Автоматическая стабилизация энергетического уровня в УФ-спектрометрическом газоанализаторе

23 сентября 2026

Алгоритм автоматической стабилизации энергетического уровня в газоанализаторе хвостовых газов

Авторы: К. Ф. Латыпов, Ю. Е. Николаев
Организация: ООО «КСТ ЭНЕРГО ИНЖИНИРИНГ»

Аннотация

В статье рассматривается проблема снижения энергетического уровня излучения в УФ-спектрометрических газоанализаторах, возникающая вследствие деградации ксеноновой лампы и загрязнения элементов оптического тракта. Уменьшение интенсивности излучения приводит к ухудшению отношения сигнал/шум, росту погрешности измерений и сокращению межсервисного интервала прибора.

Для компенсации указанных изменений предложен двухуровневый алгоритм автоматической стабилизации энергетического уровня, не требующий дополнительных аппаратных средств. На первом этапе выполняется грубая настройка по интегральному критерию с использованием квадратичной модели зависимости управляющего напряжения от интеграла спектра. Второй этап обеспечивает точную подстройку за счёт минимизации логарифмической ошибки между текущим и эталонным спектрами. Такой подход позволяет учитывать не только изменение общего уровня сигнала, но и искажение формы спектра.

В алгоритм также включены процедуры сохранения и восстановления параметров съёмки, коррекции базовой линии методом асимметричных наименьших квадратов (ALS) и диагностический режим оценки процесса поиска оптимального напряжения.

Алгоритм реализован во встраиваемом программном обеспечении промышленного газоанализатора SF-01. Результаты испытаний подтвердили возможность поддержания энергетического уровня в заданных пределах, повышения стабильности измерений и снижения влияния деградации оптического тракта на точность определения концентраций.

Введение

Газоанализаторы хвостовых газов, без преувеличения, можно назвать ключевой составляющей системы управления технологическими процессами. Особенно велика их роль в установках Клауса — общепризнанном и наиболее распространённом способе получения элементарной серы из сероводорода.

Именно здесь концентрации H₂S и SO₂ в хвостовых газах являются прямыми индикаторами эффективности работы установки: неоптимальное соотношение этих компонентов сигнализирует о нарушениях технологического режима. Кроме того, нефтегазовая и химическая отрасли в целом предъявляют всё более жёсткие требования к достоверности измерений, что напрямую связано с нормативами предельно допустимых выбросов и промышленной безопасностью.

На сегодняшний день УФ-спектрофотометрия остаётся одним из наиболее точных и селективных методов определения концентраций сероводорода и диоксида серы в технологических газах. В её основе лежит регистрация характеристических полос поглощения в ультрафиолетовой области спектра.

На рисунке 1 показан типичный вид такого спектра с выделенными областями, характерными для каждого из определяемых газов. В подавляющем большинстве промышленных приборов этого типа источником излучения служит импульсная ксеноновая лампа, а регистрация спектра осуществляется с помощью ПЗС-линейки.

Схематически устройство оптического тракта, включая его основные элементы и их взаимное расположение, представлено на рисунке 2. Такое схемотехническое решение зарекомендовало себя как достаточно надёжное и обеспечивающее необходимые метрологические характеристики.

Однако эксплуатация любого спектрофотометра неизбежно сопровождается снижением энергетического уровня излучения. Этот процесс обусловлен двумя основными причинами.

Во-первых, по мере выработки ресурса ксеноновой лампы снижается яркость свечения и постепенно изменяется спектральный состав излучения.

Во-вторых, загрязняются элементы оптического тракта: на окнах измерительной кюветы оседают пары элементарной серы и механические примеси, содержащиеся в пробе.

Типичный спектр поглощения в УФ-области с характерными полосами SO₂ (∼230–240 нм) и H₂S (∼270–280 нм) — Рисунок 1. Типичный спектр поглощения в УФ-области с характерными полосами H₂S (≈200–230 нм) и SO₂ (≈260–310 нм).

