ГАЗОАНАЛИЗАТОР Советский патент 1994 года по МПК G01N21/35 

Изобретение относится к аналитической технике, в частности к газоанализаторам, и может быть использовано для определения малых добавок в выбросах транспорта и промышленных предприятий.

Для определения процентного содержания газовых или паровых добавок в атмосфере используются газоанализаторы, работающие на оптико-акустическом принципе.

Известен газоанализатор, состоящий из источника ИК-излучения в виде теплового ИК-излучателя, модулятора, модулирующего излучение излучателя, и оптико-акустической кюветы с анализируемым газом, снабженной микрофоном, принимающим акустический сигнал, возникающий в анализируемом газе при наличии в нем ИК-поглощающей добавки, а также блоки регистрации, регистрирующего электрический сигнал с микрофона.

Описанный газоанализатор, однако, имеет малую селективность (избирательность), поскольку в нем источник ИК-излучения имеет сплошной спектр, а ИК-поглощение присуще очень большому числу молекулярных газов.

Наиболее близким техническим решением является оптико-акустический газоанализатор, содержащий лазер, измерительную кювету, приемник излучения, синхронный усилитель и регистрирующий прибор.

Известный газоанализатор обладает избирательностью в связи с узким спектральным диапазоном излучения лазера и возможностью его частотной перестройки.

Однако данный газоанализатор обладает в ряде случаев недостаточной надежностью и не обеспечивает чувствительности и точности измерений, поскольку измерения в нем проводятся по способу предварительной (или последующей) калибровки, так что измеряемый сигнал с микрофонного датчика имеет относительно большую величину и, следовательно, значительный уровень шумов. Кроме того, при измерениях с помощью газоанализатора - прототипа на точности отрицательно отражается нестабильность источника (лазера) и приемника излучения.

Цель изобретения - повышение чувствительности и надежности при одновременном упрощении.

Поставленная цель достигается тем, что газоанализатор дополнительно содержит кювету, причем обе кюветы размещены в оптическом резонаторе лазера и снабжены электродами, соединенными с генератором переменных напряжений, который соединен с синхронным усилителем, воспринимающим сигнал с приемника излучения и соединенным с регистрирующим прибором.

На чертеже схематически представлен общий вид газоанализатора.

Газоанализатор включает лазер 1, посылающий излучение через расположенные в оптическом резонаторе лазера вдоль оптической оси кювету 2 и измерительную кювету 3, снабженные боковыми электродами 4, и далее на приемник излучения 5. Газоанализатор включает также генератор 6, обеспечивающий переменные напряжения, подаваемые на пластины 4 и на синхронный усилитель 7, получающий кроме переменного напряжения от генератора 6 также измерительный сигнал от приемника 5 и выдающий сигнал на регистрирующий прибор 8.

Газоанализатор работает следующим образом. Исследуемая проба, содержащая анализируемую добавку, помещается в измерительную кювету 3, благодаря чему в измерительной кювете 3 происходит поглощение ИК-излучения, зависящее от спектрального перекрытия линии генерации лазера 1 и контура линии поглощения анализируемого газа. Если теперь включить генератор 6, то на анализируемый газ в измерительной кювете 3 будет наложено переменное электрическое поле, которое обусловит за счет Штарк-эффекта частотное перемещение контура поглощения относительно линии генерации по синусоидальному закону, благодаря чему интенсивность излучения, приходящего на приемник излучения 5, изменяется по закону
I = + I₂
I₂ = I₀ Sin ω t, где I'₀ - амплитуда переменной составляющей;
ω- круговая частота модуляции;
- постоянная часть (средний уровень) интенсивности излучения.

При подаче анализируемого газа в кювету 2 и отсутствии его в измерительной кювете 3 образуется интенсивность
I = + I'₂
I'₂ = I'₀ ˙ Sin ( ω t + π ) фаза модулирующего напряжения, подаваемая на кювету 2, выбирается противоположной фазе напряжения на измерительной кювете 3).

Ясно, что совместное действие на интенсивность излучения обеих кювет 2 и 3 приведет к уменьшению результирующей переменной составляющей. При выборе рабочей точки на полувысоте контура поглощения и равных концентрациях поглощающего (анализируемого) газа в кюветах 2 и 3 переменная составляющая равна 0, и выходной сигнал, регистрируемый прибором 8, также равен 0.

Таким образом, оказывается возможным изменение неизвестной концентрации в пробе в измерительной кювете 3 путем уравновешивания ее воздействия на показания прибора 8 при подаче равной ей (известной заранее) концентрации этого же газа в кювету 2.

