Способ и устройство контроля концентрации газов в воздухе
Способ и устройство контроля концентрации газов в воздухе относится к средствам мониторинга окружающей среды, а именно к средствам контроля концентрации газов в окружающем воздухе. Задача изобретения состоит в контроле концентрации газов в воздухе в реальных условия при наличии широкого спектра газов. Технический результат заключается в обеспечении возможности непрерывного контроля концентраций газов в окружающем воздухе с высокой точностью измерений. Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что газовый модуль непрерывного контроля концентраций газов в воздухе включает корпус, по крайней мере два газовых тракта с выходами наружу для забора проб анализируемой среды, по крайней мере два газовых сенсора, по крайней мере два термодатчика и процессор, при этом сенсоры, термодатчики и процессор связаны между собой по принципу приема-передачи сигналов, модуль выполнен с возможностью учета влияния температуры и влияния присутствующих в анализируемой среде нецелевых газов на показания концентрации целевого газа. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.
Область применения
[0001] Предлагаемое изобретение относится к средствам мониторинга окружающей среды, а именно к средствам контроля концентрации газов в окружающем воздухе.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] В крупных промышленных центрах степень загрязнения атмосферного воздуха может в ряде случаев превысить санитарно-гигиенические нормативы. Характер временной и пространственной изменчивости концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе определяется большим числом разнообразных факторов. Знание закономерностей формирования уровней загрязнения атмосферного воздуха, тенденций их изменений является крайне необходимым для обеспечения требуемой чистоты воздушного бассейна. Основой для выявления закономерностей служат наблюдения за состоянием загрязнения воздушного бассейна. От возможностей и качества проводимых наблюдений зависит эффективность всех воздухо-охранных мероприятий.
[0003] Из уровня техники известно УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ГАЗА (RU2014105175), содержащее также описание способа определения концентрации газа. Сущность изобретения заключается в том, что способ селективного измерения концентрации целевого газа в загрязненном окружающем воздухе включает этапы: обеспечения датчика целевого газа, чувствительного к целевому газу; обеспечение первого потока газа, полученного из окружающего воздуха, причем целевой газ по существу удаляется из первого потока газа; обеспечение второго потока газа, получаемого из окружающего воздуха, по существу, содержащего ту же концентрацию целевого газа, что и окружающий воздух; подвергают датчик целевого газа первому потоку газа в течение первого временного интервала и получают от датчика целевого газа первый сигнал датчика (Smf); подвергают датчик целевого газа второму потоку газа во время второго временного интервала, не перекрывая первый интервал времени, и получают второй выходной сигнал (Smu); вычисление разности (SΔ) между первым и вторым выходными сигналами; Расчет концентрации целевого газа по расчетной разности (SΔ) сигнала.
[0004] Недостатком данного изобретения можно считать его невысокую точность обусловленную тем, что для расчета концентрации целевого газа в воздухе не учитывается влияние температуры и влияние нецелевых (сопутствующих) газов.
[0005] Из уровня техники так же известно ПЕРЕДВИЖНАЯ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ "ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЬ" (RU 109573). Такая лаборатория содержит автомобиль-носитель с кабиной и салоном, разделенным перегородкой на лабораторный и грузовой отсеки, в котором размещены автоматизированное рабочее место оператора, снабженное креслом, столом и компьютером с принтером и программным обеспечением, измерительный комплекс, содержащий приборную стойку с измерительным оборудованием и метеокомплекс, включающий выдвижную метеомачту и метеостанцию с датчиками скорости и направления ветра и датчиками температуры и относительной влажности, при этом автоматизированное рабочее место оператора в лабораторном отсеке снабжено метеопультом с датчиком атмосферного давления, комплекс обеспечения, содержащий автономный энергоузел в виде электробензогенератора, систему кондиционирования и вентиляции, система отбора проб, содержащая размещенное на крыше автомобиля-носителя воздухозаборное устройство, пневматически подключенное к приборной стойке, дополнительное оборудование, отличающаяся тем, что комплекс обеспечения снабжен спутниковой системой позиционирования, система отбора проб дополнительно содержит пылеотборный зонд и газовую магистраль, обеспечивающую подачу загрязняющего вещества на вход анализатора пыли, а в состав дополнительного оборудования введена поворотная консоль с лебедкой, размещенная в грузовом отсеке.