Рисунок 2. Структурная схема оптического тракта с указанием элементов, наиболее подверженных загрязнению

Падение интенсивности излучения, в свою очередь, вызывает цепочку негативных последствий. Ухудшается отношение сигнал/шум, начинают расти случайные и систематические погрешности, снижается чувствительность в области малых концентраций. На практике это может приводить к ложным срабатываниям сигнализации, сокращению межсервисных интервалов и, как следствие, увеличению эксплуатационных расходов.

Для борьбы с этим явлением сегодня применяются разные подходы. Самым простым, но и наиболее несовершенным остаётся ручная регулировка напряжения — способ трудоёмкий, субъективный и непригодный для автоматизированных систем.

Альтернативные варианты, например стабилизация тока через лампу, не учитывают замутнение оптики. Введение дополнительного референсного канала, хотя и способно решить проблему, требует серьёзных аппаратных доработок и удорожает прибор.

Таким образом, остаётся востребованной разработка алгоритма автоматической стабилизации, который бы:

не требовал установки дополнительных компонентов;
использовал данные, уже получаемые от спектрометра;
адаптировался к изменяющимся условиям работы.

Решение этой задачи и является основной целью настоящей работы применительно к промышленному газоанализатору хвостовых газов. Для этого потребовалось разработать методы грубой и точной настройки энергетического уровня, реализовать их программно и экспериментально подтвердить работоспособность.

Отличительная особенность предложенного подхода — двухуровневая структура, обеспечивающая сочетание быстродействия и точности, а также использование логарифмической метрики, имеющей физический смысл, аналогичный расчёту оптической плотности.

Проблематика и обоснование подхода

Факторы, влияющие на стабильность энергетического уровня

В процессе длительной эксплуатации спектрофотометрического газоанализатора его оптический тракт претерпевает постепенные изменения, которые в совокупности приводят к снижению интенсивности излучения, регистрируемого ПЗС-линейкой.

Опыт эксплуатации и данные, приведённые в руководстве по эксплуатации, позволяют выделить три основные группы причин, воздействующих на энергетику спектра.

1. Деградация источника излучения

Ксеноновая лампа, являющаяся основным источником излучения в оптической схеме, имеет ограниченный ресурс. По мере наработки происходит постепенное снижение яркости свечения, а также изменение спектрального распределения энергии.

Этот процесс носит необратимый характер и ускоряется при работе в режимах с повышенной мощностью или при нестабильном питании. В результате даже при неизменных настройках прибора уровень сигнала на фотоприёмнике с течением времени неуклонно падает.

2. Загрязнение оптических элементов

Вторая группа причин связана с непосредственным контактом оптического тракта с анализируемой газовой средой.

Несмотря на наличие системы пробоподготовки, полностью исключить попадание в измерительную кювету продуктов реакции и механических примесей не удаётся. Со временем на кварцевых окнах кюветы формируется тонкий слой отложений, рассеивающих и поглощающих излучение.

3. Внешние факторы

К третьей группе относятся изменения температуры и давления в измерительной ячейке, а также нестабильность питающего напряжения.

Хотя современные приборы оснащаются системами термостатирования и стабилизированными источниками питания, полностью исключить влияние этих факторов невозможно. Они приводят к кратковременным флуктуациям интенсивности, которые, однако, могут маскировать полезный сигнал при работе на пределе обнаружения.

Помимо снижения интегральной интенсивности, в процессе длительной эксплуатации наблюдается также микроскопическое смещение спектральных максимумов по шкале длин волн.

Это явление обусловлено температурными деформациями элементов оптического тракта — корпуса спектрометра, держателя дифракционной решётки и опорных кронштейнов. Изменение их геометрических размеров приводит к изменению эффективного угла падения света на дифракционную решётку.

Влияние снижения энергетики на метрологические характеристики

Падение интенсивности излучения сказывается на качестве измерений не сразу, а постепенно, что делает проблему особенно значимой.

Первым и наиболее очевидным последствием является уменьшение отношения сигнал/шум. При снижении полезного сигнала уровень шумов, обусловленных темновым током ПЗС-матрицы и электронными помехами, остаётся практически неизменным. В результате случайная составляющая погрешности начинает расти, что особенно заметно при измерении малых концентраций, близких к пределу обнаружения.

