Оптический измеритель концентрации газа Советский патент 1987 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для селективного контроля содержания газообразных веществ.

Цель изобретения - повьпиение воспроизводимости результатов измерения и снижение порога обнаружения определяемого газа.

На чертеже изображена структурная схема измерителя.

Оптический измеритель концентра ции газа включает коллиматор 1, светофильтр 2, интерференционно-поляризационный светофильтр 3, состоящий из скрещенных поляризаторов 4 и 5, двулучепреломляющей пластины 6 и пластины 7 из изотропного фотоупругого материала, соединенной с пьезоэлектрическим преобразователем 8, фотодетектор 9, первые усилитель 10 и синхродетектор 11, вторые усилитель 12 и синхродетектор 13, фазо- сдвигающий элемент 14, схему 15 вычитания сигналов, регистратор 16 и генератор 17, являющийся одновременно генератором опорного сигнала и блоком питания преобразователя 8.

Оптический измеритель работает следующим образом.

В спектральном распределении светового потока, прошедшего от источника излучения через среду, содержащую определяемый газ, появляется характерная периодическая структура поочередной перестройки пропускания фильтра 3 с длин волн, соответствующих линиям поглощения определяемого газа, на смежные интервалы, отстоя5 щие на и -л

rfz

Это осуществляется

10

f5

20

следующим образом.

В исходном состоянии пластина 7 не изменяет пропускания светофильтра 3. При возбуждении пьезопреобра- зователем 8 механических колебаний с частотой f в пластине 7, изготовленной из фотоупругого материала, появляется наведенное двулучепрелом- ленне. Подбирая амплитуду деформации, можно обеспечить внесение с помощью пластины 7 дополнительного сдвига фазы f qi t , что приводит к смещениям спектра пропускания интерференционно-поляризационного светофильтра на величину t

Далее фотодетектор 9 преобразует световой поток в электрический сиг-. нал, меняющийся с частотой, вдвое

25 превьшающей частоту модуляции. Этот сигнал усиливается усилителями 10 и 12 и детектируется синхродетекто- рами 11 и 13, работа которых синхронизирована с работой генератора 1.7.

30 Второй синхродетектор 13 детектирует переменный сигнал, сдвинутый по фазе относительно модулирующего сигнала на и /2, что обеспечивается с помощью фазосдвигающего элемента

полосы поглощения, разделенные спект-35 1. соответствующий пропусканию интерференционно-поляризационного светофильтра 3 вне линий поглощения опре- деляемого газа. Таким образом, канал регистрации, образованный усилитеральными интервалами шириной uTi. . Полосовой спектральный светофильтр 2 вырезает рабочую спектральную область. Пропускание интерференционно-поляризационного светофильтра 3 имеет периодический характер с расстоянием между максимумами пропускания

. ,

т d(ng- Пд)

где d - толщина двулучепреломляющей пластины,

п. и показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей.

Выбирая толщину d из условия

можно получить свейТ г й Х

тофильтр 3 со спектром пропускания, скоррелированным со спектром поглощения определяемого газа.

Пластина 7 с пьезоэлектрическим лреобразователем В используется для

поочередной перестройки пропускания фильтра 3 с длин волн, соответствующих линиям поглощения определяемого газа, на смежные интервалы, отстоящие на и -л

rfz

Это осуществляется

следующим образом.

В исходном состоянии пластина 7 не изменяет пропускания светофильтра 3. При возбуждении пьезопреобра- зователем 8 механических колебаний с частотой f в пластине 7, изготовленной из фотоупругого материала, появляется наведенное двулучепрелом- ленне. Подбирая амплитуду деформации, можно обеспечить внесение с помощью пластины 7 дополнительного сдвига фазы f qi t , что приводит к смещениям спектра пропускания интерференционно-поляризационного светофильтра на величину t

Далее фотодетектор 9 преобразует световой поток в электрический сиг-. нал, меняющийся с частотой, вдвое

превьшающей частоту модуляции. Этот сигнал усиливается усилителями 10 и 12 и детектируется синхродетекто- рами 11 и 13, работа которых синхронизирована с работой генератора 1.7.