[0006] К недостаткам данного изобретения можно отнести его большие размеры, громоздкость, а так же то, что при расчете реальной концентрации газа в анализируемой среде не учитывается влияние нецелевых газов на значения показаний концентрации целевого газа.
[0007] Кроме того, из уровня техники известно изобретение «ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ С ПОМОЩЬЮ ДАННОГО ДАТЧИКА» (RU 2106621). Изобретение относится к электрохимическому датчику для определения концентрации газа, содержащему корпус, измерительный электрод, содержащий каталитически активный материал, который обладает способностью вызывать превращение анализируемого газа, противоэлектрод, содержащий углеродный материал с электрохимически активными поверхностными соединениями, которые могут обратимо окисляться или восстанавливаться, и электролит, находящийся в контакте с измерительным электродом и противоэлектродом, при этом углеродный материал в противоэлектроде имеет удельную поверхность по меньшей мере 40 м2/г. Кроме того, изобретение относится к способу определения концентрации газов с помощью данного датчика. Данное устройство не учитывает влияние температуры на определение концентрации целевого газа в воздухе, а так же влияние нецелевого газа на определение концентрации целевого.
[0008] Из уровня техники так же известен ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ГАЗОВЫЙ ДАТЧИК С ИОНОВЫМИ ЖИДКИМИ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ (RU 2502067).
[0009] Изобретение относится к электрохимическому газовому датчику, который содержит электролит, включающий, по меньше мере, одну ионную жидкость и, по меньшей мере, один рабочий электрод, при этом потенциал рабочего электрода поддерживается, в основном, постоянным, при этом ионная жидкость содержит аддитивную часть, включающую, по меньшей мере, одну органическую добавку в количестве от 0,05 до 5,0 мас. %. Изобретение также относится к устройству электрохимического газового датчика и его применению для обнаружения/измерения газов, выбирающихся из группы, включающей NH3, SO2, H2S, Н2, HCl, HCN и смешанные газы. Изобретение позволяет получить электрохимический газовый датчик с повышенной чувствительностью/избирательностью, что достигается за счет аддитивной добавки. Данное устройство производит анализ концентрации газа в воздухе без учета влияния температуры и сопутствующих (нецелевых газов).
Краткое описание изобретения.
[0010] Задача изобретения состоит в контроле концентрации газов в воздухе в реальных условия при наличии широкого спектра газов.
[0011] Технический результат заключается в обеспечении возможности непрерывного контроля концентраций газов в окружающем воздухе с высокой точностью измерений.
[0012] Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что газовый модуль непрерывного контроля концентраций газов в воздухе, корпус, по крайней мере, два газовых тракта с выходами наружу для забора проб анализируемой среды, по крайней мере, два газовых сенсора, по крайней мере два термодатчика и процессор при этом, сенсоры, термодатчики и процессор связаны между собой по принципу приема-передачи сигналов, модуль выполнен с возможностью учета влияния температуры и влияния присутствующих в анализируемой среде нецелевых газов на показания концентрации целевого газа.
[0013] Возможно выполнение газового модуля непрерывного контроля концентраций газов в воздухе, в котором сенсоры выполнены электрохимическими, то есть в них используется электрохимический метод определения массовых концентраций веществ в газовоздушной среде.
[0014] Возможно выполнение газового модуля непрерывного контроля концентраций газов в воздухе, в котором сенсоры, термодатчики и процессор размещены на плате.
[0015] Возможно выполнение газового модуля непрерывного контроля концентраций газов в воздухе, в котором термодатчики расположены в непосредственной близости от сенсора.
[0016] Возможен вариант выполнения газового модуля, в котором газовые тракты оснащены фильтрами.
[0017] Возможен вариант выполнения газового модуля, в котором выходы газовых трактов расположены в нижней части газового модуля.
[0018] Возможен вариант выполнения газового модуля, в котором корпус выполнен влагозащищенным.
[0019] Возможен вариант выполнения газового модуля, в котором используется комбинация газовых сенсоров, чувствительных к диоксиду азота NO2, озону О3 и оксиду углерода СО.
[0020] Возможен вариант выполнения газового модуля, в котором используется комбинация газовых сенсоров, чувствительных к сероводороду H2S и диоксиду серы SO2.
