Оптический измеритель концентрации газа

 

ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗА, содержащий коллиматор , диспергирующую систему, устройство для перестройки рабочих участков спектра и фотодетектор, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности за счет выделения гармонической составляющей спектральных полос поглощения исследуемого газа, увеличения надежности и упроще1 2 3 1 Т 8 ния конструкции за счет устранения подвижных частей, диспергирующая система и устройство для перестройки спектральных полос пропускания выполнены в виде интерференционно-поляризованного светофильтра, состоящего из двух скрещенных между собой и разнесенных по оптической оси измерителя поляризаторов, между которыми размещена двоякопреломляющая пластина с осью, ориентированной перпендикулярно оптической оси измерителя , и вторая пластина с оптической осью, ориентированной параллельно оптической оси измерителя, изготовленная из двоякопреломляющего кристалла, один из электрооптических (Л коэффициентов которой К, Kjj, К отличен от нуля, и снабженная управляющими электродами, соединенными с генератором периодически изменяющегося напряжения, амплитуда которого соответствует вьщелению гармонической составляющей спектральных полос поел глощения. о о 1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Я) 4 G 01 N 21 41

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCXOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3442121/18-25 (22) 29.05.82 (46) 15.09.87. Бюл. № 34 (71) Центральная аэрологическая обсерватория (72) Г.M.Хапланов, Т.Г.Сизенко и В.И.Астахов (53) 536,35(088,8) (56) Кильдал Х., Байр P.Л. Сравнение лазерных методов дистанционного обнаружения веществ, загрязняющих атмос-. феру, ТИИЭР, т.59, № 12, 1971, с,529.

Патент США ¹ 3518002, кл, 356-97, G 01 J 3/42, опублик.1974, (54)(57) ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗА, содержащий коллиматор, диспергирующую систему, устройство для перестройки рабочих участков спектра и фотодетектор, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью увеличения точности за счет выделения гармонической составляющей спектральных полос поглощения исследуемого газа, увеличения надежности и упроще„„SU„„1156467 А 1 ния конструкции за счет устранения подвижных частей, диспергирующая система и устройство для перестройки спектральных полос пропускания выполнены в виде интерференционно-поляризованного светофильтра, состоящего из двух скрещенных между собой и разнесенных по оптической оси измерителя поляризаторов, между которыми размещена двоякопреломляющая пластина с осью, ориентированной перпендикулярно оптической оси измерителя, и вторая пластина с оптической осью, ориентированной параллельно оптической оси измерителя, изготовленная из двоякопреломляющего C Щ кристалла, один из электрооптических коэффициентов которой К,, К, К

4з отличен от нуля, и снабженная управляющими электродами, соединенными С с генератором периодически изменяющегося напряжения, амплитуда которого соответствует выделению гармонической составляющей спектральных полос по- Ф глощения. С

1 l 56467

Изобретение относится к технике измерения газовых примесей в атмосфере и контроля загрязнения окружающей среды. с>

Известно устройство для измерения концентрации газовых примесей в атмосфере в котором используется метод дифференциального поглощения света внутри и вне полос поглощения света, Для выделения рабочих участков спектра применяется диспергирующая система в виде монохроматора с призмой или дифракционной решеткой и щелью. Недостатками устройства являются низкая точность измерений из-за зависимости результатов измерений от однородности освещения входной щели, а также сложность измерителя. 20

Ближайшим техническим решением к предложенному является оптический измерительконцентрации газа, содержащий коллиматор, диспергирующую систему, устройство для перестройки рабочих 25 участков спектра и фотодетектор.

Недостатками этого измерителя являются низкая точность измерений вследствие чувствительности к неоднородности освещения входной щели и 30 влиянию посторонних газов и, кроме того, сложность конструкции.

Цель изобретения — увеличение точности sa счет выделения гармонической составляющей спектральных полос поглощения исследуемого газа, увеличение надежности и упрощение конструкции эа счет устранения подвижных частей.

Указанная цель достигается тем, что в оптическом измерителе концент.рации газа, содержащем коллиматор, диспергирующую систему, устройство для перестройки рабочих участков спектра и фотодетектор, диспергирую- 4> щая система и устройство для перестройки спектральных полос пропускания выполнены в виде интерференционно-поляризационного светофильтра, состоящего из двух скрещенных между В0 собой и разнесенных по оптической оси измерителя поляризаторов, между которыми размещена двоякопреломляющая пластина с осью, ориентированной перпендикулярно оптической ocH HsMeрителя, и вторая пластина с оптической осью, ориентированной параллельно оптической оси измерителя, изготовленная из двоякопреломляющего кристалла, один из электрооптических коэффициентов которой отличен от нуля, и снабженная управляющими электродами, соединенными с генератором периодически изменяющегося напряжения, амплитуда которого соответствует выделению гармонической составляющей спеткральных полос поглощения, Техническое решение поясняется чертежом.

