Способ анализа газов и устройство для его осуществления

 

Сущность изобретения: пучки излучения , прошедшего через анализируемую среду , модулируют и раздельно пропускают по корреляционному каналу, в котором осуществляют селективно широтно-спектральную модуляцию пропускаемого излучения, и по сравнительному каналу. Отдельно на частоте неселективной модуляции пучков в каналах формируют разностный сигнал и нормируют его на сигнал, который выделяют при пропускании излучения по корреляционному каналу на частоте его селективной широтно-спектральной модуляции . Измеряют значение пронормированного разностного сигнала относительно сигнала (при нулевой концентрации измеряемого компонента). В устройстве для обеспечения селективн-ой широтно-спектральной модуляции используют газофильтровый модулятор, заполняемый газом, аналогичным измеряемому компоненту. При этом для получения сигнала нормировки применяется формирователь управляющих сигналов, связанный с селективным газофильтровым модулято-- ром. 2 с.п. ф-лы, 1 ил. ел с

СОЮЗ СОВГТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5П5 G 01 N 21/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (госпАтент сссР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

;Q0

1 (00 !

1 (21) 4928484/25 (22) 23.04.90 (46) 07.04.93. Бюл. ¹ 13 (71) Институт физики АН БССР (72) В.Б,Дунаев (73) В.Б.Дунаев (56) Дубров Г.А. и др. Корреляционный радиометр // Исследования в области спектроскопии и квантовой электроники; Тез. докл.

V Республиканской конференции молодых ученых по спектроскопии и квантовой электронике, Паланга, 28-29 мая 1981 г, — Вильнюс, 1981. С 92.

Hanst РЛ. Optical measurement of atmospheric pollutants // Optic and Quant

Ellectr. 1976, V. 8, N 2. P. 87 — 93. (54) СПОСОБ АНАЛИЗА ГАЗОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Сущность изобретения: пучки излучения, прошедшего через анализируемую среду, модулируют и раздельно пропускают по корреляционному каналу, в котором осущеИзобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано для дистанционных и локальных измерений концентраций газообразных веществ.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

На чертеже представлена структурная схема одного из вариантов устройства, предназначенного для осуществления способа корреляционного анализа газов.

Устройство содержит оптически связанные неселективный модулятор 1, селективный газофильтровый модулятор 2, „„5UI„„1808125 АЗ ствляют селективно широтно-спектральную модуляцию пропускаемого излучения, и по сравнительному каналу. Отдельно на частоте неселективной модуляции пучков в каналах формируют разностный сигнал и нормируют его на сигнал, который выделяют при пропускании излучения по корреляционному каналу на частоте его селективной широтно-спектральной модуляции. Измеряют значение пронормированного разностного сигнала относительно сигнала (при нулевой концентрации измеряемого компонента), В устройстве для обеспечения селективной широтно-спектральной модуляции используют газофильтровый модулятор, заполняемый газом, аналогичным измеряемому компоненту. При этом для получения сигнала нормировки применяется формирователь управляющих сигналов, связанный с селективным газофильтровым модулято-ром. 2 с,п. ф-лы, 1 ил. сравнительную кювету 3, оптическую систему 4 и фотоприемник 5. а также блок 6 делителя напряжений, блок 7 разностного сигнала, блок 8 сигнала нормировки, первый 9 и второй 10 формирователи управляющих сигналов, при этом выход фотоприемника через блок 6 делителя напряжений подключен к входу блока 7 разностного сигнала, управляющий вход которого через первый формирователь 9 управляющих сигналов связан с неселективн ым модулятором 1, вход блока 7 разностного сигнала соединен с входом блока 8 сигнала нормировки, выход которого соединен с

i 808125 нормирующим входом блока 6 делителя напряжений, а управляющий вход через второй формирователь 10 управляющих сигналов связан с селективным газофильтровым модулятором 2. 5

