Одноканальный оптический газоанализатор Советский патент 1985 года по МПК G01N21/61 

2. Газоанализатор но гь 1, о т личагащийся тем, что,устройство балансировки амплитуды и фазы сиг налов выполнено в виде соединенны лоследовательно фазорегулятора, фазоинвертора и устройства регулирования амплитуды напряжения или тока.

1. ОДНОКАНАЛЬНЫЙ 011Т№1ЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР, содержащий размещенные последовательно на оптическор оси первый излучатель с отражателем. vjA S 7 измерительную кювету, второй излучатель, светофильтр, приемник излучения, связанный через усилитель с синхронным детектором, и генератор модуляции, связанный с первым излучателем и синхронным детектором, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измс рения путем исключения погрешности, связанной с нестабильностью характеристик приемника излучения, газоанализатор дополнительно содержит волновод, расположенный на выходе измерительной кюветы, в котором размещен второй излучатель, снабженный отражателем, и устройство балансировки амплитуды и фазы сигналов, вход которого (Л связан с выходом генератора модуляции, а выход - с вторым излучателем. 9 4 СО 4 05

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может бы использовано в металаурт-ической, химической и других отраслях промыш ленности, а также в области охраны окружающей ср.еды. Известен газоанализатор, содерж ГОКИ эле ктромодулированный источник излучения, кювету с Р сслед.уемым газом,, формирователь двух коллимированных потоков излучения, интерференционные фильтры на рабочую и эт лонную длины волн, расположенные н соответствующих оптических оеях, д приемника излучения и подключенньй к их выходам электронный узел, вклю чающий в себя две схемы ньщеления Л блок обработк - сигналов,. Выходной электри 1еский сигнал,, пропорциональ ньй измеряемой концентрации газовой смееи формируется путем сравнения выходных си1на,ов двух приемников из пучения nj , Н ед о с т ат к ом г а з о а.н ал и з а т о р а является то, что на регу.;;ьгат измерения в степеи оказы} ак:Т кестабильность характеристи приемтгиков излучения. приемников из-тучения с:)ставляет /,, а отнотпение сигнала от к еиг HBXiy от полного светового потока 0,1 (такое значение этого параметра является наиболее ;рием1 емьгм для оптических газоанаг;изаторов) ,, TCI пр обработке сигналов приемников излучения по их разности шти отношению погрешность выходного сигнала равна 10%, Наиболее близким/к изоГ)рс-тению техническим регаевием яв.гтяется однол чевой анализатор J годегжпший разме це, носледо.чагельно на ог тичес кой оси первый и; лучате,пь с тражателем., иямерите.гььн.ун кгиветА, излучатель, светофчгльтг, излучения, связанЕ1ый через ycHjn Teji с синхронным детектором, и генератор модулягщи,, связанный с первым излучателем и синхронным детекторЪм 2j , Нед.остатком известного анализаT(j)a является влияние обратного езетоного потока второго источника изЛ;учения на по.грешж.ють измерения от нестаби::ьг оети приемн1гка и:злуче jiHH t Обратный световой поток возникает из-за TorOj что часть потока irroporo источника расгфоетраняетея и в направлении пефвого источника, JTa час.ть потока, отразившись от стенок кюветы (фиЛ1,тра) и отражателя первого источника, попадает на приемник, искажая результат измерения. Кроме того, так как обратньй поток два;кдь нроходит через фильтр, кювету и их стеклоJ то температурные -ши вр1-:менные измерения этих узлов ггриосдяг- к погрешности измерения. Поскольку сравниваемые источники излучения имеют разные постоянные вре ени (разные фазг:)вые сдвиги) , то отсутствие фазовой ркгулкровки IFO их икни управления сделает нев(х;можной их амплитудную балансировку. Недостатком известного газоанализатора .я}зляется такж-е гкзгрешность из.чсрения от нестабильности коэффициента пропускания фильтра, так как этот фильтр направляется только 1- злучение одного источ1и-1ка. Цель изоб етенр1я - повышение. TO4iioc7H и:- мерения путем исключения norpeujHocTn.. связаььгой с нестабильчостыо характери.стик ириемн(-;ка излучения . Поетавленвая nejib достигается тем, Tio одноканалилный оптический газоаналтизатор, содержаний размещенные последовательно нз оптической оси первый излучатель с (тражателем, измер1телы- ую кюнету, /топо-г 1зл чатель,, г;ветофи|Т.