Двухканальный газоанализатор Советский патент 1985 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения содержания селективно поглощенных газовых компонент атмосферы., Цель изобретения - повьгшение точности измерений за счет наиболее полного использования мощности потока излучения источника. На фиг.1 изображена функциональпая схема устройствадля локальных измерений, вариант; на фиг.2 - оптическая схема дистанционного варианта газоанализатораJ на фиг.З модулятор-коммутатор пучков для наи более светосильного газоанализатора вариант; на фиг.4 - зависимость потока, падающего на фотоприемник, от времени при отсутствии исследуемого газа в измерительном канале; на фиг.З - зависимость потока, пада щего на фотоприемник, от времени при наличии исследуемого газа в измерительном канале. Устройство для локальных измереНИИ (фиг.1) содержит источник 1 излучения, расположенный в фокусе кол лиматора 2, модулятор-коммутатор 3 который в простейшем случае представляет собой диск с отверстиями, кювету 4 измерительного канала с ис следуемой газовой смесью, оптический фильтр опорного канала, состоящий из кюветы 5 с известным количеством газа, идентично измеряемой компоненте исследуемой газовой смеси, и спектральный фильтр 6, пропускающий излучение только в полосе поглощения измеряемой компоненты и являющийся одновременно оптичесКИМ фильтром измерительного канала экран 7 с отверстиями, соосными окнам кювет 4 и 5, фиксирующий объектив 8, фотоприемник 9, усилитель 10, детектор 11, схему 12 выделения четных гармоник сигнала уси лителя, блок АРУ 13 и схему 14 синхронизации, связанную с модулятором-коммутатором 3. На разрезе А-А показано, как можно выполнить и расположить модулятор-коммутатор 3, чтобы его отверстия при вращении поочередно пропускали излучение через кюветы 4 и 5. Кювета 4 может отсутствовать, в атом случае устройство определяет количество исследуемой компоненты в воздухе, окружающем устройство, В дистанционном варианте (фиг.2) кювета 4 также отсутствует. Система освещения вэтом случае состоит из осветительного объектива 15 и полевой диафрагмы 16, расположенной в его фокусе и фокусе коллиматора 2. Варианты предлагаемого устройства могут быть многокомпонентными. В этом случае между коллиматором и фокусируюЩим объективом располагается столько измерительных и опорных кювет, оптических фильтров и т.п., сколько компонент исследуетсяjчисло фокусирующих объективов, фотоприемников и электронных схем также равняется числу исследуемых компонент. При измерении количества нестойких компонент, например озона, или компонент с почти сплошными спектрами поглощения, например водяного пара и углекислого газа, оптический фильтр опорного канала представляет собой спектральный фильтр, пропускающий излучение вне полос поглощения этих компонент, а спектральный фильтр является оптическим фильтром только измерительного канала. Дпя лучшего использования потока в многокомпонентных вариантах устройства целесообразно использовать коллиматор 2, сечение которого равно сечению каждого из сравниваемых потоков (фиг.4), и модулятор-коммутатор, состоящий из подвижного ломающего зеркала 18 и неподвижных ломающих зеркал 19, число которых равно общему числу оптических каналов, т.е. удвоенному числу исследуемых компонент. Устройство работает следующим образом (фиг.1). Поток от источника 1 излучения преобразуется коллиматором 2 в квазипараллельный поток, который частично проходит через отверстие вращающего диска модулятора-коммутатора 3 и отверстия экрана 7,когда они перекрываются с отверстиями модулятора-коммутатора 3. На кювету 4 измерительного канала, через которую пропускается исследуемая газовая смесь, и опорную кювету 5,заполненную известным количеством газа, идентичного измеряемому, пропускают модулированные в противофа3

