ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 1995 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано при создании приборов анализа состава веществ с использованием фотоприемников, обладающих температурной зависимостью их чувствительности.

Известен однолучевой двухканальный газоанализатор, содержащий оптически связанные источник излучения, модулятор, на котором установлены светофильтры рабочего и опорного каналов, кювету с анализируемой газовой смесью и приемник излучения, выход которого соединен с преобразователем электрических сигналов, на входе которого имеется устройство регистрации, отображающее результаты измерений в единицах концентрации [1]
Недостатком известного газоанализатора является низкая стабильность показаний при изменении температуры окружающей среды в случае использования полупроводникового приемника излучения.

Известен однолучевой многоканальный газоанализатор, содержащий оптически связанные источник излучения, модулятор, на котором установлены светофильтры рабочих и опорного каналов, объем с анализируемым веществом, приемник излучения, установленный в термостате с управляемым блоком питания, последовательно соединенные с приемником излучения усилитель переменного сигнала и многоканальную систему обработки информации, соединенную с датчиком положения модулятора, в котором с целью повышения температурной стабильности показаний осуществляется стабилизация температуры приемника излучения по величине сигнала опорного канала [2]
Недостатком известного анализатора является то, что при использовании селективных приемников излучения, например фоторезисторов на основе пленок селенида свинца, наблюдаются различия в температурном ходе зависимости фоточувствительности на разных длинах волн, например на длине волны опорного канала 3,9 мкм, используемого в анализаторах отработавших газов автомобильных двигателей, и на длине волны 4,6 мкм, совпадающей с полосой поглощения молекул окиси углерода, приводящие к значительному влиянию на показания изменения температуры окружающей среды.

Целью изобретения является повышение температурной стабильности показаний газоанализатора за счет исключения влияния на показания различия в ходе температурных зависимостей фоточувствительности приемника излучения на разных длинах волн.

Это достигается тем, что в газоанализатор, содержащий последовательно установленные на одной оптической оси источник светового излучения, конденсор, кювету для газовой смеси, модулятор со светофильтром, пропускающим рабочую длину волны, на которой осуществляется максимальное поглощение светового излучения анализируемым компонентом газовой смеси, и светофильтром, пропускающим опорную длину волны, на которой световое излучение проходит без поглощения газовой смесью, последовательно установленные на той же оптической оси, фокусирующая линза и приемник излучения с предварительным усилителем, к выходу которого подключены информационные входы усилителей опорного и рабочего каналов, управляющие входы которых подключены к выходу формирователя импульсов синхронизации, вход которого соединен с датчиком положения светофильтров относительно оптической оси, выход усилителя опорного канала соединен с опорным входом блока обработки информации, выход которого соединен с индикатором концентрации анализируемого компонента газовой смеси, введены источник образцового напряжения, формирователь сигнала термокомпенсации и сумматор, причем выход источника образцового напряжения соединен с опорным входом формирователя сигнала термокомпенсации, информационный вход которого соединен с выходом усилителя опорного канала, а выход с одним из входов сумматора, второй вход которого соединен с выходом усилителя рабочего канала, выход сумматора соединен с информационным входом блока обработки информации.

На чертеже изображен газанализатор с устройством термокомпенсации.

Газоанализатор содержит последовательно установленные на одной оптической оси датчик 1 светового излучения, конденсор 2, в направлении прохождения излучения кювету 3 с многокомпонентной газовой смесью, состоящей, например, из углеводородов, окиси и двуокиси углерода и других газов. В качестве источника светового излучения может быть использована лампа накаливания, газоразрядная лампа, светодиод или другой источник. Далее по ходу излучения установлен модулятор 4 с закрепленными на нем светофильтрами 5 и 6. Светофильтр 6 пропускает опорную длину волны, на которой световое излучение проходит без поглощения анализируемой газовой смесью, а светофильтр 5 рабочую длину волны, на которой осуществляется максимальное поглощение анализируемым компонентом газовой смеси.

В описываемом варианте исполнения газоанализатора светофильтры 5 и 6 представляют собой многослойные интерференционные структуры, изготовленные методом термического испарения в вакууме. Светофильтр пропускает длину волны 3,9 мкм, а светофильтр длину волны 4,6 мкм, совпадающую с полосой поглощения молекул окиси углерода.

Модулятор 4 представляет собой диск, который установлен с возможностью вращения (привод не показан) для обеспечения последовательной установки светофильтров на оптической оси.

Газовая смесь подается в кювету 3 от источника (на чертеже не показан), например, за счет естественной диффузии или принудительной циркуляции.

