ИНФРАКРАСНЫЙ АБСОРБЦИОННЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 1996 года по МПК G01N21/35 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано в промышленности, научных исследованиях и при контроле загрязнения атмосферы.

Из предшествующего уровня техники известен инфракрасный абсорбционный газоанализатор [1] содержащий расположенные вдоль оптической оси источник модулированного излучения, светофильтр для выделения из излучения необходимого интервала (или интервалов) длин волн, например фильтровую кювету, заполненную газами, поглощающими балластное излучение, рабочую кювету для анализируемого вещества и приемник лучистой энергии, подключенный к электронной схеме измерений.

Недостаток этого устройства заключается в низкой точности измерений, обусловленной нестабильностью источника излучения и окружающей температуры.

Известен также инфракрасный абсорбционный газоанализатор [2] содержащий расположенные вдоль оптической оси источник модулированного излучения, двухполюсный интерференционный светофильтр, рабочую кювету для анализируемого вещества и приемник лучистой энергии, подключенный к электронной схеме измерений.

Недостатком этого устройства является невысокая точность измерений вследствие наличия на входе приемника лучистой энергии переменного фонового сигнала, обусловленного поглощением интерференционным светофильтром балластного излучения источника. Действительно, при использовании широкополюсного ИК-излучателя большая часть его энергии поглощается в материале светофильтра, который нецелесообразно выполнять массивным, поскольку увеличение толщины светофильтра неизбежно приведет к увеличению потерь энергии излучения в рабочих диапазонах длин волн. Таким образом, воздействие на светофильтр амплитудно-модулированного теплового излучения приведет к возникновению в нем температурных колебаний с периодом, равным периоду модуляции воздействующего излучения.

Здесь следует также отметить, что описанные выше колебания температуры светофильтра не могут быть устранены за счет использования стандартных средств стабилизации температуры, так как период температурных волн не превышает 0,1 сек. т.е. меньше инерционности средств стабилизации температуры.

В основу изобретения поставлена задача разработать инфракрасный абсорбционный газоанализатор с такими средствами спектральной селекции излучения, конструктивное выполнение которых обеспечило бы при использовании широкополюсных источников излучения постоянную величину фонового сигнала на входе приемника лучистой энергии, что повысило бы точность измерений.

Поставленная задача решена тем, что в инфракрасном абсорбционном газоанализаторе, содержащем источник излучения, средства спектральной селекции излучения, рабочую кювету для анализируемого вещества и тепловой приемник лучистой энергии, подключенный к электронной схеме измерений, согласно изобретению, средства спектральной селекции излучения выполнены в виде по крайней мере двух светофильтров, установленных последовательно вдоль направления распространения излучения, причем добротности светофильтров в спектральных интервалах, соответствующих каждой полосе пропускания средств спектральной селекции излучения, удовлетворяют соотношению:

где Qiп

добротность n-го светофильтра в пределах i-й полосы пропускания;
Qiп+1 добротность n+1 светофильтра по ходу излучения в пределах i-й полосы пропускания.

Целесообразно, чтобы средства спектральной селекции излучения, приемник лучистой энергии и электронная схема измерений были выполнены многоканальными.

Выгодно, чтобы светофильтры были теплоизолированы друг от друга. Предпочтительно, чтобы источник был снабжен средствами модуляции излучения, а светофильтры соединены теплопроводом, длина которого не менее чем в два раза превышает отношение температуропроводности материала теплопровода к скорости распространения в нем температурных волн.

Такое выполнение ИК-абсорбционного газоанализатора обеспечивает неизменную величину фонового излучения на входе приемника лучистой энергии, так как, во-первых, лучистый теплообмен между светофильтрами незначителен вследствие малой разности температур, а во-вторых, согласно закону Кирхгофа в области прозрачности тела величина его теплового излучения минимальна.

Кроме того, выполнение светофильтров теплоизолированными друг от друга обеспечивает их тепловую развязку при использовании как источников модулированного излучения, так и немодулированного излучения.

В случае использования источника модулированного излучения эффективная тепловая развязка светофильтров каждого канала обеспечивается соответствующим выбором расстояния между светофильтрами.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных примеров его выполнения и чертежами.