Второе, менее очевидное, но не менее важное последствие — изменение формы спектра.

Загрязнение оптических элементов, как правило, носит селективный характер: разные длины волн ослабляются в разной степени. Это приводит к искажению соотношений интенсивностей в различных участках спектра.

Для многокомпонентного анализа, когда концентрации нескольких газов рассчитываются одновременно по перекрывающимся полосам поглощения, подобные искажения особенно критичны.

На практике описанные эффекты приводят к следующим проблемам:

возрастает разброс показаний при повторных измерениях одной и той же пробы;
ухудшается сходимость результатов при калибровке;
учащаются ложные срабатывания сигнализации по превышению пороговых концентраций;
сокращается интервал между плановыми обслуживаниями, что увеличивает эксплуатационные затраты.

Для компенсации описанных изменений применяются несколько подходов, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки.

Ручная регулировка

Самый простой и исторически первый способ — периодическая корректировка напряжения питания лампы оператором.

Оператор визуально оценивает уровень сигнала и вручную изменяет управляющее напряжение до тех пор, пока интенсивность не вернётся в приемлемый диапазон.

Недостатки этого метода очевидны: он трудоёмок, требует квалификации, даёт низкую воспроизводимость и, главное, полностью исключает возможность работы прибора в автоматическом режиме.

В современных промышленных условиях, где анализ ведётся круглосуточно, такой подход неприемлем.

Стабилизация тока через лампу

Более продвинутый метод заключается в поддержании постоянного тока разряда через лампу с помощью обратной связи.

Это позволяет компенсировать нестабильность питающего напряжения и частично — старение лампы. Однако данный способ никак не реагирует на загрязнение оптических элементов: если на окнах кюветы появился налёт, ток через лампу остаётся неизменным, а интенсивность на фотоприёмнике всё равно падает.

Таким образом, проблема решается лишь частично.

Оптический референс-канал

Наиболее радикальное решение — введение в конструкцию дополнительного фотоприёмника, контролирующего интенсивность источника в обход измерительной кюветы.

Сигнал с этого канала используется для нормировки основного измерительного сигнала. Теоретически такой подход позволяет компенсировать и нестабильность лампы, и загрязнение оптики.

Однако на практике он требует серьёзной доработки оптической схемы, установки дополнительных делителей пучка и фотоприёмников, что удорожает прибор и усложняет его юстировку.

Кроме того, референсный канал не защищён от собственного загрязнения, что со временем снижает его преимущество.

Сравнение существующих методов

Метод	Достоинства	Недостатки
Ручная регулировка	Простота, не требует дополнительных аппаратных средств	Трудоёмкость, субъективность, невозможность автоматизации
Стабилизация тока лампы	Компенсирует нестабильность питания и старение лампы	Не учитывает загрязнение оптики
Оптический референс-канал	Компенсирует различные типы изменений	Усложнение конструкции, удорожание, собственное загрязнение

Разработка двухуровневого алгоритма стабилизации

Предлагаемый алгоритм базируется на простой, но важной идее: стабилизация должна обеспечивать не просто поддержание некоторого интегрального уровня сигнала, а воспроизведение формы спектра, зафиксированной в момент калибровки.

Из практических соображений алгоритм построен по двухуровневой схеме.

Первый уровень — грубая настройка — ориентирован на скорость и предназначен для быстрого устранения значительных отклонений.

Второй уровень — точная настройка — работает медленнее, но обеспечивает высокую степень соответствия формы спектра эталону.

Двухуровневый подход позволяет произвести точную настройку лампы и значительно повысить долгосрочную точность измерений.

Обобщённая структура алгоритма представлена на рисунке 3. Она включает последовательность шагов: измерение спектра, оценку текущего состояния, принятие решения о необходимости коррекции, выбор режима настройки, при необходимости — формирование управляющего воздействия на источник излучения.

Рисунок 3. Обобщённая блок-схема двухуровневого алгоритма стабилизации.

Этап грубой настройки: интегральный критерий

Первая ступень алгоритма базируется на сравнении интегралов спектра.