[0021] Возможно выполнение газового модуля, в котором используется две комбинации газовых сенсоров, - одна группа чувствительна к диоксиду азота NO2, озону О3 и оксиду углерода СО, вторая - к сероводороду H2S и диоксиду серы SO2.
[0022] Возможно выполнение газового модуля, в котором осуществлена возможность передачи сигналов (информации) на внешние устройства.
[0023] Возможно выполнение газового модуля, который оснащен разъемами для подключения к внешним устройствам.
[0024] Такая реализация газового модуля непрерывного контроля концентраций газов в воздухе обеспечивает достижение технического результата, состоящего в повышении точности определения концентрации газа при непрерывном контроле концентраций газов в окружающем воздухе. А так же решается задача, заключающаяся в непрерывном контроле концентраций газов в воздухе.
Технический результат достигается способом непрерывного контроля концентрации газа в воздухе включающим: размещение модуля контроля концентраций газов в воздухе в анализируемую среду, подача электропитания на модуль, определение термодатчиками температуры анализируемой среды, формирование сигналов на газовых сенсорах, с учетом по крайней мере концентрации целевого газа в анализируемой среде, концентрации нецелевого газа в анализируемой среде и температуры анализируемой среды передача сигналов с газовых сенсоров и термодатчиков на процессор, расчет концентрации газа в воздухе с учетом влияния температуры и влияния присутствующих в анализируемой среде нецелевых газов на показания концентрации целевого газа.
[0025] Возможно достижение заявленного результата способом непрерывного контроля концентрации газа в воздухе, в котором для формирования электрических сигналов на газовых сенсорах используется электрохимический метод определения массовых концентраций веществ в анализируемой среде.
[0026] Возможно достижение заявленного результата способом непрерывного контроля концентрации газа в воздухе, в котором анализируемая среда фильтруется перед попаданием на газовые сенсоры.
[0027] Возможно достижение заявленного результата способом непрерывного контроля концентрации газа в воздухе, в котором передача сигналов с газовых сенсоров и термодатчиков на процессор происходит по линиям передачи платы.
[0028] Возможно достижение заявленного результата способом непрерывного контроля концентрации газа в воздухе, в котором определяются концентрации следующих газов диоксида азота NO2, озона О3 и оксида углерода СО.
[0029] Возможно достижение заявленного результата способом непрерывного контроля концентрации газа в воздухе, в котором определяются концентрации следующих газов сероводорода H2S и диоксида серы SO2.
[0030] Возможно достижение заявленного результата способом непрерывного контроля концентрации газа в воздухе, в котором сначала определяются концентрации следующих газов - диоксида азота NO2, озона О3 и оксида углерода СО, затем, с учетом показателей газов первой группы, определяются концентрации сероводорода H2S и диоксида серы SO2. [0031] Возможно достижение заявленного результата способом непрерывного контроля концентрации газа в воздухе, в котором результат расчета концентрации газа в воздухе передается на внешние устройства.
[0032] Возможно достижение заявленного результата способом непрерывного контроля концентрации газа в воздухе, в котором контроль концентрации газа осуществляется непрерывно.
Описание рисунков
[0033] На фигуре 1 изображен модуль непрерывного контроля концентраций газов в воздухе с тремя газовыми сенсорами.
[0034] На фигуре 2 изображен модуль непрерывного контроля концентраций газов в воздухе с двумя газовыми сенсорами.
[0035] На фигуре 3 схематичное изображение газового модуля.
[0036] На фигуре 4 изображена блок-схема реализации способа непрерывного контроля концентрации газа в воздухе.
[0037] На табл.1 показано влияние газов, находящихся в рабочей среде (атмосферном воздухе) на определение концентрации целевого газа.
[0038] Позиция 100 корпус
[0039] Позиция 200 - выходы газовых трактов
[0040] Позиция 210 - газовые тракты
[0041] Позиция 300 разъемы для подключения модуля
[0042] Позиция 400 - газовые сенсоры
[0043] Позиция 420 - термодатчик
[0044] Позиция 430 - процессор
[0045] Позиция 450 - плата
[0046] Позиция 500 - газовый модуль
Подробное описание
[0047] В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту, очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не были описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.