т р, приемиич ичлуче3ния, связанньй герез усилитель с синхронным детектором, и генератор модуляции, связанный с первьпт излуч телем и синхронным детектором, допо нительно содержит волновод, распоЛо женньй на выходе измерительной кюветы, в котором размещен второй изл гштель, снабженный отражателем, и устройство балансировки амплитуды и фазы сигналов, вход которого связан с выходом генератора модуляции, а выход - с вторым излучателем. При этом устройство балансировки амплитуды и фазы сигналов выполнено в виде соединенных последовательно фазорегулятора, фазоинвертора и уст ройства регулирования амплитуды нап ряжения или тока. На чертеже представлена схема од ноканального оптического газоанализатора. Газоанализатор содержит отражатель 1, первьй излучатель 2, измеги тельную кювету 3, волновод , отражатель 5, второй излучатель 6, светофильтр 7, собирающий конус 8, фотоприемник 9, усилитель 10, синхрон ный детектор 11, сглаживающий фильтр 12, генератор 13 модуляции, устройство 14 балансировки амплитуды и фазы сигнала, фазорегулятор 15 фазоинвертор 16 и устройство 17 регулирования амплитуды напряжения или тока. Газоанализатор работает следующим образом. От генератора 13 модуляции па из лучатель 2 подастся прямоугольное напряжение и, и„ sign sinszt. где Ujj 9 -амплитуда напряжения частоты модуляций; -круговая частота; -время. 15озника(ощее при этом излучение излучателя 2 после отражения от отражателя 1 направляется через измерительную кювету 3, волновод 4, све тофильтр 7 и собирающий конус 8 на фотоприемник 9. олосовой светофильтр 7 выделяет полосу с центральной частотой - , соответствующей линии поглощения исследуемого газа. При этом формиpvpTi n световой поток, первая гап64моника частоты модуляции которого разна / -)L с I, 1 е sin(flt-tf,), где К - коэффициент поглощения исследуемого газа; L - активная длина кюветы; С - концентрация исследуемого газа; I. - амплитуда светового потока первого излучателя 2; ср - фазовьй сдвиг, вызванньй запаздыванием излучателя 2. На пути распространения светового потока 1 между выходом кюветы 3 и входом светофильтра 7 помещен волновод, в центре которого установлен второй излучатель 6 с отражателем 5. Геометрические размеры отражателя 5 выбраны такими, чтобы он перекрывал только небольшую часть светового потока L. На излучатель 6 подается от генератора 13 через фазорегулятор 15, фазоинвертор.16 и устройство 1/ регу лирования амплитуды напряжения или тока прямоугольное напряжение Uj и sig п sin(S2t+«-;p), 11 где Ug - амплитуда напряжения част тоты модуляции; - фазовьп сдвиг фазорегулятора. Возникающее при этом излучение излучателя 6 направляется через светофильтр 7 и собирающий конус 8 на фотоприемник 9. Первая гармоника частоты модуляции светового потока этого излучения равна sin(t+7-Cf-Чp, где I, - амплитуда светового потока второго излучателя 6; - фазовьй сдвиг, вызываемьй запаздыванием излучателя 6. Световой поток 1 после отражения от поверхности собирающего конуса 8 алгебраически суммируется на входе фотоприемника 9 со световым потоком 1. При( + C|i2 что легко установить с помощью фазорегулятора 15, потоки Ij и I.J вычитаются. Первая гармоника выходного сигнала фотоприемкика 9 при этом pasEia S(T,-l2)K Sd.jfi- -ц )sinQ где К коэффициент пропускания светофильтра; S - коэффициент преобразования фотоприемника. Амплитуда потока 1 регулируется с помощью устройства 17 путем измен ния йощности (тока или напряжения) .второго излучателя 6, Перед измерением выставляется по нулевому значе нию напряжения U амплитуда потока такой, чтобы выполнялось условие т-т -Т s - ЧНапряжение U детектируется синхронным детектором 11, а затем сглаживается фильтром 12 и выделяется постоянное напряжение -KLC , ЧыГ yi Поскольку выходное напряжение определяется произведением коэффици ента преобразования фотоприемника на световой поток, то погрешность от нестабильности S . равная ) ДЗ S1-,( практически не зависит от диапазона измерения и газовой характеристики, что дает возможность значительно повысить стабильность и точность измерения. Аналогично этому, как видно из выражения для 1gbi;( погрешность от нестабильности коэффициента пропускания светофильтра также не зависит от диапазона измерения. Таким образом, предлагаем1лй газоанализатор позволяет исключить искажающее влийние обратного светового потока и тем самым повысить точность измерения, а также практически независимо от изменения крутизны характеристики фотоприемника и коэффициента пропускания светофильтра точно сбалансировать по фазе и амплитуде сравниваемые световые потоки и тем самым повысить точность и стабильность измерения (независимость погрешности от диапазона измереьия) . Кроме того, изобретение обеспечивает повышен11ую эксплуатационную надежность 1азоанализатора, так как в нем отсутствуют не только механические узлы, но и газонаполненные элементы (газовые фильтры, оптико-акустические приемники) 3 котор;-ле значительную вpeмeнн o пестабильность„Предлагаемый газоанализатор позволяет уменьшить погрешность измерений, а следовательно, повысить точность в раз При этом уход нуля за две недели непрерывной работы С(:1ставляет 0,2% от кжалы.