ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 1997 года по МПК G01N21/35 

Изобретение относится к технологическому контролю состава и измерению количества примесей в газовых смесях.

Известны различные виды газоанализаторов, в частности, газоанализаторы спектрофотометрические на решетках и на сменных светофильтрах, а также на базе Фурье-спектрометров. Газоанализаторы на сменных светофильтрах отличаются простотой и дешевизной, однако для каждого анализируемого газа необходим свой набор светофильтров, т.е. ограничены возможности по исследованию множественности газов, т.к. необходимо иметь большое число светофильтров, а это в свою очередь уменьшает оперативность исследования газов и ограничивает возможности в случае регистрации смесей. Решетчатые и призменные газоанализаторы позволяют анализировать различные газовые смеси, но при этом непрерывное механическое сканирование решетки или призмы по спектру приводит к тому, что при анализе вынужденно измеряется весь участок спектра, который зачастую содержит большой массив малоинформативных точек. Кроме того, время измерения у таких сканирующих спектрометров недопустимо велико для использования их в качестве газоанализаторов, измеряющих на открытых трассах, где турбулентность атмосферы и быстро меняющиеся условия освещения приводят к существенным искажениям снимаемых таким образом спектров. В этих случаях приходится ограничивать регистрируемый участок спектра узким диапазоном, что сужает возможности одновременной регистрации нескольких газов. Это же относится и к газоанализаторам на основе Фурье-спектрометров.

Известны также газоанализаторы, использующие модуляционный метод измерения, которые обеспечивают повышенную чувствительность [1, 2, 3, 4]
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа из указанных газоанализаторов, использующих модуляционный метод измерения, является газоанализатор, описанный в [4] Этот газоанализатор содержит последовательно соединенные модулируемый лазерный источник света, монохроматор, кювету для газа, фотоприемник, усилитель с преобразованием частоты, синхронный детектор и блок управления, а также генератор тактовых импульсов, который подключен к модулируемому лазерному источнику и синхронному детектору. Недостатком данного анализатора является его относительная узкополосность, что ограничивает количество исследуемых газов.

Технический результат данного изобретения заключается в расширении возможностей по анализу газовых смесей, что, в частности, позволяет анализировать большое количество примесей одним прибором, в частности, одновременно.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в газовом анализаторе, содержащем источник света, монохроматор, фотоприемник, к выходу которого через усилитель подключен синхронный детектор, причем к опорному входу синхронного детектора подключен генератор тактовых импульсов, блок обработки и индикации измеренных параметров, подключенный к выходу синхронного детектора, и блок управления, соединенный с управляющими входами генератора тактовых импульсов и блока обработки и индикации измеренных параметров, источник света выполнен широкополосным, монохроматор выполнен акустооптическим, усилитель выполнен с регулируемым коэффициентом передачи, при этом между источником света и монохроматором установлен светоделитель, введены последовательно соединенные синтезатор частот и модулируемый усилитель мощности, выход которого подключен к управляющему входу акустооптического монохроматора, уголковый отражатель, оптически связанный со светоделителем, управляющие входы синтезатора частот и модулируемого усилителя мощности соединены соответственно с выходом блока управления и генератора тактовой частоты.

На чертеже представлена блок-схема газоанализатора, где показаны: 1 - источник широкополосного света, в качестве которого может быть использована, например, ксеноновая лампа типа ДКСШ с оптическими элементами, формирующими параллельный пучок света; 2 светоделитель, в качестве которого может использоваться, например, полупрозрачное зеркало; 3 уголковый отражатель; 4 акустооптический монохроматор; 5 фотоприемник; 6 усилитель с регулируемым коэффициентом передачи; 7 синхронный детектор; 8 блок обработки и индикации; 9 генератор тактовых импульсов; 10 блок управления на основе микропроцессора либо персонального компьютера; 11 синтезатор частот; 12 модулируемый усилитель мощности; 13 кювета с анализируемым газом, показанная пунктиром, поскольку при определенных условиях она может отсутствовать; 14 корректор спектра, в качестве которого может использоваться, например, светофильтр; 15 трансформирующий объектив.

Работает газоанализатор следующим образом. Пучок света, излучаемый источником света 1, проходит через светоделитель 2, кювету с анализируемым газом 13 и падает на уголковый отражатель 3, затем возвращается через кювету с анализируемым газом 13 на светоделитель 2, откуда отражается на корректор спектра 14 и попадает на акустооптический монохроматор 4, на который также поступает радиоимпульс, образованный из частоты, получаемой от синтезатора частот 11, модулированной тактовым генератором 9 в модулируемом усилителе мощности 12. Акустооптический монохроматор 4 пропускает на фотоприемник 5 поток излучения в узкой спектральной полосе, соответствующей длине волны λ_k, определяемой частотой синтезатора. Спектральное выделение и переключение рабочих полос осуществляется с помощью акустооптического монохроматора 4 совместно с синтезатором частот 11 и модулируемым усилителем мощности 12 по сигналам от блока управления 10.

Электрический сигнал, полученный от фотоприемника 5, усиливается усилителем 6, коэффициент передачи которого устанавливается (подбирается) с блока управления 10 и детектируется синхронным детектором 7.

Таким образом, введение светоделителя 2 и уголкового тактового отражателя 3, а также выполнение монохроматора 4 акустооптическим с синтезатором частот 11 и модулируемым усилителем мощности 12 позволяет получить произвольный набор спектральных интервалов и измерять только наиболее информативные интервалы. Интервалы могут изменяться в зависимости от набора анализируемых газов, поскольку используется широкополосный источник света 1.

