Способ определения качественного и количественного состава среды Советский патент 1993 года по МПК G01N21/61 G01N21/39 

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для определения качественного и количественного состава газовых смесей, образуемых в результате жизнедеятельности организмов, или выделяемых в процессе работы различных устройств, например, карбюраторных двигателей.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Указанная цель достигается тем. что, на среду, прозрачную для оптического излучения, поочередно воздействуют N пучками оптического излучения, каждому из которых соответствует своя спектральная полоса, преобразует излучение, прошедшее через среду, в электрические сигналы и измеряют амплитуды электрических сигналов. Новым является то, что одновременно с каждым из упомянутых пучков на среду дополнительно воздействуют п пучками излучения, идентичными упомянутым, где значения п определяют из условий М-2гл- 1 и N/n+2 - целое число, причем комбинации пучков, одновременно воздействующих на среду, выбирают из ряда, полученного путем составления из последовательности номеров всех возможных сочетаний без повторений из (п+2) по (п+1), а концентрации компонентов среды определяют по формулам

-Ugi

In

n+2

2)S|-(n+1)Si i 1

n +2

2Sio-(n + 1)Sio

для n + 2 i 1

(1)

Ligi

In

2n +4

Ј Si (n +1)S| i n +3

2n + 4

SiO (n + 1)S|0 i n +3

для 2n + 14 i n + 3

и т.д., где Xi - концентрация в среде i-ком- понента, поглощающего излучение в области спектральной полосы, соответствующей i-му пучку;

Li - коэффициент поглощения 1-го компонента среды в области спектральной по- лосы, соответствующей i-му пучку;

di - оптический путь 1-го пучка;

5ш - амплитуда электрического сигнала при одновременном воздействии на среду (п+1) пучком, среди которых нет i-ro пучка;

Sio - амплитуда электрического сигнала при одновременном воздействии на фотоприемник (п+1) пучком, среди которых нет 1-го пучка, при отсутствии среды.

Предложенный способ поясняется чертежами. На фиг.1 приведена блок-схема устройства для реализации способа для случая, когда и .

1, 2, 3 - первый, второй и третий источ- ники оптического излучения, соответственно;

4 - фотоприемник;

5 - среда, прозрачная для оптического излучения;

6 - схема измерения электрических сигналов.

На фиг.2 приведены эпюры электрических сигналов с фотоприемника при работе4 устройства (фиг.1); а, б, в - сигналы при воздействии на среду пучков излучения от источников 1, 2, 3.

На фиг.З приведена схема устройства, использованного для конкретной реализации предлагаемого способа, где:

5

10

15

0

5

0

5

0

5

0

5

7 - блок питания источников излучения;

8 - регулирующий резистор;

9 - синхронный электродвигатель;

10 - источник питания синхронного электродвигателя;

11 - дисковый прерыватель излучения; 12, 13, 14 - первый, второй и третий узкополосные фильтры, соответственно;

15 - вспомогательный дисковый прерыватель;

16 - кювета с кварцевыми окнами;

17 - компрессор;

18, 19 - вогнутые зеркала;

20 - предварительный усилитель;

21 - узел обработки сигналов;

22 - усилитель;

23, 24, 25 - первый, второй и третий индикаторы;

26 - синхронный сигнал-генератор.

Предлагаемый способ может быть реализован следующим образом.

