Абсорбционный газоанализатор Советский патент 1984 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к области оптического абсорбционного анализа газов и может быть использовано при построении многокомпонентных переносных газоанализаторов, предназначенных преимущественно дпя контроля малых загрязнений атмосферы, а также в поисковой геохимии и других отраслях народного хозяйст ва.

Известен многокомпонентный газоанализатор, содержа1ций источник ИК излучения, фокусирующее устройство, газовую кювету, обтюратор, выполненный в виде непрозрачного диск с окнами, в которых установлены интерференционные фильтры, причем П фильтров настроены на определяемые компоненты , а один фильтр - на эталонный, неселективный тепловой приемник и электронную схему, осуществляющую временное разделение каналов, при этом устройство вьтолнено в переносном виде lj .

Недостатками такого устройства являются невысокая чувствительность обусловленная неидеальностью балансировки опорного и измерительного лучевых потоков; ограниченная избирательность, выз-ванная конечным (и относительно невысоким) значением затухания интерференционного фильтра вне его полосы прозрачности необходимость применения коллимированного лучевого потока с целью получения достаточно узкой полосы пропускания интерференционного фильтра, что усложняет конструкцию; трудность выбора частоты настройки эталонного фильтра при анализе слож ных газовых смесей.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является абсорбционный газоанализатор, содержащий источник излучения, обтюратор, расположенные в поворотном устройстве фильтры-для подавления спектра неопределяемых компонентов и модуляционные кюветы, содержащие определяемые компоненты, приемник излучения с непосредственной прокачкой и электронный блок обработки и регистрации сигнала 2 .

Каждая модуляционная кювета состоит из двух папукювет (одна из кот рых заполнена определяемым компонентом, а другая - непоглощающим компонентом), образованных путем

разделения цилиндрической камеры на две равные половины с помощью продольной перегородки. За кюветами следуют фильтры, подавляющие спектр неопределяемых компонентов, каждый из которых выполнен в виде кюветы, заполненной смесью известных мешающих компонентов. За модуляционной кюветой и фильтром следует приемник с непосредственной прокачкой, сигнал с которого обрабатывается электронным блоком.

Указанный газоанализатор имеет высокую избирательность к известным мешающим компонентам, что достигается комбинацией селективной модуляции и фильтрацией спектра.излучения в полосе мешающих компонентов. Однако данное устройство характеризуется ограниченной избирательностью к неизвестным мешающим компонентам, так как построить газовьй фильтр на все возможные мешающие компоненты практически невозможно, и конструктивной сложностью.

Цель изобретения - повышение избирательности при одновременном упрощении конструкции устройства.

Поставленная цель достигается тем,- что в абсорбционном газоанализаторе, содержащем источник излучения, обтюратор, расположенные в поворотном устройстве фильтры для подавления спектра неопределяемых компонентов и модуляционные кюветы, содержащие определяемые компоненты, приемник излучения с непосредственно прокачкой и электронный блок обработки и регистрации сигнала, в оптической последовательности за источником излучения расположены приемник с прозрачной задней стенкой, оптические фильтры, обтюратор с отражающей поверхностью, обращенной к приемнику, и модуляционные кюветы, при этом каждая из кювет вьшолнена в виде одной камеры с отражающей задней стенкой, а оптические фильтры - интерференциоными .

На чертеже прегз ставлена функциональная схема устройства.

