Газоанализатор Советский патент 1981 года по МПК G01N21/61 

1

Изобретение относится к области исследования веществ с помощью инфракрасных лучей, в частности к технике .газового анализа, и может быть использовано для определения содержания микропримесей в газовой среде.

Известен газоанализатор, выполненный по однолучевой одноканальной схеме, состоящей из источника излучения, формирователя потока, механического модулятора, интерференционного фильтра, полоса поглощения которого совпадает с полосой поглощения анализируемого компонента, кюветы с исследуемым веществом, приемника излучения и электронного- блока обработки сигнала l.

Недостатком данного газоанализатора является погрешность от нестабильности во времени ИК-потока, излучаемого источником.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому газоанализатору является газоанализатор, содержащий последовательно расположенные на одной оптической оси источник излучения, формирователь потока ИКизлучения, механический модулятор в виде вращающегося диска интерференционный фильтр, кювету с исследуемым

веществом и приемник излучения с подключенным к нему электронным блоком обработки сигналов 12J.

Недостатком указанного газоанализатора является наличие не менее двух интерференционных фильтров, характеристики которых изменяются со временем и от температуры неодинаково,что приводит к изменению метрологических характеристик прибора (снижению точности и увеличению нестабильности).

Целью изобретения является повышение точности и стабильности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в известном газоанализаторе, содержащем последовательно расположенные иа одной оптической оси источник