Далее по ходу светового излучения на оптической оси 1 установлена линза 7, фокусирующая световое излучение на приемной площадке приемника 8 излучения с предварительным усилителем. В качестве приемника излучения может быть использован фоторезистор, фотодиод, болометр, пироэлектрический или иной приемник излучения со встроенным или конструктивно вынесенным предварительным усилителем, с выхода которого снимаются электрические сигналы, с параметрами, позволяющими осуществлять их дальнейшую обработку.

В предлагаемом газоанализаторе в качестве приемника 8 излучения использовано фотоприемное устройство, представляющее собой охлаждаемый термоэлектрическим холодильником пленочный фоторезистор на основе селенида свинца со встроенным предварительным усилителем.

Выход приемника 8 излучения подключен к информационным входам первого 9 и второго 10 устройств выборки-хранения опорного и рабочего каналов, управляющие входы которых подключены к выходу формирователя 11 импульсов синхронизации, вход которого соединен с датчиком 12 положения светофильтров 5 и 6 относительно оптической оси.

Датчик 12 в описываемом варианте выполнен в виде оптронной пары, состоящей из светодиода и фотодиода (на чертеже не показаны), при этом в модуляторе 4 выполнена кодовая дорожка в виде прорезей, распложенных по периферии диска модулятора.

Выход первого устройства 9 выборки-хранения опорного канала подключен к информационному входу формирователя 14 сигнала термокомпенсации, опорный вход которого подключен к выходу источника 13 опорного напряжения, а выход формирователя 14 к первому входу сумматора 15, к второму входу которого подключен выход второго устройства 10 выборки-хранения рабочего канала. Выход сумматора 15 подключен к информационному входу 16 блока обработки информации, опорный вход которого подключен к выходу первого устройства выборки-хранения усилителя 9 опорного канала, а к выходу блока 16 подключен индикатор 17 концентрации анализируемого компонента, проградуированный в единицах концентрации.

Формирователь 11 импульсов синхронизации построен на основе логических элементов и счетчика импульсов и осуществляет синхронизацию работы всех узлов схемы обработки информации в приборе.

Источник 12 опорного напряжения представляет собой прецизионный параметрический стабилизатор напряжения на основе термокомпенсированного стабилизатора, формирователь 14 сигнала термокомпенсации дифференциальный усилитель на основе интегрального операционного усилителя.

Сумматор 15 собран по традиционной схеме сумматора на основе операционного усилителя.

Блок 16 обработки информации собран на основе элементов цифровой техники и содержит 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), функциональный линеаризатор на базе постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), устройства вывода информации на цифровые индикаторы и аналоговые самопишущие приборы.

Индикатор концентрации анализируемого компонента газовой смеси представляет собой цифровой дисплей, собранный на основе светодиодных, жидкокристаллических или иных семисегментных или матричных индикаторов.

Предлагаемый газоанализатор работает следующим образом. Поток светового излучения от источника 1 формируется в параллельный пучок с помощью конденсатора 2 и направляется по оптической оси в кювету 3, через которую прокачивается газовая смесь и частично поглощается анализируемым компонентом на соответствующей рабочей длине волны.

Модуляция излучения и выделение рабочей и опорной длин волн осуществляется с помощью модулятора 4 при последовательной установке светофильтров 5 и 6 на оптической оси.

Электрические импульсные сигналы, соответствующие световым потокам на опорной и рабочей длинах волн, с приемника излучения поступают на входы первого и второго устройств выборки-хранения 9 и 10 опорного и рабочего каналов. Одновременно при вращении модулятора 4 в соответствии с прохождением его кодовой дорожкой зоны установки датчика 12 с него поступает последовательность импульсов, усиливающихся и приобретающих заданный вид (амплитуду и длительность) в формирователе. Сформированные импульсы синхронизации поступают на управляющие входы первого и второго устройств выборки-хранения опорного и рабочего каналов.

По этим сигналам в моменты времени, соответствующие плоскому участку вершины импульсных сигналов, снимаемых с выхода приемника излучения, происходит запись информации об амплитуде опорного и рабочего сигналов в УВХ соответствующего канала. На выходах устройств выборки-хранения устанавливаются постоянные напряжения, уровни которых пропорциональны величинам световых потоков на длинах волн опорного и рабочего каналов.

С выхода устройства выборки-хранения 9 постоянное напряжение, уровень которого, пропорциональный величине амплитуды сигнала в опорном канале, поступает на информационный вход формирователя 14 сигнала термокомпенсации, на опорный вход которого поступает опорное напряжение с выхода источника 13 опорного напряжения.

