|
Приборы и системы. Управление контроль, диагностика. 2003. № 6. Дистанционный инфракрасный детектор углеводородных газов.
А.А. Кузнецов, О.Б. Балашов, Е.В. Васильев,
С.А. Логинов, А.И. Луговской, Е.Я. Черняк
1. Введение
Для установления источников загрязнения атмосферного воздуха и предотвращения техногенных катастроф становится необходимым детектирование многочисленных следовых компонентов с низким пределом обнаружения и высокой избирательностью [1]. Интерес к измерению весьма малых концентраций углеводородных газов (УВГ) в атмосфере обусловлен их взрывоопасностью при внештатных ситуациях на предприятиях нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.
В настоящее время имеется ряд приборов для дистанционного ИК-детектирования различных газовых микропримесей, использующих в качестве излучателей малогабаритные кварцевые галогенные лампы [2,3], твердотельные лазеры [4] и полупроводниковые диодные гетеролазеры (ПДГ) [5,6].
Применение кварцевых ламп требует существенного увеличения диаметра зеркал или линз для фокусировки ИК-излучения вследствие весьма больших размеров тела излучения, большой потребляемой мощности (10-20 Вт) и наличия механического прерывателя для модуляции интенсивности излучения. Использование ПДГ для регистрации линий поглощения в средней ИК-области спектра наиболее перспективно с точки зрения получения предельных параметров дистанционных измерителей концентрации, однако для них необходимо наличие криогенных систем охлаждения и прецизионных устройств стабилизации температуры и тока накачки ПДГ, что существенно сдерживает их применение в промышленных приборах. Таким образом, поиск и применение альтернативных ИК-излучателей представляется весьма актуальной задачей.
Целью настоящей работы являлось создание достаточно простого, быстродействующего и малогабаритного дистанционного инфракрасного детектора (ДИД) УВГ на основе импульсных светоизлучающих диодов среднего ИК-диапазона на гетероструктурах [7], пригодного для практического применения в условиях промышленных предприятий.
2. Оптическая схема ДИД.
Многообразие оптических схем для приборов подобного типа предполагает их предварительный расчет с целью определения наиболее эффективного пути достижения необходимых технических характеристик прибора. На рис.1. представлены две оптические схемы, расчет которых проводился в системе Mathcad2000 PRO [8].
Излучение светоизлучающего диода (СИД) типа LED33 (1) с длиной волны излучения lмакс = 3.27 мкм, шириной спектральной полосы излучения 0.4 мкм и мощностью излучения Робщ = 0.37 мВт с помощью сферического зеркала (2) с рабочим диаметром 68 мм и фокусным расстоянием f= 115 мм формировалось в почти параллельный пучок и через защитный светофильтр (3) направлялось на трассу. Расчетная величина половины угла расходимости излучения СД составляла около 0,2 мрад при диаметре излучающей площадки СИД 430 мкм. Излучение, прошедшее трассу и защитный светофильтр (4) модуля приемника, фокусировалось сферическим зеркалом (5) на сдвоенный фотоприемник (ФП) типа PD36 (7) (рис.1,а) с удельной обнаружительной способностью D*lмакс= 6´109 см×Гц1/2/Вт или разделялось полупрозрачным зеркалом (9) для подачи на два дискретных ФП (рис.1,б). Для разделения по длине волны рабочего и опорного каналов в первой оптической схеме применялся составной многослойный интерференционный фильтр (6) с рабочей длиной волны lраб= 3,40 мкм и опорной длиной волны lоп= 3,07 мкм и максимальным пропусканием ³70%, а во второй оптической схеме использовались два дискретных интерференционных фильтра с lраб= 3,40 мкм и lоп = 3,85 мкм. Ширина полосы пропускания фильтров составляла величину 0,12 – 0,14 мкм. Дополнительная оптическая развязка каналов осуществлялась экраном (8). Элементы оптической схемы (6,7) представляют собой оптически герметичный блок минимального объема, что позволяет полностью устранить попадание рассеянного и паразитного излучения на вход фотоприемников.
Весьма важным преимуществом первого варианта оптической схемы ДИД (рис.1, а)) является минимальное количество оптических элементов. Поскольку в схеме а) оба ФП расположены в одной плоскости, необходимо определить оптимальный диаметр пятна излучения с целью получения максимальной величины сигнала в каналах. На рис.2. представлены соответствующие результаты расчетов с учетом реальной диаграммы направленности ИК излучения СИД [9] и перехватом части излучения его держателем. Максимальный сигнал на ФП соответствует ситуации, когда диаметр пятна излучения совпадает с диаметром, охватывающим обе активные площадки ФП.
