ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 2007 года по МПК G01N21/61 

Оптико-электронный спектральный газоанализатор относится к технике газового анализа и может быть использован для определения качественного и количественного состава газовых смесей, образуемых в результате жизнедеятельности организмов или выделяемых в процессе работы различных устройств, двигателей внутреннего сгорания, а также для контроля качества парфюмерных изделий.

Известно техническое решение по патенту RU 2091764, МПК 6 G01N 21/61 от 16.08.94, опубликовано 27.09.97, бюллетень №27, «Волоконно-оптический анализатор» (1). Изобретение относится к технике аналитического и измерительного приборостроения для обнаружения и определения концентрации газов и может быть использовано в угольной, химической, нефтеперерабатывающей, газовой и других отраслях промышленности. Устройство содержит 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.

Известно техническое решение по патенту RU 2083959, МПК 6 G01J 3/42 от 21.03.95, опубликовано 10.07.97, бюллетень №19, «СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ МЕТОДОМ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ФУРЬЕ-СПЕКТРОСКОПИИ» (2)

Изобретение относится к способам измерения концентраций газов в газовых средах методом абсорбционной спектроскопии, в частности, к способам измерения газовых примесей в атмосфере и контроля загрязнения окружающей среды. Способ корреляционной Фурье-спектроскопии включает измерение интенсивностей определенного набора компонент Фурье-спектра принимаемого излучения, причем значения Фурье-переменных измеряемых Фурье-компонент коррелируют с положениями максимумов и минимумов в Фурье-спектре спектра поглощения измеряемого газа, а принимаемое излучение анализируют только в диапазоне волновых чисел, где измеряемый газ имеет линии поглощения.

Недостатком этого метода является относительно невысокая чувствительность, поскольку для заметного поглощения излучения необходимо, чтобы концентрация искомого вещества была достаточно большой (не менее 0.001%).

Наиболее близким по технической сути является техническое решение по патенту RU № 2187093 от 2000.06.14, публикация 2002.08.10 «НЕДИСПЕРСИОННЫЙ МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ИНФРАКРАСНЫЙ ГАЗОВЫЙ АНАЛИЗАТОР», МПК 7 G01N 21/61, который содержит микропроцессор, источник излучения, кювету с исследуемым газом, фотоприемник, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок термостабилизации, устройство для индикации, фотолюминесцентные преобразователи.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для определения концентраций составляющих многокомпонентных газов. В основу технического решения положена задача создания недисперсионного многоканального инфракрасного (ИК) газового анализатора, в котором путем преобразования ИК-излучения от светодиода с помощью фотолюминесцентных преобразователей и нанесения интерференционных фильтров на светодиодную матрицу выполняют многоканальное устройство, и вследствие использования непосредственно в составе источника излучения фотоприемника, регистрирующего интенсивность излучения светодиода накачки, учитывают влияние изменения интенсивности накачки фотолюминесцентной структуры, а также за счет увеличения стабильности параметров источника при их термостабилизации повышают точность определения концентрации составляющих многокомпонентного газа.

Но данное устройство не позволяет в реальном масштабе времени определить наличие искомого вещества, если оно присутствует в газе, если его концентрация настолько мала, что не вызывает заметного поглощения электромагнитного излучения на заданной длине волны, т.е. лежит ниже порога чувствительности прибора.

Задачей предлагаемого технического решения является создание оптико-электронного спектрального газоанализатора с расширенными функциональными возможностями и высокой разрешающей способностью.

Поставленная задача решается за счет того, что оптико-электронный спектральный газоанализатор, содержащий осветительный элемент, подсоединенный к выходу блока питания, оптическую кювету, фотоприемник, усилитель, аналого-цифровой преобразователь и блок управления, выполненный с возможностью обработки и выдачи информации, при этом в него введены быстрый фотозатвор входного пучка, элемент для формирования спектрального разложения анализируемого сигнала, быстрый фотозатвор выходного пучка, оптическая система, содержащая спектральные окна для передачи анализируемого сигнала на фотоприемник, и цифроаналоговый преобразователь, при этом фотозатворы, фотоприемник, выполненный в виде блока детекторов выходного оптического сигнала, и усилитель, выполненный многоканальным, подсоединены к выходу блока питания, к входу которого через цифроаналоговый преобразователь присоединен блок управления, а к оптической кювете последовательно присоединены элемент для формирования спектрального разложения анализируемого сигнала, быстрый фотозатвор выходного пучка, оптическая система, фотоприемник, многоканальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и блок управления.

На чертеже изображена блок-схема оптико-электронного спектрального газоанализатора, где блок питания 1, осветительный элемент 2, быстрый фотозатвор входного пучка 3, оптическая кювета 4, дифракционная решетка 5, быстрый фотозатвор выходного пучка 6, оптическая система 7, фотоприемник 8, многоканальный усилитель 9, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10, блок управления 11, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 12.