Интеграл интенсивности в заданном рабочем диапазоне длин волн является простой и быстро вычисляемой характеристикой, отражающей общий энергетический уровень.

Для его расчёта используется стандартная формула численного интегрирования по набору дискретных точек спектра:

I = \sum_{i=n_1}^{n_2} S_i \cdot \Delta\lambda ,

где $S_i$ — значение интенсивности в $i$ -й точке спектра, $\Delta\lambda$ — шаг по длине волны, а $n_1$ и $n_2$ — индексы, соответствующие началу и концу рабочего диапазона.

Вычисленный интеграл сравнивается с эталонным значением, определённым в момент калибровки. Если относительное отклонение превышает заданный порог, алгоритм рассчитывает новое значение управляющего напряжения и устанавливает его на источнике излучения.

Для расчёта напряжения используется квадратичная модель зависимости U(I):

U = a \cdot I^2 + b \cdot I + c,

Коэффициенты $a,b,c$ определяются в ходе калибровочной процедуры путём сканирования напряжения в заданном диапазоне с фиксированным шагом и последующей аппроксимации полученных точек методом наименьших квадратов. Как показали экспериментальные исследования, квадратичная модель обеспечивает достаточную точность в рабочем диапазоне напряжений и при этом не требует избыточных вычислительных ресурсов.

Достоинство этого этапа – высокая скорость. Для грубой оценки и коррекции достаточно одного-двух циклов измерения и расчёта. Это позволяет использовать данный механизм в штатном режиме работы прибора, не внося заметных задержек в основной измерительный процесс.

Важно отметить, что перед выполнением обоих этапов стабилизации спектр подвергается предварительной обработке, включающей коррекцию базовой линии методом асимметричных наименьших квадратов (ALS). Этот этап позволяет удалить медленно меняющиеся нефизические тренды, связанные с рассеянием света на частицах пыли, засветкой ПЗС-матрицы и неравномерностью чувствительности фотоприёмника. Применение ALS перед основной обработкой обеспечивает более корректное сравнение текущего спектра с эталонным, поскольку устраняет составляющие, не связанные с поглощением газа.

Этап точной настройки: логарифмическая ошибка

Если после грубой настройки интеграл оказывается в допустимых пределах, алгоритм переходит ко второй ступени. На этом этапе оценивается не просто интегральная энергия, а форма спектра – насколько текущее распределение интенсивности по длинам волн совпадает с эталонным.

В качестве меры соответствия используется логарифмическая ошибка:

E = \sum_i \left(\ln\frac{S_i^{эт}}{S_i^{тек}}\right)^2

Выбор именно логарифмической метрики не случаен. Она обладает двумя важными свойствами. Во-первых, она чувствительна к относительным, а не абсолютным изменениям: если весь спектр равномерно усилился или ослабился, ошибка останется малой, и алгоритм не будет пытаться «исправить» то, что исправлять не нужно. Во-вторых, эта метрика по своей структуре аналогична расчёту оптической плотности A=ln⁡(I₀/I), что придаёт ей ясный физический смысл в контексте спектрофотометрии.

Поиск оптимального напряжения на втором этапе выполняется итерационно. Начиная с напряжения, найденного на этапе грубой настройки, алгоритм пошагово изменяет управляющий параметр с переменным шагом: на первых итерациях шаг больше, по мере приближения к минимуму – уменьшается. Критерием остановки служит достижение локального минимума логарифмической ошибки. При этом алгоритм запоминает не только лучшее значение, но и динамику изменения ошибки, что позволяет при необходимости выявить случаи множественных экстремумов и выдать соответствующее диагностическое сообщение.

На рисунке 4 показан типичный вид зависимости логарифмической ошибки от напряжения при поиске оптимума. Характер кривой с единственным выраженным минимумом подтверждает корректность работы алгоритма и позволяет однозначно идентифицировать оптимальное управляющее напряжение.

Рисунок 4. Зависимость логарифмической ошибки от управляющего напряжения источника излучения.

