ОПТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР Советский патент 1994 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к газовому анализу, основанному на поглощении инфракрасного излучения определяемым компонентом газовой смеси, и может быть использовано для анализа концентраций газов.

Цель изобретения - повышение чувствительности путем устранения влияния мультипликативных помех на показания газоанализатора.

На фиг.1 представлена структурная схема газоанализатора; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.3 - полоса поглощения анализируемого газа и функции пропусканий фильтра.

Оптический газоанализатор содержит последовательно расположенные на одной оптической оси источника 1 излучения, например нихромовая спираль, формирователь 2 параллельного светового потока, выполненный в виде параболоида вращения, интерференционый фильтр 3, расположенный так, что нормаль его составляет с оптической осью угол ϕ, и соединенный механически с приводом 4 качания, газовую кювету 5, через которую прокачивается анализируемая газовая смесь, фокусирующий конус 6, приемник излучения 7 с подключенным к нему электронным блоком обработки сигнала, включающим усилитель 8 постоянного тока, выход которого одновременно подключен к входам фильтра нижних частот 9 и полосового фильтра 10, настроенного на частоту, кратную частоте качания интерференционного фильтра 3, выход фильтра нижних частот 9 соединен с входом амплитудного детектора 11, а выход полосового фильтра 10 - с входом амплитудного детектора 12, выходы амплитудных детекторов 11 и 12 подключены к входам схемы деления 13, осуществляющей операцию деления амплитуды гармоники, кратной частоте качания интерференционного фильтра 3, на амплитуду нулевой гармоники, выход схемы деления 13 подключен к индикатору 14.

Газоанализатор работает следующим образом. Известно, что при изменении угла падения светового потока на поверхность интерференционного фильтра частота максимального пропускания этого фильтра ν_осмещается по оси частот. Оптимальным в смысле изменения спектральных характеристик интерференционного фильтра является формирование параллельного потока излучения. При увеличении угла падения параллельных лучей от 0 до 40^о эффект смещения частотыν_о в высокочастотную область максимален, а увеличение полуширины интерференционного фильтра мало. Если, например, привод 4 выполнен по принципу часового маятника, а ось привода соединена с интерференционным фильтром 3, то изменение ν_о осуществляется по следующему закону:
ν_o(ϕ+δϕ cosωt) = ; (1) где ν_ON- частота, соответствующая максимальному пропусканию при нормальном падении параллельного светового потока;
n - эффективный коэффициент преломления интерференционного фильтра;
ω- частота качания интерференционного фильтра;
δϕ- угол максимального отклонения от значения ϕ при сканировании;
t - текущее время.

Угол ϕ выбирают так, что при δ ϕ cosωt = 0 интерференционный фильтр 3 пропускает световой поток в спектральном интервале, где анализируемый газ имеет максимальный коэффициент поглощения.

На фиг. 2 показано расположение интерференционного фильтра 3 в пучке светового потока и крайние положения ϕ±δϕ его нормали при качании. Выражение, описывающее функцию пропускания τ_ф интерференционного фильтра, если пренебречь изменением τ_макси δ ν₀₅от угла в интервале от ϕ- δ ϕ до ϕ+ δ ϕ , так как они изменяются незначительно, имеет вид
τ_ф(ν₁ϕ+δϕ cosωt) = τ_макс· e , (2) где ν- частота светового потока;
τ_макс- максимальное пропускание интерференционного фильтра при нормаль- ном падении светового потока на поверхность этого фильтра;
δ ν_0,5- полуширина интерференционного фильтра по уровню 0,5 τ_макс.

Рассмотрим случай, когда в газовой кювете 5 находится один измеряемый компонент. Сигнал U с выхода усилителя 8 постоянного тока имеет вид
Ф e × (3) где Ф_о - величина параллельного потока излучения, в пределах пропускания фильтра 3 считаем const;
К_о - коэффициент передачи оптической системы, включающей элементы 5 и 6, см. фиг.1;
К₁ - коэффициент преобразования приемника излучения 7, в рассматриваемом интервале частот не зависит от ν;
К₂ - коэффициент усиления усилителя 8 постоянного тока;
β_ν- коэффициент поглощения измеряемого компонента;
m,k - эмпирические параметры;
W - поглощающая масса измеряемого компонента;
Р_э - эффективное давление;
ν_н(ϕ+δ ϕ cos ω t),
ν_к(ϕ+δ ϕ cos ω t)- верхний и нижний пределы интегрирования (ν_н>ν_r), которые определяются областью спектрального пропускания интерференционного фильтра 3.

Так как β_νзадан таблично, аппроксимируем коэффициенты поглощения в пределах одной из ветвей измеряемого компонента следующим многочленом
β_ν= β_о+a(ν-ν_ог)², (4) где ν_ог- частота, соответствующая максимальному коэффициенту поглощения ; β_оизмеряемого компонента анализируемой газовой смеси;
а - коэффициент пропорциональности.