Уровень образцового напряжения подбирается таким, чтобы при комнатной температуре, например, при температуре, соответствующей средине рабочего диапазона температур, в пределах которого должен эксплуатироваться газоанализатор, на выходе формирователя величина сигнала термокомпенсации была равна нулю. Изменение температуры окружающей среды приведет к изменению фоточувствительности приемника излучения, которое проявится в изменении величин, амплитуды сигналов как опорного, так и рабочего каналов. Уровень напряжения на входе формирователя 14 изменится и на его выходе появится некоторый разностный сигнал, величина которого определяется величиной изменения напряжения на входе и величиной коэффициента усиления дифференциального усилителя, на основе которого построен формирователь 14. Величина коэффициента усиления дифференциального усилителя определяется при разработке газоанализатора путем исследования температурной зависимости фоточувствительности приемника излучения на длинах волн опорного и рабочего каналов.

В предлагаемом газоанализаторе температурные зависимости фоточувствительности приемника излучения с достаточной степенью точности могли быть представлены в виде линейных функций. Диапазон изменения температуры приемной площадки составляет величину всего несколько градусов, так как приемник излучения термостатирован.

В общем случае, при большем диапазоне изменения температуры приемной площадки приемника излучения температурная зависимость фоточувствительности приемника излучения может быть более сложной функцией. Тогда формирователь 14 сигнала термокомпенсации представляет собой функциональный преобразователь, собранный по более сложной схеме.

Сигнал термокомпенсации с выхода формирователя 14 поступает на вход сумматора 15, на вход которого поступает сигнал рабочего канала, который необходимо скорректировать. С выхода сумматора 15 откорректированный рабочий сигнал поступает на измерительный вход блока 16 обработки информации, на опорном входе которого присутствует постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде сигнала на выходе приемника излучения на опорной длине волны. В блоке осуществляется обработка измерительной информации, например по закону Ламберта-Бугера, функциональное преобразование с целью осуществления линеаризации выходного сигнала. С выхода блока 16 информация о содержании в газовой смеси анализируемого компонента подается индикатор 17, который отображает результаты измерений в единицах концентрации.

Изобретение реализовано в макете образцового анализатора содержания окиси углерода в поверочной газовой смеси. Использование предлагаемого газоанализатора позволило создать переносной стабильный образцовый газоанализатор с относительной погрешностью измерения, не превышающей ±2% в котором использование серийное фотоприемное устройство на основе высокочувствительного пленочного умеренно охлаждаемого термоэлектрической батареей фоторезистора из селенида свинца, у которого длина волны рабочего канала (для СО 4,6 мкм) лежит в области длинноволнового края чувствительности.

Сущность: газоанализатор содержит последовательно установленные источник 1 светового излучения, конденсатор 2, кювету 3 для газовой смеси, модулятор 4 со светофильтрами рабочего 5 (в области максимального поглощения излучения анализируемым компонентом газовой смеси) и опорного 6 (в отсутствии поглощения) каналов, фокусирующую линзу 7, приемник 8 излучения с предварительным усилителем, а также первый 9 и второй 10 блоки выборки-хранения, формирователь 11 импульсов синхронизации, датчик 12 положения светофильтров, источник 13 опорного напряжения, формирователь 14 сигнала термокомпенсации, сумматор 15, блок 16 обработки информации и индикатор 17. 1 ил.

ГАЗОАНАЛИЗАТОР, содержащий последовательно установленные на одной оптической оси источник светового излучения, конденсор, кювету для газовой смеси, модулятор с первым светофильтром для пропускания опорной длины волны и вторым светофильтром для пропускания рабочей длины волны, фокусирующую линзу и приемник излучения с предварительным усилителем, а также первый и второй блоки выборки-хранения, формирователь импульсов синхронизации, датчик положения светофильтров, блок обработки информации и индикатор концентрации анализируемого газового компонента, причем выход приемника излучения подключен к входам первого и второго блоков выборки-хранения, управляющие входы которых подключены к выходу формирователя импульсов синхронизации, вход которого соединен с датчиком положения светофильтров, выход первого блока выборки-хранения соединен с опорным фильтром входом блока обработки информации, выход которого соединен с индикатором концентрации анализируемого газового компонента, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены источник опорного напряжения, формирователь сигнала термокомпенсации и сумматор, причем выход источника опорного напряжения соединен с опорным входом формирователя сигнала термокомпенсации, информационный вход которого соединен с выходом первого блока выборки-хранения, а выход с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго блока выборки-хранения, выход сумматора соединен с информационным входом блока обработки информации.