По оптической оси измерителя расположены коллиматор 1, поляризатор

2, двоякопреломляющая пластина 3, Оптическая ось пластины 3 перпендикулярна оптической оси измерителя и о составляет угол 45 с плоскостью поляризации поляризатора 2, Она выполняет функцию фазовой пластины Вуда, т.е, создает дисперсию фаз световой волны, Толщина пластины выбрана с таким расчетом, чтобы набег фазы между спектральными компонентами, соответствующими максимуму и минимуму поглощения, в исследуемом газе составлял полволны, Пластина 4 выполнена из двоякопреломляющего кристалла, один из электрооптических коэффициентов которого, К „, K52 К 63 напри мер, коэффициент К р, отличен от ну-. ля, Оптическая ось пластины 4 ориентирована параллельно оптической оси из-.: мерителя. На световых гранях эта пластина снабжена электропроводными светопрозрачными электродами 5 и 6 и выполняет функцию управления в ячейке Поккельса, При подключении к электродам электрического напряжения эта пластина вносит разность фаз, складывающуюся с разностью фаз, создаваемой пластиной 3, настройка интерференционно-поляризационного фильтра по длине волны измеряется, За пластиной 4 с электродами 5 и

6 установлен поляризатор 7, скрещенный с поляризатором 2.

За поляризатором 7 установлен интерференционный светофильтр 8 или пластина из цветного стекла, выполняющая функцию аподизации спектра.

За интерференционным светофильтром

8 установлен фотоумножитель 9, соединенный с узкополосным усилителем

10, синхродетектором 11 и индикатором 12. Источник питания 13 охвачен обратной связью по среднему значению анодного тока фотоумножителя 9. Переменное напряжение на электроды

Корректор Н.Король

Редактор Н.Сильнягина Техред М.Ходани 1

Заказ 4152 Тираж 776

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, И-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 з 115

5 и 6 вырабатывается генератором 14, с которого поступает опорный сигнал на синхродетектор 11, Измеритель работает следующим образом. Спектр пропускания интерференционно-поляризационного светофильтра модулируется с частотой сигнала генератора 14.

Измеряемой величиной является глубина модуляции света. Если спектр поглощения газа имеет гармоническую структруру, а напряжение модуляции соответствует перестройке на полволны, то оптическая толщина исследуемого газа может быть определена по формуле:

К?. С

pL = дД л6 где р — плотность газа; L — длина трассы; К вЂ” коэффициент поглощения газа; G — глубина модуляции оптического сигнала и д5 — разность сечений поглощения в газе в максимумах и минимумах поглощения. В общем случае произвольной амплитуды модуляции ы отличии спектральной кривой от гармонической в формуле появляется численный множитель. Таким образом, измеритель регистрирует только одну гармоническую составляющую в разложении спектра поглощения света, что обеспечивает дискриминацию исследуемого газа среди других возможных поглощений света на трассе.

Пример выполнения измерителя для определения оптической толщи газа NO< в атмосфере.

Коллиматор известного типа состоит из оптических линз и диафрагмы. Он предназначен для направления параллельного пучка света с углом расходио мости 1,4 . Интерференционно-поляризационный фильтр составлен из пластин квадратного сечения. Оптические оси пленочных поляризаторов 2 и 7 со скрещенными плоскостями поляризации направлены по диагоналям квадрата пластины 3. Фаэовая пластина Вуда вы6467 резана из кристаллического кварца в плоскости оптической оси, ориентированной вдоль одного из ребер квад- рата. Толщина пластины соответствует структуре спектра поглощения .в NO и равна 4,125 мм. 11ластина 4 изготовлена из кристалла ДКДИ и ориентирована параллельно оптической оси измерителя. Толщина пластины произвольна.

К световым граням пластины прижаты сеточные электроды 5 и. 6.

При изготовлении пластины Вуда точной подгонки толщины не требуется.

Вместо этого на электроды модулирующей пластины накладывается дополнительно постоянное напряжение, создающее необходимый сдвиг фаз световой волны, Независимость модуляции спектра пропускания в приборе от геометрии оптических лучей исключает необходимость жесткой фиксации прибора на трассе.

Предложенное техническое решение может быть использовано для измере ния малых концентраций газа при работе с естественным источником излуче-ния — Солнцем или с искусственными источниками излучения с широким спектром.

Вследствие применения оптической системы модуляции, устройство отличается повышенной надежностью к механическим мешающим воэдействиям— ударам, вибрациям.

Отличительным положительным признаком является сильное уменьшение влияния посторонних газов и сниже40 ние требований к точности наведения оптической оси измерителя на источник излучения.

Малый вес и габариты измерителя, 45 а также автоматичность его работы поз воляет использовать его на борту метеорологической ракеты или воздухопла-. вательного,аппарата малой грузоподъемности.