Источники излучения 1,2,3 (фиг. 1) включают последовательно друг за другом и таким образом формируют соответственно первый I, второй II и третий III пучки излучения, последовательно воздействующие на среду 5. Каждому из пучков I, II, III соответствует своя заранее известная спектральная полоса. Это обеспечивают или за счет того, что каждый источник излучения 1, 2, 3 формирует пучок с одной спектральной полосой, или за счет того, что из каждого из пучков I, II, III, имеющих первоначально широкий спектр, выделяют излучение с одной спектральной полосой (например, с помощью дифракционной решетки или фильтров). Одновременно с каждым из упомянутых пучков излучения (N-2, п«1), формируемым одним из тех же источников 1, 2, 3. Пучки,дополнительно воздействующие на среду 5,идентичны по интенсивности, спектральному составу и конфигурации первоначально упомянутым пучкам I, II, HI, т.к. формируются теми же источниками излучения 1, 2, 3 и, следовательно, дополнительно воздействующим пучкам, идентичным пучкам I, II, III, соответственно, можно также присвоить номера I, И, III. Из последовательности номеров пучков (I, II, III) можно составить три сочетания из 3 по 2 (п+2 3, ) без повторений: (I, II), (II, III), (HI, I). Исходя из этого, на среду 5 одновременно с пучком 1 воздействуют пучком II, включая одновременно с источником 1 источник 2; одновременно с пучком II - пучком III, включая одновременно с источником 2 источник 3; одновременно с пучком III - пучком 1, включая одновременно с источником 3 источник 1 (фиг.2).

Оптическое излучение взаимодействует со средой 5. Если в среде 5 содержатся компоненты, поглощающие излучение в области спектральной полосы, соответствующей какому-либо из пучков, то интенсивность излучения этого пучка после взаимодействия со средой уменьшается. После взаимодействия со средой 5 излучение попадает на фотоприемник 4, который преобразует излучение в электрические сигналы, причем, амплитуды этих сигналов пропорциональны интенсивности излучения пучка. Амплитуда сигналов при одновременном воздействии на среду двух пучков (Si) равна сумме сигналов, которые появлялись бы при воздействии на среду каждого из этих пучков в отдельности:

(фиг.2а) (фиг.2б) (фиг.2в)

(2)

где И - амплитуда электрического сигнала при воздействии на среду одного i-пучка ,2,3).

Каждое из значений амплитуд электрических сигналов Si является результатом взаимодействия со средой 5 двух пучков. Следовательно, каждое значение Si содержит в себе информацию о поглощении в среде 5 излучения с двумя спектральными полосами. Так, значение Si содержит информацию о поглощении излучения пучков II и III, которым соответствуют спектральные полосы с длинами волн Яа и Аз, соответственно. Значения S2 и 5з, аналогично, содержат информацию о поглощении излучения cAi и Аз (соответствующих пучкам I и III) и Ai и А2 (соответствующих пучкам I и II). Если происходит поглощение излучения в области какой-либо спектральной полосы, с определенным значением AI, то соответствующие значения Si, уменьшаются.

Значения Si, S2, 5з измеряются с помощью схемы измерения сигналов (6), и далее над ними производят следующие преобразования:

51 + S2 + S3-2Si 2li(3)

52 + S2 + S3-2S2 2l2

Si + S2 + S3-2S3 2l3 В общем виде:

п 4-2

2Si-(n + 1)Si (n + 1)li (4)

i 1

Из (3) и (4) видно, что в результате преобразования получены значения амплитуд

сигналов, соответствующих воздействию излучения с одной спектральной полосой, но увеличены в (п+1) раз по сравнению со случаем воздействия на среду одиночными пучками. Уровень же шума фотоприемника при этом не изменяется, следовательно, увеличивается отношение полезный сигнал/шум, и повышается точность измерения электрических сигналов h.

0 Концентрации компонентов среды определяют из соотношения Бугера-Ламбер- та, которое с учетом выражения (4) принимает вид (1). При этом в результате увеличения точности измерения амплитуд

5 электрических сигналов h увеличивается и точность определения концентрации компонентов среды Xi, которые вычисляются через эти амплитуды (или, что то же самое, через комбинации амплитуд электрических

0 сигналов Si). Аналогичным образом действуют при большем количестве пучков N попеременно воздействующих на среду 5. Например, . Условиям N - 2 П 1 и N/n+2 - целое число удовлетворяет 5 количество пучков, дополнительно воздействующих на среду одновременно с упомянутыми. Тогда из номеров пучков I. If, III. IV можно составить следующие сочетания без повторений из 4 () по 3 (п+1)3): (I, II,

