Способ инфракрасного анализа Советский патент 1976 года по МПК G01N21/00 

(54) СПОСОБ ИНФРАКРАСНОГО АНАЛИЗА

1

Изобретение относится к оптическому абсорбционному или эмиссионному анализу смесей веществ, основанному на измерении инфракрасного потока излучения, излученного или поглощенного определяемым компонен- том анализируемой смеси.

Известен способ инфракрасного анализа, состоящий в получении переменного электрического рабочего сигнала путем модуляции сравниваемых потоков излучения, по край- ней мере один из которых зависит от состава анализируемой смеси веществ, и в получении переменного электрического опорного сигнала, не зависящего от величин сравниваемых потоков излучения и от состава анализируемой смеси.

Кроме того, при использовании известно го способа применяется синхронное детектирование и последующее измерение среднего алгебраического значения продетектированно го сигнала. При этом выпрямляют рабочий сигнал, а в качестве сигнала, управляющего работой синхронного детектора, используют опорный сигнал. Последний для более четкой работы синхронного детектора часто усиливают и симметрично ограничивают до получения временной последовательности разнополярных прямоугольных импульсов со стабильной амплитудой. При использовании известного способа показания регистрирующего выходного прибора практически пропорциональны произведению коэффициента передачи оптического блока и коэффициента усиления усилителя рабочего сигнала.

Однако при изменении этих коэффициентов возникает мультипликативная погрешность измерений.

Целью изобретения является уменьшение мультипликативной погрешности измерения.

Для этого синхронно детектируют опорный сигнал, при этом в качестве управляющего сигнала используют сумму рабочего и эталонного сигналов, а частоту последнего выбирают отличной от частоты рабочего и опорного сигналов, например вдвое большей.

Изобретение пояснено чертежами.

На фиг. 1 приведены временные диаграммы для случая отсутствия рабочего сигнала на фиг. 2 - то же в присутствии рабочего сигнала, где кривые 1 - опорный сигнал.

кривые 2 - рабочий с иг кап, 3 - эталонный сигнал, предстаачяю.ший собой вторую гармонику рабочего сигнапа.

При использовании релейного синхронного детектирования (в этом случае достигает,ся наименьшая погрешность измерения в реЭультате получается знакопеременная после.довательность прямоугольных импульсов (см, фиг. 1, 2, Z, ). Полярность этих импульсов определяется полярностью опорного сигнала и полярностью упраишюшего сигнала (сумма рабочего и эталонного сигналов

Па чертежах приведен оди)г из двух вариантов реализации этой зависимости, случай, когда продетектированный сигнал имеет знак-плюс при совпадении полярностей опорного и управ ляющего сигналов и знак минус, если полярность опорного и упраапяющего сигналов противоположны.

Лри помощи регистрирующего прибора известным способом измеряют среднее атгебраическое значение продетектированного сигнала шт, что то же самое, измеряют отношениеtj - t -1 г суммарный промежуток времени, в течение которого полярности опорного и управляющег сигналов одинаковы, суммарный промежуток времен в течение которого полярности опорного и управляющего сигн лов противоположны, Указанное измерение можно осуществля известными споо б/5мк :..:; с;: пчгкретной, так и аналоговой техники, Во втором случае продетектированный си нал усредняют во времени, например при пом щи интегрирующей С-цепочки, установленной после синхронного детектора перед регистрирующим прибором постоянного тока. Сигнал, регистрируемый последним при постоянной времени интегрирующей цепочки во много раз большей периода модуляции, приведен на фиг. 2,5, Этот сигнал равен нулю при отсутствии рабочего сигнала и отличен от нуля при не равенства нулю рабочего сигнала. Основные преимущества предложенного способа анализа заключаются в следующем 1). При использовании предложенного способа отпадает необходимость в применении логометра (компаратрра). Для этого докажем, что измеряемое отношение (i ifJlt +± зависит от отношения Up и этапонного Ug амплитуд раоочег от их абсолютных величин сигналов, но не порознь.

Завпсимость невыпрямленного рабочего может быть выражена следующим образом:

P-Kt

(1)

где

Up - амнлитуго напряжония рабочего сигнала от вреьзетгн (см. фиг. 2, б).

Зависимость иевыпрямленного эталонного сигнала может быть выражена следующей формулой:

u,sin eusin-b3icos4;:

(1)

1де и - амплитуда этачонн --го сигнала (см. фпг. 1, 2, кривая 3), В качест ы примера jiraccMOTpeii случай, когда часто, а эталон:;ого сигнапа вдвое больше частоты рабочего сигнала, а начальные фазы равны нулю.