Оптико-электронный спектральный газоанализатор выполнен следующим образом. К выходу блока питания 1 подсоединены: осветительный элемент 2, быстрый фотозатвор входного пучка 3, быстрый фотозатвор выходного пучка 6, время срабатывания которых не превосходит 10^-10 секунды, фотоприемник 8, многоканальный усилитель 9, а к входу присоединен блок управления 11 через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 12. Осветительный элемент 2, быстрый фотозатвор входного пучка 3, кювета соединены лучом проходящего сквозь них света.

К кювете 4 последовательно присоединены дифракционная решетка 5, быстрый фотозатвор выходного пучка 6, оптическая система 7 для передачи анализируемого сигнала на фотоприемник 8, выполненный в виде блока детекторов выходного оптического сигнала (от 1 до ... n), позволяющий по отдельности регистрировать излучаемый оптический сигнал в каждом заранее заданном спектральном диапазоне, многоканальный усилитель 9 электрических сигналов, поступающих с фотоприемника 8, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10, блок управления, например, компьютер (БУ) 11, в состав программного обеспечения которого входит база данных о спектральных характеристиках анализируемых веществ и программа распознавания образов, а также программа управления газоанализатором.

Оптико-электронный спектральный газоанализатор работает следующим образом.

Действие данного устройства основано на использовании принципа двойственности (Ю.Л.Ратис, 1984 г.) для численного преобразования Фурье (см. [4] - [6]). Согласно принципу двойственности при численном или аппаратном интегрировании функций, имеющих острые пики (например, спектральные линии или полосы в спектре излучения или поглощения), необходимо рассматривать задачу распознавания образа (сигнала) одновременно как для самой функции, так и для ее Фурье-образа. Поскольку дельта-пик в координатном пространстве превращается в функцию-подложку в Фурье-сопряженном пространстве и наоборот, постольку одновременный численный или аппаратный анализ как самой функции, так и ее Фурье-образа, позволяет минимизировать вероятность ошибки идентификации вещества за счет определения качественного состава газовой смеси по спектрам излучения, а также повышению его точности и чувствительности.

Вначале блок управления 11 через ЦАП 12 и блок питания 1 осуществляет кратковременное включение мощной лампы осветительного элемента 2 и быстрого входного фотозатвора 3 осветительной системы. В результате импульсного освещения оптической кюветы 4 часть атомов и молекул, входящих в состав анализируемой газовой смеси, переходит в возбужденное состояние.

При девозбуждении эти атомы и молекулы испускают электромагнитное излучение в инфракрасном, видимом и, в некоторых случаях, в ультрафиолетовом диапазоне, которое поступает в элемент для формирования спектрального разложения анализируемого сигнала 5, где осуществляют разложение сформировавшегося в оптической кювете 4 светового импульса в спектр.

Одновременно с закрытием быстрого входного фотозатвора 3 блок управления 11 через ЦАП 12 при помощи блока питания 1 открывает быстрый выходной фотозатвор 6.

После этого через оптическую систему 7 световые импульсы в каждом спектральном окне поступают в фотоприемник, то есть в блок детекторов 8.

После оптико-электрического преобразования с помощью блока детекторов 8 электрические сигналы от каждого канала (спектрального диапазона) поступают в многоканальный усилитель 9, из которого сигнал через АЦП 10 поступает в блок управления 11 для цифровой обработки информации.

Блок управления 11 производит обработку входного сигнала с помощью алгоритма, использующего принцип двойственности, и выдает информацию о химическом составе газовой смеси.

Система спектральных окон строится с учетом того факта, что многие молекулярные соединения имеют достаточно долгоживущие уровни именно в оптическом и инфракрасном диапазоне. Для каждого спектрального диапазона ω_i≤ω≤ω_i+Δω_i выходной сигнал регистрируется детектором, где ω - циклическая частота электромагнитного излучения, испускаемого атомами и молекулами вещества, находящегося в оптической кювете 4, ω_i - наименьшая циклическая частота для i-го канала (спектрального диапазона), Δω_i - ширина спектрального окна.

В качестве детектора используют ПЗС-линейку.

Пусть n - число спектральных окон (совпадающее с числом детекторов).

На выходе блока детекторов 8 мы получаем систему функций отклика (по числу детекторов n):

где n - число спектральных окон;

F_i - сигнал от i-го детектора (1≤i≤n);

t - время.

По виду функций F_i (t, ω_i≤ω≤ω_i+Δω_i) можно идентифицировать вещества, содержащиеся в кювете.