На фиг. 1 изображена блок-схема ИК-абсорбционного газоанализатора; на фиг. 2 многоканальный вариант выполнения газоанализатора; на фиг. 3 оправа для крепления светофильтров.

Инфракрасный абсорбционный газоанализатор содержит источник 1 излучения, например модулированного, рабочую кювету 2 с патрубками 3 и 4 для подвода и отвода анализируемого вещества, средства спектральной селекции излучения, выполненные, например, в виде первого 6 и второго 7 светофильтров, установленных последовательно вдоль направления распространения излучения 8, тепловой приемник 9 лучистой энергии (ТПЛЭ) и измерительно-регистрирующий блок 10, подключенный к выходу приемника 9.

В случае многоканального выполнения ИК-абсорбционного газоанализатора средства 5 спектральной селекции излучения содержат m пар (где m число каналов) светофильтров 6', 7', 6'', 7'' и 6''', 7''', тепловой приемник 9 лучистой энергии m приемных площадок 11, а измерительно-регистрирующий блок 11 m каналов 12. Возможно использование одного общего светофильтра для всех каналов: либо первого по ходу излучения, либо второго.

Светофильтры 6 и 7 могут быть установлены в оправе 13 и закреплены в ней с помощью колец 14 (фиг. 3). Оправа 13 выполнена либо из материала с низкой теплопроводностью (в этом случае светофильтры 6 и 7 теплоизолированы друг от друга), либо из металла. В последнем случае длина теплопровода l между светофильтрами 6 и 7 должна удовлетворять соотношению:

где a температуропроводность материала оправы, м²/сек.

V скорость распространения температурных колебаний в материале оправы, м/cек,
а источник 1 должен обеспечивать модуляцию излучения.

Скорость распространения температурных колебаний в материале определяется следующим образом. На одной поверхности тела простой формы, выполненного из исследуемого материала, создают гармоническое изменение температуры. Измеряют температуру в двух точках тела, расположенных на расстоянии Δr вдоль прямой, перпендикулярной нагреваемой поверхности. Спустя некоторое время после начала теплового процесса в теле установится регулярный тепловой режим; т. е. температура в контролируемых точках будет изменяться по гармоническому закону с постоянными амплитудами и фазами. Измеряют разность фаз ΔΦ температурных колебаний, а скорость распространения температурных колебаний определяют по формуле:

В ряде случаев для уменьшения габаритов оправу целесообразно выполнить не в виде цилиндра, а в виде сильфона, что обеспечивает при меньших габаритах требуемую длину теплопровода между светофильтрами.

Светофильтры 6 и 7 могут иметь несколько полос пропускания, при этом добротности светофильтров в спектральных интервалах, соответствующих каждой полосе пропускания средств 5 спектральной селекции излучения, удовлетворяют соотношению:

где Qi1

добротность светофильтра 6 в пределах i-й полосы пропускания;
Qi2 добротность светофильтра 7 в пределах i-й полосы пропускания.

Добротность светофильтра равна:

где λimax

длина волны, соответствующая максимальному пропусканию светофильтра в i-й полосе.

Δλⁱ полуширина i-й полосы пропускания светофильтра на уровне пропускания, равном половине максимального значения.

Инфракрасный абсорбционный газоанализатор работает следующим образом.

Излучение 8 от источника 1 направляется в рабочую кювету 2, заполненную анализируемым веществом. Подача анализируемого вещества в рабочую кювету 2 осуществляется через патрубок 3, а отвод через патрубок 4. Наличие патрубков 3 и 4 позволяет прокачивать анализируемое вещество через кювету 2 в процессе измерений.

