СПЕКТРОАНАЛИЗАТОР Российский патент 2004 года по МПК G01J3/28 

Изобретение относится к приборам, предназначенным для измерения спектрального состава излучения (поглощения) веществ и концентраций примесей в веществах, находящихся в газообразном, жидком и твердом (для прозрачных и полупрозрачных веществ) состоянии.

Оно создано по двухлучевой двухканальной схеме и может быть использовано: в экологических задачах; физике атмосферы и гидросферы при оценке концентраций вредных веществ в атмосфере, воде и почвах; в метеорологии при определении химического состава и концентраций примесей в осадках; в различных отраслях науки и производственных процессах, например, при обнаружении и распознавании примесей в воде, кислотах, спиртах, сахарах, в различных растворах, в пищевых и технических продуктах.

Известны спектроанализаторы для измерений концентраций и спектрального состава излучения (поглощения) веществ (см. например, Приборы и методы анализа в ближней инфракрасной области. Авторы: Бечкасов И.А., Кручинин Н.А., Поляков Н.И., Резинкин В.Ф. - Изд-во “Химия”, 1977, 280 с.). Известны также двухлучевые двухканальные анализаторы, использующие для регистрации спектрального состава излучения (поглощения) и концентраций веществ светофильтры электромагнитного излучения и только один приемник излучения с одним окном (входом). Наиболее близкий аналог заявленного изобретения приведен на рис.3.6д на стр. 78 этой книги.

Этот спектроанализатор содержит источник излучения, последовательно расположенные по ходу распространения излучения отражающие зеркала, модулятор, светофильтры, кюветы с исследуемым и эталонным веществами, оптическую систему, направляющую на приемник излучения, прошедшие через кюветы.

В нем используется одночастотная модуляция, при которой излучение от источника при помощи модулятора через пары светофильтров поочередно пропускается на кювету с исследуемым и эталонным веществами, по разности амплитуд сигналов на различных длинах волн (или в определенной полосе длин волн), используя градуировочные характеристики, оценивают концентрации примесей в исследуемом веществе. 1.

Такая конструкция спектроанализатора содержит ряд недостатков.

1. Практически нельзя создать пары светофильтров с одинаковыми параметрами, они могут различаться по амплитуде пропускания излучения, по полуширине полосы пропускания длин волн, иметь различные фоновые характеристики, которые, как правило, могут изменяться, это означает, что прошедшие через них одинаковые излучения будут отличаться, введение компенсации излучений в каналах не всегда достигает цели, поскольку процедура компенсации изменяет только амплитуды преобразованных сигналов, являющихся функциями ослабления или усиления излучений, но не уравнивает спектральные распределения излучений эталонного и исследуемого каналов, что, несомненно, приводит к погрешностям измерений.

2. Одночастотная модуляция, при которой один канал для прохождения излучений от источника открыт, второй закрыт (или наоборот), не всегда позволяет сохранять постоянной разность величин излучений от источника и модулятора, так как при поочередном прерывании излучений источника за половину периода модуляции источник излучения может изменить амплитуду и спектральный состав излучения, создав таким образом в одном из каналов высокочастотные флуктуации, случайным образом распределенные в частотном спектре сигнала, которые во втором полупериоде (в другом канале) могут не наблюдаться. Эти флуктуации изменят передаточные характеристики в одном из каналов системы регистрации, т.е. вызовут также погрешности измерений.

3. Кроме того, модулятор может иметь, например, в диапазоне оптического спектра более 3 микрометров значительное собственное излучение из-за изменения температуры модулятора, что приводит обычно к дополнительным погрешностям в измерениях. Учитывая неидентичность параметров пар светофильтров, в том числе и по фоновым характеристикам, особенно в анализаторах с широким диапазоном спектра длин волн, эти погрешности могут оказаться значительными, поэтому в оптико-электронных системах спектроанализаторов применяют термостатированные модулирующие устройства или стабилизируют температуру приборов в целом, что усложняет конструкцию, технологию их изготовления, повышает стоимость и снижает надежность в эксплуатации.

4. Использование в этой схеме приемника излучения с одним входом (с одним окном) требует, непременно, применения поочередной регистрации излучений, прошедших через кюветы с веществами в эталонном и исследуемом каналах, возможные неявные погрешности такой системы заранее заложены в результатах анализа и являются трудно объяснимыми, особенно при регистрации быстропротекающих процессов. Кроме того, как и в случае с поочередной модуляцией, за время полупериода модуляции основные параметры приемника: пороговая, вольт-ваттная чувствительности, мощность шумов и его частотный состав могут измениться, что приведет также к дополнительным погрешностям измерений.

Эти недостатки устранены в предлагаемом изобретении благодаря тому, что в блоке источника излучения после диафрагмы установлен циркулярный клиновой интерференционный светофильтр, а в оптико-электронном приемном блоке установлен приемник излучения, выполненный в виде устройства с двумя входами, через которые на чувствительный элемент приемника оптической системой приемного объектива одновременно направляются промодулированные различными частотами растра спектры излучения, прошедшие через кюветы с эталонным и исследуемым веществами.