Диагностический режим

Дополнительной возможностью, реализованной в алгоритме, является диагностический режим, позволяющий визуализировать зависимость логарифмической ошибки от напряжения. Для этого алгоритм во время операции автоматической стабилизации энергетического уровня сохраняет результаты последовательного сканирования напряжения с фиксированным шагом и соответствующей рассчитанной ошибки (пример приведён на рисунке 4). Результаты представляются в виде графика, который оператор всегда может визуально просмотреть, оценив характер зависимости: наличие единственного минимума, его положение и крутизну.

Такая диагностика полезна в нескольких случаях. Во-первых, при вводе прибора в эксплуатацию она позволяет убедиться в корректности настройки оптического тракта. Во-вторых, при появлении подозрений на нештатную работу (например, нестабильные показания концентраций) график ошибки может указать на причину – возможно, появились множественные минимумы, свидетельствующие о загрязнении оптики или деградации лампы. В-третьих, этот режим может использоваться сервисным персоналом для оценки состояния прибора без его разборки.

Реализация в газоанализаторе SF-01

Газоанализатор SF-01, разработанный ООО «Софтитек» представляет собой законченное изделие, в котором оптический измерительный тракт, система пробоподготовки и управляющая электроника объединены в единый комплекс. Функциональная схема прибора приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Функциональная схема газоанализатора SF-01

Управление прибором осуществляется встроенным контроллером реального времени, к которому подключены спектрометр с ПЗС-линейкой и управляемым источником излучения, а также модули ввода-вывода для взаимодействия с внешними устройствами (клапаны, термодатчики, датчики давления). Связь с периферийными модулями организована по промышленному протоколу, что обеспечивает совместимость с системами АСУ ТП верхнего уровня.

Организация программного обеспечения

Программное обеспечение газоанализатора «Спектр-9600» разделено на две независимые части, взаимодействующие через разделяемую память (рисунок 6).

Рисунок 6. Схема взаимодействия программных компонентов

Измерительное ядро

Измерительное ядро — компонент, отвечающий за получение и первичную обработку спектральных данных, включает:

драйверы работы со спектрометром;
алгоритмы цифровой обработки спектров;
модуль многокомпонентного анализа для определения концентраций;
алгоритм стабилизации энергетического уровня лампы;
подсистему управления внешними устройствами.

Пользовательский интерфейс

Пользовательский интерфейс — графическая оболочка, обеспечивающая визуализацию данных, навигацию по меню и взаимодействие с оператором. Интерфейс построен на принципе конечного автомата, что обеспечивает чёткую логику переходов между экранами и режимами работы.

Оболочка предоставляет собой удобную визуальную среду взаимодействия с пользователем и реализует:

отображение спектра в реальном времени (рисунок 1);
вывод текущих концентраций H₂S, SO₂ и вычисленного значения показателя избытка/недостатка воздуха ΔA (рисунок 7);
отображение температур в ключевых точках прибора, состояний клапанов и системного статуса (рисунок 7);
доступ к точным настройкам прибора и сервисным функциям (рисунок 8).

Рисунок 7. Скриншот экрана ПО «Спектр-9600»: режим отображения концентраций газов, состояния клапанов, температур и системного статуса

Особенности реализации алгоритма стабилизации в ПО «Спектр-9600»

Двухуровневый алгоритм, описанный в предыдущем разделе, реализован в составе измерительного ядра газоанализатора как фоновый процесс, не влияющий на регулярность снятия спектров. При необходимости алгоритм временно изменяет параметры съёмки для повышения точности калибровки, а затем восстанавливает исходные настройки.

Поиск оптимального напряжения организован как итерационный процесс с динамическим шагом: на начальных этапах корректировки крупные, по мере приближения к цели шаг уменьшается. Это обеспечивает хороший баланс между скоростью и точностью настройки.

Критические параметры (эталонные спектры, пороговые значения, коэффициенты модели) хранятся в энергонезависимой памяти, что гарантирует сохранение настроек при отключении питания. Алгоритм также устойчив к кратковременным помехам и в случае невозможности стабилизации выдает диагностическое сообщение, предотвращая работу в нештатном режиме.