Достоинством второго варианта оптической схемы ДИД (рис.1, б)) является более значительная величина сигнала в каналах, поскольку практически все перехватываемое зеркалом приемника ИК-излучение может быть сфокусировано в пределах активной площадки каждого ФП. Однако, наличие ФП, расположенного ближе к входному зеркалу будет приводить к дополни-тельным потерям излучения вследствие перехвата его части, уже сфокусированной зеркалом, элементами держателя ФП. Кроме того, наличие полупрозрачного зеркала (ПЗ) имеющего коэффициент отражения излучения @ 0.5, уменьшает поток входного излучения, достигающего зеркала. Уменьшение диаметра ПЗ с очевидностью требует уменьшения расстояния (вдоль оси прибора) между ФП, что усиливает отрицательное действие первого фактора. Следовательно, должна существовать оптимальная геометрия в расположении 2-х ФП и ПЗ, имеющих конкретные геометрические размеры, для получения максимального сигнала в каналах. Результаты расчетов, представленные на рис.3, демонстрируют наличие максимума излучения, воспринимаемого ФП.
Следует отметить, что для оптимальной геометрии обоих вариантов оптической схемы расчетная величина мощности, регистрируемой ФП во втором варианте, достигает 0.0397 мВт, что в 16 раз больше, чем для первого варианта оптической схемы.
Основной характеристикой ДИД является зависимость величины принимаемого сигнала в каналах (нормированного на величину излучаемой мощности на выходе модуля излучателя) от расстояния между излучателем и фотоприемником Lпри условии отсутствия поглощения на трассе – оптическая эффективность прибора Y[5]. На рис.4 показана эта зависимость для рабочего канала ДИД (канал поглощения УВГ) в первом варианте оптической схемы. При конечных использованных размерах излучателя и аберрациях зеркала оптическая эффективность прибора для L ³20 м следует зависимости 1/L2[6]. При меньших расстояниях изменение сигналов в каналах пропорционально 1/L0.9, что, по-видимому, обусловлено затеняющим влиянием конструктивных элементов СИД и ФП. Достигнутая оптическая эффективность ДИД позволяет получить максимальную измеряемую концентрацию УВГ на уровне 5 НПВ´м (НПВ – нижний предел воспламенения) для метана при L £ 100 м .
Предварительное совмещение оптических осей модулей излучателя и приемника ДИД после установки прибора на измерительной трассе производилось с помощью оптических визиров, закрепленных на обоих модулях или посредством устройств подсветки на полупроводниковых лазерах видимого диапазона. Окончательная юстировка осуществлялась по величине принимаемого сигнала. Процедура настройки обычно занимала несколько минут при малом поглощении на трассе.
3.Аппаратура регистрации сигнала ДИД.
Структурная схема аппаратуры регистрации сигнала показана на рис.5. Генератор G1 вырабатывает импульсы накачки для СИД, имеющие длительность 10 мкс, период повторения 5 мс и амплитуду 2 А. ФП, принимающие прошедшее по трассе излучение, подключены ко входам идентичных каналов приема и обработки сигналов U1 и U2, каждый из которых включает в себя входной малошумящий усилитель (МШУ), устройство выборки и хранения (УВХ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В блоке МШУ U1.1 канала U1 осуществляется основное усиление принятого сигнала, после этого его уровень фиксируется в УВХ U1.2 и переводится в 16-разрядный код в АЦП U1.3. Необходимые для работы УВХ синхроимпульсы формируются генератором G1 и передаются из модуля излучателя (МИ) в модуль приемника (МП) по отдельной витой паре проводов. Канал U2 функционирует аналогично. Устройство связи с объектом (УСО) U3 периодически опрашивает АЦП каналов U1 и U2 и передает с интервалом 80 мс полученные данные по двухпроводной линии связи (в стандарте RS-485) на контрольно-вычислительное устройство (КВУ) U4. Электропитание на МП и МИ подается от блока питания (БП) U5, обеспечивающего напряжения ±8,3 В при потребляемом токе до 100 мА. С целью обеспечения взрывобезопасности МП и МИ подключены к БП и КВУ через пассивные искробезопасные барьеры F1 и F2, а в БП дополнительно предусмотрена защита от повышения выходного напряжения, соответствующая требованиям ГОСТ Р 51330.10-99 «Электрооборудование взрывозащищенное. Искробезопасная электрическая цепь».
