе ИК абсорбционного метода). 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. Показано, что 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. 3. На основе проведенных исследований разработан многокомпонентный газоанализатор для контроля транспортных выбросов «Инфралайт – МК». Прибор предназначен для измерения концентрации оксида углерода (СО), суммы углеводородов (CH), диоксида углерода (СО2), кислорода (О2) и оксидов азота (NO) в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями. 4. 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.

149

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.

150

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, СО2), 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 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. 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.

151

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Burch D.E., Gryvnak D.A., Williams D. Total absorption of Carbon Dioxid in Infrared. – Applied Optics, N 6, 1972, vol.1. 2. Burch D.E., Singleton E.B., Williams D. Absorption in the Infrared. Applied Optics, N 3, 1962, vol. 1, p.359. 3. International Recommendation OIML R99. Edition 1998 (E). 4. А.В. Бурыкин, В.П. Агафонов, В.В. Зайкин, И.В. Кораблев. Инфракрасные газоанализаторы для контроля выбросов автотранспорта.//Труды МГУИЭ: Сборник статей аспирантов и студентов. – М.: МГУИЭ, 1999 – Том IV. с. 45-51. 5. 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. 6. Аманназаров А., Каабак М.Я., Кораблев И.В., Рылов В.А. Сравнительный анализ измерительных схем оптико-абсорбционных газоанализаторов. Тула: в кн.ст. «Состояние и перспективы развития аналитического приборостроения до 1985 г.», секция «Газоанализаторы для контроля», ноябрь: 1975. - стр. 108-116. 7. Арутюнов В.О. Электрические измерительные приборы и измерения. -Л.: Госэнергоиздат, 1958.-248 с. 8. Бойко В.В., Кораблев И.В., Рылов В.А. О повышении стабильности однолучевого ИК газоанализатора. - М.: НИИТЭХИМ, в сб.ст. «Автоматизация химических производств», вып. 5, 1969. - стр. 86-97. 9. Борисович Н.А. и др. Инфракрасные фильтры - Минск.: Наука и техника, 1971. 10. Бреслер П.И. Закономерности поглощения инфракрасной радиации в тонких слоях некоторых газов. – М.: «Оптика и спектроскопия», т. 7, вып. 5, 1959.- стр.276-284.

152

11. Бреслер П.И. Оптические абсорбционные газоанализаторы и их применение. – Л.: Энергия, Ленинградское отделение, 1980.- 164 с. 12. Бреслер П.И. Поглощение радиации в колебательно-вращательных полосах некоторых газов. - М.: «Оптика и спектроскопия», 1958.- стр.135. 13. Бреслер П.И. Элементы теории и расчета оптико-акустических газоанализаторов на основе некоторых закономерностей поглощения инфракрасной радиации газами. – М.: ЦИНТИЭлектропром, в кн. "Автоматические газоанализаторы", 1961. - стр.21. 14. 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. 15. Бурыкин А.В. Основные источники погрешностей и способы их компенсации в инфракрасных газоанализаторах для контроля выбросов автотранспорта.//Конференция молодых специалистов НПО «Химавтоматика», посвященная памяти Фесты Н.Я. - М. 2001. 16. 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. 17. В.К. Новик, Н.Д. Гаврилова, Н.Б. Фельдман. Пироэлектрические преобразователи. – М.: Сов. Радио, 1979, 176с., ил. 18. Герасимов Б.И. Проектирование аналитических приборов для контроля состава и свойств веществ. - М.: Машиностроение, 1984.- 36с. 19. Герасимов Б.И., Кораблев И.В., Козлов В.Р., Мищенко С.В. Методы и приборы экологического мониторинга. – Тамбов: 1996. - стр.39. 20. Горелик Д.О. Метрологическое обеспечение газоаналитических измерений. - М.: Изд-во стандартов, 1976.- 72 с.

