Оптический газоанализатор Советский патент 1981 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к газовому анализу, основанному на погл щении электромагнитного излучения оптическом диапазоне длин волн, опр деляемом компонентом газовой смеси, и может быть использовано в автоматических газоанализаторах. : Известен оптический газоанализат содержащий источник излучения, форми рователь потока излучения, модулятор в виде поворотного зеркала и при емник излучения с электронным блоком обработки сигнала. Модуляцию потока по частоте осуществляют изменением длины хода луча в оптическсн системе путем быст.рого перемещения поворотного зеркал вдоль оси вращения на определенную величину г.. Недостатком этого устройства является сложность оптической системы. Наиболее близким к предлагаемому является оптический газоанализатор, содержащий расположенные на одной оптической оси излучатель, формирователь потока излучения, модулятор, систему интерференционных светофильтров, рабочую камеру с анализируемой смесью и электронный блок обработки сигналов 2. Недостатком такого газоанализатора является невысокая селективность и концентрационная чувствительность из-за перекрытия полос поглощения измеряемого газа и других газов, содержащихся в газовой смеси. , Цель изобретения - повьппение точночти анализа. Поставленная цель достигается тем, что в оптическом газоанализаторе, содержащем расположенные на одной оптической оси излучатель, формирователь потока излучения, модулятор, систему интерференционных светофильтров, рабочую камеру с анализируемой смесью и электронный блок обработки сигналов, формирователь потока излучения выполнен в виде расходящего фоклина, снабженного заслонкой с двумя щелями с механизмом возвратно-поступательно го перемещения ее перпендикулярно сформированному потоку, система светофильтров содержит два фильтра с одинаковыми характеристиками пропускания, расположенными под углами к о тической оси, равными по величине, но противоположшдада по знаку, а элек ронный блок обработки сигналов содер жит схему выделения сигнала, пропорционального крутизне спектральной характеристики анализируемого газа. На фиг, 1 представлена схема газоанализатора; на фиг. 2 - заслонки с двумя щелями; на фиг. 3 - механический модулятор с приводом; на фиг, 4- взаимное расположение формирователя потока заслонки с двумя щелями и двух фильтров с одинаковыми по величине углами наклона к оптической оси, но разными по знаку; на фиг. 5 - экспериментальные характеристики пропускания фильтров Т и Т2 при падении на них лучей под углами 85 и 75 соответственно и общая характеристика пропускания двух филь ров; на фиг. 6 - пример расположения полосы поглощения газа и максимумов пропускания системы двух фильт ров при падении на них лучей,прощедщих через щели. Газоанализатор содержит последовательно расположенные на одной опти ческой оси источник. 1 излучения (нап ример нихромовая спираль), формиров тель потока в виде полого фокусирующего клина - фоклина 2, заслонки 3 с двумя щелями с приводом 4 в виде . электромагнита, механического модуля тора 5 с приводом 6 в виде двух элек ромагнитов, двух интерференционных фильтров 7 с одинаковыми характеристика.Ю1 пропускания и с равными по величине, но с разными по знаку углами наклона к оптической оси, многоходовую рабочую кювету в виде полого фокусирующего клина (фоклина) 8, через которую прокачивается анализируемая газовая смесь, приемник 9 излучения с подключенным к нему электрическим блоком обработки сигнала. вкшочакнцим в себя усилитель 10, синх ронный детектор 11, сигнальный выход которого подключен к выходу усиг лителя 10, а управляющий - к выходу 56 .4 . усилителя - формирователя 12, вход которого соединен с выходом оптронной пары - светодиод 13 - фотодиод 14, дифференциатор 15, выход которого соединен с выходом синхронного детектора 11 узкополосного усилителя 16, вход которого подключен к выходу дифференциатора 15 синхронного детектора 17, сигнальный вход которого соединен с выходом усилителя 16, а управлякяций подключен к удвоителя частоты 18, вход которого подключен к выходу усилителя - формирователя 19,. управляющего сигналом с выхода оптронной пары - светодиод 20 - фото- . диод 21, сумматора 22, один вход которого подключен к выходу синхронного детектора 17, а второй - к потенциометру 23, индикатора 24, подкг люченного к выходу сумматора 22. Газоанализатор.