Устройство дистанционного контроля атмосферы

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения концентрации составляющих газовой среды в атмосфере и для определения мест аварийных утечек канцерогенных газов в атмосферу. Устройство содержит большой параболический вогнутый отражатель 1, в фокусе которого установлен зеркальный выгнутый отражатель 2, электропривод 3, оптику для фокусирования луча и сопряжения 4, 5 с оптоволоконным световодом 6, оптический концентратор 7, полихроматор 8, диспергирующий элемент 9, линейку фотодиодов 10, схем 9 преобразования электрических сигналов (блоки 11, 12, 13, 14) и компьютер 15 с экраном монитора. Техническим результатом является повышение надежности и упрощение конструкции устройства. 3 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения концентрации составляющих газовой среды в атмосфере.

Устройство может быть использовано для контроля газовой среды промышленной зоны, для метеорологической и экологической служб, для определения мест аварийных утечек канцерогенных газов в атмосферу.

Известно устройство по А.с. СССР №419772, М.Кл. G 01 n 21/26.

Устройство для количественных измерений компонент среды, прозрачной в какой-либо части спектра светового излучения, содержащее блок питания, коммутатор, источник света, исследуемую среду, световоды, фотоприемник, усилитель, синхронный детектор, регистрирующее устройство.

Недостатком этого устройства является наличие камеры для исследуемой среды, а также то, что этот прибор определяет концентрацию одного газа или определяет влагосодержание в атмосфере.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является дистанционный газоанализатор по патенту №4795253, СПА, МКИ 4 G 01 J 3/45, содержащий вогнутый сферический отражатель, вторичный малый выгнутый сферический отражатель, предохранительное окно, "горячее" зеркало, второе зеркало, видеокамеру, лазер, первый рефлектор, второй рефлектор, расщепитель луча, обратный отражатель, подвижную платформу, приводимую в поступательное движение с помощью круглого кулачка, инфракрасный детектор, предусилитель лазера, предусилитель детектора, детектор лазера, компьютер, неосевой параболический отражатель, аналого-цифровой преобразователь, турельные сканеры, телевизионный экран.

Однако известное устройство имеет сложную оптическую схему с подвижными частями точной механики, к тому же эта сложная и высокоточная аппаратура находится на подвижной турели на открытом воздухе под воздействием резких колебаний внешней среды, все это приводит к снижению надежности и сложности его технической реализации.

Целью изобретения является повышение надежности устройства и уменьшение сложности его реализации.

В основу изобретения положена техническая задача создать надежное и более простое устройство для дистанционного контроля атмосферы.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство, содержащее большой параболический (или сферический) вогнутый отражатель, малый выгнутый параболический (или сферический) отражатель, электропривод выгнутого отражателя, предохранительное окно, компьютер, экран монитора, турельный сканер, дополнительно введены коллиматор, оптоволоконный световод, оптический конденсатор, полихроматор, диспергирующий элемент, линейка фотодиодов, блок предварительных усилителей, коммутатор, АЦП и цифровой фильтр.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства;

на фиг.2 - схема расположения сканеров в промышленной зоне;

на фиг.3 - экран монитора с мнемосхемой технологического оборудования загазованной атмосферы и диаграммой превышения ПДК (предельно допустимой концентрации) контролируемых газов.

Устройство содержит большой параболический (или сферический) зеркальный вогнутый отражатель 1, в фокусе отражателя 1 установлен малый параболический (или сферический) зеркальный выгнутый отражатель 2, который расположен на направляющих (на схеме не указаны) вдоль оптической оси отражателя 1, электропривода 3, закрепленного на направляющих и соединенного с отражателем 2, предохранительное окно 4, расположенное в центре отражателя 1, закрытого полиэтиленовой пленкой, коллиматор 5, вход которого соединен с предохранительным окном 4, а выход с оптоволоконным световодом 5, отражатели крепятся на турели сканера (на схеме не указан), оптический конденсатор 7, соединенный со световодом 6, полихроматор 8 (в качестве которого может служить дифракционная решетка), диспергирующий элемент 9, линейка фотодиодов 10, блок предварительных усилителей 11, входы которого соединены с выходами фотодиодов, коммутатор 12, АЦП 13, выходы блока 11 соединены с входами коммутатора 12, выход которого соединен с входом АЦП 13, цифровой фильтр 14, являющийся частью компьютера, компьютер 15, экран монитора 16, выход АЦП 13 соединен с входом цифрового фильтра 14, выход которого соединен с входом компьютера 15, выход компьютера 15 соединен с входом монитора 16.

