ГАЗОАНАЛИЗАТОР Советский патент 1995 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при анализе газовых компонентов.

Известен абсорбционный газоанализатор, содержащий источник излучения и последовательно расположенные по ходу излучения рабочую кювету, модулятор на котором закреплены светофильтры рабочего и опорного каналов, оптически связанный с датчиком положения модулятора фотоприемник, соединенный с первым входом системы регистрации и обработки сигнала, второй вход которой соединен с выходом датчика положения модулятора.

Недостатком подобного газоанализатора является низкая чувствительность анализа, которая при приемлемых длинах рабочей кюветы достигает единиц млн^-1, а также узкий диапазон измеряемых концентраций, т.к. интенсивность прошедшего света через рабочую кювету зависит от концентрации анализируемого газа по экспоненциальному закону.

Известен оптико-акустический газоанализатор, в котором в качестве фотоприемника используется оптико-акустический приемник, наполненный смесью анализируемого газа и газа-разбавителя. За счет использования оптико-акустического фотоприемника достигается высокий уровень чувствительности и селективности анализа.

Недостатком подобного газоанализатора является чувствительность к вибрациям, недостаточно большой срок службы вследствие утечки газового наполнения из оптико-акустического фотоприемника, который представляет собой достаточно сложную электромеханическую конструкцию, имеющую большое количество соединений.

Целью изобретения является повышение надежностных параметров газоанализатора, точности измерений.

Указанная цель достигается тем, что в газоанализатор, содержащий оптически связанные первый источник излучения, модулятор, на котором закреплены интерференционные светофильтры рабочего и опорного каналов, рабочую кювету с анализируемой газовой смесью, а также первый фотоприемник, соединенный с системой регистрации и обработки полезного сигнала, которая коммутируется датчиком положения модулятора, дополнительно введены второй источник излучения, интерферометр, включающий объектив, светоделительное зеркало, эталонную кювету, заполненную смесью анализируемого газа и газа-разбавителя и оптически связанную через модулятор и рабочую кювету с первым источником излучения сравнительную кювету, заполненную газом-разбавителем; второй фотоприемник, система обратной связи, включающая усилитель, привод, компенсатор, при этом второй источник излучения оптически связан с интерферометром, первый и второй идентичные выходы которого, образованные объективом и светоделительным зеркалом, оптически связаны с первым и вторым фотоприемниками соответственно, причем выход второго фотоприемника соединен с входом усилителя, выход которого подключен к приводу, механически связанному с компенсатором, установленным на оптической оси интерферометра.

На чертеже схематически представлен предлагаемый газоанализатор. Газоанализатор состоит из источника 1 излучения (лампы ИК 4-1,2), модулятора 2, на котором закреплены светофильтры рабочего 3 и опорного 4 каналов, рабочей кюветы 5, через которую прокачивается анализируемая газовая смесь, объектив 6, эталонной кюветы 7 интерферометра, заполненный смесью анализируемого газа высокой концентрации с газом-разбавителем, сравнительных кювет 8 интерферометра, наполненных газом-разбавителем, светоделительной пластины 9, поворотной призмы 10, компенсатора 11, привода 12, источника 13 излучения интерферометра (лампы ОП6-3), позиционно-чувствительного фотоприемника 14 (микросхема типа К849ПП1, состоящая из двух фотодиодов), усилителей 15 постоянного тока, светоделительного зеркала 16, фотоприемника 17 (ФЭУ 86), усилителя 18 селективного, управляемого высоковольтного блока 19 питания, датчика 20 положения модулятора, формирователя 21, системы 22 обработки полезного сигнала, устройства 23 индикации.