работает следующим образом.. Если интерференционньШ фильтр рассчитан на пропускание потока, оптического излучения определенной длины волны, падающего на поверхность фильтра нормально, то при отклонении угла падения потока от 90° в ту или другзто сторону максимум полосы пропускания фильтра смещается в коротковолновую область. Меняя угол падения потока на поверхность фильтра, можно перемещать по шкале частот его полосу пропускания. На фиг. 4 представлено взаимное расположение формирователя потока в виде полого фокусирующего клина фоклина 2, заслонки с двумя щеля- . ми 3 и двух фильтров 7 с одинаковыми по величине углами наклона к оптической оси oL , но разными по знаку. На фиг. 4 видно, что на фильтр с отрицательным углом наклона через ,, щель падает поток под углом близким 90- о -Сугол расходимости потока, вышедшего из формирователя 2, также равен ad ). На фильтр с положительным углом наклона + of (см, фиг. 4) через щель 25 падает поток под углом 90-2 at , а через щель 26 - под углом + а{. Для угла с , равного, например , характеристика пропускания части поверхности фильтра с углом наклона - oi , на которую падают лучи под углом 90 через щель 25, представлена на фиг. 5 (кривая ) снятая экспериментально на спектрофотометре ИКС-22, а xapaKTejpHCтика пропускания части поверхности фильтра с положительным углом накло на + of. , на которую падают лучи под углом 2dL , представлена кривой Т так же снятой экспериментально на ИКС-22. Общее пропускание обоих фильтров равное Произведению пропусканий каждого фильтра, представлено кривой Х/ То на фиг. 5. Для лучей, прошедших через щель 26, углы падения на поверхности фильтров одинаковы по величине и про тивоположны по знаку. Характеристики пропускания этих фильтров будут также одинаковы (см фиг.8, кривая Г Т). Общая их характеристика представлена кривой Т - Т. При перемещении заслонки вниз по стрелке (см. фиг. 4) угол падения лучей, проходящих через щель 25, для фильтра с углом наклона . - oi уменьшается от 90 до 90 - с , а для фильтра с углом наклона +cj( возраста feT от 90°- 2aS до 90°+оГ. При этом угол падения лучей, прошедших через щель 26, для фильтра с углом наклона -с уменьшается от до а для фильтра с углом наклона возрастает от 90 -cL до 90°. Следовательно, максимумы общих характерис.тик пропускания двух фильтров для лучей, прошедших через щель 25, при .перемещении ее от верхнего положения до оптической оси (см. фиг. 4) перемещаются в коротковолновую обг ласть (см. фиг. 5 и 6). На фиг. 5 пр ставлены снятые экспериментально xaiрактеристики пропускания фильтров Т и Т2 при падении на их поверхность лучей под углом 85, 75 соответствен но, что соответствует прохождению лучей через щель 25, имеющих угол расходимости 5 относительно оптической оси. На этой же фигуре показана общая характеристика прохождения двух фильтров (кривая Т). При перемещении щели 26 от оптической оси к нижнему краю фильтров (см фиг. 4) общие kapaктepиcтики пропускания двух фильтров изменяются в обратном порядке (см. фиг. 5) Таким образом, модулятор 5, перекрывая поочередно движущиеся щели 25 и 26, расположенные на заслонке 3, пропускает в рабочую кювету 8 излучение разных длин волн. При этом частота движения модулятора должна быть в 5 -10 раз больше частоты движения заслонки. На выходе рабочей кюветы при отсутствии в ней измеряемого газа проходит разностный оптический сигнал Ф Ф,,Тд- ; (1) где Фд, Ф.г - потоки i прошедшие череэ щели 25 и 26 соответственно; TQ и Tjj- - пропускания двух фильтров для потоков, прошедших через щели 2$ . и 26 соответственно. Так как формирователь 2 формирует поток, равномерный по его сечению, то Фд Ф Ф . Тогда дФ Ф (TQ- Т) (2) Поскольку характеристики пропускания системы двух фильтров при движении щелей 25 и 26 перемещаются по оси частот навстречу друг другу, то при некотором положении щелей 25 и 26 TQ Т, а дФ О, т.е. происходит смена знака (соответствующим подбором угла наклона фильтров можно всегда обеспечить равенство Тд 1). Приемник 9 преобразует разность потоков ДФ в электрический сигнал, который,проходя через усилитель 10 и синхронный детектор 11, снова усиливается, детектируется и поступает на вход сумматора 22, на второй вход которого поступает опорный сигнал с потенциометра 23, равный по величине и противоположный по знаку сигналу с выхода синхронного детектора 17 .