Устройство работает следующим образом. В принципе работы устройства лежит способ обнаружения количества и наличия газообразных веществ в атмосфере контролируемой зоны, которые излучают и поглощают излучение в инфракрасном диапазоне спектра.

Фоновое излучение испускается любым предметом, температура которого выше абсолютного нуля. Газ, присутствующий между таким предметом и устройством обнаружения, может поглощать (абсорбировать) или излучать (эмиссия) в инфракрасном спектре. Если фоновый объект имеет температуру ниже температуры газа, то газ формирует эмиссионный спектр (ИК-излучение), если фоновой объект имеет температуру выше температуры газа, газ формирует абсорбционный спектр (ИК-поглощение). Поэтому спектр можно получить практически в любой окружающей среде.

Таким образом можно определить относительную концентрацию конкретного вещества в контролируемой атмосфере от излучающего или поглощающего спектра, присущего данному веществу. Точность такого определения зависит от таких факторов, как от применяемого устройства, разности температур между тоновыми объектами и конкретными газообразными веществами, расстояния между контролируемой зоной и спектрометром, от погоды и т.д.

Наибольшая точность (до 1 млн.^-1 части) достигается при оптимальных условиях.

Фоновое инфракрасное излучение собирается вогнутым отражателем 1, поверхность которого способна отражать ИК-излучение, это может быть покрытие из алюминия, но при этом поверхность отражателя от воздействия атмосферы быстро тускнеет, и нужно будет часто чистить отражатели, лучшим покрытием является родий с никелевой подложкой. Аккумулированное ИК-излучение от отражателя 1 отражается на выгнутый отражатель 2. Собранное отражателем 2 ИК-излучение пропускается через предохранительное окно 4, закрытое полиэтиленовой пленкой, пропускающей ИК-излучение, и коллимируется коллиматором 5, после коллиматора ИК-излучение поступает в оптоволоконный световод 6, благодаря которому все блоки спектрометра (оптика и электронные блоки) располагаются в помещении и не подвержены воздействиям атмосферы, как это сделано в прототипе.

Отражатель ИК-излучения с коллиматором крепятся на турели сканера, который позволяет сканировать поле обзора от 0 до 360° с разрешающей способностью 1°. ИК-излучение по световоду поступает в оптический конденсатор 7, которым фокусируется и поступает на полихроматор 8, который формирует спектр ИК-излучения в диапазоне полос 3-5 и 8-14 мкм. Этот диапазон включает в себя хотя бы одну характеристику, определявшую полосу частот для почти всех газообразных загрязнителей, в то же время большая часть энергии излучения, испускаемого объектами при земных температурах, приходится на этот диапазон [Дж.Ллойд. Системы тепловидения. - М.: Мир, 1978, с.414. Перевод с англ.]. И именно в этом диапазоне находятся окна прозрачности атмосферы. Наибольшему пропусканию ИК-излучения соответствуют "окна" 3,4-4,2 мкм [пропускание выше 90%] и 8-14 мкм [пропускание 60-70%. Левитин И.Б. Инфракрасная техника.- Энергия. Ленинградское отделение, 1973, с.113.]

С выхода полихроматора пучок ИК-излучения диспергирующим элементом 9 расщепляется на спектр, который контролируется (измеряется) линейкой фотодиодов 10, в качестве которой может применяться многоэлементный фотодиод на основе эпитаксильных пленок в сосуде Дьюара с охлаждением жидким азотом до Т°=77К, производства НПО "ОРИОН".

