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 также 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.

При этом способе для заметного поглощения излучения необходимо, чтобы концентрация искомого вещества была достаточно большой (не менее 0.001%), что определяет относительно невысокую чувствительность приборов.

Наиболее близким является техническое решение по патенту авторскому свидетельству SU 1672814, МПК 6 G01N 21/31, 06.10.89, опубликовано 20.05.96, бюллетень № 14, «ГАЗОАНАЛИЗАТОР» (3).

Изобретение относится к технике газового анализа и может быть использовано для определения количественного и качественного состава газовых смесей, образуемых в результате жизнедеятельности организмов или выделяемых в процессе работы различных устройств, например двигателей внутреннего сгорания.

Данное техническое решение направлено на расширение функциональных возможностей газоанализатора, за счет определения качественного состава газовой смеси, и повышение точности и чувствительности. В газоанализаторе, содержащем излучающий диод, р-n-переходы которого выполнены идентичными в одном и том же кристалле, фокусирующую оптическую систему, по крайней мере с одним элементом, выполненным в виде вогнутого отражателя, в фокусе которого расположен фотоприемник, и электронную схему выделения полезного сигнала, подключенного к фотоприемнику, на поверхность по крайней мере одного из отражателей нанесена дифракционная решетка, и/или газоанализатор содержит дифракционную решетку, в меридиональной плоскости которой на направлениях главных дифракционных максимумов расположен диод и фотоприемник. Диод выполнен в виде линейной матрицы с числом элементов N, определяемых условием крайней мере с одним элементом, выполненным в виде вогнутого отражателя, в фокусе которого расположен фотоприемник, и электронную схему выделения полезного сигнала, подключенного к фотоприемнику, на поверхность, по крайней мере одного из отражателей, нанесена дифракционная решетка, и/или газоанализатор содержит дифракционную решетку, в меридиональной плоскости которой на направлениях главных дифракционных максимумов расположен диод и фотоприемник. Диод выполнен в виде линейной матрицы с числом элементов N, определяемых условием

а светоизлучающая область каждого из элементов имеет поперечный размер h, который при не перекрывающихся полосах поглощения газов удовлетворяет условию

а в остальных случаях определяется из условия

где - дисперсия решетки или системы;

Δλ′ - разрешение решетки или системы;

Δλ - наименьшая из полуширин характеристических полос поглощения предполагаемых газов;

Δλ" - полуширина спектра электролюминесценции излучающего диода;

Н - расстояние между центрами элементов матрицы.

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, элемент для формирования спектрального разложения анализируемого сигнала, фотоприемник и блок управления, выполненный с возможностью обработки и выдачи информации, при этом в него введены быстрый фотозатвор входного пучка, быстрый фотозатвор выходного пучка, оптическая система, содержащая спектральные окна для передачи анализируемого сигнала на фотоприемник, выполненный в виде блока детекторов, многоканальный усилитель, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, при этом фотозатворы, блок детекторов и многоканальный усилитель подсоединены к выходу блока питания, к входу которого через цифроаналоговый преобразователь присоединен блок управления, а к оптической кювете последовательно присоединены быстрый фотозатвор выходного пучка, элемент для формирования спектрального разложения анализируемого сигнала, оптическая система, блок детекторов, многоканальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и блок управления, осветительный элемент, быстрый фотозатвор входного пучка и оптическая кювета расположены на одной оптической оси, а оптическая кювета, быстрый фотозатвор выходного пучка, элемент для формирования спектрального разложения анализируемого сигнала, оптическая система и блок детекторов расположены на другой оптической оси.

Предложенная блок-схема оптико-электронного спектрального газоанализатора, в котором последовательно присоединены 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, выполненный в виде блока детекторов выходного оптического сигнала, содержащий от 1 до ... n детекторов, позволяющий по отдельности регистрировать и преобразовывать испускаемый оптический сигнал в каждом, заранее заданном спектральном диапазоне, многоканальный усилитель электрических сигналов, поступающих с фотоприемника, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок управления, 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, а не спектры поглощения, позволяют обнаружить искомые вещества даже в случае ничтожно малых концентраций, когда их количество измеряется в тысячах молекул, 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 по нескольким веществам и анализ может осуществляться в реальном времени.

Наличие элемента для формирования спектрального разложения анализируемого сигнала позволяет разложить световой импульс в спектр одновременно с фокусировкой сигнала, что позволяет существенно повысить разрешающую способность прибора.

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

На чертеже изображена блок-схема оптико-электронного спектрального газоанализатора, где блок питания 1, осветительный элемент 2, быстрый фотозатвор входного пучка 3, оптическая кювета 4, устройство продувки оптической кюветы очищающим газом 5, устройство напуска анализируемой газовой смеси в оптическую кювету 6, быстрый фотозатвор выходного пучка 7, элемент для формирования спектрального разложения анализируемого сигнала 8, оптическая система 9, блок детекторов 10, многоканальный усилитель 11, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12, блок управления (БУ) 13, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14.