При этом индикатор фиксирует нуль. Взаимное расположение характерис-тик пропускания фильтров и полосы поглощения измеряемого газа выбираOT так, чтобы их максиму1Ф1 не совпадали (см. фиг.6). Нафиг.6 представ-лрн пример расположения лолосы поглощения газа рИ максимумов пропускания системы двух фильтров при падении иа них лучей, прошедших через щель 25 Л(д и щель 26 (f когда щели расположены в исходном положении, как показано на фиг. 4. Стрелками на фиг. 6 показаны направления смещения максимумов полос поглощения при перемещении заслонки в направлении, указанном на фиг. 4 стрелкой. Следовательно, при в рабочей кювете измеряемого газа на приемник поступает сигнал ,-%Тгл 1 . ф(То,- сУ - ГаЧАа- гг;,сГ). С5) ) где С t - поглощение измеряемого ГА,а Л газа на максимумах частот Ло и Д.йсоответствен но; Т , Т - пропускание измеряемого газа для полос пропуска ния фильтров с максимумом частот (fi Лгсоот-. ветственно. При Хс| Hf Ф в (З) равно нулю, так как TCI Jf .dr Знак Д.Ф в (З) изменяется при дальнейшем перемещении. Так как Т,и Тд- не зависит от состояния газовой смеси, а Cl. и С ..,дзависят от концентрации измопяемогд газа, то изменения амплитуды ЛФ также зависят от концентрации измеряемого газа. Таким образом, при возвратно-поступательном движении заслонки с двумя щелями 3 и поо ередном перекрывании этих щелей модулятором 5, при наличии измеряемого газа в рабочей кювете 8, на прием-:ник 9 поступает оптический сигнал, содержащий переменную, амплитуда которой пропорциональна разности величин поглощений при соответствующих значениях величин пропускания двух фильтров и положения максимумов их полос пропусканияJ а частота равна удвоенной частоте пвижения заслонки. Сигнал с вьпсода приемника проходит чеоез усилитель 10, синхронный детектор 1 1, дифференциатоо 15 дифференцирует сигнал с выхода синхронного детектора I1 и удваивает часто .ту входного сигняла, усилитель 16 с полосовым фильтоом усиливает этот сигнал; с выхода vcилитeля 16 сигнал nocTvnaeT на вход синхоонного детектооа 17, управляемый сигналом сформированным цепью, состоящей из последовательно расположенных светодиода 20, ДВУХ щелей для мопуляции пото ка излучения светодиода 20 на заслон ке 3, фотодиода 21, ус илителя - формирователя 19, удвоителя частоты 18. Сигнал с выхода синхпонного детектора 17, пропорциональный производнойи--Кф() - CTa-Cr -Ttft:r -n где К - коэффициент пропооциональнос ти, поступает на вход сумматора 22. Так как на второй вход сумматора пос ступает сигнал с потенциометра 23, равный по величине КФ vTHj и противоположный по знаку, то на 68 выходе сумматора 22, сигнал поопорционаленU -Ik (ЗСТдСгла TfTTrxdj / dtI Соответствующим выбором углов наклона фильтров обеспечивают Т ТдQТогда сигнал на выходе сумматора 22 будет пропорционален и --|кф Е 21|пл ;/,, т.е. крутизне полосы поглощения газа. Выбирая полосу поглощения измеря.емрго газа на шкале частот так, чтобы ее крутизна была намного больше крутизны полос поглощения мешающих газов при их максимально возможной кснцентрации, обеспечивают высокую селективность газового анализа, что в конечном счете поиводит к повьшгению концентрационной чувствительности газоанализатова. Формула изобретения Оптический газоанализатор, содержащий расположенные на .одной оптической оси излучатель, формирователь потока излучения, модулятор,, систему интерференционных светофильтров, рабочую камеру с анализируемой смесью и электронный блок обработки сигналов, отличающий с. я тем, что, с целью повьш1ения точности анализа, формирователь потока излучения выполнен в виде расходящегося фоклина, снабженного заслонкой с двумя щелями с механизмом возвратно-поступательного перемещения е перпендикулярно сформированному потоку, система светофильтров содержит два фильтра с одинаковыми характеристиками пропускания, расположенными под углами к оптической оси, равными по величине, но противоположными по знаку, а электронный блок обработки сигналов содержит схему вьщеления сигнала, пропорционального крутизне спектральной характеристики анализируемого газа. Источники информации, 1.Stauffer, Sakai Н. Dermative Spectroscopy Appl. Optics,1968, 7, I, pp. 61-65. 2.Авторское свидетельство СССР № 525874, кл. G 01 N 21/00,1974 (прототип).

фиг.г

щ

3Mi

Раг.З

90 -2о

-f

Я, см