Спектрометр Советский патент 1990 года по МПК G01J3/12 

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению.

Цель изобретения - повышение чувствительности и селективности при одновременном измерении всех компонент газовой смеси.

На фиг.1 показана структурная схема спектрометра: на фиг.2 - наборы выходных щелей: на фиг.З - то же, при непрерывном изменении расстояний между щелями: на фиг.4 - то же, при изменении расстояний между щелями по закону, соответствующему спирали Архимеда.

Спектрометр содержит источник 1, кол- ли аторную линзу 2, формирующую световой поток, кювету 3 с анализируемой газовой смесью, объектив 4, фокусирующий излучение в плоскость входной щели 5.

Щели 5 размещены на кассете 6, установленной на оси тягового двигателя 1. Полихроматор состоит из дифракционной решетки 8 и сканируемой выходной щели 9, установленной на оси привода 10. Система регистрации содержит фотоумножитель 11 усилитель 12, датчик 13 реперной точки, формирователь 14 управляющего сигнала, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 15, микропроцессор 16, дисплей 17, блок 18 питания шагового двигателя и блок 19 управления.

СА) О Х1

Спектрометр работает следующим образом.

Излучение от источника 1 проходит через анализируемую газовую смесь, содержащуюся в кювете 3, и преобретает характерную спектральную структуру, представляющую собой композицию из структур анализируемых газов, содержащихся в смеси. Излучение фокусируется на входные щели 5 полихроматора, который установлен на кассете 6. В одном из вариантов кзссета 6 представляет собой металлический диск, на котором прорезаны (по одному витку) спирали Архимеда с различным шагом - как положительным, так и от- рицательным (фиг.4). Причем для достижения селективности количество Щелей в кассете должно быть четным. Получен- ная таким образом система щелей характерна тем, что расстояние между щелями d изменяется по линейному закону

d di + a,

где а tga - постоянная, величина которой определяется углом а ;

(р- угловая координата кассеты 6. На кассете 6 также имеется реперное отверстие, от которого начинается отсчет угловой координаты. Кассета 6 установлена на оси шагового двигателя 7, на которой через блок 18 поступают периодически от блока 19 цуги импульсов. Каждый цуг импульсов осуществляет поворот кассеты на определенный угол , при котором щели 5 кассеты образуют маску с расстоянием между щелями di DI (5Я| для анализа i-ro газа. В этом положении кассета находится до прихода следующего цуга импульсов Di - обратная линейная дисперсия монохрома- тора.

Прошедшее через щели 5 кассеты 6 излучение разлагается по спектру с помощью решетки 8 и собирается в ее фокальной плоскости. Световой поток от каждой щели 5 кассеты 6 образует в фокальной плоскости решетки 8 изображение спектра анализируемого газа. При эквидистантном расположении полос поглощения спектры совпадают по фазе, амплитуды их структуры суммируются и амплитуда полезного сигна-. ла увеличивается в п раз, где п - количество щелей 5, а эффективное значение сигнала - в V1T раз. Если спектры не совпадают по фазе, то и не происходит увеличения полезного сигнала.

При сканировании выходной щелью 9 с помощью привода 10 спектра, о,бразован- ного в фокальной плоскости решетки 8, с выхода фотоумножителя 11 снимается сигнал, близкий к синусоидальному определенной частоты (при наличии только одного из анализируемых газов в кювете 3), или сигнал, имеющий более сложный спектр (в случае присутствия нескольких газов). Этот сигнал усиливается и поступает на быстродействующий АЦП 15, в котором он преобразуется в цифровую форму. АЦП 15 управляется сигналами, поступающими с блока 19 через формирователь 14. Цифро- вые сигналы поступают в микропроцессор 16, где они накапливаются в соответствующих каналах и обрабатываются по определенному алгоритму. Концентрация анализируемых газов индицируется на дис- 5 плее 17. Для поиска исходного положения кассеты б служит датчик 13. Между блоком 19 и микропроцессором 16 идет обмен информацией о начале и окончании выполнения той или иной команды, поступающей с 0 микропроцессора 16.

Требование, чтобы расстояние di между щелями в каждом фиксированном положении было равно. dr DI (3 Я вытекает из определения линейной дисперсии полихрома- 5 тора Di , где dl-расстояние в спектре между излучениями с весьма близкими длинами волнАиЯ -f d Я,, который наблюдается в плоскости выходной щели полихроматора,Действительно, плоскости входной и вы- 0 ходной щелей в соответствии с принципом взаимности эквивалентны. Поэтому, если в плоскости входной щели 5 полихроматора установить набор щелей с расстоянием между щелями,равным dj, то в плоскости его 5 выходной щели 9 сформируется их изображение {в случае монохроматического источника излучения). Причем расстояние между изображениями щелей в наборе по шкале длин волн d Я Di/d. Если d выбрать таким 0 образом, чтобы dЯ б Я; (б Я) - период структуры 1-го анализируемого газа), то в случае освещения щелей 5 набора монохроматическим источником 2 света и присутствия в кювете 3 1-го анализируемого газа, в плоско- 5 сти выходной щели 9 полихроматора наблюдаются спектры i-ro газа (от каждой щели., маски, накладывающиеся друг на друга с совпадающей по фазе структурой), т.е. в этом случае амплитуда полезного сигнала 50 увеличивается в п раз, где п - количество щелей в наборе.