Оптико-электронный спектральный газоанализатор выполнен следующим образом. К выходу блока питания 1 подсоединены: осветительный элемент 2, быстрый фотозатвор входного пучка 3, устройство продувки оптической кюветы очищающим газом 5, устройство напуска анализируемой газовой смеси в оптическую кювету 6, элемент для формирования спектрального разложения анализируемого сигнала 8, блок детекторов 10, многоканальный усилитель 11, а к входу присоединен блок управления 13 через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14. Осветительный элемент 2, быстрый фотозатвор входного пучка 3, кювета 4 расположены на одной оптической оси, вдоль которой проходит входящий луч, а кювета 4, быстрый фотозатвор выходного пучка 7, элемент для формирования спектрального разложения анализируемого сигнала 8, оптическая система 9, блок детекторов 10 расположены на другой оптической оси, вдоль которой распространяется выходящий луч.

К кювете 4 последовательно присоединены быстрый фотозатвор выходного пучка 7, элемент для формирования спектрального разложения анализируемого сигнала 8, оптическая система 9 для передачи анализируемого сигнала на блок детекторов 10 выходного оптического сигнала (от 1 до ... n), позволяющий по отдельности регистрировать излучаемый оптический сигнал в каждом заранее заданном спектральном диапазоне, многоканальный усилитель 11 электрических сигналов, поступающих с блока 10, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12, блок управления 13, например компьютер, в состав программного обеспечения которого входит база данных о спектральных характеристиках анализируемых веществ и программа распознавания образов, а также программа управления газоанализатором, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14.

Оптико-электронный спектральный газоанализатор работает следующим образом.

Действие данного прибора 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. Блок управления 13 через ЦАП 14 выдает управляющий сигнал на блок питания 1 для включения устройства продувки оптической кюветы 4 очищающим газом. После установленного для продувки времени оптической кюветы 4, блок управления 11 выдает последовательно через ЦАП 14 управляющие сигналы на блок питания 1, для включения устройства напуска анализируемой газовой смеси 6 в оптическую кювету 4, для кратковременного включения мощной лампы-осветителя 2 и быстрого входного фотозатвора 3 осветительной системы. В результате импульсного освещения 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. Одновременно с закрытием быстрого входного фотозатвора 3 блок управления 13 через ЦАП 14 при помощи блока питания 1 открывает быстрый выходной фотозатвор 7. Элемент для формирования спектрального разложения анализируемого сигнала 8 осуществляет разложение сформировавшегося в оптической кювете 4 светового импульса в спектр. После этого через оптическую систему 9 световые импульсы в каждом спектральном окне поступают в блок детекторов 10. После оптико-электрического преобразования с помощью блока детекторов 10 электрические сигналы от каждого канала (спектрального диапазона) поступают в многоканальный усилитель 11, из которого сигнал через АЦП 12 поступает в блок управления 13 для цифровой обработки информации. Блок управления 13 производит обработку входного сигнала с помощью алгоритма, использующего принцип двойственности, и выдает информацию о химическом составе газовой смеси от каждого спектрального окна. 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 9.

Пусть n - число спектральных окон, совпадающее с числом детекторов.

На выходе блока детекторов 10 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.

Система спектральных окон ω_i≤ω≤ω_i+Δω_i настраивается на конкретное вещество. Измеряется среднее время жизни τ_i «гросс-уровня»:

В этом случае прибор фиксирует наличие искомого вещества и оценивает его концентрацию с достаточной для практических целей точностью.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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. SU 1672814, МПК 6 G01N 21/31 от 06.10.89, опубл. 20.05.96, бюл. № 14, «ГАЗОАНАЛИЗАТОР».

4. Ю.Л.Ратис, М.Л.Каляев. Коллективные явления в жаростойких покрытиях при тепловом ударе, Деп. ВИНИТИ, № 6594-84 от 08.10.1984 г.

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

6. 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, многоканальный усилитель, а к входу присоединен блок управления, через цифроаналоговый преобразователь; оптическую кювету, к которой последовательно присоединены быстрый фотозатвор выходного пучка, элемент для формирования спектрального разложения анализируемого сигнала, оптическая система, фотоприемник, многоканальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, при этом осветительный элемент, быстрый фотозатвор входного пучка и оптическая кювета расположены на одной оптической оси; а оптическая кювета, быстрый фотозатвор выходного пучка, элемент для формирования спектрального разложения анализируемого сигнала, оптическая система, блок детекторов расположены на другой оптической оси. Оптическая система содержит спектральные окна от 1 до ... n для передачи анализируемого сигнала на фотоприемник, выполненный в виде блока детекторов, содержащего от 1 до ... n детекторов, позволяющий по отдельности регистрировать и преобразовывать испускаемый оптический сигнал в каждом заранее заданном спектральном диапазоне. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей и повышение разрешающей способности. 1 ил.

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