[0048] Кроме того, из приведенного изложения ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, очевидны для квалифицированных в предметной области специалистов.
[0049] На фигуре 1 изображен общий вид газового модуля непрерывного контроля концентраций газов в воздухе, который включает в себя корпус 100, который может быть выполнен ударопрочным и влагозащищенным, корпус 100 может быть выполнен из различных композитных материалов, металла, пластика и т.п.В корпусе 100 размещены основные функциональные элементы газового модуля 500 газовые тракты 210 с выходами 200 наружу для забора проб анализируемой среды, газовые сенсоры 400, термодатчики 420 и процессор 430 размещенные на плате 450. Таким образом, корпус 100 обеспечивает компактное размещение функциональных элементов модуля 500, а так же обеспечивает защиту функциональных элементов модуля 500 от влияния и воздействия внешних факторов. В том числе, от различных агрессивных факторов вода, грязь, прямые солнечные лучи, воздействие ветра и т.п.Кроме того, корпус 100 за счет своей герметичности обеспечивает уменьшение влияния погрешностей измерения концентрации газов в анализируемой среде за счет исключения рассеивания анализируемой среды, то есть за счет прицельного воздействия анализируемой среды на газовые сенсоры 400 поступающей упорядоченным потоком по газовым трактам 210. Корпус 100 может быть выполнен влагозащищенным, что обеспечивает защиту элементов модуля 500 от влаги для продления их срока службы и увеличения точности измерений. Таким образом, корпус 100 обеспечивает компактное размещение элементов модуля 500, защищает его от внешнего воздействия различных факторов, в том числе природных и способствует повышению точности определения концентрации газа в анализируемой среде.
[0050] Кроме того, как видно на фигуре 1 модуль 500 содержит газовые тракты 210 с выходами 200 наружу для забора проб анализируемой среды. Газовые тракты 210 представляют собой воздушные каналы, по которым анализируемый воздух целенаправленно за счет диффузии поступает к сенсорам 400. При этом, выходы 200 газовых трактов 210 размещены в нижней плоскости модуля 500 так, что при штатной установке попадание через них влаги внутрь модуля исключено. Кроме того, газовые тракты 210 могут быть оснащены фильтрами 220, несущими защитную функцию. Фильтры 220 предотвращают попадание пыли и грязи внутрь газового модуля, но не препятствуют свободному поступлению воздуха и находящихся в нем газов (за счет диффузии) на чувствительные элементы сенсоров. Количество газовых трактов 210 определяется в зависимости от решаемых задач и анализируемых/измеряемых газов и соответственно количество газовых трактов равно количеству сенсоров 400. Так, например, газовый модуль для определения сероводорода H2S и диоксида серы SO2 содержит два газовых тракта 210, а газовый модуль 500 для определения диоксида азота NO2, озона О3, оксида углерода СО содержит соответственно три газовых такта 210. Таким образом, газовые тракты 210 обеспечивают целенаправленное поступление анализируемого воздуха к газовым сенсорам 400. Кроме того, тракты 210 сконструированы таким образом, что исключают попадание пыли, грязи, влаги внутрь газового модуля 500 и соответственно исключается негативное, агрессивное влияние внешних факторов на сами сенсоры 400 и другие элементы модуля, что обеспечивает их бесперебойную работу, заключающуюся в непрерывном контроле концентраций газов в воздухе и повышении точности определения концентрации газа при непрерывном контроле концентраций газов в окружающем воздухе.
[0051] Газовые сенсоры 400 расположены внутри газового модуля 500 так, что анализируемый воздух, поступающий по газовым трактам 210 целенаправленно за счет диффузии попадает на сенсоры 400. При этом, газовые сенсоры 400 могут быть выполнены оптическими, полупроводниковыми, но наиболее предпочтительный вариант это выполнение газовых сенсоров электрохимическими. Так, при использовании электрохимических сенсоров, контролируемый (анализируемый) газ взаимодействует с рабочим электродом сенсора. Высвобождающиеся при этом электроны проходят через электролит и эталонный электрод и формируют во внешней цепи аналоговый сигнал постоянного тока. Величина этого сигнала прямо пропорциональна концентрации контролируемого газа. При этом для расчета реальной концентрации газа учитывается влияние температуры рабочей среды (а точнее температуры сенсоров 400), а также учитывается кроссчувствительность сенсоров 400 - влияние присутствующих в рабочей среде нецелевых газов на показания концентрации целевого, а также возможная селективность сенсоров. Выбор измеряемых газов и сочетание сенсоров в рамках каждого модуля обусловлены особенностями требований пользователей модулей 500. Используемая архитектура позволяет реализовывать газовые модули 500 с любым набором сенсоров. Таким образом, за счет газовых сенсоров 400 происходит повышение точности определения концентрации газа при непрерывном контроле концентраций газов в окружающем воздухе.
