Способ анализа газов и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01N21/00 

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано для дистанционных и локальных измерений концентраций газообразных веществ.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

На чертеже представлена структурная схема одного из вариантов устройства, предназначенного для осуществления способа корреляционного анализа газов.

Устройство содержит оптически связанные неселективный Модулятор 1, селективный газофильтровый модулятор 2.

сравнительную кювету 3, оптическую систему 4 и фотоприемник 5. а также блок 6 делителя напряжений, блок 7 разностного сигнала, блок 8 сигнала нормировки, первый 9 и второй 10 формирователи управляющих сигналов, при этом выход фотоприемника через блок 6 делителя напряжений подключен к входу блока 7 разностного сигнала, управляющий вход которого через первый формирователь 9 управляю- щихсигналов связан с неселективным модулятором 1, вход блока 7 разностного сигнала соединен с входом блока 8 сигнала нормировки, выход которого соединен с

СО

о

00

го ел

СлЭ

нормирующим входом блока 6 делителя напряжений, а управляющий вход через второй формирователь 10 управляющих сигналов связан с селективным газофильтровым модулятором 2. .

Сущность способа состоит в следующем. Пучки излучения (от естественного или искусственного источника), прошедшего сквозь анализируемую среду, находящуюся в атмосфере или в специальной рабочей кювете, модулируют и раздельно пропускают по корреляционному каналу, в котором осуществляют дополнительную селективную (только для измеряемого компонента) ши- ротно-спектральную модуляцию пропускаемого излучения, и по сравнительному каналу, в котором отсутствует селективное поглощение излучения в рабочем интервале длин волн. При этом неселективную модуляцию излучения в корреляционном и сравнительном каналах осуществляют путем попеременного или с разной частотой прерывания пропускаемых по ним пучков, причем в первом пучке селективную широт- но-спектральную модуляцию излучения в корреляционном канале выполняют с частотой, превышающей частоту его неселективной модуляции, а во втором случае - наоборот. .

Отдельно на частоте (частотах) неселективной модуляции пучков излучения в корреляционном и сравнительном каналах формируют разностный сигнал, т.е. сигнал, пропорциональный разности потоков прошедшего через них излучения, а на частоте селективной широтно-спектральной модуляции излучения в корреляционном канале формируют сигнал нормировки и измеряют значение пронормированного разностного сигнала за вычетом значения этого сигнала, имеющего место при нулевой концентрации измеряемого компонента анализируемой смеси.

При отсутствии поглощения излучения в анализируемой смеси (в рабочем интервале длин волн) и в корреляционном канале потоки излучения, пропускаемого по этому и сравнительному каналам уравнивают, после чего в корреляционном канале осуществляют селективную широтно-спектральную модуляцию пропускаемого по нему излучения и получаемый при этом пронормирован- ный разностный сигнал компенсируют до нулевого значения, соответствующего отсутствию измеряемого компонента в анализируемой смеси.

При появлении в анализируемой смеси посторонних компонентов, линии поглощения которых не перекрываются с линиями поглощения измеряемого компонента.

уменьшение потоков излучения, пропускаемого по каналам будет одинаковым, что не вызовет изменения разностного сигнала, т.е. результирующий измеряемый сигнал останется неизменным. Появление в анализируемой смеси определяемого компонента скажется лишь на уменьшении потока излучения, пропускаемого по сравнительному каналу, т.к. в корреляционном канале в

центрах линий поглощения излучение будет заведомо поглощено или заметно ослаблено. При этом сигнал нормировки, получаемый за счет селективной модуляции ширин спектральных интервалов в

районах центров линий поглощения определяемого компонента остается без изменения и будет, как и разностный сигнал, пропорционален потоку излучения источни- ка..

Таким образом, измеряемый пронорми- рованный разностный сигнал будет однозначно связан с концентрацией определяемого компонента и не будет зависеть ни от интенсивности излучения, пропускаемого через анализируемую среду, ни от посторонних компонентов, линии поглощения которых в рабочем интервале длин волн не перекрываются, хотя их полосы поглоще- ния могут быть перекрыты,

Устройство для реализации данного способа, структурная схема которого представлена на чертеже, работает следующим образом.

Излучение от естественного или искусстввнного источника проходит через анализируемую среду, находящуюся непосредственно в атмосфере или в специальной рабочей кювете, модулируется неселективным модулятором 1 и пропускается через

селективный газофильтровый модулятор 2, представляющий собой модуляционную камеру, в которой оптическая толщина поглощающего слоя газа, аналогичного измеряемому компоненту, периодически

изменяется, и через сравнительную кювету 3, заполненную газом, непоглощающим, излучение в рабочем интервале длин волн. При этом неселективный модулятор может быть выполнен в виде вращающегося диска

с вырезами для попеременного или с разными частотами прерывания пропускаемых через селективный газофильтровый модулятор и сравнительную кювету пучков излучения.

Оптической системой 4, в состав которой может входить оптический фильтр, пучки излучения, прошедшего по корреляционному и сравнительному каналам направляются на приемную площадку

фотоприемника 5. Выходной электрический

сигнал фотоприемника подается в блок электронной обработки сигналов, в состав которого входят соединенные последовательно блок 7 разностного сигнала и блок 6 делителя напряжений, а также блок 8 сигна- ла нормировки. При этом блок делителя напряжений может включаться как перед блоком разностного сигнала (показано на чертеже) и представлять собой усилитель с автоматической регулировкой усиления, так и после него и представлять собой измеритель отношения открытого типа.

