ОПТИЧЕСКИЙ АБСОРБЦИОННЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 2005 года по МПК G01N21/61 G01N21/03 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения концентрации газов, например метана, окиси или двуокиси углерода, углеводородов, бензола, оксида азота и др., в атмосфере, производственных помещениях, технологических аппаратах и т.д.

Известен абсорбционный волоконно-оптический газоанализатор, содержащий последовательно установленные и оптически связанные излучатель, входное оптическое волокно, многоходовую кювету, состоящую из трех сферических зеркал, выходное оптическое волокно, блок регистрации и обработки информации. Между выходным оптическим волокном и блоком регистрации установлен спектральный интегральный демультиплексор, а на продолжении сферы зеркала-коллектива в непосредственной близости от его края с одной стороны установлены торцы входного и выходного оптических волокон, оба зеркала-объектива установлены с возможностью совместного поворота относительно центра кривизны зеркала-коллектива в общей меридиональной плоскости всех зеркал (RU 2091764, G 01 N 21/61, 1997).

Известен также оптический абсорбционный газоанализатор, содержащий оптически сопряженные лазерный источник инфракрасного электромагнитного излучения с длиной волны из области поглощения анализируемого газа, многоходовую газовую кювету, выполненную в виде интегрирующей сферы с внутренним светоотражающим покрытием, где оптический вход и выход расположены асимметрично относительно центра сферы, светофильтр и приемник излучения, подключенный через усилитель к блоку обработки и регистрации информационного сигнала (RU 2022249, G 01 N 21/61, 1994). Внутренняя поверхность интегрирующей сферы может быть выполнена эллипсоидной (WO 2004/013600, G 01 N). Для повышения точности и надежности исследований оптический абсорбционный газоанализатор содержит широкополосный оптический излучатель, расположенные по ходу его излучения трубчатую газовую кювету с внутренними светоотражающими стенками и два фотоприемника, снабженные светофильтрами в области поглощения и прозрачности анализируемого газа соответственно, подключенные к блоку дифференциальной обработки и регистрации информационных сигналов (US 6469303, G 01 J 005/02, 2002; US 2004/0007667, G 01 N 21/61).

Однако такие газоанализаторы являются сложными в изготовлении и эксплуатации.

Среди направлений развития данного вида техники прослеживается выполнение газовой кюветы совместно с оптическим фокусирующим элементом. Так, для контроля содержания газов, имеющих инфракрасный спектр поглощения, используют кювету, изготовленную в форме полого светоотражающего усеченного конуса с отверстием в боковой стенке, в котором установлен оптический фильтр с опорным приемником излучения, а источник излучения расположен в непосредственной близости к кювете (RU 2037809, G 01 N 21/61, 1995). Такая геометрия кюветы обеспечивает фокусировку и многократное отражение от ее стенок проходящих через контролируемую пробу световых лучей.

Наиболее близким к заявляемому является оптический абсорбционный газоанализатор, содержащий источник электромагнитного излучения с длиной волны из области поглощения анализируемого газа, расположенные по ходу его излучения трубчатую газовую кювету с внутренними светоотражающими стенками и фотоприемник, подключенный через усилитель к блоку обработки и регистрации информации. Для повышения точности контроля источник и фотоприемник электромагнитного излучения выполнены двухканальными с возможностью дополнительного излучения и приема оптического сигнала с длиной волны из области прозрачности анализируемого газа, а блок обработки и регистрации информации выполнен по схеме дифференциального измерения сигналов, получаемых на выходе образованных каналов (RU 2109269, G 01 N 21/61, 1998).

Однако данное устройство обладает низкой чувствительностью из-за короткой длины пути светового потока. Кроме того, оно обладает низкой точностью из-за возможности прямой засветки фотоприемника.

Технической задачей заявляемого газоанализатора является повышение чувствительности и точности измерений путем увеличения пути светового потока, проходящего через газовую кювету.