КВУ U4 (рис.6) построено на основе одноплатного контроллера BL1400, имеет отдельный встроенный в его корпус сетевой блок питания, а также резервный батарейный источник питания, необходимый для сохранения данных о текущем времени при отключении сетевого напряжения. Хранение данных о величинах зарегистрированных концентраций УВГ за последние три месяца, а также о времени начала и окончания перекрытия трассы и отключения электропитания осуществляется в энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM), что повышает надежность хранения. На лицевой панели КВУ размещены кнопки управления, позволяющие задавать режим его работы, жидкокристаллический двухстрочный дисплей, а также органы светозвуковой сигнализации. На заднюю стенку корпуса КВУ вынесены разъем интерфейса RS-485, необходимый для приема данных от УСО U3, и разъем интерфейса RS- 232C , позволяющий при необходимости передавать данные на компьютер IBM PCили осуществлять перепрограммирование FLASH-памяти, в которой хранится основная рабочая программа КВУ.
Особенности схемотехнического построения МШУ каналов приема U1 и U2 обусловлены свойствами применяемых в данном приборе ФП, у которых величина внутреннего сопротивления ri, существенно зависит от температуры кристалла ФП: так, при температуре Т = 27° С ri = 330 Ом, тогда как при Т = 50° С ri = 60 Ом. Очевидно, что если прибор предполагается эксплуатировать в помещении, температура в котором не изменяется больше, чем на 15...20° С, МШУ можно спроектировать имеющим входное сопротивление rвх = ri, что позволит за счет передачи максимальной мощности из источника сигнала во входную цепь усилителя получить наилучшее отношение сигнал-шум, т.е. добиться максимальной чувствительности приемника, а значит, обеспечить максимальную длину трассы при заданном диапазоне измеряемых концентраций УВГ.
Вариант схемы первого каскада такого МШУ, имеющего rвх = 300 Ом, приведен на рис.7. При необходимой ширине шумовой полосы МШУ 100 кГц, обусловленной длительностью импульса накачки 10 мкс, он обеспечивает приведенное ко входу среднеквадратическое напряжение шумов 0,63 мкВ, что ниже шумов, генерируемых ФП (около 0,75 мкВ). При увеличении температуры окружающей среды чувствительность приемника с таким МШУ ухудшается (в 3,3 раза при увеличении от Т = 27° С до Т = 50 С), а при уменьшении температуры возрастает, что может привести к перегрузке АЦП принимаемым сигналом.
Для устранения зависимости чувствительности приемника от температуры можно использовать усилитель с токовым входом, имеющий rвх < 0,02ri , например, по схеме, показанной на рис.8. При проектировании такого МШУ важно учитывать зависимость его входного сопротивления от частоты rвх(f) = R1 / K0(f), где K0(f) - коэффициент усиления операционного усилителя с разомкнутой цепью обратной связи. Очевидно, что соотношение rвх < 0,02ri должно выполняться во всей воспроизводимой полосе частот, что диктует жесткие требования к выбору типа малошумящего операционного усилителя. Усилитель, показанный на рис.8, обеспечивает rвх = 0,6 Ом в полосе частот 100 кГц. Основным недостатком схемы с токовым входом является снижение отношения сигнал-шум по сравнению с усилителем с согласованным входным сопротивлением. Для схем, приведенных на рис.7 и 8 ухудшение этого параметра составляет 5,5 раза.
4. Калибровка прибора
Интенсивность ИК-излучения, прошедшего оптический путь длиной L в поглощающем газе с концентрацией С определяется законом Бугера – Ламберта - Бера:
I = I0 exp(-a C L) , (1)
где I0 - интенсивность излучения источника, a - коэффициент поглощения некоторой спектральной полосы определяемого газа.
Поскольку выражение (1) строго справедливо только для монохроматического излучения, необходимо определение величины a для каждого конкретного прибора, обладающего собственной (неповторимой) спектральной полосой пропускания и ее положением на шкале длин волн (волновых чисел).
Коэффициент поглощения и его зависимость от оптической плотности слоя определялась для метана и пропана с помощью набора кювет различной длины. Использовались не только чистые газы марки ВЧ, но и их смеси с азотом. На рис.9 представлены данные для чистого метана и поверочной газовой смеси 2.09 % об. СН4 - N2. Коэффициент поглощения чистого метана аппроксимировался степенной функцией вида:
a= А(С´L)-k , (2)
где С - концентрация метана, L - длина кюветы, константы А и kопределялись по экспериментальным данным в системе Mathcad2000 PRO.
Подстановкой выражения (2) в формулу (1) получаем следующую формулу для расчета концентрации:
С = [- ln (I/I0) / A]1/(1-k) / L , (3)
Расчеты по формуле (3) для чистого метана и семи различных кювет с L от 1.5мм до 250мм
дают величину концентрации 0.983 ± 0.056.