Корректор спектра 14 позволяет скомпенсировать значительную неравномерность по спектру фотосигнала, обычно имеющую место в оптических газоанализаторах, и тем самым увеличивает динамический диапазон газоанализатора. Выполнение усилителя 6 с переменным коэффициентом усиления также значительно расширяет динамический диапазон. Трансформирующий объектив 15 применяется при трассовых бескюветных измерениях и позволяет расширить световой пучок и уменьшить его сходимость, что дает возможность проводить измерения на трассах определенного интервала длин. Возвращаемый уголковым отражателем 3 световой пучок вновь трансформируется по угловой и пространственной апертурам к исходным размерам.

Сигнал на выходе синхронного детектора 7 пропорционален потоку излучения Ф_k на заданном, ранее выбранном множестве точек спектра λ_k (k=1.m). Этот сигнал поступает в блок обработки и индикации 8, который может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных аналогового интегратора, аналого-цифрового преобразователя и электронно-вычислительной машины. Сигнал S_k с выхода синхронного детектора 7 в блоке обработки и индикации 8 корректируется (уменьшается) на значение темнового фотосигнала Sтk

и нормируется на значение сигнала Sok, полученного когда кювета была "пустая" или заполненная чистым воздухом, и скорректированного на величину Sтk. Коэффициент пропускания T_k газа (газовой смеси) в k-том спектральном канале и вычисляется по формуле:
T_k = (S_k-Sтk)/(Sok-Sтk)
Для расчета концентраций используется ослабление сигнала d(λ_k) связанное с коэффициентом пропускания соотношением
d(λ_k) = - lnT_k
Согласно физической модели, общее ослабление потока излучения, прошедшего через газ (газовую смесь), составит:
d_o(λ_k) = Σσ_р(λ_k)n_рL+C(λ_k),
где
σ_p(λ_k) сечение поглощения р-й смесью при длине волны λ_k;
n_р концентрация р-й примеси;
L длина оптического пути потока излучения внутри кюветы;
C(λ_k) оптическое ослабление, вызванное прочими факторами (загрязнение оптических поверхностей и др.).

Определение концентрации примесей n_р сводится к разложению измеренной спектральной функции d_o(λ_k) по спектрам поглощения σ_p(λ_k) и определению коэффициентов разложения n_p.

В результате выполнения измерений на всех выбранных спектральных каналах задача сводится к решению системы m линейных уравнений с R неизвестными (R<m):
A x B C,
где элементы матрицы А определяются константами поглощения газов σ элементы вектора С измеренными данными. Вектор B содержит концентрации искомых газов n_р.

Таким образом, использование широкополосного источника света, светоделителя 2, уголкового отражателя 3 синтезатора частот 11, модулируемого усилителя мощности 12 и выполнение монохроматора 4 акустооптическим, а усилителя 6 с регулируемым коэффициентом передачи позволяет расширить перечень измеряемых газов, а также измерять состав любых газовых смесей по этому перечню. Кроме того, расширяются возможности газоанализатора в части объектов, которые могут быть подвергнуты анализу: анализировать можно газовый состав как в отдельных местах путем отбора проб в кювету, так и на больших пространствах путем просвечивания их световым лучом при помещении уголкового отражателя 3 в нужную точку пространства.

Изобретение относится к технологическому контролю состава и измерения количества примесей в газовых смесях. Сущность изобретения: устройство содержит источник света 1, монохроматор 4, фотоприемник 5, усилитель 6, синхронный детектор 7, опорный вход которого соединен с тактовым генератором 9, блок обработки и индикации 8, при этом введены синтезатор частот 11, вход установки частоты которого соединен с блоком управления 10, и модулируемый усилитель мощности 12, управляющий вход которого соединен с выходом тактового генератора 9, а выход - с управляющим входом монохроматора 4, который выполнен акустооптическим, а между источником света 1, выполненным широкополосным и акустооптическим монохроматором введены светоделитель 2 и уголковый отражатель 3, оптически связанный через светоделитель 2 с источником света 1 и акустооптическим монохроматором 4, при этом усилитель 6, вход управления которого соединен с блоком управления 10, выполнен с регулируемым коэффициентом передачи, причем на входе акустооптического монохроматора может быть установлен корректор спектра, а между светоделителем и уголковым отражателем может быть помещен трансформирующий объектив. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Газоанализатор, содержащий источник света и последовательно соединенные монохроматор, фотоприемник, усилитель, синхронный детектор, опорный вход которого соединен с тактовым генератором, и блок обработки и индикации, а также блок управления, соединенный с управляющими входами тактового генератора и блока обработки и индикации, отличающийся тем, что введены последовательно соединенные синтезатор частот, вход установки частоты которого соединен с блоком управления, и модулируемый усилитель мощности, управляющий вход которого соединен с выходом тактового генератора, а выход с управляющим входом монохроматора, который выполнен акустооптическим, между источником света, который выполнен широкополосным, и акустооптическим монохроматором введен светоделитель, а также введен уголковый отражатель, оптически связанный через светоделитель с источником света и акустооптическим монохроматором, при этом усилитель, вход управления которого соединен с блоком управления, выполнен с регулируемым коэффициентом передачи. 2. Газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что на входе акустооптического монохроматора установлен корректор спектра. 3. Газоанализатор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что на пути между светоделителем и уголковым отражателем установлен трансформирующий объектив.