Решение указанной технической задачи заключается в том, что в конструкции оптического абсорбционного газоанализатора, содержащей источник электромагнитного излучения с длиной волны из области поглощения анализируемого газа, расположенные по ходу его излучения трубчатую газовую кювету с внутренними светоотражающими стенками и фотоприемник, подключенный через усилитель к блоку обработки и регистрации информации, трубчатая газовая кювета выполнена спиралеобразной для увеличения пути светового потока и исключения прямой засветки фотоприемника.

Для газообмена с окружающей средой без ослабления принимаемого фотосигнала в стенках трубчатой газовой кюветы могут быть выполнены сквозные отверстия под острым углом к плоскости симметрии трубчатой газовой кюветы со стороны источника электромагнитного излучения.

В кювете спиралеобразной формы исключена прямая засветка фотоприемника из-за зашторивания прямого излучения изгибами образованного спиралеобразного световода, что имеет следствием повышение точности измерений. Спиралеобразная форма кюветы способствует также увеличению пути светового потока на эквивалентных участках площади.

Газовая кювета может быть выполнена в виде цилиндрической, конической и других форм спиралей. Наиболее целесообразно выполнение газовой кюветы в виде спирали Архимеда. В данном варианте кювета имеет минимальный объем для заданной длины пути светового потока. Кроме того, по мере приближения светового пучка к центру спирали Архимеда число отражений на единицу длины трубчатой кюветы увеличивается, что имеет следствием дополнительное повышение чувствительности и точности измерений.

Предлагаемая конструкция газовой кюветы допускает использование как одноканальных, так и многоканальных источников электромагнитного излучения и фотоприемника. В частности, с целью повышения точности измерений источник электромагнитного излучения и/или фотоприемник могут быть выполнены двухканальными с возможностью дополнительно излучения и приема оптического сигнала с длиной волны из области прозрачности анализируемого газа. В этом случае блок обработки и регистрации информации выполнен по схеме дифференциального измерения сигналов областей отражения и прозрачности, получаемых на выходе образованных каналов. Использование многоканальных измерительных систем в предлагаемом устройстве целесообразно при контроле нескольких компонентов в анализируемой газовой среде.

В качестве источника электромагнитного излучения могут использоваться светодиоды, излучатели резистивного типа, лампы накаливания, полупроводниковые инжекционные лазеры (в многоканальном варианте) и др. В качестве фотоприемников могут использоваться фоторезистроры, фотодиоды, полупроводниковые болометры, пиро-приемники, батареи термопар.

В качестве усилителя и блока обработки и регистрации информации могут использоваться любые общеизвестные конструкции данного назначения.

На фиг.1 приведен чертеж трубчатой газовой кюветы предлагаемой формы; на фиг.2 дана схема расположения и взаимосвязи элементов конструкции.

В табл.1 приведены технические характеристики варианта газоанализатора.

Трубчатая газовая кювета (фиг.1, 2) содержит трубопровод, уложенный по спирали Архимеда, который образован соединением двух симметричных относительно плоскости спирали Архимеда частей 1 и 2. На внутренних торцевых поверхностях элементов 1 и 2 выполнена спиралеобразная канавка, в которую при сборке кюветы вставляют лентообразный вкладыш 3. Этот вкладыш выполняет следующие функции:

а) обеспечивает точное совмещение деталей 1 и 2;

б) улучшает механическую прочность кюветы;

в) предотвращает паразитное засвечивание соседнего витка трубчатой кюветы через возможные щели по месту совмещения деталей 1 и 2.

Жесткость кюветы обеспечивается также наличием ребер жесткости 4, выполненных снаружи кюветы. На наружных поверхностях элементов 1 и 2 выполнены также проушины 5, предназначенные для крепления кюветы.

Рабочие поверхности элементов 1 и 2 в данном варианте покрыты алюминиевой светоотражающей пленкой.

Для газообмена с окружающей средой без ослабления принимаемого фотосигнала в стенках приведенной трубчатой газовой кюветы выполнены сквозные отверстия 6 под острым углом к ее плоскости симметрии со стороны источника электромагнитного излучения 7, установленного на наружном торце трубчатой части кюветы. Этот источник излучает свет с длиной волны по крайней мере из области поглощения анализируемого газа. В центре газовой кюветы выполнена камера 8, в которой размещены фотоприемник 9 и усилитель 10. При этом фотоприемник 9 оптически присоединен к внутреннему торцу трубчатой части кюветы. Электрический выход фотоприемника 9 подключен к блоку обработки и регистрации информации 11 через усилитель 10.

