Многоходовой газоанализатор Советский патент 1984 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для контроля загрязнени окружающей среды, а также для други аналогичных задач. Известен газоанализатор, содержащий источник излучения, рабочую и сравнительную камеры, модулятор и приемник излучения lj . К недостаткам известного устройства относятся значительные габариты оптических узлов за счет большой длины рабочей и сравнительных камер; коническая длина рабочей и сра нительной камер, что исключает возможность изменения предела измерения и ограничивает динамический диапазон измерений. Наиболее близким техническим решением к предложенному является многоходовой газоанализатор, содержащий источник излучения, расположенный между входными окнами двух идентичных многовходовых кювет, одна из которых является рабочей, а другая - эталонной, и приемник излучения. В известном газоанализаторе оптические кюветы выполнены по схеме Уайта 2 J. Недостатками данного газоанализатора является низкая чувствительность, обусловленная низкой светосилой системы Уайта ввиду того, что она содержит два равных по размерам и рядом стоящих зеркальных объектива, а также невозможность работы газоанализатора с кюветами, оптическая длина которых меньше 4 я (где о - конструктивная длина кюветы) . Последнее обстоятельство не позволяет повысить верхний диапазон измерения, используя одну и ту же конструктивную основу, что существенно снижает динамический диапазон измерения газоанализатора. Цель изобретения - повышение чув ствительности, уменьшение габаритов устройства и расширение диапазона измерений в сторону верхних значений. Поставленная цель достигается тем, что в многовходовом газоанализаторе, содержащем источник излучения, расположенный между входными окнами двух идентичных многовходовых кювет, одна из которых является рабочей, а другая - эталонной, и приемник излучения, кюветы устано лены перпендикулярно оптической оси источника излучения параллельно дру другу, и каждая из кювет содержит размещенные на одном основании пять зеркал, первое из которых по ходу луча - плоское зеркало - установлено напротив входного окна кюветы под углом 45 к оптической оси исто ника, а остальные четыре зеркала размещены по два у противоположных концов кюветы и образуют две группы, при этом первая группа зеркал включает второе по ходу луча вогнутое зеркало с фокусным расстоянием F и примыкающее к нему вогнутое зеркало с фокусным расстоянием 0,75F, вторая группа включает третье по ходу луча плоское зеркало и примыкающее к нему вогнутое зеркало с фокусным расстоянием 0,75F, расстояние между противолежащими группами зеркал по ходу луча составляет 1,351,45F, а расстояние от источника излучения до зеркал первой группы, а также от зеркал второй группы до ;приемника составляет 1,55-1,65F. Кроме того, в многовходовом газоанализаторе каждое плоское зеркало второй группы выполнено с возможностью поворота. На чертеже представлена оптическая схема предлагаемого многоходового газоанализатора. Схема включает источник 1 излучения, боковые окна 2,1 и 2.2 рабочей и эталонной кювет, соответственно два плоских зеркала 3,1 и 3.2, установленные под углом 45° к оптической оси источника 1 излучения, две первые группы зеркал, состоящие из четырех вогнутых зеркал 4.1 и 4.2, 5.1 и 5,2, вторую группу зеркал 6.1 и 6,2, 7,1 и 7.2, причем зерксша 6.1.и 6.2 - плоские, установленные на подвижных основаниях, а 7.1 и 7.2 - вогнутые; выходные окна 8.1 и 8,2, приемник 9 излучения; диафрагмы 10,1 и 10.2, служащие для устранения паразитной засветки, два герметичных колпака 11.1 и 11,2, установленных на общем с зеркалами основании 12, образующих рабочую и эталонную кюветы. Рассмотрим прохождение лучей в левой рабочей кювете при максимальной длине оптического пути. Лучи от источника 1 излучения проходят входное окно 2,1, которое является первой диафрагмой, направляются плоским зеркалом 3.1 через вторую диафрагму 10.1 на вогнутое зеркало 4,1 с фокусным расстоянием F (объектив), причем расстояние от источника до объектива по ходу лучей равно 1,55-1,65F. Объектив формирует увеличенное в 2 раза изображение входного окна на вогнутом зеркале 5.1 (после отражения от плоского зеркала 6.1) с фокусным расстоянием 0,75F, выполняющем роль коллектива, который точно заполняет светом вогнутое зеркало 7.1 путем переноса освещенной поверхности плоского зеркала 6.1 в плоскость зеркала 7.1.