Предложенная схема оптико-электронного спектрального газоанализатора, в котором последовательно сопряжены элемент для формирования спектрального разложения анализируемого сигнала (быстрый фотозатвор выходного пучка, оптическая система, содержащая спектральные окна от 1 до ... n для передачи анализируемого сигнала на фотоприемник, многоканальный усилитель 9 электрических сигналов, поступающих с фотоприемника 8, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10, блок управления 11, например компьютер, в состав программного обеспечения которого входит база данных о спектральных характеристиках анализируемых веществ и программа распознавания образов, а также программа управления газоанализатором позволяет создавать и анализировать спектры испускания, а не поглощения как в существующих аналогах и прототипе.

Поскольку спектральные линии каждого вещества имеют определенную ширину, одновременно имитировать длину волны и ширину линии невозможно, однозначная идентификация веществ производится с очень высокой степенью вероятности.

Возможность анализировать регистрируемые предлагаемым устройством спектры испускания позволяют обнаружить искомые вещества даже в случае ничтожно малых концентраций, поскольку современные ФЭУ способны регистрировать буквально отдельные фотоны.

Использование в устройстве компьютера со специальным программным обеспечением позволяет производить анализ состава газовой смеси за несколько секунд и анализ может осуществляться в реальном времени.

Газоанализатор описанного типа имеет не слишком большие габариты и массу и может выполняться как в стационарном, так и в переносном варианте.

ЛИТЕРАТУРА

1. RU 2091764, МПК 6 G01N 21/61 от 16.08.94, опубл. 27.09.97, бюл. № 27, «Волокно-оптический анализатор».

2. RU 2083959, МПК 6 G01J 3/42 от 21.03.95, опубл. 10.07.97, бюл. № 19, «СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ МЕТОДОМ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ФУРЬЕ-СПЕКТРОСКОПИИ» (2).

3. RU № 2187093 от 2000.06.14, публикация 2002.08.10 «НЕДИСПЕРСИОННЫЙ МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ИНФРАКРАСНЫЙ ГАЗОВЫЙ АНАЛИЗАТОР», МПК 7 G01N 21/61, Ю.Л.Ратис, М.Л.Каляев Коллективные явления в жаростойких покрытиях при тепловом ударе, Деп. ВИНИТИ, № 6594-84 от 08.10.1984 г.

4. Ю.Л.Ратис, В.В.Столяр, Обобщенная модель Калецкого для описания экономики больших городов. Рыночная экономика. Состояние, проблемы, перспективы, Отделение экономики РАН, Самара, МИР, 1998, 6 с.

5. Yu.L.Ratis, G.I.Leonovich, A.Yu.Melnikov, Light flux difrraction of fiber - optical and optical electronic transducers of mechanical displacement, Proceedings of SPIE, volume 3348, Computer and Holographic Optics and Image Processing, 1997, p.336-343

Изобретение относится к технике газового анализа и может быть использовано для определения качественного и количественного состава газовых смесей, образуемых в результате жизнедеятельности организмов или выделяемых в процессе работы различных устройств, двигателей внутреннего сгорания, а также для контроля качества парфюмерных изделий. Устройство содержит блок питания, к выходу которого подсоединены осветительный элемент, быстрый фотозатвор входного пучка, быстрый фотозатвор выходного пучка, блок детекторов и многоканальный усилитель, а к входу присоединен блок управления через цифроаналоговый преобразователь, к оптической кювете последовательно присоединены элемент для формирования спектрального разложения анализируемого сигнала, быстрый фотозатвор выходного пучка, оптическая система, содержащая спектральные окна, блок детекторов, многоканальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и блок управления. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей и повышение разрешающей способности за счет обеспечения возможности анализа спектров испускания. 1 ил.

Оптико-электронный спектральный газоанализатор, содержащий осветительный элемент, подсоединенный к выходу блока питания, оптическую кювету, фотоприемник, аналого-цифровой преобразователь и блок управления, выполненный с возможностью обработки и выдачи информации, отличающийся тем, что в него введены быстрый фотозатвор входного пучка, элемент для формирования спектрального разложения анализируемого сигнала, быстрый фотозатвор выходного пучка, оптическая система, содержащая спектральные окна для передачи анализируемого сигнала на фотоприемник, и цифроаналоговый преобразователь, при этом фотозатворы, фотоприемник, выполненный в виде блока детекторов выходного оптического сигнала, и усилитель, выполненный многоканальным, подсоединены к выходу блока питания, к входу которого через цифроаналоговый преобразователь присоединен блок управления, а к оптической кювете последовательно присоединены элемент для формирования спектрального разложения анализируемого сигнала, быстрый фотозатвор выходного пучка, оптическая система, фотоприемник, многоканальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и блок управления.