[0052] Определение реальной концентрации газа происходит путем преобразования аналогового сигнала считываемого с сенсоров, преобразования его в цифровой вид и дальнейшей его обработки при помощи специального алгоритма, который может быть представлен в виде формулы, в которой для расчета концентрации целевого газа используются значения сигналов с сенсоров и датчиков температур, а также ряд коэффициентов. Коэффициенты для каждого модуля определяются в процессе калибровки модулей:
[0054] Где Ci - значение концентрации i-го газа;
[0055] Sig сигнал с газового сенсора;
[0056] Т значение температуры сенсора;
[0057] А, В, t1, t2, t3 - коэффициенты, учитывающие кроссчувствительность, влияние температуры, смещение «нуля»;
[0058] j индекс, определяющий к какому конкретно сенсору относится параметр.
[0059] Количественные показатели в формуле корректируются в ходе процедуры калибровки размещение датчика рядом с эталоном.
[0060] Калибровка осуществляется следующим образом: Газовые модули помещаются в газовую среду с варьируемыми известными концентрациями и температурой, и находятся в ней на протяжении определенного времени. С модулей на протяжении всего времени считываются и заносятся в базу данных показания газовых сенсоров и датчиков температуры. После этого при помощи специального программного обеспечения (ПО) полученные данные обрабатываются и рассчитываются коэффициенты формул для расчета концентраций. Затем рассчитанные коэффициенты заносятся в ПО газовых модулей.
[0061] Термодатчики 420 расположены в непосредственной близости от газовых сенсоров 400, так что бы измерять температуру анализируемой среды (а точнее температуру газовых сенсоров 400). То есть, при движении по газовым трактам 210 воздух целенаправленно за счет диффузии поступает к сенсорам 400, так же попадает на термодатчики и термодатчики измеряют температуру анализируемой среды. Температура анализируемой среды используется при расчете реальной концентрации газа (формула, связывающая значение концентрации с уровнями сигналов сенсоров, температурой), таким образом, увеличивая точность определения концентрации газа при непрерывном контроле концентраций газов в окружающем воздухе.
[0062] Как показано на фиг.3, сенсоры, термодатчики и процессор связаны между собой по принципу приема-передачи сигналов, что позволяет беспрепятственно производить обмен данными между элементами и производить преобразование аналогового сигнала в цифровой и дальнейшую его обработку с использованием специального алгоритма. Размещение сенсоров, термодатчика и процессора на плате позволяет уменьшить уровень шумов в передаваемых сигналах, обеспечить компактность газового модуля 500 простоту реализации и исключить необходимость использования большого количества элементов (проводов, разъемов и т.п.). Таким образом, повышая качество передаваемых сигналов между элементами модуля 500 увеличивается точность определения концентрации газа при непрерывном контроле концентраций газов в окружающем воздухе.
[0063] Возможны варианты выполнения газового модуля, в которых используется комбинация газовых сенсоров 400, например, диоксида азота NO2, озона О3 и оксида углерода СО или же газовых сенсоров 400 сероводорода H2S и диоксида серы SO2. Кроме того, возможно учитывать результаты расчета одной группы сенсоров при определении показателей другой группы целевых газов.
[0064] Выбор измеряемых газов и сочетание сенсоров в рамках каждого модуля обусловлены особенностями требований пользователей устройств. Используемая архитектура позволяет реализовывать модули с любым набором сенсоров. В табл.1 приведены примеры влияния газов, находящихся в рабочей среде (атмосферном воздухе) на определение концентрации целевого газа. Таким образом, учет влияния кроссчувствительности сенсоров влияние присутствующих в рабочей среде нецелевых газов на показания концентрации целевого способствует повышению точности определения концентрации газа при непрерывном контроле концентраций газов в окружающем воздухе.