Управляюдцш сигнал может быть выражен следующей зависимостью:

tLirt,

4TCt

и sin

UpSiTj EUgCOS Можно показать, что суммарный проме- t находится из с.ледуюшел уток времени го условия: ОЛ4) Up-b2UgCos - и,.,-5-аи COS Отсюда: rr(tj.-ta) - - iiCOSl .t) 2(t.t,) trCtj-ta.) 7rCt,-t,) 2.stn г ) au.) Таким образом, выходной сигнал, пропорциональный измеряемому отношению, t. -1 3/ U 1-Ч г/ Up arcsin - Ь (6) t,-bt, ависит от отношения U-p / UgПричем, измерение осуществляется не сложным логометрическим устройством, а обычным прибором непосредственного прямого измерения. 2). Теперь сравним основные погрешноти, получаемые при использовании известого и предложенного способов. Благодаря тому, что предложенный спооб является сравнительным, влияние внеших факторов значительно меньше погрешноти, возникающей за счет использования авномерной щкалы.Эту погрешность и можо использовать для количественного сравения обоих способов измерения. 5518 Рабочий сигнал Up при экспоненциальном законе поглощения пропорционален величине (1-е ) , где Б - оптическая плотность для анализируемой смеси, X отношение концентрации определяемого ком-Dx

i-e

i тг

-arc sin

1-e-Dx где. / -э/мАКС - максимачьное значение отношения сигналов, достигается в конце диапазона измерения, т.е. при Х Воспользовавшись известным методом расчета получиг-i для относительной norpeUFj сти, появляюшейся при использовании ли- нешюй градуировочной характеристик-и пр D « 1 и Up Ug. следующее е-дг ажоние:Ч11г..,(Л1Ч.) . V-tj- - a/MAKc (.ШК V ti-tj. г. олАкс |(х-х)-() (х-х).С о V и /МАИС Первое слагаемое в полученной формуле ра но тому значению погрешности, которое наблюдалось для известного способа непосредственного или логометрического измере ния. Максимальное значение его достигает ся при X 0,5. Для того, чтобы результирующая погреш ность, выражаемая формулой (8), была ми нимальной, подберем величину эталонного сигнала U такой, чтобы при X 0,5 сумма двух слагаемых бьша равна нулю, т.е. чтобы выполнялось условие - eD- С9) J Э ЛлАКС Тогда, при X 0,25 остаточная погрешность равна Гриос) DU-хП г3 При использовании известного измерения р.ШК (максимальное значение погрешности наблю дается в середине диапазона измерения,т.е при X О, 5). Из сравнения формул (10) и (11) следует, что при одинаковых значениях D рассматриваемая погрешность предложенно

U

- atcsinl r()

i M.AKC понента, при которой производится расчет погрешности, к максимальному диапазону измерения. При этом измеряемое отноше кие (6) равно го способа анализа в 8 раз меньше, чем погрешность известного способа. Более стро гие расчеты дают близкий результат. 3). При изменении коэффициента передачи оптического блока и коэффициента усиления усилителя изменяются практически одинаково и рабочий и эталонный сигнал (во всяком случае это условие обычно всегда нетрудно выполнить). При этом алгебраичес-кий знак управляющего сигнала (сумма рабочего и эталонного сигнала) не изменяется. Вследствие этого остается неизменным и сигнал после синхронного детектора (см. фиг. 2,2.). Следовательно, показания выходного регистрирующего прибора оказываются независящими от изменений коэффициента передачи оптического блока и коэффициента усиления усилителя. 4). Предложенный способ позволяет наиболее полно скорректировать влияние мешающих факторов. Действительно, известный способ анализа, основанный на использовании способа непосредственного измерения, позволяет осуществить коррекцию только температурного влияния. Это осуществляется при помощи терморезисторов, включаемых в выходную электрическую цепь, В предложенном способе, благодаря эталонному сигналу, удается уменьшить также влияние колебаний частоты модуляции излу- чения, возникающих за счет колебаний частоты сети. Самым важным преимуществом предложенного способа является то, что коррекцию погрешностей можно осуществить в опорном сигнале. При этом можно использовать в качестве источников опорных сигналов датчики не только параметрического, но и генераторного типов. В результате набор различных приемов коррекции погрешностей возрастает настолько, что удается устранить влияние всех внещчих влияющих факторов, включая атмосферное давление и др. Благодаря такому разделению функций сигналов настройка прибора, построенного на использовании предложенного способа, также резко упрощается. Необходимую для получения эталонногосигнала неполную юстировку оптической системы достигают, например, за счет асимметрии освещенности по сечению световых 75 потоков в направлении вращения дискового обтюратора. Формула изобретения Способ инфракрасного анализа путем получения переменного электрического рабочего сигнала модуляцией сравниваемых потоков излучения, по крайней мере один из которых зависит от состава анализируемой смеси веществ, получения переменного электрического опорного сигнала не зависящего

О

а 1 от величин сравниваемых потоков излучения и от состава анализируемой смеси, синхронного детектирования и последующего измерения среднего алгебраического значения продетектированного сигнала, отличающийся тем, что, с целью уменьшения мультипликативной погрешности измерения, синхронно детектируют опорный сигнал, при этом в качестве управляющего сигнала используют сумму рабочего и эталонного сигналов, а частоту последнего выбирают отличной от частоты рабочего и опорного сигналов, например вдвое большей.