Спектрометр

 

Изобретение относится к области оптического спектрального приборостроения. Целью изобретения является повышение чувствительности и селективности при одновременном измерении компонент газовой смеси. Излучение от источника проходит через кювету для анализируемой газовой смеси и поступает в полихроматор. Входная щель полихроматора состоит из M наборов входных щелей. Каждый из M наборов состоит по крайней мере из двух входных щелей. Каждый набор поочередно размещается в плоскости входной щели полихроматора. Расстояние D<SB POS="POST">I</SB> между входными щелями в каждом наборе равно D<SB POS="POST">I</SB>=D<SB POS="POST">L</SB><SP POS="POST">.</SP>δλ<SB POS="POST">I</SB>, где D<SB POS="POST">L</SB> - обратная линейная дисперсия полихроматора, δδ<SB POS="POST">I</SB> - спектральный период структуры I-ой компоненты газовой смеси. Расстояние D<SB POS="POST">I</SB> также может удовлетворять соотношению D<SB POS="POST">I</SB>=D<SB POS="POST">1</SB>+XTGΑ, где D<SB POS="POST">1</SB> - расстояние между входными щелями, соответствующее компоненту газовой смеси с минимальной величиной δλ<SB POS="POST">I</SB>, Α - угол наклона щелей, X - координата в направлении, перпендикулярном дисперсии полихроматора. Входные щели могут быть выполнены в виде спиралей Архимеда с общим центром. Устройство позволяет расширить диапазон измеряемых концентраций. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)s G 01 J 3/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4603049/24-25 (22) 12,09.88 (46) 30.12,90. Бюл. ¹ 48 (71) Специальное конструкторское бюро средств аналитической техники (72) В.P.Êoçóáoâcêèé (53) 535,853(088.8) (56) Патент США

¹ 4060326, кл. G 01 J 3/42, 1977, Platt U. et al, Simultaneons measurement

of atmospheric СН20, Оз апd МО2 by

differential optical absorbtion. J. of Gonphys.

Res, 1979, с. 84, ¹ 10, р. 6329-6335. (54) СПЕКТРОМЕТР (57) Изобретение относится к области оптического спектрального приборостроения.

Целью иобретения является повышение чувствительности и селективности при одновременном измерении компонент газовой смеси. Излучение от источника проходит через кювету для анализируемой газовой смеси и поступает в полихроматор.

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению.

Цель изобретения — повышение чувствительности и селективности при одновременном измерении всех компонент газовой смеси.

На фиг.1 показана структурная схема спектрометра; на фиг.2 — наборы выходных щелей; на фиг,3 — то же, п ри не п реры вном изменении расстояний между щелями; на фиг.4 — то же, при изменении расстояний между щелями по закону, соответствующему спирали Архимеда.

Спектрометр содержит источник 1, коллиматорную линзу 2, формирующую свето„„. Ж„„1617307 А1

Входная щель полихроматора состоит из m наборов входных щелей. Каждый из m наборов состоит по крайней мере из двух входных щелей. Каждый набор поочередно размещается в плоскости входной щели полихроматора. Расстояние d между входными щелями в каждом наборе равно di = 0l х хднф, где Di — обратная линейная дисперсия полихроматора, дЯ; — спектральный период структуры i-й компоненты газовой смеси.

Расстояние di также может удовлетворять соотношению di = d) + xtga, где d1 — расстояние между входными щелями, соответствующее компоненту газовой смеси с минимальной величиной д4, а — угол наклона щелей, х — координата в направлении, перпендикулярном дисперсии полихроматорэ. Входные щели могут быть выполнены в виде спиралей Архимеда с общим центром. Устройство позволяет расширить диапазон измеряемых концентраций. 2 з.п.ф-л ы, 4 ил. вой поток, кювету 3 с анализируемой газовой смесью, объектив 4, фокусирующий излучение в плоскость входной щели 5.