Таблица 1
[0065] Так например, как показано в табл.1 при определении концентрации сероводорода H2S (целевой газ) учитывается влияние оксида углерода СО и диоксида серы SO2.
[0066] Возможно выполнение газового модуля 500, в котором осуществлена возможность передачи сигналов (информации) на внешние устройства. Такая реализация позволяет уменьшить габариты модуля 500 и избавится от излишней громоздкости. Кроме того, избавляет модуль от лишних помех при передаче сигнала. Возможность передачи сигналов (информации) на внешние устройства может быть реализована при помощи, например, интерфейса RS-485 стандартный индустриальный интерфейс, позволяет объединять устройства в сеть и передавать данные по одной линии связи, то есть устройства соединяются с другими устройствами последовательно.
[0067] Для подключения внешних устройств используются разъемы, размещенные на корпусе 100 модуля 500, количество разъемов в зависимости от решаемых задач может составлять 1-4.
Описание способа.
[0068] Для определения концентрации газа может быть использован любой известный метод определения концентраций газов, в описанном устройстве преимущественно используется электрохимический метод определения массовых концентраций веществ в газовоздушной среде. Контролируемый газ взаимодействует с рабочим электродом газового сенсора 400. Высвобождающиеся при этом электроны проходят через электролит и эталонный электрод и формируют во внешней цепи аналоговый сигнал постоянного тока. Величина этого сигнала прямо пропорциональна концентрации контролируемого газа.
[0069] Определение реальной концентрации газа происходит путем преобразования аналогового сигнала в цифровой и дальнейшей его обработки с использованием специального алгоритма (упрощенно - формула, связывающая значение концентрации с уровнями сигналов сенсоров, температурой). При этом для расчета реальной концентрации газа учитывается влияние температуры рабочей среды (а точнее температуры сенсоров), а также учитывается кроссчувствительность сенсоров 400 влияние присутствующих в рабочей среде нецелевых газов на показания концентрации целевого.
[0070] Таким образом, за счет своего конструктивного исполнения и технических особенностей, а именно, за счет того, что газовый модуль непрерывного контроля концентраций газов в воздухе, содержит корпус, по крайней мере, два газовых тракта с выходами наружу для забора проб анализируемой среды, по крайней мере, два газовых сенсора, по крайней мере, два термодатчика и процессор при этом, сенсоры, термодатчики и процессор связаны между собой по принципу приема-передачи сигналов, газовый модуль непрерывного контроля концентраций газов в воздухе выполнен с возможностью учета влияния температуры и влияния присутствующих в анализируемой среде нецелевых газов на показания концентрации целевого газа достигается технический результат заключающейся в повышении точности определения концентрации газа при непрерывном контроле концентраций газов в окружающем воздухе.
[0071] Способ контроля концентрации газа в воздухе, как показано на фигуре 4, характеризуется, по крайней мере, следующими последовательными действиями, а именно:
[0072] 1 - размещение модуля непрерывного контроля концентраций газов в воздухе в анализируемую среду;
[0073] 2 - подача электропитания на модуль;
[0074] 3 - формирование электрических сигналов на газовых сенсорах;
[0075] 4 - определение термодатчиками температуры анализируемой среды;
[0076] 5 - передача сигналов с газовых сенсоров и термодатчиков на процессор;
[0077] 6 - расчет концентрации газа в воздухе с учетом влияния температуры и влияния присутствующих в анализируемой среде нецелевых газов на показания концентрации целевого газа.