Описанная трубчатая газовая кювета в форме спирали Архимеда может быть изготовлена из пластмассы штамповкой ее частей, получаемых разрезом в плоскости симметрии с последующим нанесением светоотражающего покрытия (например, из Ag или Al) на внутренние поверхности деталей 1 и 2 и склеиванием торцевых поверхностей, находящихся в плоскости симметрии кюветы. Перед склеиванием в паз между деталями 1 и 2 вставляют лентообразный вкладыш 3.

Многократно отражаясь от поверхности внутренней стенки, световой поток в области поглощения анализируемого газа ослабляется в зависимости от концентрации встреченных им молекул анализируемого газа, что фиксируется фотоприемником и учитывается блоком обработки и регистрации.

Предлагаемый газоанализатор с газовой кюветой в форме спирали Архимеда внутренним диаметром и длиной трубчатой части 9 мм и 1,2 м соответственно с дифференциальной схемой измерения испытан на моделях воздушных сред, содержащих СО, CO₂ и метан в концентрациях 100, 1000 и 10000 ppm. Учитывали точность (среднее значение) и погрешность среднего значения. Дополнительно определяли порог чувствительности - наименьшую концентрацию газа, которая может быть зафиксирована прибором. Результаты испытаний (по 10 измерений в каждом режиме) приведены в табл.1.

Как видно из таблицы, средние значения измерений отличаются от референс-данных (установлены манометрически) не более чем на 4%, а максимальная погрешность среднего не превышает 12%. Чувствительность измерений составляет от 10 до 20 ppm.

Полученные результаты испытаний свидетельствуют о высокой точности и чувствительности заявленного газоанализатора. Поскольку трубчатую газовую кювету указанной длины (1,2 м) выполнить нереально, можно констатировать, что положительным эффектом, производным от достигнутого, является уменьшение габаритного размера кюветы. При этом важно подчеркнуть, что наибольшее относительное увеличение длины пути светового пучка имеет место в центре кюветы, что свидетельствует о наиболее целесообразной форме ее исполнения в виде конической спирали или спирали Архимеда.

Таблица 1
Точность и чувствительность газоанализатора с трубчатой кюветой в форме спирали АрхимедаКонтролируемый газДлина волны (нм) по каналам:Среднее значение и его погрешность при содержании газа, ppm:Чувствительность, ppmпоглощенияпрозрачности100100010000СО4,664,098±11990±409600±12015CO₂4,204,0103±91040±6010200±14020Метан3,404,096±12970±109900±9010

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения концентрации газов. Газоанализатор содержит источник электромагнитного излучения с длиной волны по крайней мере из области поглощения анализируемого газа, расположенные по ходу его излучения трубчатую газовую кювету с внутренними светоотражающими стенками и фотоприемник, подключенный через усилитель к блоку обработки и регистрации информации, при этом трубчатая газовая кювета выполнена спиралеобразной для увеличения пути светового потока и исключения прямой засветки фотоприемника. Наиболее целесообразно выполнение кюветы в форме спирали Архимеда. Для обмена содержимого кюветы с внешней средой в ее стенках могут быть выполнены сквозные отверстия под острым углом к плоскости симметрии кюветы со стороны источника электромагнитного излучения. Чувствительность определения СО, CO₂ и метана не ниже 20 ppm. Техническим результатом является повышение точности и чувствительности измерений. 2 ил., 1 табл.

Оптический абсорбционный газоанализатор, содержащий источник электромагнитного излучения с длиной волны по крайней мере из области поглощения анализируемого газа, расположенные по ходу излучения трубчатую газовую кювету с внутренними светоотражающими стенками и фотоприемник, подключенный через усилитель к блоку обработки и регистрации информации, отличающийся тем, что трубчатая газовая кювета выполнена спиралеобразной и в ее стенках выполнены сквозные отверстия под острым углом к ее плоскости симметрии со стороны источника электромагнитного излучения.