Техническим результатом предложенного решения является повышение точности измерения благодаря использованию клинового циркулярного интерференционного светофильтра, установленного после диафрагмы, после которого на кюветы с эталонным и исследуемым веществами одновременно направляются одинаковые спектры излучения, и двухвходового приемника излучения, который детектирует эти спектры также одновременно.

На фиг.1 изображена оптическая схема двухлучевого двухканального спектроанализатора, на фиг.2 изображен вид на частотный растр и маски по стрелке А со стороны объектива источника излучения, на фиг.3 изображена схема приемника излучения.

Спектроанализатор содержит источник излучения 1, диафрагму 2, циркулярный клиновой интерференционный светофильтр 3, объектив источника излучения 4, 5, растр 6, маски 7, 7', кюветы с эталонным 8 и исследуемым 8' веществами, объектив приемного блока 9, 10, отражающие зеркала 11, 11', приемник излучения 12, систему регистрации и обработки информации 13.

На фиг.2 изображена схема растра и масок, черному цвету соответствуют прозрачные ячейки (отверстия) растра и масок, белому - непрозрачные лопасти. Все ячейки и лопасти растра эталонного канала имеют одинаковые формы и размеры и расположены на одной из половин круга (сектора), такие же по форме и размерам изготовлены ячейки и непрозрачные участки на маске. На другой половине круга (сектора) расположены подобные ячейки и лопасти, но имеющие другие размеры, отличающиеся от размеров ячеек и лопастей в исследуемом канале.

Для предварительной настройки системы модуляции маски в эталонном и исследуемом каналах могут смещаться на одну-две ячейки.

При вращении частотного растра излучение источника в эталонном и исследуемом каналах модулируется различными частотами и после преобразования приемником в напряжение (ток) поступает на соответствующие частотные фильтры системы регистрации и обработки информации.

Приемник излучения (фиг.3) имеет корпус 14 и выполнен в виде устройства с двумя входами (окнами) 15, 15' для приема излучений, чувствительный элемент 16 приемника с выводом 17 установлен в интегрирующей камере 18 с отверстиями и полированной внутренней поверхностью для повышения квантовой эффективности (чувствительности).

На один из входов приемника направляется спектр излучения, прошедший через кювету с исследуемым веществом, на другой - через кювету с эталонным веществом, оба эти спектра приемником регистрируются одновременно.

Спектроанализатор работает следующим образом. Излучение от источника излучения 1 через диафрагму 2 пропускается циркулярным клиновым интерференционным светофильтром 3, который при вращении направляет на объектив источника излучения 4, 5 спектр электромагнитного излучения, который при помощи частотного растра 6 и масок 7, 7' модулируется различными частотами, и одинаковые спектры одновременно направляются в кюветы с эталонным 8 и исследуемым 8' веществами. Затем объективом 9, 10 и отражающими зеркалами 11, 11' спектры излучения одновременно направляются через соответствующие окна на чувствительный элемент приемника, преобразованные спектры в напряжения (токи) сигнала детектируются, сравниваются и регистрируются системой регистрации и обработки информации.

Таким образом, предложенная конструкция спектроанализатора позволяет повысить точность измерений благодаря тому, что на кюветы с исследуемым и эталонным веществами одновременно направляются абсолютно одинаковые спектры излучения даже тогда, когда излучательные характеристики источника могут измениться. Приемник излучения также одновременно регистрирует спектры излучения, прошедшие через кюветы с исследуемым и эталонным веществами, и при изменении параметров приемника: пороговой, вольт-ваттной чувствительности и частотного спектра шумов, например, вследствие воздействия посторонних излучений или изменения температуры охлаждения чувствительного элемента, отношение сигналов исследуемого и эталонного каналов остается постоянным. Предлагаемое устройство (спектроанализатор), содержащее оптико-механические и электронные узлы, отмакетировано, получены результаты, подтверждающие техническое решение.

Изобретение относится к области спектрального приборостроения. Устройство отличается тем, что после диафрагмы источника излучения установлен циркулярный клиновой светофильтр, а приемник излучения выполнен в виде устройства с двумя входами, через которые на чувствительный элемент приемника оптической системой приемного объектива направляются одновременно промодулированные различными частотами частотного растра спектры излучения, прошедшие через кюветы с эталонным и исследуемым веществами. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений. 3 ил.

Спектроанализатор, содержащий источник излучения с диафрагмой, последовательно по ходу излучения расположенные с ним циркулярный клиновой интерференционный фильтр, объектив источника излучения, частотный растр, маски, кюветы с эталонным и исследуемым веществами, приемный объектив с отражающими зеркалами, приемник излучения и систему регистрации и обработки информации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, после диафрагмы источника излучения установлен циркулярный клиновой интерференционный светофильтр, а приемник излучения выполнен в виде устройства с двумя входами, через которые на чувствительный элемент приемника оптической системой приемного объектива направляются одновременно промодулированные различными частотами растра спектры излучения, прошедшие через кюветы с эталонным и исследуемым веществами.