[0078] Непрерывный контроль концентрации газа в воздухе осуществляется следующим образом:
[0079] размещение модуля непрерывного контроля концентраций газов в воздухе в анализируемую среду 1, воздух (анализируемая среда) через выходы 200 газовых трактов 210 целенаправленно за счет диффузии проникает к газовым сенсорам 400. Таким образом, контролируемый (анализируемый) газ взаимодействует с рабочим электродом сенсора, при этом поступающий воздух может подвергаться фильтрации, что предотвращает попадание пыли и грязи внутрь газового модуля, но не препятствуют свободному поступлению воздуха и находящихся в нем газов (за счет диффузии) на чувствительные элементы сенсоров;
[0080] на модуль подается электропитание 2, за счет чего на сенсорах 400 происходит формирование 3 электрического сигнала. Величина этого сигнала прямо пропорциональна концентрации контролируемого газа. Может использоваться полупроводниковый, оптический или электрохимический (наиболее предпочтительный вариант) метод определения массовых концентраций веществ в анализируемой среде. Так, при электрохимическом методе определения массовых концентраций веществ в анализируемой среде, контролируемый (анализируемый) газ взаимодействует с рабочим электродом сенсора. Высвобождающиеся при этом электроны проходят через электролит и эталонный электрод и формируют во внешней цепи аналоговый сигнал постоянного тока. Величина этого сигнала прямо пропорциональна концентрации контролируемого газа. При этом, значение электрических сигналов определяется концентрацией целевого газа в анализируемой среде, концентрацией нецелевого газа в анализируемой среде и температурой анализируемой среды.
[0081] Далее происходит определение термодатчиками температуры анализируемой среды 4, то есть, для расчета реальной концентрации газа учитывается влияние температуры рабочей среды (а точнее температуры сенсоров 400);
[0082] передача сигналов 5 с газовых сенсоров и термодатчиков на процессор 430, при этом передача сигналов с газовых сенсоров и термодатчиков на процессор может происходить по линиям передачи платы; на процессоре 430 происходит расчет 6 концентрации газа в воздухе с учетом влияния температуры и влияния присутствующих в анализируемой среде нецелевых газов на показания концентрации целевого газа. Определение реальной концентрации газа происходит путем преобразования аналогового сигнала считываемого с сенсоров, преобразования его в цифровой вид и дальнейшей его обработки при помощи специального алгоритма, который может быть представлен в виде формулы, в которой для расчета концентрации целевого газа используются значения сигналов с сенсоров и датчиков температур, а также ряд коэффициентов. Коэффициенты для каждого модуля определяются в процессе калибровки модулей:.
[0084] Где Ci - значение концентрации i-го газа;
[0085] Sig - сигнал с газового сенсора;
[0086] Т - значение температуры сенсора;
[0087] А, В, t1, t2, t3 коэффициенты, учитывающие кроссчувствительность, влияние температуры, смещение «нуля».
[0088] Количественные показатели в формуле могут быть заранее определены либо скорректированы в ходе процедуры калибровки - путем размемещения датчика рядом с эталоном.
[0089] Калибровка осуществляется следующим образом: Газовые модули помещаются в газовую среду с варьируемыми известными концентрациями и температурой, и находятся в ней на протяжении определенного времени. С модулей на протяжении всего времени считываются и заносятся в базу данных показания газовых сенсоров и датчиков температуры. После этого при помощи специального ПО полученные данные обрабатываются и рассчитываются коэффициенты формул для расчета концентраций. Затем рассчитанные коэффициенты заносятся в ПО газовых модулей.
[0090] Возможна реализация способа непрерывного контроля концентрации газа в воздухе, в котором определяются концентрации следующих газов, например диоксида азота NO2, озона О3 и оксида углерода СО или же сероводорода H2S и диоксида серы SO2. При этом, при расчете значений концентрации во второй группе сенсоров, могут быть учтены результаты расчета по первой группе.
[0091] Выбор измеряемых газов и сочетание сенсоров в рамках каждого модуля обусловлены особенностями требований пользователей устройств. Используемая архитектура позволяет реализовывать модули с любым набором сенсоров. В табл.1 приведены примеры влияния газов, находящихся в рабочей среде (атмосферном воздухе) на определение концентрации целевого газа. Таким образом, учет влияния кроссчувствительности сенсоров - влияние присутствующих в рабочей среде нецелевых газов на показания концентрации целевого способствует повышению точности определения концентрации газа при непрерывном контроле концентраций газов в окружающем воздухе. Так например, как показано в табл.1 при определении концентрации сероводорода H2S (целевой газ) учитывается влияние оксида углерода СО и диоксида серы SO2.
[0092] Возможна реализация способа контроля концентрации газа в воздухе, в котором результат расчета концентрации газа в воздухе передается на внешние устройства. Таким образом за счет раскрытого выше способа контроля концентрации газа в воздухе достигается технический результат, заключающийся в обеспечении контроля концентрации газов в окружающем воздухе с высокой точностью, при этом такой контроль может применяться непрерывно. При этом, непрерывность достигается периодическим считыванием сигналов с сенсоров и с датчиков температур, дальнейшим расчетом концентраций, передаче данных в систему мониторинга.