Сигналы интерферограммы с фотодиодной линейки передаются в блок предусилителей 11, усиленные сигналы спектра поступают через коммутатор 12 на аналого-цифровой преобразователь 13, спектр, преобразованный в цифровой код, поступает на цифровой фильтр 14, который является частью программы компьютера 15. В качестве цифрового фильтра можно применить алгоритмы быстрого преобразования Фурье или воспользоваться прореживающей фильтрацией и преобразованием Фурье ограниченного диапазона. [Р.Блейхут. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. - М.: Мир, 1989, 448 с. Перевод с англ.] Отфильтрованные данные спектра [данной длины волны] сравниваются с эталонными, с помощью алгоритмов быстрого преобразования Фурье производится спектральная обработка, и данные выводятся в виде диаграммы [в графической 21 22 форме, удобной для восприятия человеком] на экране монитора 16, на котором изображена мнемосхема контролируемой в данный момент времени части промышленной зоны. Изображение на экране монитора изменяется программой компьютера синхронно со сканированием отражателями поля обзора.

Перемещая малый отражатель 2 вдоль оптической оси, можем изменять поле обзора контролируемой зоны, это дает возможность обеспечить широкий сектор обзора, а также сфокусировать отражатель таким образом, чтобы был обеспечен более близкий сектор обзора, чтобы определить источник утечки газа.

Для точного определения координат точки утечки газа используют метод триангуляции. Для этого по периметру контролируемой зоны устанавливают не менее 3-х отражателей 1 на турельных сканерах [см. фиг.2.] Данные триангуляции сканеров отражателей 1 дают возможность определить площадь загазованной зоны, точку утечки газа по максимальному поглощению [излучению] и периметр загазованной зоны с наложением границ загазованной зоны 19 и точки утечки 18 на мнемосхему 20 технологического оборудования на экране монитора 16 [фиг.3.]

Настоящее устройство позволяет производить непрерывный контроль и обнаружение широкого разнообразия газообразных веществ на большой плошали без помощи дорогостоящих однополосных интерфереционных фильтров для каждого обнаруженного газа.

Калибровка устройства производится следующим образом. На расстоянии 200 м от отражателя устанавливается источник ИК-излучения, между ними на прямой линии помещают полиэтиленовый мешок [длиной 2 м и диаметром 1 м] наполненный контролируемым газом с известной концентрацией.

Снимается спектр для каждого газа при различных концентрациях и измеряются максимальные точки характеристических полос поглощения для каждой концентрации. По этим данным строится калибровочная кривая концентрации как функция высоты пика характеристической полосы.

Формула изобретения

Устройство дистанционного контроля атмосферы, содержащее большой вогнутый параболический (или сферический) отражатель, малый выгнутый параболический (или сферический) отражатель, который установлен в фокусе большого отражателя, электропривод выгнутого малого отражателя, закрепленный на направляющих и соединенный с малым отражателем, предохранительное окно, расположенное в центре большого отражателя, закрытое полиэтиленовой пленкой, компьютер, отличающееся тем, что в него введены коллиматор, вход которого соединен с предохранительным окном, оптоволоконный световод, оптический концентратор, световод соединен одним концом с коллиматором, другим с оптическим концентратором, полихроматор для выделения инфракрасного излучения в диапазонах 3-5 мкм и 8-14 мкм, диспергирующий элемент, линейка фотодиодов, которые соединены так, что ИК - излучение из полихроматора поступает на диспергирующий элемент и далее на линейку фотодиодов, блок предварительных усилителей, входы которого соединены с выходами фотодиодов, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, выходы усилителей соединены с входами коммутатора, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, цифровой фильтр, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом цифрового фильтра, выход которого соединен с входом компьютера, экран монитора, выход компьютера соединен с входом монитора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3