Високочутливий засіб контролю малих концентрацій газів на основі методу інтегрувальної сфери

Abstract

Дисертацію присвячено зниженню порогу чутливості та збільшенню точності вимірювань і підвищенню вірогідності контролю малих концентрацій газів на основі методу інтегрувальної сфери та розробці відповідного високочутливого засобу контролю. У роботі проаналізовані існуючі методи та засоби контролю концентрації газів та визначено основні напрямки їх вдосконалення. Розглянуті відомі математичні моделі переносу випромінювання через газове середовище і запропонована вдосконалена модель, яка адаптована до специфіки використання в якості первинного вимірювального перетворювача інтегрувальної сфери та проведення вимірювань в інфрачервоній ділянці спектру. Проаналізовані спектри поглинання інфрачервоного випромінювання основними забруднювальними та атмосферними газами. В результаті вибрано довжини хвиль, на яких найдоцільніше проводити визначення малих концентрацій вищезазначених газів. Розроблено структурну і функціональну схеми високочутливого засобу контролю малих концентрацій газів та розглянуто його основні структурні блоки. Досліджено статичні метрологічні характеристики запропонованого засобу контролю: виведено рівняння перетворення, досліджено поріг чутливості вимірювань, оцінено невизначеність результату вимірювання. З метою перевірки математичної моделі проведені експериментальні дослідження, на основі яких визначені вірогідність контролю та точність вимірювання малих концентрацій газів за допомогою відповідного засобу контролю.

Диссертация посвящена снижению порога чувствительности и повышению точ-ности измерений и достоверности контроля малых концентраций газов на основе ме-тода интегрирующей сферы и разработке соответствующего высокочувствительного средства контроля. В работе проанализированы существующие методы и средства контроля концентрации газов и определены основные направления их усовершенствования. В частности показано, что самым приемлемым методом для измерения малых концентраций газов является метод инфракрасной абсорбционной спектроскопии. Также проведен обзор первичных измерительных преобразователей, которые используются в оптических приборах для контроля концентрации газов, показаны их недостатки и необходимость усовершенствования. В связи с использованием инфракрасного диапазона для контроля малых концентраций газов описаны особенности применения инфракрасного излучения в абсорбционной спектроскопии. Предложены методика и алгоритм работы высокочувствительного средства кон-троля малых концентраций газов. Также приведены рекомендации по выбору источника и приемника излучения в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне для разработанного средства. Проведен анализ экспериментальных результатов измерения концентрации диоксида серы, в результате чего подтверждена адекватность предложенной математической модели.

Thesis is devoted to decreasing the sensitivity threshold and increasing the measure-ments accuracy and reliability of the control of small concentrations of gases on the base of integrating sphere method and to developing appropriate high-sensitive mean of control. Existing methods and means of control of concentrations of gases and the basic directions of their improvement are analyzed in the work. Known mathematical models of radiation carrying through the gas environment are considered. The improved model which is adapted for specificity of using integrating sphere as the primary measuring converter and for measurements in infra-red region is offered. Spectra of infra-red radiation absorption by the basic polluting and atmospheric gases are analyzed. Wavelengths on which it is the most expediently to measure small concentrations of aforementioned gases are chosen. Structural and functional schemes of high-sensitive mean of control of small concentrations of gases are developed and its basic structural blocks are considered. Static metrological characteristics of the offered mean of control are investigated: the equation of transformation is deduced, the sensitivity threshold is calculated, uncertainty of result of measurement is estimated. To check the mathematical model experimental researches are carried out. On its basis reliability of the control and accuracy of measurement of small concentrations of gases using corresponding mean of control are defined.