Газоанализатор работает следующим образом. Излучение от источника 1 направляется в рабочую кювету 5, содержащую анализируемую газовую смесь через светофильтр 3, выделяющий рабочую область спектра (например, 10,6 мкм для анализа SF₆), или светофильтра 4, выделяющий опорную длину волны 9,5 мкм (светофильтры поочередно вводятся в световой поток с помощью модулятора 2). Далее излучение фокусируется с помощью объектива 6 в эталонную кювету 7 интерферометра, стенки которой покрыты светоотражающим слоем. Кювета 7 заполнена смесью исследуемого газа (SF₆) и газа-разбавителя, обладающего небольшой теплопроводностью и теплоемкостью (Xe). Концентрация SF₆ выбиралась таким образом, чтобы излучение полностью поглощалось в кювете 7 за 1 2 прохода. В результате поглощения излучения в кювете 7 происходит разогрев газа, а следовательно и изменение показателя преломления n_р. Однако это происходит только в случае поступления излучения с длиной волны, соответствующей центру линии поглощения (т. е. с рабочей длиной волны). Для опорной длины волны анализируемый газ прозрачен и его разогрев (и соответствующее изменение показателя преломления n_о) возможен только вследствие неселективного поглощения излучения стенками, окнами кюветы (фоновый сигнал). Эти изменения показателя преломления Δ_nр и Δ_nодетектируются с помощью интерферометра Жамена. Излучение от источника 13 делится с помощью пластины 9 на два потока, один из которых проходит через эталонную кювету 7, второй через сравнительную кювету 8, заполненную газом-разбавителем (Xe). Эти потоки отражаются от поворотной призмы 10, повторно проходят через свои кюветы и смешиваются на светоделительной пластине 9. Образующаяся при этом интерференционная картинка с помощью объектива 6 и светоделительного зеркала 16 фокусируется на позиционно-чувствительный приемник 14 и на фотоприемник 17. С помощью фотоприемника 14 и цепи обратной связи, состоящей из усилителя 15 постоянного тока, привода 12 и компенсатора 11 поддерживается постоянное положение ахроматической полосы относительно двух фотодиодов фотоприемника 14 (должны быть освещены одинаково), а значит и относительно фотокатода фотоприемника 17 (обеспечивается постоянное положение его рабочей точки). Перед фотоприемником 17 устанавливается диафрагма шириной 20 мкм, которая выделяет центр крыла ахроматической полосы, что обеспечивает максимальную чувствительность анализа. Поскольку длительность периода изменений Δ_nр, Δ_no≈ 0,2 с, а постоянная времени цепи обратной связи интерферометра ≈2 3 с, то быстрые колебания не отрабатываются этой цепью. Кратковременные смещения интерференционной картины детектируются с помощью фотоприемника 17, усиливаются в селективном усилителе 18, настроенным на частоту следования импульсов и сигнал поступает на первый вход системы 22 обработки полезного сигнала. Эта система 22 коммутируется с помощью датчика 20 положения модулятора и формирователя 21 управляющих сигналов. Для устранения влияния возможных колебаний интенсивности излучения источника 13 на величину полезного сигнала служит цепь обратной связи, поддерживающая величину постоянной составляющей сигнала, снимаемого с фотоприемника 17, на заданном уровне. Она состоит из усилителя 15, управляемого высоковольтного блока 19 питания и самого фотоприемника 17. Кроме информационного сигнала усилителя 18, на второй вход системы 22 подается опорное напряжение усилителя 15 цепи обратной связи фотоприемника 17. Таким образом, в системе 22 обрабатывается отношение переменной и постоянной составляющей полезного сигнала. Обработанный по указанному алгоритму полезный сигнал поступает в устройство 23 индикации.

Предлагаемый газоанализатор может с успехом конкурировать по чувствительности с оптико-акустическими приборами газового анализа. Отсутствие в газонаполненной эталонной кювете газоанализатора чувствительных к изменению давления газа элементов делает заявляемое техническое решение устойчивым к вибрациям, что уменьшает погрешность измерений.

Поскольку в эталонной кювете нет никаких датчиков давления или температуры, то количество соединений в такой кювете минимально, можно использовать простые и надежные способы герметизации соединений. Это гарантирует сохранение газового наполнения кюветы в течение всего срока службы газоанализатора, что не приводит к изменению его метрологических параметров со временем, т.е. подобные газоанализаторы обладают высокой метрологической надежностью.

Использование: оптические приборы анализа газовых компонентов. Цель -повышение точности анализа, метрологической надежности газоанализаторов. Сущность изобретения: анализатор содержит оптически связанные источник излучения, модулятор с интерференционными светофильтрами рабочего и опорного каналов, рабочую кювету с анализируемой газовой смесью, фотоприемник. В газоанализатор дополнительно вводят 2-ой источник излучения, интерферометр, включающий объектив, светоделительное зеркало, эталонную кювету со смесью анализируемого газа и газа-разбавителя, сравнительную кювету с газом-разбавителем, 2-ой фотоприемник, соединенный с приводом, который механически связан с установленным на оптической оси интерферометра компенсатором. При этом первый и второй идентичные выходы интерферометра, образованные объективом и светоделительным зеркалом, оптически связаны с 1-м и 2-м фотоприемниками соответственно. 1 ил.

ГАЗОАНАЛИЗАТОР, содержащий оптически связанные первый источник излучения, модулятор с интерференционными светофильтрами рабочего и опорного каналов, рабочую кювету с анализируемой газовой смесью, первый фотоприемник и датчик положения модулятора, выходы которых подключены к системе регистрации и обработки сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены второй источник излучения, интерферометр, содержащий объектив, светоделительное зеркало, эталонную кювету, заполненную смесью анализируемого газа и газа-разбавителя, второй фотоприемник, усилитель, привод, компенсатор, при этом второй источник излучения оптически связан с интерферометром, первый и второй идентичные выходы которого, образованные объективом и светоделительным зеркалом, оптически связаны с первым и вторым фотоприемниками соответственно, причем выход второго фотоприемника соединен с входом усилителя, выход которого подключен к приводу, механически связанному с компенсатором, установленным на оптической оси интерферометра.