153

21. ГОСТ 13320-81. Приборы газоаналитические промышленные автоматические непрерывного действия. Типы и основные параметры. Технические требования. - М.: Изд-во стандартов: 1981. 22. ГОСТ Р 51832-2001. Экологические требования к автомобилям с бензиновыми двигателями. - М.: Изд-во стандартов: 2001. 23. Гуди Р.М. Атмосферная радиация .4 5. Основы теории - М.: Мир, 1966. 24. Зуев В.Е., Творогов С.Д. Некоторые замечания о моделях спектров поглощения. – М.: Изв.ВУЗов, Физика, : т.4, 1966. - стр.25-30. 25. Исследование нелинейных статических характеристик газоаналитических преобразователей: Методические указания / Сост. Рылов В.А., Гальцова Г.А., Анцупова Н.Ю.; Под ред. Кораблева И.В. - М. МГУИЭ, 1999. 26. Каталог "Dallas Semiconductor" (США), 1996. 27. Коллеров Д.К. Метрологические основы газоаналитических измерений. – М.: Изд-во стандартов, 1965. – 172 с. 28. Контроль химических и биологических параметров окружающей среды. Под редакцией Исаева Л.К. С-Пб, Эколого-аналитический информационный центр «Союз», 1998, 896с. 29. Кораблев И.В. Расчет и проектирование автоматических средств контроля технологических процессов. Уч. пособие М.: МИХМ, 1985, 84с. 30. Кораблев И.В. Расчет и проектирование автоматических средств контроля технологических процессов. - М.: МИХМ, 1985. - 84 с. 31. Кораблев И.В., Рылов В.А., Лосицкий И.Т., Меламед А.Г. Оптикоакустические газоанализаторы. – М.: Приборы и схемы управления, т.10, 1973. - стр. 38-40. 32. Крикскунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. –М.: Сов. Радио, 1987. – 400с., ил. 33. Моделирование метрологических характеристик однолучевых оптикоакустических газоанализаторов: Методические указания / Сост.: Рылов В.А., Гальцова Г.А., Анцупова Н.Ю.; Под ред. Кораблева И.В. - М.: МГУИЭ. 1998.

154

34. Новицкий П.В. Основы информационной теории измерительных устройств. - Л.: Энергия, 1968. – 348 с. 35. Онищенко А.М. Оптимизация приборов для контроля состава веществ. М.: «Машиностроение», 1990.- 304 с. 36. Павленко В.А. Газоанализаторы. – М.: "Машиностроение", 1965.- 112 с. 37. Проспект фирмы "S.A. Environment" (Франция), 2000. 38. Проспект фирмы "Оптэк" (Россия), 2001. 39. Рылов В.А., Кораблев И.В., Гальцова Г.А. Информационный критерий оценки качества автоматических газоанализаторов (Вопросы квалиметрии). – Тамбов: Вторая международная теплофизическая школа «Повышение эффективности теплофизических исследований технологических процессов промышленного производства и их метрологического обеспечения», сентябрь, 1995. 40. Салль А.О. Инфракрасные газоаналитические измерения. – М.: Издательство стандартов, 1971. – 100 с. 41. Солодов А.В. Теория информации и ее применение к задачам автоматического управления и контроля. – М.: "Наука", 1967.- 75 стр. 42. Сташин В.В., Урусов А.В., Мологонцева О.Ф. Проектирование цифровых устройств на однокристалльных микроконтроллерах. - М.: "Энергоатомиздат", 1990.

155

Приложение 1 Характеристики приборов «Инфралайт 11Е», «Автокедр М», «Инфралайт МК» и КАГВ.