Газоанализатор содержит расположенные в оптической последовательности за источником ИК излучения 1 оптико-акустический приемник 2 с непосредственной прокачкой, выполненный с прозрачной задней стенкой и с датчиком давления. 3, например кон3денсаторным микрофоном, фильтры .интерференционного типа, подавляющие спектр неопределяемых компонентов, и модуляционные кюветы 5, каждая из которых вьшолнена в виде одной камеры, заполненной определяемым компонентом, с отражающей задней стен кой. Селективные расположены на поворотном устройстве 6 Модулятор 7 имеет отражающую поверхность, обращенную к приемнику 2, и расположен между интерференционными фильт рами 4 и модуляционными кюветами 5. Приемник 2 посредством датчика давления 3 соединен с электронным блоком 8. Газоанализатор.работает следующим образом. Лучевой поток от источника 1 попадает в приемник 2, в который через развязывающие устройства-клапаны, пористые фильтры и т.д. (не показаны) поступает исследуемая газовая смесь. Лучевой поток, выщедший из приемника 2, проходит через один из интерференционных фильтров 4, настроенных на определяемый компонент, а затем отражается либо от модулятора 7 (в первую половину периода его вращения), либо от отражаю щей стенки одной из модуляционных кювет 5 (во вторую половину периода вращения). Лучевой поток, отражеиньй от модуляционной .кюветы 5, не содержит спектральных составляющих определяемого компонента, так как они поглощаются в заполняющем, кювету газе. Таким образом, осуществляется селективная модуляция отраженного лучевого потока, который, попадая в приемник 2, вызывает оптико акустический сигнал от измеряемого компонента, регистрируемьй датчиком 3 с помощью электронного блока 8. Интерференционные фильтры 4,через которые лучевой поток проходит дваж ды, обеспечивают дальнейшее повыщение избирательности. Поскольку интерференционный фильтр является вза имным элементом, его амплитудно-час тотная характеристика при двукратном прохождении возводится в квадрат, благодаря чему сужается его полоса пропускания на уровне половинной мощности и существенно (на нескольк порядков) уменьшается уровень проходящего лучевого потока, лежащего вне его полосы пропускания. Это 234 позволяет обойтись без коллимированного лучевого потока, что упрощает конструкцию. Устройство обеспечивает существенное повьшение избирательности, в том числе и в полосе фильтрации, именно при взаимосвязанном использовании интерференционного фильтра и газового модулятора, реализуемое при их совместной настройке на максимальную избирательность, например к парам воды. При этом суть настройки заключается во введении определенного разбаланса коэффициентов отражений от обтюратора и модуляционной кюветы. Tiro величина различна для каждой конкретной пары фильтр - модуляционная кювета и зависит от дисперсии коэффиияентов пропускания стекла кюветы и коэффициентов отражения материалов, из которых изготовлены отражающие стенки, размеров кюветы, качества коллимации и угла падения лучевого потока, спектра поглощения заполняющего объем кюветы газа и таких характеристик фильтра, как форма, частотное местоположение и ширина полосы пропускания, величина минимального фонового пропускания в коротковолновой T,in и длинноволновой областях, а также от характеристик вторичных полос пропускания . Определение расчетным путем необходимых для положительного эффекта значений коэффициентов отражений не возможно. В то же время необходимый разбаланс легко достигается путем небольшого изменения осевого расстояния между модуляционной кюветой и обтюратором, например путем установки прокладок необходимой толщины под упоры посадочного места для кюветы в поворотном устройстве. При этом удаление кюветы уменьшает долю отраженного патока, попадающего в приемник, не меняя ни его спектральных характеристик, ни распределения по сечению, а приближение увеличивает поток. Реализацию указанного баланса можно проводить, например, путем закачивания в приемник влажного азота и подбора местоположения кюветы, соответствующего нулевым показаниям газоанализатора. При этом в одну половину периода (когда лучевой поток отражается обтюратором) спектр лучевого потока при отражении практически не изменяется. Во вторую половину периода лучевой поток отражается модуляционной Кюветой, и в спектре отраженного сигнала отсутствуют спектральные участки, соответствующие областям максимального поглощения заполняющего кювету газа. Наличие нулевых показаний газоанализатора свидетельствует о равенстве поглощенной энергии в обе половины периода. Но если в первую половину поглощение в парах воды происходит во всем спектре (с учетом амплитудно-частотной характеристики фильтра), то во вторую половину энергия, поглощается в этом же спектре, но за вычетом указанных спектральных участков. Следовательно, для достижения равенства поглощенных энергий необходимо обеспечить соответствующее превьшение.коэффициента отражения от задней стенки кю веты. Однако такой разбаланс без интерференционного фильтра приводит к появлению паразитной модуляции в полосах поглощения других определяемых газов и к соответствующему ухудшению избирательности по ним. С использованием интерференционного фильтра, кроме упрощения процесса балансировки, удается как подавлять паразитную модуляцию в указанных полосах (при сравнительно низком знаи двукратном прохожчении Т. mm min дении лучевого потока это всегда обеспечивается), так и сохранять за счет вторичных полос пропускания возможность выравнивания энергии, поглощенной парами воды в обе половины периода. Поскольку спектральное распределение коэффициента поглощения паров воды при нормальных условиях сохраняется неизменным, то достигнутое повышение избирательности в полосе фильтрации (за счет равенства внеполосового поглощения в парах воды поглощению в полосе фильтрации) остается независимым от содержания влаги в анализируемой пробе. Таким образом, путем введения контролируемого разбаланса возможно улучшение избирательности в полосе фильтрации при одновременном сохранении высокой внеполосовой избирательности за счет двукратного прохождения лучевого потока через интерференционньй фильтр. Указанное совместное использование интерференционного фильтра и селективного модулятора в данном устройстве.позволяет на два порядка повысить избирательность к парам воды. Дпя сравнения в качестве базового объекта принят инфракрасный абсорбционный газоанализатор ГИАМ-5. Данное устройство по сравнению с базовым позволяет решить задачу многокомпонентного газового анализа с помощью одного портативного прибора. Чувствительность предлагаемого устройства определяется акустическим шумом приемника, а не качеством балансалучевых потоков, как в базовом варианте. Комбинирование двукратно пропускающих интерференционных фильтров с селективной модуляцией позволяет конструктивно просто решить и проблему избирательности.

ЛБСОРБЦИОННЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР, содержащий источник излучения, обтюратор, расположенные в поворотном устройстве фильтры для подавления спектра неопределяемых компонентов и модуляционные кюветы, содержащие определяемые компоненты, приемник излучения с непосредственной прокачкой и электронный блок обработки и регистрации сигнала, о тличающийся тем, что, с целью повышения избирательности при одновременном упрощении конструкции, в оптической последовательности за источником излучения расположены приемник с прозрачной задней стенкой, оптические фильтры, : обтюратор с отражающей поверхностью, S обращенной к приемнику, и модуляционные кюветы, при этом каждая из кю(Л вет выполнена в виде одной камеры с отражающей задней стенкой, а оптические фильтры - интерференционНЬ«У1И.