Сущность способа состоит в следующем. Пучки излучения (от естественного или искусственного источника), прошедшего сквозь анализируемую среду, находящуюся в атмосфере или в специальной рабочей кю- "0 вете, модулируют и раздельно пропускают по корреляционному каналу, в котором осуществляют дополнительную селективную (только для измеряемого компонента) широтно-спектральную модуляцию пропускаемого излучения, и по сравнительному каналу, в котором отсутствует селективное поглощение излучения в рабочем интервале длин волн. При этом неселективную модуляцию излучения в корреляционном и сравни- 20 тельном каналах осуществляют путем попеременного или с разной частотой прерывания пропускаемых по ним пучков, причем в первом пучке селективную широтно-спектральную модуляцию излучения в 25 корреляционном канале выполняют с частотой, превышающей частоту его неселективной модуляции, а во втором случае— наоборот, Отдельно на частоте (частотах) неселек- 30 тивной модуляции пучков излучения в корреляционном и сравнительном каналах формируют разностный сигнал, т.е. сигнал, пропорциональный разности потоков прошедшего через них излучения, а на частоте 35 селективной широтно-спектральной модуляции излучения а корреляционном канале формируют сигнал нормировки и измеряют значение пронормированного разностного сигнала за вычетом значения этого сигнала, 40 имеющего место при нулевой концентрации измеряемого компонента анализируемой смеси.

При отсутствии поглощения излучения в анализируемой смеси (в рабочем интерва- 45 ле длин волн) и в корреляционном канале потоки излучения, пропускаемого по этому и сравнительному каналам уравнивают, после чего в корреляционном канале осуществляют селективную широтно-спектральную 50 модуляцию пропускаемого по нему излучения и получаемый при этом пронормированный разностный сигнал компенсируют до нулевого значения, соответствующего отсутствию измеряемого компонента в анэли- 55 зируемой смеси.

При появлении в анализируемой смеси посторонних компонентов, линии поглощения которых не перекрываются с линиями поглощения измеряемого компонента, уменьшение потоков излучения, пропускаемого по каналам будет одинаковым, что не вызовет изменения разностного сигнала, т.е, результирующий измеряемый сигнал останется неизменным. Появление в анализируемой смеси определяемого компонента скажется лишь на уменьшении потока излучения, пропускаемого по сравнительному каналу, т.к, в корреляционном канале в центрах линий поглощения излучение будет заведомо поглощено или заметно ослаблено. При этом сигнал нормировки, получаемый за счет селективной модуляции ширин спектральных интервалов в районах центров линий поглощения определяемого компонента остается без изменения и будет, как и разностный сигнал, пропорционален потоку излучения источника.

Таким образом, измеряемый пронормированный разностный сигнал будет однозначно связан с концентрацией определяемого компонента и не будет зависеть ни от интенсивности излучения, пропускаемого через анализируемую среду, ни от посторонних компонентов; линии поглощения которых в рабочем интервале длин волн не перекрываются, хотя их полосы поглощения могут быть перекрыты.

Устройство для реализации данного способа, структурная схема которого представлена на чертеже, работает следующим образом.

Излучение от естественного или искусственного источника проходит через анализируемую среду, находящуюся непосредственно в атмосфере или в специальной рабочей кювете, модулируется неселективным модулятором 1 и пропускается через селективный газофильтровый модулятор 2, представляющий собой модуляционную камеру, в которой оптическая толщина поглощающего слоя газа, аналогичного измеряемому компоненту, периодически изменяется, и через сравнительную кювету

3, заполненную газом, непоглощающим излучение в рабочем интервале длин волн.

При этом неселективный модулятор может быть выполнен в виде вращающегося диска с вырезами для попеременного или с разными частотами прерывания пропускаемых через селективный газофильтровый модулятор и сравнительную кювету пучков излучения.

Оптической системой 4, в состав которой может входить оптический фильтр, пучки излучения, прошедшего по корреляционному и сравнительному каналам направляются на приемную площадку фотоприемника 5. Выходной электрический

1808125 сигнал фотоприемника подается в блок электронной обработки сигналов, в состав которого входят соединенные последовательно блок 7 разностного сигнала и блок 6 делителя напряжений, а также блок 8 сигнала нормировки. При этом блок делителя напряжений может включаться как перед блоком разностного сигнала (показано на чертеже) и представлять собой усилитель с автоматической регулировкой усиления, так и после него и представлять собой измеритель отношения открытого типа, Согласно варианту устройства, представленному на чертеже, выходной сигнал фотоприемника подается на вход блока 6 делителя напряжений, в котором при необходимости усиливается и нормируется на выходной сигнал блока 8 сигнала нормировки, после. чего синхронно с частотой (частотами) неселективной модуляции пучков излучения в корреляционном и сравнительном каналах обрабатывается в блоке 7 разностного сигнала с получением сигнала, пропорционального разности потоков этих излучений, и измерением значения этого сигнала по отношению к его значению при нулевой концентрации измеряемого компонента в анализируемой среде.