Согласно варианту устройства, представленному на чертеже, выходной сигнал фбтоприемника подается на вход блока 6 делителя напряжений, в котором при необходимости усиливается и нормируется на выходной сигнал блока 8 сигнала нормировки, после-чего синхронно с частотой (частотами) неселективной модуляции пучков излучения, в корреляционном м сравнительном каналах обрабатывается в блоке 7 разностного сигнала с получением сигнала, пропорционального разности потоков этих излучений, и -измерением значения этого сигнала по отношению к его значению при нулевой концентрации измеряемого компо.- нента в анализируемой среде.

Для синхронизации работы блока разностного сигнала используется связанный с модуляторам, например оптически, первый формирователь 9 управляющих сигналов. В качестве блока разностного сигнала может быть использован фазочувствительный усилитель, а в качестве блока 8 сигнала норми- ровки - накопительное устройство, управляемое синхронно с селективной модуляцией излучения в корреляционном канале посредством второго формирователя 10 управляющих сигналов, связанного с се- лективным газофильтровым модулятором.

При отсутствии поглощения излучения в анализируемой смеси и отсутствии поглощающего газа в газофильтровом модуляторе потоки излучения, пропускаемого через этот модулятор и сравнительную клювету, уравниваются. Газофильтровый модулятор заполняется газом, аналогичным измеряемому компоненту, причем таким образом, чтобы даже при минимальной толщине его поглощающего слоя цсуществлялось достаточно полное поглощение излучения в центрах линий. Работа же газофильтрового модулятора будет заключаться в периодическом изменении ширин этих линий погло- щения, что обеспечит однозначную связь амплитуды селективно промодулированно- го сигнала с интенсивностью излучения источника при устранении влияния на него посторонних компонентов, линии поглощения которых не перекрываются с линиями поглощения газа в газофильтровом модуляторе. При этом селективное ослабление излучения посторонними компонентами приведет к одинаковому снижению потоков излучения, проходящего как через газофильтровый модулятор, так и через сравнительную кювету, что не приведет к изменению разностного сигнала. Таким образом, пронормированный разностный сигнал останется без изменения и при отсутствии измеряемого компонента в анализируемой смеси может быть скомпенсирован до нуля.

Появление в анализируемой смеси измеряемого компонента приведет к селективному ослаблению излучения в центрах его линий поглощения, а это скажется лишь на уменьшении потока излучения, пропускаемого через сравнительную кювету, т.к. газрфильтровым модулятором излучение на этих длинах волн заведомо поглощено или заметно ослаблено. Таким образом, присутствие измеряемого компонента в исследуемой смеси ведет к изменению значения разностного сигнала, причем пропорционально обусловленному им уменьшению потока излучения, пропускаемого через эту смесь, при этом измеряемый пронормированный сигнал, дающий информацию о концентрации анализируемого компонента, не будет в достаточно широких пределах зависеть ни от изменений интенсивности излучения источника, ни от посторонних примесей.

Формула изобретения

1. Способ анализа газов, заключающий-, ся в пропускании пучков зондирующего излучения через анализируемую среду, их последующей неселективной модуляции, раздельном пропускании пучков зондирующего излучения по корреляционному и срав1 нительному каналам, выделении сигнала, пропорционального разности потоков излучения, и измерении сигнала, по величине которого судят о концентрации анализируемого компонента, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в корреляционном канале осуществляют селективную широтно-спектральную модуляцию пропускаемого через него пучка- зондирующего излучения с частотой, отличной от частоты неселективной модуляции, на частоте широтно-спектральной модуляции выделяют сигнал нормировки, на который нормируют сигнал, пропорциональный разности потоков излучения.

2. Устройство для анализа газов, содержащее неселективный модулятор, сравнительную кювету, оптическую систему, фотоприемник и блок обработки сигналов, причем выход фотоприемника подключен к входу блока обработки, отличающее- с я тем, что в него введены селективный газофильтровый модулятор, первый и второй формирователи управляющих сигналов, а блок обработки сигналов выполнен в виде блока разностного сигнала, блока деления и блока нормировки, при этом информационный вход блока разностного сигнала соединен с информационным входом блока нормировки, выход которого соединен с норми- рующим входом блока деления, а управляющий вход блока разностного сигнала через первый формирователь управляющих сигналов подключен к входу неселективного модулятора, управляющий вход блока нормировки через второй формирователь управляющих сигналов связан с

селективным газофильтровым модулятором.

Сущность изобретения: пучки излучения, прошедшего через анализируемую среду, модулируют и раздельно пропускают по корреляционному каналу, в котором осуществляют селективно широтно-спектральную модуляцию пропускаемого излучения, и по сравнительному каналу. Отдельно на частоте неселективной модуляции пучков в каналах формируют разностный сигнал и нормируют его на сигнал, который выделяют при пропускании излучения по корреляционному каналу на частоте его селективной широтно-спектральной модуляции. Измеряют значение пронормиро- ванного разностного сигнала относительно сигнала (при нулевой концентрации измеряемого компонента). В устройстве для обеспечения селективн-ой широтно-спектральной модуляции используют газофильтровый модулятор, заполняемый газом, аналогичным измеряемому компоненту. При этом для получения сигнала нормировки применяется формирователь управляющих сигналов, связанный с селективным газофильтровым модулято-- ром. 2 с.п. ф-лы, 1 ил. ел с