0 -III), (II. III. IV) и (IV, I, II). В соответствии с этим на среду воздействуют одновременно с пучком излучения I пучками II и III. одновременно с пучком II - пучками III и V. одновременно с пучком III - пучками IV и I и

5 одновременно с пучком IV - пучками I и II. Тогда , в соответствии с выражением (4) после обработки электрических сигналов будут получены четыре значения h, по каждому из которых можно судить о погло0 щении средой оптического излучения с определенной спектральной полосой и каждое из которых увеличено в 3 раза по сравнению со случаем поочередного воздействия на среду N одиночными пучками.

5 Концентрации компонентов среды при этом вычисляют по формуле (1). Таким образом, в случае , оказывается возможным установить наличие в среде четырех компонентов, и в три раза увеличить точность

0 измерения их концентраций.

Пример. Предлагаемый способ был реализован с помощью устройства, схема которого представлена на фиг.З. В качестве источников излучения 1 и 2 использовались

5 лампы накаливания ТРШ 2300 с кварцевыми колбами, пропускающими инфракрасное излучение. На лампу 1 и 2 подавали напряжение от источника питания 7 (УИП-2). Пучки излучения, воздействующие на газовую среду, формировали с помощью дискового

прерывателя 11, имеющего три отверстия. Вфильтрами 12, 13 и 14, последовательно отверстия, расположенные под углом 120°сменяющими друг друга. Источник 2 был друг относительно друга, были вставленырасположен относительно источника 1 под узкополосные интерферационные фильт-120° относительно оси вращения диска 11, ры 12, 13, 14, имеющие максимумы пропу-5 поэтому дисковый прерыватель 11 одноере- скания при длинах волк At 3,7 мкм, Аа менно пропускал через фильтры излучение 3,3 мкм, Аз 2,7 мкм, соответственно. Пре-от источников 1 и 2, т.е. одновременно с рыватель 11 вращали с помощью двигателякаждым из упомянутых пучков на среду до- 9 (ЩДР-711), на который подавалось напря-полнительно воздействовали еще одним жение от источника питания 10(ОН3215ПМ).10 пучком излучения в следующих сочетаниях: В результате на среду воздействовали тре-(I. II). (И, Hi), (Ml. I), где I лучков формируется мя пучками излучения со спектральными по-при прохождении излучения через фильтр лосами, соответствующими указанным12, II пучок - через фильтр 13, III пучок - длинам волн. Исследуемая газовая средачерез фильтр 14. Пучки, формируемые из 5 прокачивалась с помощью компрессора15 излучения источника 2 были идентичны пуч- 17 через кювету 16. Пучки излучения послекам, формируемым из излучения источника воздействия на среду с помощью вогнутых1, т.е. была проведена балансировка этих зеркал 18и 19(fu 12,5см)фокусировалиисточников и пучки формировались с лона фотоприемник 4 (ФР-611). Сигнал с фо-мощью одних и тех же фильтров. Пучки из- топриемника 4 подавался в схему измерения20 лучения пропускали через кювету 16 и после сигналов 6, содержащую предварительныйвзаимодействия со средой 5, прокачивае- усилитель 20(548УН1), блок обработки сиг-мой через кювету, направляли с помощью налов 21, усилитель 22 (комплекс ДВК-3 сзеркал 18 и 19 на фотоприемник 4. С no- блоками САМАС) и индикаторы 23,24. 25. Смощью фотоприемника оптические сигналы помощью описанного устройства проводи-25 преобразовывали в электрические. Причем, лись измерения концентраций углекислогопоскольку на среду взаимодействовали од- газа (максимум поглощения при длине вол-повременно двумя пучками, то каждый элек- ны Аз 2,7 мкм) и метана (максимум погло-трический сигнал нес в себе информацию о щения при длине волны Аг 3,3 мкм) ввзаимодействии со средой 5 излучения, со- воздушной среде. Перед началом измере-30 держащего две спектральные полосы с дли- ний производили балансировку источни-нами волн AI и Аг - при воздействии ков 1 и 2 для обеспечения идентичностипучками 1 и II, Аг и Аз - при воздействии формируемых ими пучков излучения. Дляпучками II и III, Аз и AI - при воздействии этого на валу двигателя 9 укрепляли вспо-пучками III и i. Сигнал с фотоприемника 4 могательный диск 15, с одним отверстием35 усиливался предварительным усилителем для прохождения излучения от источников20, после чего осуществлялось синхронное 1 и 2 к фотоприемнику 4. Далее включалидетектирование узлом обработки сигналов блоки питания источников 7 и двигателя 10.21 и синхронный сигнал - генератором 26. При этом схемой 6 измерялась интенсив-Далее сигналы, соответствующие воздейст- ность излучения, попадающего на фотопри-40 вию на среду пар пучков (1, 3), (2, 1), (3, 2) емник 4 попеременно от источников 1 и 2.выводились на индикаторы 23, 24, 25, соот- При этом сигналы с фотоприемника при воз-ветственно. Индикаторы 23, 24, 25 пред- действии пучков от источников 1 и 2 послеставляли собой микроамперметры типа усиления выводились на индикаторы 23 иН-24.