Сигнал с приемника пропорционален амплитуде колебаний показателя поглощения анализируемого газа Δα
A= -I_вых·Δα·l , где K₁ = I_вых˙ Δα˙l; K₂= ; K₃= ;
I_вых - мощность излучения лазера;
κ_o - ненасыщенное усилие активной среды;
L - ее длина;
α - показатель поглощения анализируемого газа;
l - длина кюветы с анализируемым газом, помещенной в оптический резонатор лазера;
P₂ - параметр насыщения активной среды;
ρ, ρ_o- коэффициент отражения соответственно выходного и глухого зеркал.

Здесь K₁ - коэффициент, определяющий чувствительность прибора при внешнем расположении аналитической кюветы, т. е. в прототипе, а K₂, K₃ - коэффициенты, определяющие выигрыш в чувствительности при переходе к внутрирезонаторному расположению аналитической кюветы по предлагаемому изобретению. Рассмотрим его внимательнее.

K₂ представляет собой превышение над порогом генерации, т. е. K₂ > 1. Кроме того, справедливо условие P₂ >> α l, поскольку имеются в виду очень малые значения α (предельно малые концентрации анализируемого газа).

Разберем два случая эксплуатации газоанализатора.

Случай 1. κ₀ L >> α l + P₂, т. е. лазер с большим усилением и высокодобротным резонатором (P₂ мало), тогда получаем
KK₃≃ ≃ = , для типичных параметров
ρ= 0,55 и ρ_o = 0,99 K₂ ˙ K₃ ≃ 5, т. е. достигается 5-кратный выигрыш точности и чувствительности газоанализатора.

Случай 2. κ_oL α l + P₂ , т. е. лазер работает у порога генерации. Тогда K₂ ≃ 1 и K₂·K₃≃ ≃ , для типичных параметров
κ_o= 0,01 см^-1; L = 0,7 м; ρ = 0,95; ρ_o = 0,99
K₂˙K₃ ≃ 115.

Различие в случаях эксплуатации газоанализатора, рассмотренных выше, заключается в следующем. Случай 1 соответствует работе лазера далеко от порога генерации, т. е. генерация устройства дает стабильный выходной сигнал, являющийся мерой концентрации. В этом случае газоанализатор работает как измерительный прибор с повышенной ~ в 5 раз по сравнению с прототипом чувствительностью и точностью. Так, если в прототипе результируется точность регистрации концентрации 1 ppm, то в предлагаемом газоанализаторе точность составит ~ 0,2 ppm. В случае 2, когда прибор работает в пороговом режиме, сигнал генерации может изменяться очень сильно (в 115 раз сильнее, чем в прототипе), однако в этом случае амплитуда генерации не будет устойчивой, поэтому точность может оказаться невысокой, хотя чувствительность очень велика.

Таким образом, выполнение газоанализатора согласно описываемому создает большой технический эффект, позволяя повысить чувствительность газоанализатора более чем в 100 раз, и точность измерений в 5 раз, как было показано выше, за счет размещения кювет в оптическом резонаторе лазера.

Чувствительность газоанализатора и точность измерений обусловлены тем, что в предлагаемом газоанализаторе традиционный метод 0-баланса применен по однолучевой схеме благодаря использованию предложенной системы модуляции.

Надежность предлагаемого газоанализатора повышается за счет применения оптико-электрических элементов вместо механических узлов (модулятора) и конструктивного соединения примененного модулятора с аналитическими кюветами.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения данного изобретения связан с упрощением и, следовательно, удешевлением его конструкции за счет удаления механического модулятора, и, главным образом, со значительным увеличением надежности прибора за счет устранения механических узлов. (56) Ваня Я. Анализаторы газов и жидкостей. М. : Энергия, 1970, с. 226-234.

Crane G. D. Laser optoacoustic absorption spectra for various explosive vapors. Appl Optics, v. 17, N 13, 1978, р. 2097.

ГАЗОАНАЛИЗАТОР , содеpжащий лазеp, измеpительную кювету, пpиемник излучения, синхpонный усилитель и pегистpиpующий пpибоp, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и надежности, он снабжен дополнительной кюветой, пpичем обе кюветы pазмещены в оптическом pезонатоpе лазеpа и снабжены электpодами, соединенными с генеpатоpом пеpеменных напpяжений, котоpый соединен с синхpонным усилителем, воспpинимающим сигнал с пpиемника излучения и соединенным с pегистpиpующим пpибоpом.