Как правило, приборы, измеряющие количество УВГ на протяженных трассах, имеют шкалу измерения в единицах НПВ´м (НПВ – нижний предел воспламенения), поскольку не имеется информации о линейных размерах облака УВГ на измерительной трассе. Для метана величина НПВ составляет 5.28 % об. [10]. Следовательно, окончательная формула для расчета количества УВГ на трассе в единицах НПВ´м имеет вид:
С= [- ln (I/I0) / A]1/(1-k) ´100/ CНПВ , (4)
где CНПВ - концентрация анализируемого газа в объемных %, соответствующая 1 НПВ.
В таблице 1 приведены результаты расчета по (4) для чистого метана и дано их сравнение с действительной концентрацией газа в различных кюветах.
Таблица 1.
|
Длина кюветы, мм
|
1,5
|
5,3
|
19
|
49
|
99,5
|
130
|
250
|
|
Показания прибора, НПВ´м
(расчет по формуле (4))
|
0,028
|
0,109
|
0,340
|
0,874
|
1,713
|
2,406
|
4,933
|
|
Количество газа
в кювете, НПВ´м
|
0,028
|
0,100
|
0,360
|
0,928
|
1,884
|
2,462
|
4,735
|
|
Ошибка измерения, %
|
0
|
-9,0
|
5,6
|
5,8
|
9,1
|
2,3
|
-4,2
|
В заключение отметим, что предел обнаружения метана с помощью ДИД ограничен собственными шумами ФП и составляет @10-3 НПВ´м.
5. Применение ДИД по измерению концентрации УВГ.
Полевые испытания ДИД проводились в течении 10 месяцев на одной из технологических установок нефтеперерабатывающего завода ОАО Рязанский нефтеперерабатывающий завод при длине трассы 40 м в режиме постоянного круглосуточного контроля концентрации УВГ. Следует отметить высокую надежность прибора, поскольку в этот период не было зарегистрировано сбоев и отказов в его работе. На рис.10 представлена типичная кривая изменения концентрации УВГ, зарегистрированная ДИД и сохраненная в его базе данных. Пики концентрации УВГ соответствуют отбору проб жидких нефтепродуктов в емкости менее 1 дм3 вблизи измерительной трассы. Более медленные и менее интенсивные изменения концентрации УВГ, как правило, обусловлены диффузией с других технологических установок.
Наиболее эффективные и перспективные направления применения прибора:
1. Установка приборов по периметрам целого ряда различных технологических установок в нефтедобывающей, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности позволяет объединить их в локальную сеть. Наличие такой сети позволяет существенно расширить объем и достоверность получаемой информации в режиме реального времени и не зависящей от человеческого фактора:
- общая карта загазованности промышленной зоны и ее изменения в режиме реального времени;
- круглосуточное постоянное определение источников локальных выбросов УВГ;
- автоматическая регистрация всех отклонений технологических процессов (по времени и по конкретной технологической установке), связанных с изменением концентрации УВГ;
- постоянный контроль герметичности газо-, нефте- и продуктопроводов;
- определение времени начала и длительности утечек в нефте- и газохранилищах и на установках разлива нефтепродуктов.
2. Для крупногабаритного и высотного оборудования наиболее эффективным применением приборов ДИД является создание стен безопасности, т.е. расположение нескольких приборов в одной вертикальной плоскости на различной высоте. Такой подход позволяет значительно достовернее и быстрее выявлять места утечек УВГ, используя трехмерную карту загазованности промышленных объектов.
3. Модульная конструкция прибора позволяет путем замены ряда функциональных узлов и файлов программного обеспечения применить его для дистанционного измерения концентрации весьма широкого набора опасных и вредных газовых микропримесей, например, таких как аммиак (NH3), сероводород (H2S) и пары соляной кислоты (HCl) на уровне 0,1 - 1 ПДК.
6. Заключение.
Представленный в работе вариант прибора имеет маркировку ДИД 1.000-Ех и внесен в Государственный реестр средств измерений под №22209-01(Сертификат ГОССТАНДАРТА РФ об утверждении типа средств измерений RU.C.31.004.A.№11428). Прибор выполнен во взрывозащищенном исполнении и имеет маркировку взрывозащиты 1ЕхibIIAТ4 (Свидетельство ЦС ВЭ ИГД № 2001.С292. Разрешение на применение Госгортехнадзора России №04-5534).
Дальнейшее совершенствование ДИД может быть связано с переходом к регистрации колебательно-вращательных линий поглощения различных микропримесей в ближней ИК-области на основе использования мощных полупроводниковых гетеролазеров, работающих в одномодовом режиме со сканированием очень узкой линии излучения, что позволит одновременно определять концентрации целого набора микропримесей и существенно расширить диапазон используемых измерительных трасс.
|
|