Ограничим анализируемый спектральный интервал условием β_о= 0, т.е.

ν_ог- ≅ ν ≅ ν_ог+ . (5) Для простоты решения уравнения (3) выражение (1) можно аппроксимировать уравнением
ν_о(ϕ+δ ϕ cos ω t)=ν_о(ϕ)+δ ν cos ω t, (6) где δ ν- амплитуда сканирования по шкале частот, являющаяся функцией от n, δ ϕ,ϕ.

Тогда пределы интегрирования ν_н(ϕ+δ ϕ cos ω t), ν_к(ϕ+δ ϕ cos ω t) определяются следующими уравнениями:
ν_н(ϕ+δ ϕ cos ω t)=ν_н(ϕ)+δ ν cos ω t,
ν_к(ϕ+δ ϕ cos ω t)=ν_к(ϕ)+δ ν cos ω t. (7)
Функцию пропускания интерференционного фильтра (2) аппроксимируем следующим выражением:
τ_ф(ν, ϕ+δϕ cosωt) = (8)
На фиг.3 представлены полоса поглощения 15 анализируемого газа и функции пропускания 16 и 17 интерференционного фильтра 3, 16 - при нормальном падении параллельного светового потока на поверхность интерференционного фильтра, 17 -при падении параллельного светового потока под углом ϕк нормали интерференционного фильтра 3).

Уравнение (3) с учетом выражений (7) и (8) примет вид
U = K₀K₁K₂Ф τ_макс e · dν (9)
Разложив подынтегральное выражение в ряд и ограничившись двумя членами разложения после их интегрирования, приняв во внимание, что ν_н(ϕ)-ν_ог=Δ νи ν_к(ϕ)-ν_ог=-Δ ν, получим следующее выражение:
W^mP2β₀Δν+ a(Δν)³+aΔν(δν)- (10)
При большем числе членов разложения подынтегральной функции (9) в выражении (10) появятся четные гармоники (четвертая, шестая, восьмая и т.д.)
Сигнал с выхода усилителя 8 постоянного тока поступает на вход фильтра нижних частот 9 и на вход полосового фильтра 10, настроенного на 2-ю гармонику с максимальной амплитудой. С выходов этих фильтров 9 и 10 сигналы поступают на входы амплитудных детекторов 11 и 12, с выходов которых сигналы подаются на схему деления 13, сигнал с выхода схемы деления 13 определяется выражением.

U₁₃= . (11)
Из выражения (11) видно, что сигнал на выходе газоанализатора определяется только концентрацией и спектром измеряемого компонента, а также амплитудой сканирования, полушириной интерференционного фильтра, и не зависит от изменения светового потока, параметров оптической схемы, приемника излучения, усилителя постоянного тока.

Таким образом, данная схема позволяет повысить чувствительность газоанализатора. Имея набор интерференционных фильтров, можно определять концентрацию нескольких анализируемых компонентов в газовой смеси.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к газовому анализу, основанному на поглощении инфракрасного излучения определяемым компонентом газовой смеси. Цель изобретения - повышение чувствительности путем устранения мультипликативных помех на показания газоанализатора. Для этого газоанализатор снабжен формирователем 2 параллельного светового потока, интерференционным фильтром 3 с приводом 4 качания, приемником излучения 7 и электронным блоком обработки сигнала, который включает усилитель 8 постоянного тока, фильтр 9 нижних частот, полосовой фильтр 10, настроенный на частоту, кратную частоте качания интерференционного фильтра 3, два амплитудных детектора 11 и 12 и схему 13 делителя с подключенным к нему индикатором 14. Электронный блок обработки сигнала осуществляет выделение гармоники, кратной частоте качания интерференционного фильтра 3, и нулевой гармоники, деление амплитуды гармоники, кратной частоте качания этого фильтра, на амплитуду нулевой гармоники. Такое конструктивное выполнение позволяет использовать метод частотной модуляции в оптических газоанализаторах. 3 ил.

ОПТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР, содержащий последовательно расположенные на оптической оси источник излучения, формирователь светового потока, интерференционный фильтр, кювету, приемник излучения и подключенный к нему электронный блок обработки сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности путем устранения влияния мультипликативных помех на показания газоанализатора, формирователь светового потока выполнен в виде формирователя параллельного светового потока, интерференционный фильтр выполнен с возможностью качания вокруг оптической оси, электронный блок обработки сигнала включает усилитель постоянного тока, фильтр нижних частот, полосовой фильтр, настроенный на частоту, кратную частоте качания интерференционного фильтра, два амплитудных детектора и схему деления с подключенным к ее выходу индикатором, причем входы фильтра нижних частот и полосового фильтра подключены к выходу усилителя постоянного тока, их выходы - к входам амплитудных детекторов, выходы которых подключены к входам схемы деления.