[0093] В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.
1. Газовый модуль контроля концентрации газов в воздухе, включающий корпус, по крайней мере два газовых тракта, оснащенных фильтрами, с выходами наружу для забора проб анализируемой среды, по крайней мере два газовых сенсора, по крайней мере два термодатчика и процессор
при этом
сенсоры, термодатчики и процессор связаны между собой по принципу приёма-передачи сигналов,
модуль выполнен с возможностью учёта влияния температуры и влияния присутствующих в анализируемой среде нецелевых газов на показания концентрации целевого газа.
2. Газовый модуль по п. 1, отличающийся тем, что сенсоры выполнены электрохимическими.
3. Газовый модуль по п. 1, отличающийся тем, что сенсоры, термодатчики и процессор размещены на плате.
4. Газовый модуль по п. 1, отличающийся тем, что термодатчики расположены в непосредственной близости от сенсора.
5. Газовый модуль по п. 1, отличающийся тем, что выходы газовых трактов расположены в нижней части газового модуля.
6. Газовый модуль по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен влагозащищённым.
7. Газовый модуль по п. 1, в котором используется комбинация газовых сенсоров, чувствительных к диоксиду азота NO2, озону O3 и оксиду углерода CO.
8. Газовый модуль по п. 1, в котором используется комбинация газовых сенсоров, чувствительных к сероводороду H2S и диоксиду серы SO2.
9. Газовый модуль по п. 1, в котором используются две комбинации газовых сенсоров - одна группа чувствительна к диоксиду азота NO2, озону O3 и оксиду углерода CO, вторая - к сероводороду H2S и диоксиду серы SO2.
10. Газовый модуль по п. 1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью передачи сигналов (информации) на внешние устройства.
11. Газовый модуль по п. 1, отличающийся тем, что оснащён разъёмами для подключения к внешним устройствам.
12. Способ контроля концентрации газа в воздухе, включающий:
размещение модуля контроля концентраций газов в воздухе в анализируемую среду,
подача электропитания на модуль,
определение термодатчиками температуры анализируемой среды,
формирование сигналов на газовых сенсорах с учетом по крайней мере концентрации целевого газа в анализируемой среде, концентрации нецелевого газа в анализируемой среде и температуры анализируемой среды,
передача сигналов с газовых сенсоров и термодатчиков на процессор,
расчёт концентрации газа в воздухе с учётом влияния температуры и влияния, присутствующих в анализируемой среде нецелевых газов на показания концентрации целевого газа.
13. Способ контроля концентрации газа в воздухе по п. 12, в котором для формирования сигналов на газовых сенсорах используется электрохимический метод определения массовых концентраций веществ в анализируемой среде.
14. Способ контроля концентрации газа в воздухе по п. 12, в котором перед началом использования проводят калибровку сенсоров.
15. Способ контроля концентрации газа в воздухе по п. 12, в котором анализируемая среда фильтруется перед попаданием на газовые сенсоры.
16. Способ контроля концентрации газа в воздухе по п. 12, в котором передача сигналов с газовых сенсоров и термодатчиков на процессор происходит по линиям передачи платы.
17. Способ контроля концентрации газа в воздухе по п. 12, в котором определяются концентрации по крайней мере следующих газов: диоксида азота NO2, озона O3 и оксида углерода CO.
18. Способ контроля концентрации газа в воздухе по п. 12, в котором определяются по крайней мере концентрации следующих газов: сероводорода H2S и диоксида серы SO2.
19. Способ контроля концентрации газа в воздухе по п. 12, в котором сначала определяются концентрации следующих газов: диоксида азота NO2, озона O3 и оксида углерода CO, затем, с учетом показателей газов первой группы, определяются концентрации сероводорода H2S и диоксида серы SO2.
20. Способ контроля концентрации газа в воздухе по п. 12, в котором результат расчёта концентрации газа в воздухе передаётся на внешние устройства.
21. Способ контроля концентрации газа в воздухе по п. 12, в котором контроль концентрации газа осуществляется непрерывно.