излучения, формирователь потока ИКйзлучения, механический модулятор в виде врёцдакяцегося диска,иитерЛеренцирнный фильтр, кювету с исследуемым веществом и приемник излучения с подключенным к нему электронным блоком обработки сигналов, диск модулятора изготовлен с двумя окнами, в одном из которых установлена плоскопараллельная пластина, а в другом - призма. Известно, что, если фильтр рассчи тан, на пропускание коллимированного потока ИК-излучения определенной длины волны (т,.е, угол падения потока излучения составляет О;, то при отклонении этого угла от нулевого значения максимум полосы пропускания фильтра смещается в коротковолновую область. Аналитическое выражение для пропускания излучения с длиной волны Л. для простого интерференционного фильтра имеет вид P pTpTl - tpVp pa где tiffгДр- энергетические коэффициенты пропускания первого и второго полуотражающих слоев и разделяющего их диэлектрического слоя; P-tPi энергетические коэффициенты отражения, металлических слоев со сторо ны диэлектрика ; 2Y Nn -sm -oC; 4-vVo - (2) - разность фаз между последовагельно интерферирующими лучами; п - показатель преломления подложки ; - толщина п.одложки из диэлектрика ; г, угол падения излучения; - фазовый сдвиг при отражении на полупрозрачном слое. Меняя, дискретно угол падения потока ИК-излучения, можно перемещать по шкале частот полосу пропускания интерференционного Фильтра, и, таким образом, отпадает необходимость во втором фильтре, а наличие только одного фильтра позволяет повысить точность и стабильность измерений. На фиг.1 изображена функциональна схема газоанализатора; на фиг.2 -ход лучей в призме, установленной в модуляторе . Устройство содержит последователь но расположенные на одной оптической оси источник 1 излучения (нйхромова спираль), формирователь потока в ви де коллиматора 2, приводимый во вра щение с помощью двигателя 3 механический дисковый модулятор 4 с двумя окнами, в одном из которых установл на плоскопараллельная пластина 5, а в другом - призма 6, интерференцион ный фильтр 7, многоходовую кювету с исследуемым веществом в виде полого фокусирующего конуса (фокона) 8, приемник 9 излучения с подключенным к нему электронным блоком обработки сигналов, включающим усилитель 10, вход которого соединен с выходом пр емника, схему 11 переключения сигна лов, два синхоонных детектора 12 и 13, сигнальные входы которых соединены с выходами схемы переключения сигналов , а управляющие входы - с выходом пары светодиод 14-фотодиод 15, схему 16 отношения, соединенную с выходами синхронных детекторов, и последовательно с нею - логарифмирующее устройство 17. Устройство работает следующим образом. Коллиматор 2 и плоскопараллельная пластина 5 формируют поток излучения от нити 1 накала, направляя его перпендикулярно плоскости интерференционного фильтра ( при этом допускается расхождение потока не более 5). Отфильтрованный поток входит в кюветуфокон 8 и, испытывая многократное отражение в ней, поступает на приемник 9 излучения. Коллиматор 2 и призма б формируют поток излучения подуглом падения на интерференционный фильтр, отличном от 0°. Выбор угла падения в этом случае зависит от ширины полосы поглощения конкретного исследуемого газа. Для оптимального использования входной апертуры призмы возможно использовать например, геометрию призмы (фиг.2). Направление луча 18 соответствует направлению коллимированного потока от источника излучения. Направление луча 19 соответствует общему случаю, когда падение потока излучения на призму произвольно,Уравнения, связывающие параметры призмы следующие: А 3-,+ Вг sinOi nsinO, s ri зС nsinB2, Ч () , где A - преломляющий угол при верщине призмы; п - показатель п.реломления мате-;риала призмы; f - угол отклонения призмы (угол, составленный падающим и выходящим лучами). В случае коллимированного.нормально падающего потока на поверхность призмы&:.., О, J3 О, Bj А, S i п 0 nsinB-j -- rtsinA, У Q Cf,,- G f Л , где Q - угол падения излучения на интерференционный фильтр. Таким образом, модулятор создает вариацию угла падения излучения на интерференционный фильтр, что обеспечивает переключения участков спектра, и Предлагаемое устройство решает задачу измерения концентрации исследуемого вещества. Мощность инфракрасного потока радиации, поступающего на приемник 9 излучения, пропорциональна пропусканию исследуемого газа в диапазоне полосы пропускания фильтра Л А.и пропорциональна пропусканию оптической схемы потока радиации источника в смешенном диапазоне пропускания филь тра uA. Сигналы, снимаемые с приемника 9, усиливаются малошумящим усилителем 1 Разделение .сигналов, несущих информа ощю о пропускании кюветы на разных. длинах волн, осуществляется схемой ;11 переключения сигналов. Эти сигналы поступают в схемы -12-13 синхронно го детектирования. Управление синxpOHHbiMH детекторами осуществляется с помощью пары светодиод 14-фотодиод 15. Преобразование напряжений, снима емых с выходов детекторов 12 и 13 в сигнал, пропорциональный парциальном давлению исследуемого газа, производится схемой 16 отношения. На выходе прибора установлено логарифмическое устройство 17. Таким образом;, измерение концентрации поглощающего газа или пара производится -путем измерения логариф ма отношений величины поглощения ИКизлучения в двух спектральных участках полосы поглощения измеряемого компонента. Такой способ измерения обеспечивает повышение селективности метода за счет уменьшения влияния мешающих компонентов. При падении на фильтр коллимированного пучка излучения, поток, за.регистрированный приемником излучения . i;L Toi: i€ - i i а при угле падения, отличном от О U, loTлгe f-, (4) где IP - поток, падающий на интер ференционный Фильтр; lA,ftA.j- интегральные коэффициенты пропускания Фильтра в диапазоне лЛ и, дЛ.2СОответ ственно; K,Kj- коэффициенты поглощения исследуемого и мешающего газов в диапазоне д К ,Kj- соответствующие коэффициенты поглощения в диапазонеC,Cj- концентрация исследуемого и меша ощего компонентов 1 . - длина кюветы. :з) Используя схему отношения сигналов , имеем jAl tA.j -(IC,C,K,C,-K;c,-(c;Ci)e , , U- , I l-Aj Если регистрируется сигнал на фоне очень сильной помехи, спектр которой полностью перекрывает спектр исследуемого газа (например случай полосы поглощения углекислого газа в районе 2,7 мкм на фоне полосы поглощения водгных паров),то Kj Kj , и тогда равенство (5) примет вид U СА 4KiCi-iCiC)e - t(в) lAi Отношение для одного и того же, фильтра, при отклонении пгшения пучка на некоторый фиксированный угол, остается величиной постоянной при любой величине пропускания фильтра, т.е. достигается повышение точности и стабильности измерения. Предлагаемое устройство, использу ющее только один интерференционный фильтр, обеспечивает повышение точности и стабильности измерений, а также экономию дорогостоящих интерференционных фильтров. Предлагаемое устройство можно рекомендовать для использования в химической и газовой проьалшленности, а также для оценки загрязнения окружающей среды. Формула изобретения Газоанализатор, содержащий последовательно расположенные на одной оптической оси источник излучения, формирователь потока ИК-излучения, механический модулятор в виде врёицающегося диска, интерференционный фильтр, кювету с исследуемым веществом и приемник излучения с подключенным к нему электронным блоком обработки сигналов, отличающийся- тем, что, с целью повышения точности и стабильности измерений, диск модулятора изготовлен с двумя окнами, в одном из которых установлена плоскопараллельная пластина, а в другом - призма. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент Франции № 219669, кл.С 01 N 7/04, опублик.1974. 2.Mach and gup Food J, П, 1974, №9., p.59-60,65,69 (прототип).