В случае изменения расстояния между щелями 5 кассеты 6 по линейному закону di d 1 + ах (фиг.З) величина а Д d /Л х tga . 55Если S - ширина входных щелей 5 кассеты 6 и ска.нируемой выходной щели 9 (обычно эти ширины выбираются равными), h - высота входной щели 5, то каналы второй щели кассеты относительно первой на

угол а приводят к уменьшению расстояния между изображениями щелей на величину А- htga . Максимальная амплитуда полезного сигнала может быть получена при ширине щелей 5, равной s 0.5d. С другой стороны, для того, чтобы изображения щелей 5 кассеты 6 в плоскости выходной щели У не перекрывались, необходимо в данном случае чтобы А s. Подставляя значения Д , получают h s/tga .

Таким образом, введение в предлагаемый спектрометр, предназначенный для од- новременного анализа многих газовых компонентов, наборов входных щелей указанной конструкции, движущихся с по- мощью привода по определенной программе, повышает селективность анализа, его чувствительность, Это, в свою очередь, позволяет расширить диапазон измеряемых концентраций, уменьшить по- 2 грешность измерений.

Формула изобретения 1. Спектрометр, содержащий оптически связанные источник излучения, конденсор- ную систему, кювету для анализируемой га- 2 зовои смеси, полихроматор, снабженный входной щелью и выходной щелью, установленной с возможностью сканирования по спектру, и приемник излучения, а также систему регистрации, соединенную с прием- 3 НИКОМ излучения, о т л и ч а ю щ и и с я тем что, с целью повышения чувствительности и селективности при одновременном измерении всех компонент газовой смеси он содержи по крайней мере одну дополни- 35 тельную входную щель, составляющую с ВХОДНОЙ щелью первый набор входных щелей, а также т-1 наборов дополнительных входных щелей, содержащих в каждом наборе по крайней мере две входных щели 40 где m - количество анализируемых компонент газовой смеси, каждый из m наборов входных щелей установлен с возможностью поочередного размещения в плоскости ВХОДНОЙ щели полихроматора, при этом рас- 45

5

5

стояние di между входными щелями в каждом наборе удовлетворяет соотношению di DI d/lj ,

х т7раГ ° Ai- спектральный период структуры 1-й компоненты газовой смеси.

2. Спектрометр поп.1,отличающий- с я тем, что расстояние d,- между входными щелями удовлетворяет соотношению

di di+xtga,

где di - расстояние между входными щелями, соответствующее компоненту газовой смеси с минимальной величиной;

« - угол наклона входных щелей одна относительно другой;

X - координата в направлении, перпендикулярном дисперсии полихроматора при этом высота h каждой входной щели удовлетворяет соотношению

s

h

tga

где s ширина выходной щели, а ширина I каждого набора входных щелей удовлетворяет соотношению

.

где dm - максимальное расстояние между входными щелями, соответствующее т-му компоненту газовой смеси.

3. Спектрометр поп.1,отличающий- с я тем, что входные щели выполнены в виде спиралей Архимеда с общим центром, расстояния di между входными щелями удовлетворяют соотношению

di di + tgcr,

где - угловая координата спирали Архимеда, при этом высота h каждого набора ВХОДНОЙ щелей удовлетворяет соотноше11И гО

h

tga

а ширина I каждой входной щели удовлетворяет соотношению

02dm.

Изобретение относится к области оптического спектрального приборостроения. Целью изобретения является повышение чувствительности и селективности при одновременном измерении компонент газовой смеси. Излучение от источника проходит через кювету для анализируемой газовой смеси и поступает в полихроматор. Входная щель полихроматора состоит из M наборов входных щелей. Каждый из M наборов состоит по крайней мере из двух входных щелей. Каждый набор поочередно размещается в плоскости входной щели полихроматора. Расстояние D_I между входными щелями в каждом наборе равно D_I=D_L^.δλ_I, где D_L - обратная линейная дисперсия полихроматора, δδ_I - спектральный период структуры I-ой компоненты газовой смеси. Расстояние D_I также может удовлетворять соотношению D_I=D₁+XTGΑ, где D₁ - расстояние между входными щелями, соответствующее компоненту газовой смеси с минимальной величиной δλ_I, Α - угол наклона щелей, X - координата в направлении, перпендикулярном дисперсии полихроматора. Входные щели могут быть выполнены в виде спиралей Архимеда с общим центром. Устройство позволяет расширить диапазон измеряемых концентраций. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Фиг. 3

&udA

5