Для синхронизации работы блока раз-. ност loco сигнала используется связанный с модулятор. м, например оптически, первый формирователь 9 управляющих сигналов. В качестве блока разностного сигнала может быть использован фазочувствительный усилитель, а в качестве блока 8 сигнала нормировки — накопительное устройство, управляемое синхронно с селективной модуляцией излучения в корреляционном канале посредством второго формирователя

10 управляющих сигналов, связанного с селективным газофильтровым модулятором, При отсутствии поглощения излучения в анализируемой смеси и отсутствии поглощающего газа в газофильтровом модуляторе потоки излучения, пропускаемого через этот модулятор и сравнительную клювету, уравниваются. Газофильтровый модулятор заполняется газом, аналогичным измеряемому компоненту, причем таким образом, чтобы даже при минимальной толщине его поглощающего слоя осуществлялось достаточно полное поглощение излучения в центрах линий, Работа же газофильтрового модулятора будет заключаться в периодичеСком изменении ширин этих линий поглощения, что обеспечит однозначную связь амплитуды селективно промодулированного сигнала с интенсивностью излучения источника при устранении влияния на него посторонних компонентов, линии поглощения которых не перекрываются с линиями поглощения газа в газофильтровом модуляторе. При этом селективное ослабление излучения посторонними компонентами

5 приведет к одинаковому снижению потоков излучения, проходящего как через газофильтровый модулятор, так и через сравнительную кювету, что не приведет к изменению разностного сигнала. Таким об10 разом, пронормированный раэностный сигнал останется беэ изменения и при отсутствии измеряемого компонента в анализируемой смеси может быть скомпенсирован до нуля.

15 Появление в анализируемой смеси измеряемого компонента приведет к селективному ослаблению излучения в центрах его линий поглощения, а это скажется. лишь на уменьшении потока излучения, пропу20 скаемого через сравнительную кювету, т.к, газофильтровым модулятором излучение на этих длинах волн заведомо поглощено или заметно ослаблено, Таким образом, присутствие измеряемого компонента в исследуе25 мой смеси ведет к изменению значения разностного сигнала, причем пропорционально обусловленному им уменьшению потока излучения, пропускаемого через эту смесь, при этом измеряемый пронормиро30 ванный сигнал, дающий информацию о концентрации анализируемого компонента, не будет в достаточно широких пределах зависеть ни от изменений интенсивности излу. чения источника, ни от посторонних

35 примесей.

Формула изобретения

1, Способ анализа газов, заключающийся в пропускании пучков зондирующего из40. лучения через анализируемую среду, их последующей неселективной модуляции, раздельном пропускании пучков зондирующего излучения по корреляционному и сравнительному каналам, выделении сигнала, 45 пропорционального разности потоков излучения, и измерении сигнала, по величине которого судят о концентрации анализируемого компонента, отл и ча ю щ ий с я тем, что, с целью повышения точности измере50 ний, в корреляционном канале осуществляют селективную широтно-спектральную модуляцию пропускаемого через него пучказондирующего излучения с частотой, отличной от частоты неселективной модуляции, 55 на частоте широтно-спектральной модуляции выделяют сигнал нормировки, на который нормируют сигнал, пропорциональный разности потоков излучения.

2. Устройство для анализа газов, содержащее неселективный модулятор, сравни1808125

Составитель В.Дунаев

Техред M.Ìîðãåíòàë

Корректор П.Пилипенко

Редактор Г.Рожкова

Заказ 1400 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКН1 СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент, г. Ужгород. ул.Гагарина, 101 тельную кювету, оптическую систему, фотоприемник и блок обработки сигналов, причем выход фотоприемника подключен к входу блока обработки, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что в него введены селективный 5 газофильтровый модулятор, первый и второй формирователи управляющих сигналов, а блок обработки сигналов выполнен в виде блока разностного сигнала, блока деления и блока нормировки, при этом информацион- 10 ный вход блока разностного сигнала соединен с информационным входом блока нормировки, выход которого соединен с нормирующим входом блока деления, а управляющий вход блока разностного сигнала через первый формирователь управляющих сигналов подключен к входу. неселективного модулятора, управляющий вход блока нормировки через второй формирователь управляющих сигналов связан с селективным газофильтровым модулятором.