156

157

158

159

160

161

162

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРИБОРАМ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ ВЫБРОСОВ Для определения содержания нормируемых компонентов отработавших газов автомобилей с бензиновыми двигателями, не оснащенных системами нейтрализации или оснащенных окислительными -системами нейтрализации, должны использоваться двухканальные газоанализаторы - для определения содержания оксида углерода (СО) и углеводородов (СН) в пересчете на гексан, или четырехканальные газоанализаторы - для определения СО, СН а также диоксида углерода (СО2) и кислорода (О2), Для измерения состава отработавших газов автомобилей с бензиновыми двигателями, оснащенных бифункциональными системами нейтрализации должны использоваться четырехканальные газоанализаторы. Для определения содержания СО, СН и СО2 отработавших газов применяют газоанализаторы непрерывного действия, работающие на принципе инфракрасной спектроскопии. Для определения содержания О2 применяют электрохимический сенсор. Четырехканальные газоанализаторы, предназначенные для определения содержания СО, СН, СО2 и О2 должны соответствовать по метрологическим характеристикам приборам класса I в соответствии с классификацией, изложенной в Рекомендации ИСО/МОЗМ Р99. Двухканальные газоанализаторы (СО и СН) должны соответствовать приборам класса II. Газоанализаторы должны обеспечивать измерения в минимальных диапазонах. указанных в таблице 1: Таблица 1 Класс Минимальные диапазоны измерения анализируеприбора мых компонентов, объемная доля СО,% СО2, % О2,% СН, млн-1 I II

0-5

0-16

0-21

0-2000

0-7

-

-

0-3000

163

Газоанализаторы должны обеспечивать измерения с пределами допускаемой абсолютной (∆) или относительной погрешности (δ) (что больше), приведенными в таблице 2 : Таблица 2 Класс прибора I II

Анализируемые компоненты

Показатель СО

СО2

О2

СН

∆, об.доля

±0,06%

±0,5%

±0,1%

±12 млн-1

δ, % ∆, об.доля

±5 ±0,2%

±5 -

±5 -

- ±5 ±30 млн-1

±5

-

-

±5

δ, %

Газоанализаторы класса I должны иметь программное обеспечение, позволяющее рассчитывать коэффициент λ по формуле:

    Ocv  [CO ]  H cv 3,5 [CO2 ] + + ⋅ − ⋅ ([CO2 ] + [CO ])  4 [CO] 2 2  3,5 +   [CO2 ]   λ= ;  H cv Ocv  − 1 +  ⋅ ([CO2 ] + [CO] + ( K 1 ⋅ [CH ])) 4 2  

где: [CO], [CO2] - объемная доля оксида и диоксида углерода, соответственно, %; [СН] - объемная доля углеводородов в пересчете на гексан, млн-1; К1 - поправочный коэффициент К1=6·104; если сумма углеводородов выражена в объемных долях (млн-1) гексана; Нcv - атомное отношение водорода к углероду в горючем, Нcv.= 1,7261; Оcv - атомное отношение кислорода к углероду в горючем, Оcv =0,0176.

164

Газоанализаторы должны быть отградуированы по трем многокомпонентным смесям, соответствующим началу, середине и концу диапазонов измерения, содержащим: для газоанализаторов класса I СО в диапазоне (0,5-5) об.доля, % СО2 в диапазоне (6-14) об.доля, % СН в диапазоне (100-1000) об доля, млн-1 О2 в диапазоне (0,5-20,9) об.доля, % Газ-разбавитель - азот для газоанализаторов класса II СО в диапазоне (0,5-7) об.доля, % СО2 в диапазоне (6-14) об. доля, % СН в диапазоне (100-1000) об.доля, млн-1 Газ-разбавитель – азот. Требования к тахометрам Тахометры должны -обеспечивать измерения в следующих двух минимальных диапазонах частоты вращения коленчатого вала двигателя: 01200 млн-1 и 0-6000 млн-1. Погрешность измерения частоты вращения для каждого диапазона должна быть не более ±2,5% верхнего предела измерений. Требования к измерителям температуры масла Диапазон показаний - 0-100, ˚С, Диапазон измерений - 20-100, ˚С, Погрешность измерения - ± 2,5% верхнего предела измерений.

165

Приложение3. Внедрение газоанализаторов.

166