В таблице 4 приведены основные параметры, используемые алгоритмом стабилизации.

Диагностика и самоконтроль

В программном обеспечении предусмотрены механизмы автоматического контроля состояния прибора:

контроль работоспособности отдельных программных модулей (при отказе любого из них специальный менеджер пытается перезагрузить их или восстановить из резервной копии);
контроль энергетического уровня (при снижении энергии ниже порога запускается процедура стабилизации);
логирование событий (все значимые события фиксируются в энергонезависимой памяти для последующего анализа).

Эти механизмы позволяют своевременно выявлять отклонения в работе прибора и принимать меры до того, как они приведут к ошибкам измерений.

Экспериментальная оценка эффективности

Цель и методика испытаний

Основной целью экспериментальной проверки являлось подтверждение работоспособности разработанного алгоритма автоматической стабилизации энергетического уровня в условиях, приближенных к реальной эксплуатации. Испытания проводились на лабораторном стенде, включающем серийный образец газоанализатора SF-01, эталонные источники газовых смесей и регистрирующую аппаратуру.

Оценка эффективности выполнялась по двум критериям:

стабильность энергетического уровня в течение длительного времени;
точность измерения концентраций H₂S и SO₂ при изменении состояния оптического тракта;

Для каждого критерия проводилось сравнение двух режимов работы: с включённым алгоритмом стабилизации и без него. Это позволило количественно оценить вклад разработанного алгоритма в улучшение метрологических характеристик прибора.

Стабильность энергетического уровня

Для оценки стабильности энергетического уровня в течение 90 дней непрерывной работы регистрировался интеграл спектра в рабочем диапазоне длин волн. Использовалась ксеноновая лампа, работающая в импульсном режиме. Измерения проводились с периодичностью вспышек 2 Гц.

При отключённом алгоритме стабилизации наблюдалось монотонное снижение интеграла на 4,4% за счёт естественной деградации ксеноновой лампы и постепенного изменения прозрачности оптического тракта. Такое снижение является следствием известных физических процессов, сопровождающих работу спектрофотометрической аппаратуры в реальных условиях.

При включённом алгоритме стабилизации интеграл спектра удерживался в пределах ±1% от целевого значения на протяжении всего времени испытаний. Алгоритм периодически корректировал управляющее напряжение, компенсируя как медленные дрейфы, так и более быстрые изменения, связанные с флуктуациями внешних условий. На рисунке 8 приведены характеристики изменения интегрального широкополосного сигнала спектра во времени для обоих режимов работы, на рисунке 9 – показаны спектры, снятые в самом начале исследования и в конце без применения алгоритма стабилизации энергии лампы и коррекции базовой линии ALS, а на рисунке 10 — с применением данных алгоритмов.

Проверим также результаты определения концентрации двух газов: H2S и SO2, которые подавались с баллонов ПГС и имели паспортные объёмные концентрации: H2S 2.15%, SO2 1,08% (остальная доля объёма заполнена азотом). Концентрации определялись с применением алгоритма стабилизации и коррекции базовой линии и без него (см. таблицу 1)

Рисунок 11. спектр поглощения в начале эксперимента и по прошествии 90 дней с применением алгоритма стабилизации лампы и коррекции базовой линии методом ALS

Таблица 1. Результаты определения концентрации газов H2S и SO2 с применением алгоритма стабилизации лампы и коррекции базовой линии и без него

День	конц. H₂S без комп. (%)	конц. SO₂ без комп. (%)	конц. H₂S с комп. (%)	конц. SO₂ с комп. (%)	Ошибка H₂S без (%)	Ошибка SO₂ без (%)	Ошибка H₂S с комп. (%)	Ошибка SO₂ с комп. (%)
1	2.1509	1.0803	2.1510	1.0807	0.00	0.00	0.00	0.00
10	2.1360	1.0730	2.1520	1.0815	0.65	0.65	0.09	0.14
20	2.1200	1.0650	2.1485	1.0795	1.40	1.39	0.07	0.05
30	2.1050	1.0570	2.1550	1.0825	2.09	2.13	0.23	0.23
40	2.0890	1.0490	2.1470	1.0790	2.84	2.87	0.14	0.09
50	2.0730	1.0410	2.1580	1.0840	3.58	3.61	0.37	0.37
60	2.0570	1.0330	2.1455	1.0780	4.33	4.35	0.21	0.19
70	2.0410	1.0250	2.1600	1.0850	5.07	5.09	0.47	0.46
80	2.0250	1.0170	2.1440	1.0770	5.81	5.83	0.28	0.28
90	2.0210	1.0150	2.1650	1.0875	6.00	6.02	0.70	0.69