24, соответственно. Регулируя величину со-45 В отсутствие газовой среды в кювете 16

противления 8 добивались одинаковогопоказания индикаторов 23, 24, 25. т.е. амплоказания индикаторов 23 и 24, т.е. иден-литуды электрических сигналов Sio. Szo, Ззо

тичности пучков, формируемых источника-имели значения 29,3 мкА, 15,2 мкА, 30,5 мкА,

ми1и2.соответственно. Затем кювету 16 наполняли

Далее проводили непосредственно из-50 калиброванной метаново-воздушной

мерения. Для этого диск 15 заменяли насмесью, которая содержала 2% мётана

дисковый прерыватель 11, в который были(,02) и 0.03% углекислого газа

вставлены узкололосные фильтры 12, 13 и(,0003). Значения Si, За, Зз при этом

14. При вращении диска 11с помощью элек-17,3 мкА, 15,2 мкА, соответственно. Из полтродвигателя 9 на среду 5 в кювете 16 воз-55 ученных таким образом значений Sio и Si при

действовали тремя пучками оптическогоизвестных концентрациях компонентов

излучения с длинами волн At 3,7 мкм, Аг среды Х| определяли значения коэффици3,3 мкм и Аз « 2,7 мкм, сформированнымиента пропорциональности (ajdi) следующим

при фильтрации излучения от источника 1образом:

Выражение (5) получено из общего выражения (1) для реализуемого в примере случая , , 2, 3. С помощью (5) вычислили ,14, ,96. Вычисление aidi не имеет смысла, т.к. компонент, поглощающий излучение в области спектральной полосы пучка I (Я 3,7 мкм), в среде отсутствовал, что подтверждается равенством значений Но и И, которые были вычислены для данного случая по формуле (4) (,4мкАи ,4мкА). После определения значений aidi кювету 16 продували новой смесью для определения качественного и количественного состава среды. Для того использовали другую калиброванную воз- душно-метановую смесь с содержанием метана - 4% и углекислого газа - 0,03%. Амплитуды электрических сигналов при этомимелизначения51 11,7мкА,,1 мкА, ,0 мкА. Для данного случая и для случая отсутствия в кювете среды по формуле 4 были вычислены значения I ю и I). Получено ,4 мкА, ,6 мкА, ,0 мкА, il-16,4 мкА, ,6 мкА, ,8 мкА. Из сравнения 1ю и li следует: компонент, поглощающий излучение с At 3,7 мкм в смеси отсутствует (), компоненты, поглощающие излучение с А2 3,3 мкм (метан) и с Дз 2,7 мкм (углекислый газ) в смеси имеются, т.к. 12 bo, 1з 1зо. Концентрация метана и углекислого газа, вычисленные по формуле (1) с использованием определенных ранее значений и Lads, имели величины 4,02% и 0,03%. Видно хорошее соответствие между концентрациями метана и углекислого газа, полученные предлагаемым способом и известными для данной калиброванной смеси.