В рабочей камере 2 происходит частичное поглощение излучения анализируемым веществом. Затем ослабленный поток излучения 8 проходит через средства 5 спектральной селекции излучения. Балластное излучение частично поглощается в светофильтре 6, а частично отражается назад. Спектральный состав излучения, прошедшего светофильтр 6, соответствует спектральным интервалам полос пропускания светофильтра 6, при этом по крайней мере одна из полос пропускания соответствует спектральной области поглощения анализируемого вещества. Прошедшее светофильтр 6 излучение направляется на светофильтр 7, полосы пропускания которого полностью или частично перекрываются с соответствующими полосами пропускания светофильтра 6. Затем отфильтрованное излучение направляется на тепловой приемник 9 лучистого потока и преобразуется в электрический сигнал, который поступает на вход измерительно-регистрирующего блока 10. Конкретное конструктивное выполнение блока 10 не является существенным и может быть любым из числа известных, например таким же, как в патенте США N 5026992.

Поглощенное в светофильтре 6 балластное излучение вызовет нагрев его до некоторой температуры (в случае, если излучение 8 не модулировано по амплитуде) или приведет к возникновению колебаний температуры с периодом, равным периоду модуляции излучения 8.

Лучистый теплообмен между светофильтрами 6 и 7 не вызовет изменений температуры светофильтра 7, так как абсолютные значения температур светофильтров 6 и 7 и разность этих температур невелики. Кроме того, предложенное соотношение добротностей светофильтров 6 и 7 позволяет исключить влияние нагрева светофильтра 6 в областях прозрачности светофильтра 7, так как согласно закону Кирхгофа в областях прозрачности тела его тепловое излучение минимально.

Однако нагрев светофильтра 7 может произойти за счет тепловой связи светофильтров 6 и 7 по элементам конструкции, в которой они установлены. В этом случае возможно увеличение числа светофильтров до трех, четырех и т.д.

В случае, если оправа 13 выполнена из материала с низкой теплопроводностью, то светофильтры 6 и 7 будут полностью теплоизолированы друг от друга и нагрев светофильтра 6 как постоянным излучением, так и амплитудно-модулированным не будет влиять на результаты измерений.

В случае же использования амплитудно-модулированного излучения хорошая тепловая развязка светофильтров 6 и 7 может быть обеспечена, если расстояние между светофильтрами не менее чем в два раза превышает отношение температуропроводности материала оправы к скорости распространения в нем температурных волн.

Таким образом использование изобретения позволяет повысить точность измерений.

Использование: изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано в промышленности, научных исследованиях и при контроле загрязнения атмосферы. Сущность изобретения: устройство содержит источник излучения, средства спектральной селекции излучения, рабочую камеру для анализируемого вещества и тепловой приемник лучистой энергии, подключенный к электронной схеме измерений. Средства спектральной селекции излучения выполнены в виде по крайней мере двух светофильтров, установленных вдоль направления распространения излучения, причем добротности светофильтров в спектральных интервалах, соответствующих каждой полосе пропускания средств спектральной селекции излучения удовлетворяют соотношению: 0,1 < Qiп

/Qiп+1< 10,, где Qiп - добротность n-го светофильтра в пределах i-й полосы пропускания; Qiп+1 - добротность n+1 светофильтра по ходу излучения в пределах i-й полосы пропускания. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Инфракрасный абсорбционный газоанализатор, содержащий источник излучения, средства спектральной селекции излучения, рабочую кювету для анализируемого вещества и тепловой приемник лучистой энергии, подключенный к электронной схеме измерений, отличающийся тем, что средства спектральной селекции излучения выполнены в виде по крайней мере двух светофильтров, установленных последовательно вдоль направления распространения излучения, причем добротности светофильтров в спектральных интервалах, соответствующих каждой полосе пропускания средств спектральной селекции излучения, удовлетворяют соотношению:

где Qin

добротность n-го светофильтра в пределах i ой полосы пропускания;
Qin+1 добротность n+1 светофильтра по ходу излучения в пределах i-ой полосы пропускания. 2. Газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что средства спектральной селекции излучения, приемник лучистой энергии и электронная схема измерений выполнены многоканальными. 3. Газоанализатор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что светофильтры теплоизолированы друг от друга. 4. Газоанализатор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что источник излучения снабжен средствами модуляции излучения, а светофильтры соединены теплопроводом, длина которого не менее, чем в 2 раза превышает отношение температуропроводности материала теплопровода к скорости распространения в нем температурных волн.