Щели 5 размещены на кассете 6, установленнойй на оси тягового двигателя 7. Полихроматор состоит из дифракционной решетки 8 и сканируемой выходной щели 9, установленной на оси привода 10. Система регистрации содержит фотоумножитель 11, усилитель 12, датчик 13 реперной точки, формирователь 14 управляющего сигнала, аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

15. микропроцессор 16, дисплей 17, блок 18 питания шагового двигателя и блок 19 управления.

1617307

Спектрометр работает следующим образом.

Излучение от источника 1 проходит через анализируемую газовую смесь, содержащуюся в кювете 3, и преобретает, характерную спектральную структуру,, представляющую собой композицию из структур анализируемых газов, содержа-! щихся в смеси, Излучение фокусируется на входные щели 5 полихроматора, который ( установлен на кассете 6. В одном из вари-! антов кассета 6 представляет собой металлический диск, на котором прорезаны (по одному витку) спирали Архимеда с различным шагом — как положительным, так и отрицательным (фиг.4). Причем для достижения селективности количество щелей в кассете должно быть четным. Полученная таким образом система щелей характерна тем, что расстояние между щелями d изменяется по линейному закону

d=d1+ау, где а = tga — постоянная, величина которой определяется углом а;

<р — угловая координата кассеты 6, На кассете 6 также имеется реперное отверстие, от которого начинается отсчет угловой координаты. Кассета 6 установлена на оси шагового двигателя 7, на которой через блок 18 поступают периодически от блока 19 цуги импульсов. Каждый цуг импульсов осуществляет поворот кассеты на определенный угол Лр, при котором щели 5 кассеты образуют маску с расстоянием между щелями d = Di дА для анализа i-ro газа. В этом положении кассета находится до прихода следующего цуга импульсов Di— обратная линейная дисперсия монохроматора, Прошедшее через щели 5 кассеты 6 излучение разлагается по спектру с помощью решетки 8 и собирается s ее фокальной плоскости, Световой поток от каждой щели 5 кассеты 6 образует в фокальной плоскости решетки 8 изображение спектра анализируемого газа, При эквидистантном расположении полос поглощения спектры совпадают по фазе, амплитуды их структуры суммируются и амплитуда полезного сигнала увеличивается в и раз, где и — количество щелей 5, а эффективное значение сигналав / и раз, Если спектры не совпадают по фазе, то и не происходит увеличения полезного сигнала, При сканировании выходной щелью 9 с помощью привода 10 спектра, образованного в фокальной плоскости решетки 8, с выхода фотоумножителя 11 снимается сигнал, близкий к синусоидальному оп ределенразуется в цифровую форму. АЦП 15 управляется сигналами, поступающими с

10 вые сигналы поступают в микропроцессор

16, где они накапливаются в соответствую15

55 ной частоты (при наличии только одного иэ анализируемых гаэвв в кювете 3), или сигнал, имеющий более сложный спектр (в случае присутствия нескольких газов). Этот сигнал усиливается и поступает на быстродействующий АЦП 15, в котором он преобблока 19 через формирователь 14. Цифрощих каналах и обрабатываются по определенному алгоритму, Концентрация анализируемых газов индицируется на дисплее 17. Для поиска исходного положения кассеты 6 служит датчик 13. Между блоком

19 и микропроцессором 16 идет обмен информацией о начале и окончании выполнения той или иной команды, поступающей с микропроцессора 16, Требование, чтобы расстояние di между щелями в каждом фиксированном положении было равно 4 = Di д Л вытекает иэ определения линейной дисперсии полихроматора Di = сИ/гй, где dl — расстояние в спектре между излучениями с весьма близкими длинами волн Ли Л+ dЛ, который наблюдается в плоскости выходной щели полихроматора.Действительно, плоскости входной и выходной щелей в соответствии с принципом взаимности эквивалентны. Поэтому, если в плоскости входной щели 5 полихроматора установить набор щелей с расстоянием между щелями, равным di, то в плоскости его выходной щели 9 сформируется их изображение (в случае монохроматического источника излучения). Причем расстояние между изображениями щелей в наборе по шкале длин волн d Л= Di/d. Если d выбрать таким образом, чтобы бЛ= д4 (дЛ вЂ” периодструк-. туры l-го анализируемого газа), то в случае освещения щелей 5 набора монохроматическим источником 2 света и присутствия в кювете 3 I-ro анализируемого газа, в плоскости выходной щели 9 полихроматора наблюдаются спектры 1-го газа (от каждой щели маски, накладывающиеся друг на друга с совпадающей по фазе структурой), т.е. в этом случае амплитуда полезного сигнала увеличивается в и раэ, где и — количество щелей в наборе.