Полученные результаты подтверждают, что разработанный алгоритм в паре с алгоритмом коррекции базовой линии ALS эффективно компенсирует деградационные изменения оптического тракта, поддерживая энергетический уровень в заданных пределах без необходимости ручного вмешательства.

Заключение

В результате выполнения настоящей работы разработан, программно реализован и экспериментально апробирован двухуровневый алгоритм автоматической стабилизации энергетического уровня излучения применительно к промышленному газоанализатору хвостовых газов SF-01.

Предложенный подход, сочетающий грубую настройку по интегральному критерию и точную корректировку на основе логарифмической ошибки, позволяет эффективно компенсировать деградационные изменения оптического тракта — как снижение интенсивности излучения, так и изменение его спектрального распределения. Использование логарифмической метрики, аналогичной расчёту оптической плотности, обеспечивает физическую обоснованность критерия точной настройки и высокую чувствительность к отклонениям формы спектра.

Экспериментальные исследования, проведённые в течение 90 дней непрерывной работы, подтвердили эффективность алгоритма. При его включении интеграл спектра удерживался в пределах ±1% от целевого значения, тогда как без стабилизации наблюдалось монотонное снижение на 6,02%. Относительная ошибка определения концентраций H₂S и SO₂ с применением алгоритма не превышала 0,7% на протяжении всего периода испытаний, в то время как без стабилизации она достигала 6%.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

повышение точности измерений — алгоритм автоматически компенсирует изменения оптического тракта, поддерживая условия измерений близкими к калибровочным;
увеличение межсервисного интервала — снижение частоты обслуживания за счёт автоматической компенсации загрязнения оптики и старения лампы;
снижение нагрузки на персонал — исключение необходимости ручной подстройки напряжения;
диагностические возможности — алгоритм позволяет выявлять аномалии в состоянии оптического тракта на ранних стадиях.

Алгоритм автоматической стабилизации в анализаторах SF-01 является частью расширенной системы самодиагностики оборудования, что особенно важно для промышленного оборудования, работающего непосредственно «в процессе» и значительно повышающего как ситуационную осведомлённость оператора и инженера КИП о состоянии оборудования, так и повышающего их уверенность в актуальности измеренных и переданных в систему АСУТП данных.

В силу высокой скорости реакций в процессе Клауса, постоянный автоматический контроль состояния анализатора и контроль метрологических характеристик способен оказать значительное влияние на качество и эффективность технологического процесса и своевременно оценивать текущие и плановые мероприятия ТОиР.

Перспективы дальнейших исследований включают адаптацию разработанного алгоритма для других типов спектрофотометрических приборов, а также использование методов машинного обучения для прогнозирования момента проведения обслуживания на основе анализа динамики изменения логарифмической ошибки и других диагностических параметров.