зе потоки излучения, которые фокусируются объективом 8 на фотоприемник 9 со спектральным фильтром 6, пропускающим излучение в полосе поглощения измеряемого газа. Усилитель 10 усиливает переменную составляющую сигнала фотоприемника 9, детектор 11, управляемый схемой 14 синхронизации, связанной с модулятором-переключателем 3, вьщеляет первую гармонику частоты коммутации, и его выходное напряжение характеризует наличие измеряемого газа в смеси. Схема 12 выделяет из сигнала усилителя каку-либо четную гармонику частоты коммутации, схема 12 при этом также управляется схемой 14 синхронизации. Блок АРУ 13 работает таким образом, что напряжение поступающей на него вьщеленной четной гармоники частоты коммутации поддерживается постоянным. Пр этом коэффициент усиления усилителя 10 обратно пропорционален амплитуде этой же четной гармоники в сигнале фотоприемника 9, и напряжение на выходе детектора 11. пропорционально отношению амплитуды первой гармоники сигнала фотоприемника к амплитуде выделенной четной гармоники и поэтому не зависит от яркости источника, неселективного пропускания среды и оптических дета лей, чувствительности фотоприемника и вида нелинейности световой характеристики фотоприемника.

Дистанционный вариант (фиг.2) работает аналогичным образом, с той лишь разницей, что исследуемая сред не пропускается через измерительную кювету и не находится в объеме устройства, а расположена между прибо762204

ром и каким-либо удаленным источником света, изображение которого получено с помощью осветительного объектива 15 и диафрагмировано полевой

5 диафрагмой 16.

Устройство работает аналогично в том случае, когда вместо опорной кюветы 5 в опорном канале располагается спектральный фильтр 17, про-

О пускающий излучение вне полосы поглощения измеряемого г.аза, а спектральный фильтр 6 является оптическим фильтром только измерительного канала, Светосильный вариант модулятора-

5 коммутатора (фиг.З) коммутирует

весь поток, прошедший диафрагму 16, а не часть его. Поток от коллиматора 2 направляется подвижным ломакнцим зеркалом 18 поочередно на неподвижные

0 ломающие зеркала 19, каждое из которых направляет падающий на него поток либо в опорный, либо в измерительный канал через отверстия экрана 7..

5 При отсутствии измеряемой

компоненты в исследуе;мой среде потоки, прошедшие через опорный и измерительный каналы, равны, и в сигнале фотоприемника при вращении модуля0 тора-коммутатора 3 отсутствует составляющая, имеющая частоту, равную частоте коммутации (фиг.4). При наличии измеряемой компоненты в исследуемой среде поток, прошедший измерительный канал, во всех вариантах устройства становится меньшим потока, прошедшего опорный канал. В сигнале приемника появляется составляющая с частотой коммутации,

Q которая имеет амплитуду, функциональ но связанную с количеством измеряемой компоненты (фиг.5).

ДВУХКАНАЛЬНЬМ ГАЗОАНАЛИЗАТОР, содержащий оптически сопряженные источник излучения с коллиматором, модулятор-коммутатор, измерительньй и опорный оптические каналы, в каждом из которых содержится оптический фильтр, фокусирующая оптика, приемник излучения и электрическая схема обработки сигнала, содержа1:1ая усилитель, один из входов которого связан с выходом приемника излучения, а выход - с первым входом детектора, к другому входу которого подключена схема синхронизации, связанная с модулятором-коммутатором, блок автоматической регулировки усиления, выход которого связан с другим входом усшштеля, отличающийся тем, -что, . с целью повьшения точности измерений за счет наиболее полного использования мощности потока излучения источника, электрическая схема обработки сигнала дополнительно содержит схему вьщеления,четных гармоник сигнала приемника излучения, один из входов которой связан с выходом усилителя, другой вход - с выхо9 kn дом схемы синхронизации, а выход - с вхбдом блока автоматической регулировки усиления, при модулятор-коммутатор выполнен таким образом, что обеспечивает наличие в сигнаше приемника излучения четных гармоник частоты коммутации. О с

т

фиг. 2

16 г

15

Полностью олорный

.

Фиг.Ъ

Лолнос/ггйю отнрыт ust epumejfbf/Aiu

А/У V/A

%/л У2Л

Фиг л

/Jo/tf/ocmbfO omffpoim опорный ffono/

V350Af

thn

и9

kiH Ьн ЗД/ l/f

fJo Hocffbfo om pbtfTf

vaMepume/Jbfftt/u /(оиал

i

%v 3/Р/Л Фиг. 5