Поскольку расстояние от коллектива 5.1 до плоского 6.1 и вогнутого зеркала 7.1 примерно равны, то, как следует из формулы зеркала, упомянутое услрвие выполняется в том случае, когда фокусное расстояние коллектива (F) равно половине отрез ка от плоскости коллектива до плоскости противолежащих зеркал, т.е.

- S.

(I)

0,75F

i- И наконец, вогнутое зеркало 7.1 переносит изображение освещенного коллектива через выходное окно 8.1 на приемник 9 излучения без увеличения. Так как расстояния от конденсор ного зеркала до коллектива и приемника излучения примерно равны, то для переноса -изображения коллектива, без увеличения, фокусное расстояние вогнутого зеркала 7.1 выбирают равным половине отрезка между протиролежащими группами зеркал. В нашем /случае фокусное расстояние вогнутого зеркала 5.1 и вогнутого зеркала 7,1 совпадают и равны согласно (I) 0,75F. (Ход лучей в этом случае показан сплошной линией).

ЕСЛИ изменить угол поворота плоского зеркала 6.1, то изображение входного окна, минуя зеркала 5.1 и 7,1, попадает на приемник. При этом длина оптического пути уменьшается на два прохода и становится равной при этом примерно Зо((ход лучей в этом случае показгн пунктиром).

Аналогичным образом проходят лучи в правой эталонной кювете.,

Таким образом, при максимальных габаритах камер, равных 1,35-1,55, суммарная длина оптического пути в первом случае равна 5 (1,35-1,45)F а во втором - 3 {1,35-1,45)F.

Расстояние между группами .зеркал 4.1, 5.1 и 6.1, 7.1 определяет конст(руктивную длину камеры (а). Выбор конструктивной длины камеры, равной полутора фокусным расстояниям вогнутого зеркала 4.1 (объектива) (,5F, где F - фокусное расстояние объек тива), позволяет оптимально использовать весь диаметр кюяеты. Максимально допустимые размеры объектива в этом случае приближаются к площа ди сечения кюветыj так как располо0 женныё на стороне объектива коллектив 5.1 и выходное окно 8,1 занимает несравнимо меньшую часть сечения кюветы.

Разброс величин -расстояний между

5 группами зеркал, а Тс1кже расстояний от источника до зеркал первой группы и расстояний от зеркал второй группы до приемника излучения соответствует оптимальным значениям,

0 Отход за границы указанных значений связан с ухудшением параметров устройства (светосилы, расфокусировки, виньетирование, увеличение). Чувствительность предлагаемого

5 многоходового;, газоанашизатора почти в 4 раза выше, чем в системе Уайта, поскольку данная конструкция многоходовой системы позволяет в 4 раза повысить ее светосилу,

п Увеличение чувствительности в конечном счете позволяет существенно повысить основные метрологические характеристики газоанализатора (основную погрешность, стабильность,

jc воспроизводимость).

Данный газоанализатор позволяет, не меняя конструкции оптической системы, расширить диапазон измереНИИ в сторону верхних значений, Имеет место существенное уменьшение габаритов кювет и соответственно уменьшение габаритов газоанализатора, что влечет уменьшение материалоемкости и энергоемкости изде;1ия.

1. МНОГОХОДОВОЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР, содержащий источник излучения, расположенный между входными окнами двух идентичных многовходовых кювет, одна из которых является рабочей, а другая - эталон-ной, и приемник излучения, отличающийся тем/ что, с целью повышения чувствительности и уменьшения габаритов устройства, кюветы установлены перпендикулярно оптической оси источника излучения параллельно друг другу, и каждая из кювет содержит размещенные на одном основании пять зеркал, первое из которых по ходу луча - плоское зеркало - установлено напротив входного окна кюветы под углом 45° к оптической оси источника, а остальные четыре зеркала размещены по два у прЪтивоположных концов кюветы и образуют две группы, при этом первая группа зеркал включает второе по ходу луча вогнутое зеркало с фокусным расстоянием F и примыкающее к нему вогнутое зеркало с фокусным расстоянием 0,75 F, вторая группа включает третье по ходу луча плоское зеркало и примыкающее к нему вогнутое зеркало с фокусным расстоянием 0,75F, расстояние межпу противолежащими группами зеркал по ходу луча составляет 1,35-1/45F, а расстояние от источника излучения до зеркал первой группы, а также от зеркал второй группы до приемника составляет 1,55-1,65F. 2. Газоанализатор по п.1, о т 00 личающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений в сторону верхних значений,каикдое плоское зеркало второй группы выполнено с возможностью поворота.