Второй синхродетектор 13 детектирует переменный сигнал, сдвинутый по фазе относительно модулирующего сигнала на и /2, что обеспечивается с помощью фазосдвигающего элемента

1. соответствующий пропусканию интер

ференционно-поляризационного светофильтра 3 вне линий поглощения опре- деляемого газа. Таким образом, канал регистрации, образованный усилителем 12 и синхродетектором 13, формирует сигнал, не зависящий от наличия определяемого газа, нулевой сигнал. Канал, образованный усилителем 10 и синхродетектором 11, формирует сигнал, равный сумме нулевого сигнала и сигнала, обязанного поглощению света определяемым газом. Разность этих сигналов, выделяемая схемой 15 вычитания и пропорциональная концентрации определяемого газа, регистрируется регистратором 16.

В оптическом измерителе фотоупругий модулятор, возбуждаемый на резонансной частоте собственных

колебаний, имеет при высоком

значении частоты модуляции (десятки килогерц) высокую добротность при низких уровнях возбуждения, весьма высокую стабильность частоты модуляции ( 10). Благодаря этому полосу пропускания регистрирующего устройства можно выбрать узкой (доли герц), что в сочетании с высокой частотой модуляции позволяет дискри- минировать низкочастотные флуктуации сигнала. Рабочий элемент модулятора пластина из изотропного -материала (квар.ц плавленьм, стекло и т.д.), обладая-высокой пространственной од- породностью, не вносит дополнительных флуктуации в сигнал. Двухканаль- ная схема регистрации построена таким образом, что позволяет отделить полезный (рабочий)сигнал от перемен- ного нулевого.

Таким образом, повышается воспроизводимость и снижается предел обнаружения определяемого газа, а также расширяются границы оптической облас ти исследуемого излучения.

Формула изобретения

Оптический измеритель концентрации газа, включающий расположенные последовательно коллиматор, управляемый интерференционно-поляризационный светофильтр, состоящий из двух

скрещенных поляризаторов, между ко

50 5

20

25

30

торыми размешены двулучепреломляю- щая пластина с осью, перпендикулярной оптической оси измерителя, и переключающий элемент, соединенный последовательно фотодетектор, уси-- литель, синхродетектор, а также генератор, соединенный с переключающим элементом и синхродетектором, и регистратор, отличающий.с я тем, что, с целью повышения воспроизводимости результатов измерений и снижения порога обнаружения определяемого газа, он дополнительно содержит второй усилитель, второй синхродетектор, фазосдвигающий элемент и схему вычитания сигналов, причем входы первого и второго усилителей соединены между собой, выход второго усилителя соединен с входом второго синхродетектора, второй синхродетектор, соединен с генератором через фазосдвигающий элемент, выходы первого и второго синхродетек- торОБ соединены с входом схемы вычитания сигналов, выход которой соединен с р егистрагорсм, а переключающий элемент выполнен в виде пластины из изотропного фотоупругого материала, жестко связанной с пьезоэлектрическим преобразователем.

Изобретение может быть использовано для селективного контроля содержания газообразных веществ. Целью изобретения является повышение воспроизводимости результатов измерения и снижение порога обнаружения определяемого газа. Оптический измеритель содержит коллиматор, управляемый интерференционно-поляризационный светофильтр и двухканальную схему обработки сигнала. Применение в светофильтре фотоупругого модулятора в совокупности с двухканальной схемой обработки позволяет существенно снизить влияние как оптических, так и электрических помех на результаты измерений. 1 ил.

Редактор Е.Копча

Составитель О.Голубев

Техред М.Ходанич Корректор О.Луговая

Заказ 377/46 Тираж 777Подписное

БНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4