Предлагаемый способ позволил определить концентрации метана и углекислого газа на 30% точнее, чем прототип 2. Для реализации известного способа-прототипа в устройстве на фиг.З был отключен источник излучения 2, таким образом было получено устройство для реализации способа-прототипа, аналогичное прибору RI-503AH-S фирмы Рикен Кейки (Япония).

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить точность измерений концентраций компонентов среды, что в свою очередь позволит увеличить точность и чувствительность газоанализаторов, используемых, например, для определения

0

5

0

5

0

состава смесей, образуемых в результате жизнедеятельности организмов, или выделяемых в процессе работы различных устройств.

Формула изобретения Способ определения качественного и количественного состава среды, прозрачной для оптического излучения, путем поочередного воздействия на среду N пучками оптического излучения, каждому из которых соответствует своя спектральная полоса, преобразования излучения, прошедшего через среду, в электрические сигналы и измерения амплитуд электрических сигналов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, одновременно с каждым из упомянутых пучков на среду дополнительно воздействуют п пучками излучения, идентичными упомянутым, где значения п определяют из условий N-2 п и N/(n+2) - целое число, причем комбинации пучков, одновременно воздействующих на среду, определяют из ряда, полученного путем составления из последовательности номеров пучков всех возможных сочетаний без повторений из (п+2) по (п+1), а концентрации компонентов среды определяют по формулам

п+2

2Si-(n + 1)Si

Хг

1

-Ugi

In

i i

n +2

2Sio-(n+1)Sio

i 1

для n + 2 i 1,

2n +4

2Si-(n+1)Si

i л +3

Xi

1

LiQi

In

2n +4

2Sio-(n+1)Sio

n +3

для 2n+4 i n-3 и т.д.

где Xi - концентрация в среде 1-го компонента, поглощающего излучение в области спектральной полосы, соответствующей I- му пучку;

LI - коэффициент поглощения 1-го ком- понента среды в области спектральной полосы, соответствующей i-му пучку;

di - оптический путь 1-го пучка;

Si - амплитуда электрического сигнала при одновременном воздействии на среду (п+1)-м пучком, среди которых нет 1-го пучка;

Sio - амплитуда электрического сигнала при одновременном воздействии на фотоприемник (п+1)-м пучком, среди которых нет i-ro пучка, при отсутствии среды.

1

5

4

Назначение: изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для определения качественного и количественного состава газовых смесей, образуемых в результате жизнедеятельности организмов или выделяемых в процессе работы различных устройств. Оно решает задачу повышения точности измерений концентраций компонентов среды. Сущность: на среду, прозрачную для оптического излучения, поочередно воздействуют N пучками оптического излучения, каждому из которых соответствует своя спектральная полоса, преобразуют излучение, прошедшее через среду, в электрические сигналы и измеряют амплитуды этих сигналов, одновременно с каждым из упомянутых пучков на среду дополнительно воздействуют п пучками излучения. Идентичными упомянутым, значения п определяют из следующих условий N-2 n и Nfn+2) - целое число, причем комбинации пучков, одновременно воздействующих на среду, выбирают из ряда, полученного путем составления из последовательности номеров пучков всех возможных сочетаний без повторений из (п+2) по (п+1), а концентрации компонентов среды определяют по определенным формулам. 3 ил.

г

з

Фи.г.1

Дз

Фаг 2

Ґ

4

-/

in

in

V

-/