Введение к работе
Актуальность темы.
Защита природной среды от промышленных, сельскохозяйственных и бытовых загрязнений является одной из наиболее актуальных технических и социальных проблем. Для ее решения необходим, в частности, непрерывный контроль выбросов загрязняющих веществ, оценка их содержания в природной среде с последующим воздействием на источники выбросов с целью минимизации загрязнений до предельно-допустимого уровня. Задачи контроля природной среды решаются с помощью автоматизированных систем экологического мониторинга (АСЭМ). Требования к характеристикам средств измерений, используемых в АСЗМ, очень высоки и обусловлены сложностью объектов контроля (природной среды), характерными особенностями которых являются низкие на пределе обнаружения соответствующих аналитических методов уровни измеряемых величин, высокая размерность объектов контроля, высокий уровень помех, обусловленных главным образом, неконтролируемыми изменениями неинформативных параметров объекта. Поэтому наряду с точностью, предел обнаружения является важнейшей характеристикой приборов экологического контроля.
К числу широко используемых при экологических измерениях методов газового анализа относится оптико-абсорбционный, позволяющий определять концентрации различных веществ в широком диапазоне изменения концентраций. Высокая чувствительность и избирательность выгодно отличают его от других методов.
Вместе с тем известные оптико-абсорбционные газоанализаторы (ОАГ) характеризуются недостаточно высокими пороговыми, характеристиками, что является следствием используемого в них модуляционного метода измерения сигналов измерительной информации. Сущность модуляционного метода состоит в том, что модулируются неинформативные параметры информационного сигнала (обычно сравниваемые тем или иным способом потоки излучения).
Эта проблема может быть решена с помощью применения вместо широко используемой в настоящее время модуляции потока излучения, модуляции информативного параметра. На практике этот вид модуляции реализуется различными способами, одним из которых является периодическое изменение концентрации анализируемого .'газа
- 2 -на пути потока излучения.
Решению проблемы улучшения пороговых характеристик ОАГ на основе методов модуляции информативного параметра и посвящена данная работа.
Работа выполнена в соответствии с комплексной научно-технической программой "Датчики" Госкомвуза РФ.
Цель и задачи работы. Целью работы является исследование способов улучшения пороговых характеристик оптико-абсорбционных газоанализаторов на основе метода модуляции информативного параметра.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
выявить и исследовать основные факторы, влияющие на уровни пороговых характеристик ОАГ;
провести сравнительный анализ метрологических (в том числе пороговых) характеристик ОАГ, реализованных на основе типовых измерительных схем;
построить математические модели метрологических и пороговых характеристик ОАГ с модуляцией информативного параметра;
разработать макет ОАГ с модуляцией информативного параметра с улучшенными пороговыми характеристиками;
произвести сравнения пороговых характеристик ОАГ с модуляцией неинформативного и информативного параметров.
Научная новизна работы.
Построены математические модели метрологических и пороговых характеристик для достаточно широкого класса ОАГ с модуляцией неинформативного параметра, реализованных на основе типовых измерительных схем (прямого измерения, дифференциальной, логомет-рической), и показано, в частности, что уровень предела обнаружения ОАГ ограничивается аддитивной составляющей абсолютной погрешности средства измерения.
Построены математические модели метрологических и пороговые характеристик ОАГ с модуляцией информативного параметра (модуляция осуществляется путем изменения концентрации анализируемол газа в рабочей кювете) и показано, что по критерию минимума пре дела обнаружения эти ОАГ имеют значительные преимущества и
сравнению с обычными за счет существенного уменьшения уровня аддитивной погрешности газоанализатора в идеальном случае до уровня, определяемого собственными шумами фотодетектора абсорбцио-метра (теоретический предел обнаружения).
Осуществлена оптимизация параметров одноканального ОАГ с модуляцией информативного параметра, реализован макет этого ОАГ и экспериментально показано, что в сопоставимых условиях уровень предела обнаружения созданного прибора на порядок ниже, чем у дифференциального ОАГ с модуляцией потока излучения.
Практическая значимость.
Разработанные модели метрологических и пороговых характеристик ОАГ с модуляцией информативного и неинформативного параметров можно использовать как на стадии разработки приборов (задачи структурной и параметрической оптимизации создаваемого ОАГ), так и на стадии эксплуатации ОАГ. В частности, полученные результаты позволяют расширить сферу применения ОАГ с модуляцией информативного параметра за счет более полного охвата диапазона малых и микроконцентраций, что имеет существенное значение для решения задач экологического контроля.
Предложен вариант создания ОАГ, модуляция в котором осуществлялась за счет изменения давления анализируемой смеси в рабочей кювете прибора с помощью пневматической системы с регулируемой частотой модуляции.
Полученные экспериментальные результаты дали возможность снизить предел обнаружения ОАГ на порядок по сравнению с прибором в котором модуляция осуществлялась путем модуляции потока излучения.
Полученные в диссертационной работе результаты используются при подготовке специалистов по автоматизации аналитического контроля, а также в разработке современных систем контроля НПО "Химавтоматика".
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на следующих научно-технических конференциях:
1.Первая научно-техническая конференция "Состояние и проблемы технических измерений" (г.Москва, МГТУ, 1994);
2.Вторая международная тешюфизическая школа "Повышение эф-
- 4 -фективности теплофизических исследований технологических процессов промышленного производства и их метрологического обеспечения" (г.Тамбов,1995);
З.На двух НТК, в Московской Государственной академии химического машиностроения в 1993 и 1995 гг.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 4 работы: две статьи и тезисы докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех основных глав, выводов, списка литературы и приложения. Включает страниц мащинописного текста, рисунков, таблиц, список литературы на 87 наименований.