Список литературы

Казицына, Л.А. Применение УФ-, ИК-, ЯМР-спектроскопии в органической химии / Л.А. Казицына, Н.Б. Куплетская. — М.: Высшая школа, 1971. — 264 с.
Differential Optical Absorption Spectroscopy / U. Platt, J. Stutz. — Berlin: Springer, 2008. — 597 p.
Principles of Instrumental Analysis / D.A. Skoog, F.J. Holler, S.R. Crouch. — 6th ed. — Belmont: Brooks/Cole, 2007. — 1039 p.
Spectrochemical Analysis / J.D. Ingle Jr., S.R. Crouch. — Englewood Cliffs: Prentice Hall, 1988. — 564 p.
Nakrem, S. UV absorption cross-sections of H₂S, CS₂ and OCS at temperatures up to 500°C / S. Nakrem, T. Hammer, O. Løvås // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. — 2015. — Vol. 166. — P. 42–52.
Рабинович, С.Г. Погрешности измерений. — М.: Физматлит, 2006. — 288 с.
Practical Guide to ICP-OES / F. Vanhaecke, P. Degryse (eds.). — Chichester: Wiley, 2012.
Signal Processing for Intelligent Sensor Systems / D.C. Swanson. — Boca Raton: CRC Press, 2012.
Digital Signal Processing / J.G. Proakis, D.G. Manolakis. — 4th ed. — Upper Saddle River: Pearson, 2007. — 1077 p.
Numerical Recipes: The Art of Scientific Computing / W.H. Press, S.A. Teukolsky, W.T. Vetterling, B.P. Flannery. — 3rd ed. — Cambridge: Cambridge University Press, 2007. — 1235 p.
Eilers, P.H.C. Baseline correction with asymmetric least squares smoothing / P.H.C. Eilers, H.F.M. Boelens. — Leiden University Medical Centre Report, 2005.
Spectra Interpretation of Organic Compounds / R.M. Silverstein, F.X. Webster, D.J. Kiemle. — 7th ed. — John Wiley & Sons, 2005.
Li, Z. Hydrogen sulfide measurement of combustion gaseous product using ultraviolet absorption spectroscopy / Z. Li, J. Liu, S. Wang // Measurement. — 2023. — Vol. 215. — Article 112845.
Data Reduction and Error Analysis for the Physical Sciences / P.R. Bevington, D.K. Robinson. — 3rd ed. — New York: McGraw-Hill, 2003. — 336 p.

Вопрос–ответ

Почему в процессе эксплуатации газоанализатора снижается энергетический уровень излучения?

Основными причинами являются деградация ксеноновой лампы и загрязнение элементов оптического тракта. По мере эксплуатации снижается яркость лампы, а на окнах измерительной кюветы и торцах оптических волокон могут накапливаться отложения, рассеивающие и поглощающие излучение.

Как снижение энергетического уровня влияет на точность измерений?

Снижение интенсивности излучения приводит к ухудшению отношения сигнал/шум, увеличению случайной составляющей погрешности и снижению чувствительности при измерении малых концентраций. Дополнительной проблемой становится изменение формы спектра из-за неодинакового ослабления различных длин волн.

В чём заключается предложенный алгоритм стабилизации?

Алгоритм имеет двухуровневую структуру. Сначала выполняется грубая настройка по интегральному критерию, после чего производится точная подстройка по логарифмической ошибке между текущим и эталонным спектрами.

Зачем при стабилизации используется интеграл спектра?

Интеграл интенсивности в рабочем диапазоне длин волн служит характеристикой общего энергетического уровня спектра. Его расчёт позволяет быстро определить значительное отклонение от эталонного состояния и выполнить предварительную корректировку управляющего напряжения.

Для чего используется логарифмическая ошибка?

Логарифмическая ошибка позволяет оценивать соответствие текущего спектра эталонному с учётом относительных изменений интенсивности. Кроме того, используемая метрика по своей структуре аналогична расчёту оптической плотности, что придаёт ей физический смысл в контексте спектрофотометрии.

Требует ли алгоритм дополнительного оборудования?

Нет. Предлагаемый подход использует данные, которые уже получает спектрометр в процессе измерения, — полный спектр интенсивности. Дополнительные фотоприёмники и оптические элементы для реализации алгоритма не требуются.

Какие результаты показали испытания алгоритма?

В ходе 90-дневных испытаний при включённом алгоритме интеграл спектра удерживался в пределах ±1% от целевого значения. При отключённой стабилизации за тот же период наблюдалось снижение интеграла на 4,4%.

Как стабилизация повлияла на результаты определения H₂S и SO₂?

При использовании алгоритма стабилизации и коррекции базовой линии ALS погрешность определения концентраций H₂S и SO₂ за период испытаний не превышала 0,7%. Без компенсации погрешность к концу эксперимента достигала примерно 6%.