В случае изменения расстояния между щелями 5 кассеты 6 по линейному закону d =

= d1+ ах (фиг.3) величина а =Л d/Ë x = tga .

Если s — ширина входных щелей 5 кассеты 6 и сканируемой выходной щели 9 (обычно эти ширины выбираются равными), h — высота входной щели 5, то каналы второй щели кассеты относительно первой на

1617307 угол а приводят к уменьшению расстояния между изображениями щелей на величину

Л= Ица . Максимальная амплитуда полезного сигнала может быть получена при ширине щелей 5, равной s = 0,5d. С другой 5 стороны, для того, чтобы изображения щелей 5 кассеты 6 в плоскости выходной щели

9 не перекрывались, необходимо в данном случае чтобы Л < s. Подставляя значения

Л, получают h < s/tgà . 10

Таким образом, введение в предлагаемый спектрометр, предназначенный для одновременного анализа многих газовых компонентов, наборов входных щелей указанной конструкции, движущихся с по- 15 мощью привода по определенной программе, повышает селективность анализа, его чувствительность. Это, в свою очередь, позволяет расширить диапазон измеряемых концентраций, уменьшить по- 20 грешность измерений.

Формула изобретения

1. Спектрометр, содержащий оптически связанные источник излучения, конденсорную систему, кювету для анализируемой га- 25 зовой смеси, полихроматор, снабженный входной щелью и выходной щелью, установленной с возможностью сканирования по спектру, и приемник излучения, а также систему регистрации, соединенную с прием- 30 ником излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и селективности при одновременном измерении всех компонент газовой смеси, он содержит по крайней мере одну дополни- 35 тельную входную щель, составляющую с входной щелью первый набор входных щелей, а также гп — 1 наборов дополнительных входных щелей, содержащих в каждом на- . боре по крайней мере две входных щели, 40 где m — количество анализируемых компонент газовой смеси, каждый из m наборов входных щелей установлен с возможностью поочередного размещения в плоскости входной щели пол ихроматора, при этом рас- 45 стояние di между входными щелями в каждом наборе удовлетворяет соотношению

d = Di д где Qt — обратная линейная дисперсия полихроматора; д — спектральный период структуры i-й компоненты газовой смеси.

2. Спектрометр по п.1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что расстояние d между входными щелями удовлетворяет соотношению

di = d<+x rgb где d> — расстояние между входными щелями, соответствующее компоненту газовой смеси с минимальной величиной; а — угол наклона входных щелей одна относительно другой; х — координата в направлении, перпендикулярном дисперсии полихроматора, при этом высота h каждой входной щели удовлетворяет соотношению

h ( тца где s — ширина выходной щели, а ширина I каждого набора входных щелей удовлетворяет соотношению

1>2dm, где dm — максимальное расстояние между входными щелями, соответствующее m-му компоненту газовой смеси.

3. Спектрометр по п.1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что входные щели выполнены в виде спиралей Архимеда с общим центром, расстояния d> между входными щелями удовлетворяют соотношению

di=d>+ ptga, где p — угловая координата спирали Архимеда, при этом высота h каждого набора входной щелей удовлетворяет соотношению

h ( ga а ширина I каждой входной щели удовлетворяет соотношению

I > 2dm. 16i7307

1517307

Составитель С.И ванов

Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор Т.Палий

Редактор И.Касарда

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4113 Тираж 426 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5