РАЗРАБОТКА БАЗОВОЙ МОДЕЛИ ИНФРАКРАСНОГО ГАЗОАНАЛИЗАТОРА

Загрязнение атмосферного воздуха является одной из самых серьезных экологических проблем многих городов. Одним из основных источников загрязнения природы является транспорт – автомобильный, железнодорожный, воздушный, водный. Актуальность проблемы состоит в том, что необходимо предпринимать меры уменьшения количества выбросов. Для сведения к минимуму воздействия выбросов на окружающую среду и персонал необходимо проводить мониторинг выхлопных газов. [1, с. 26] Выгодно для этой цели использовать газоанализатор, построенный с учетом особенностей его эксплуатации.

На данный момент не существует прибора, позволяющего комплексно измерять и регистрировать концентрации всех компонентов автомобильных выбросов. В связи с этим было принято решение разработать структурную и принципиальную схемы инфракрасного (ИК) абсорбционного газоанализатора со сменными фильтрами, что позволяет обеспечить переход на все необходимые измеряемые компоненты выбросов. Важным требованием являлось его портативность: работа от аккумулятора и небольшие габариты, что позволяло бы использовать его персоналом на станциях технического обслуживания автомобилей для определения соблюдения норм стандартов «Евро» и ГОСТ Р. [2]

Исходя из вышесказанного, необходимо разработать микропроцессорный блок для спектрального абсорбционного газоанализатора с интерференционными фильтрами. По заданию, интенсивность сигнала должна меняется на 10 %. Выбор такого диапазона обусловлен тем, что в этой части графика сигнал зависимость можно считать практически линейной, что значительно облегчает процесс вычисления величины концентрации (рис.1.).

Рисунок 1. График зависимости интенсивности света I от пути х, пройденного в поглощающей среде

Исходя из сказанного, была поставлена задача разработать микропроцессорный блок базовой модели инфракрасного газоанализатора для контроля выбросов по монооксиду углерода СО с погрешностью не более ± 0,5 %. На вход электрического блока с оптического приемника поступает сигнал частотой следования импульсов 30 Гц и амплитудой сигнала 30 мВ. Сигнал меняется на 10 % во всем диапазоне СО. Блок преобразует поступающий сигнал в величину концентрации СО.

В рамках данной работы рассматривается разработка структурной и принципиальной схем базовой модели газоанализатора на основе микроконтроллера компании Silicon Labs.

На рис.2 представлена структурная схема газоанализатора. В качестве приемника излучения в газоанализаторе используется пироэлектрический приемники ИК-излучения, который воспринимает только переменный поток излучения. Для решения этих проблем обычно используется модулятор — устройство, прерывающее измеряемый поток. Простейший механический модулятор представляет собой диск с вырезанными секторами. Модулятор приводится в движение микродвигателем, который, вращая его, попеременно открывает то рабочую, то сравнительную кюветы прибора, а также позволяет измерить фоновый сигнал - когда обе кюветы закрыты.

Разработан электронный блок, который включает в себя усилительный каскад из двух операционных усилителей. Первый - для усиления сигнала (т.к. сигнал с приемного элемента составляет всего 30 мВ). Второй - для смещения уровня сигнала в положительную область, т.к. АЦП обрабатывает только положительный сигнал. В схеме предусмотрена оптронная пара, с помощью которой происходит привязка к определенному положению модулятора, что позволяет определять рабочий сигнал и сигнал сравнения. В схеме предусмотрен блок питания, индикатор и возможность подключения газоанализатора к ПК.

Рисунок 2. Структурная схема газоанализатора

ОФ — оптический фильтр; ФЛ — фокусирующая линза;  ПЭ — приемный элемент; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; ЖКИ — жидкокристаллический индикатор; И — интерфейс USB; МК — микроконтроллер; БП - блок питания; Debug – вход программатора; Uсм- напряжение смещения на входе усилителя.

На рис.3 изображен усиленный и смещенный сигнал на входе АЦП. Первая 1/4 периода - сигнал сравнения, вторая 1/4 периода - нулевой, фоновый сигнал, третья 1/4 периода - рабочий, исследуемый сигнал. Т.к. двигатель, который приводит в движение модулятор, имеет нестабильную частоту вращения из-за различных внешних факторов, то для устранения погрешностей определения концентрации предусмотрен расчет периода вращения модулятора. Измерение периода происходит по первому срабатыванию оптронной пары до второго. Период делится на 4 для возможности измерять определенные сигналы в каждую четверть периода. Т.к. сигнал с выхода фотоприемника слишком зашумлен, что отображено на рис.3, то для усреднения величины концентрации производится многократный запуск АЦП по прерывания таймера 1, который запускается каждую 1/4 периода 8 раз, производя за раз 16 измерений. Расчет концентрации ведется по формуле, показанной на рис.3, справа (где ε — коэффициент поглощения, характерный для контролируемого вещества, используемой длины волны и условий измерения; с — концентрация измеряемого вещества; х — толщина слоя вещества (длина кюветы с анализируемым и сравнительным, не поглощающим излучения веществом). Как можно увидеть, зависимость линейная, что значительно упрощает расчет концентрации.

Рисунок 3. Сигнал на входе АЦП

Разработанный прибор имеет габаритные размеры, гораздо меньшие, чем у аналогов, что не затрудняет его эксплуатацию одним человеком на станциях технического обслуживания, индицирует и записывает в память серию измерений, а также позволяет передавать данные по USB к ПК. Также предложенная разработка обеспечивает работу от аккумулятора и не требует подключения к сети, является многокомпонентным и имеет более высокую точность измерений, чем у его аналогов.

Принципиальная схема разработанного прибора включает в себя следующие основные элементы: микроконтроллер C8051F930, компаратор ADCMP394, инвертирующий DC/DC преобразователь LT1931, стабилизаторы LM337T, LM2937, мост UART-USB СР2103, АЦП 12 разрядный.

Для питания отдельных элементов схемы предусмотрены стабилизаторы напряжения, с помощью которых можно получить из 12 В (автомобильный аккумулятор) напряжения: 5 В для излучателя, микромотора и оптронной пары; двуполярное питание ±10 В для операционных усилителей. Также в схеме предусмотрено подключение к ПК для вывода данных с помощью моста СР2103 для связи через USB.

Алгоритм главной программы предусматривает инициализацию и вывод результатов измерения концентрации каждые 2 секунды. Программа включает 2 прерывания: по срабатыванию оптронной пары и от завершения работы АЦП. По срабатыванию первого прерывания происходит привязка положения обтюратора к одной из кювет прибора для определения измеряемого сигнала: рабочего или сравнения. По срабатыванию второго прерывания записывается усредненное значение концентрации в память.

С учетом габаритов основных элементов, разработанный прибор может обладать размерами, не превышающими 35х15х20 см. Погрешности разработанного микропроцессорного блока не превышают 0,3 %. Работа прибора обеспечивается 12 В аккумулятором. Прибор прост в управлении и предусматривает как дальнейшее его улучшение, так и увеличение количества измеряемых компонентов.

Список литературы:

1. Тхоржсвский, В. П. Автоматический анализ химического состава газов [текст] / В. П. Тхоржсвский. – М., переизд. 2005. - 218 с.
2. ГОСТ Р 52033-2003. Автомобили с бензиновыми двигателями. Выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами. Методы контроля выбросов транспортных средств.- М.: Госстандарт России, 2003. - 10 с.