Оптико-электронный спектральный газоанализатор

Изобретение относится к технике газового анализа и может быть использовано для определения качественного и количественного состава газовых смесей, образуемых в результате жизнедеятельности организмов или выделяемых в процессе работы различных устройств, двигателей внутреннего сгорания, а также для контроля качества парфюмерных изделий. Газоанализатор содержит блок питания, к выходу которого подсоединены осветительный элемент, быстрый фотозатвор входного пучка, устройство продувки оптической кюветы очищающим газом, устройство напуска анализируемой газовой смеси в оптическую кювету, быстрый фотозатвор выходного пучка, фотоприемник, выполненный в виде блока детекторов, многоканальный усилитель, а к входу присоединен блок управления через цифроаналоговый преобразователь. Осветительный элемент, быстрый фотозатвор входного пучка, оптическая кювета с встроенной в нее вогнутой отражательной решеткой расположены на одной оптической оси, а оптическая кювета с встроенной в нее вогнутой отражательной решеткой и прозрачным выходным окном, быстрый фотозатвор выходного пучка и фотоприемник расположены на другой оптической оси по ходу выходящего пучка. К кювете последовательно присоединены быстрый фотозатвор выходного пучка, фотоприемник, многоканальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, например компьютер, цифроаналоговый преобразователь. Техническим результатом является повышение точности и чувствительности за счет определения качественного состава газовой смеси по спектрам излучения. 1 ил.

 

Оптико-электронный спектральный газоанализатор относится к технике газового анализа и может быть использован для определения качественного и количественного состава газовых смесей, образуемых в результате жизнедеятельности организмов или выделяемых в процессе работы различных устройств, двигателей внутреннего сгорания, а также для контроля качества парфюмерных изделий.

Известно техническое решение по патенту RU 2091764, МПК 6 G01N 21/61 от 16.08.94, опубликовано 27.09.97, бюллетень № 27, «Волоконно-оптический анализатор» (1). Изобретение относится к технике аналитического и измерительного приборостроения для обнаружения и определения концентрации газов и может быть использовано в угольной, химической, нефтеперерабатывающей, газовой и других отраслях промышленности. Устройство содержит последовательно установленные и оптически связанные излучатель, входное оптическое волокно, многоходовую кювету, состоящую из трех сферических зеркал, выходное оптическое волокно, блок регистрации и обработки информации. Между выходным оптическим волокном и блоком регистрации установлен спектральный интегральный демультиплексор, а на продолжении сферы зеркала-коллектива в непосредственной близости от его края с одной стороны установлены торцы входного и выходного оптических волокон, оба зеркала-объектива установлены с возможностью совместного поворота относительно центра кривизны зеркала-коллектива в общей меридиональной плоскости всех зеркал.

Известно также техническое решение по патенту RU 2083959, МПК 6 G01J 3/42 от 21.03.95, опубликовано 10.07.97, бюллетень № 19, «Способ измерения концентрации газов методом корреляционной Фурье-спектроскопии» (2).

Изобретение относится к способам измерения концентраций газов в газовых средах методом абсорбционной спектроскопии, в частности к способам измерения газовых примесей в атмосфере и контроля загрязнения окружающей среды. Способ корреляционной Фурье-спектроскопии включает измерение интенсивностей определенного набора компонент Фурье-спектра принимаемого излучения, причем значения Фурье-переменных измеряемых Фурье-компонент коррелируют с положениями максимумов и минимумов в Фурье-спектре спектра поглощения измеряемого газа, а принимаемое излучение анализируют только в диапазоне волновых чисел, где измеряемый газ имеет линии поглощения.

Недостатком этого метода является относительно невысокая чувствительность, поскольку для заметного поглощения излучения необходимо, чтобы концентрация искомого вещества была достаточно большой (не менее 0.001%).

Наиболее близким по технической сути является техническое решение по авторскому свидетельству SU 1672814, МПК 6 G01N 21/31 от 06.10.89, опубликовано 20.05.96, бюллетень № 14, «Газоанализатор» (3).

Это изобретение относится к технике газового анализа и может быть использовано для определения количественного и качественного состава газовых смесей, образуемых в результате жизнедеятельности организмов или выделяемых в процессе работы различных устройств, например двигателей внутреннего сгорания.

Данное техническое решение направлено на расширение функциональных возможностей газоанализатора за счет определения качественного состава газовой смеси и повышение точности и чувствительности. В. газоанализаторе, содержащем излучающий диод, p-n-переходы которого выполнены идентичными в одном и том же кристалле, фокусирующую оптическую систему, по крайней мере с одним элементом, выполненным в виде вогнутого отражателя, в фокусе которого расположен фотоприемник, и электронную схему выделения полезного сигнала, подключенного к фотоприемнику, на поверхность по крайней мере одного из отражателей нанесена дифракционная решетка, и/или газоанализатор содержит дифракционную решетку, в меридиональной плоскости которой на направлениях главных дифракционных максимумов расположен диод и фотоприемник. Диод выполнен в виде линейной матрицы с числом элементов N, определяемых условием по крайней мере с одним элементом, выполненным в виде вогнутого отражателя, в фокусе которого расположен фотоприемник, и электронную схему выделения полезного сигнала, подключенного к фотоприемнику, на поверхность по крайней мере одного из отражателей нанесена дифракционная решетка, и/или газоанализатор содержит дифракционную решетку, в меридиональной плоскости которой на направлениях главных дифракционных максимумов расположен диод и фотоприемник. Диод выполнен в виде линейной матрицы с числом элементов N, определяемых условием

а светоизлучающая область каждого из элементов имеет поперечный размер h, который при неперекрывающихся полосах поглощения газов удовлетворяет условию

а в остальных случаях определяется из условия

где - дисперсия решетки или системы;

Δλ' - разрешение решетки или системы;

Δλ - наименьшая из полуширин характеристических полос поглощения предполагаемых газов;

Δλ" - полуширина спектра электролюминесценции излучающего диода;

Н - расстояние между центрами элементов матрицы.

Газоанализатор может содержать устройство коррекция величины тока, протекающего через p-n-переходы, подключенное к схеме выделения полезного сигнала, и просвечиваемое диодом эталонное вещество.

Наиболее близким по технической сути является устройство для спектрального анализа, [1] содержащее осветительный элемент, дифракционную решетку, фокусирующее устройство, приемник излучения.

Но данное устройство не позволяет в реальном масштабе времени определить наличие искомого вещества, если оно присутствует в газе, но его концентрация настолько мала, что не вызывает заметного поглощения электромагнитного излучения на заданной длине волны, т.е. лежит ниже порога чувствительности прибора [1].

Задачей предлагаемого технического решения является создание оптико-электронного спектрального газоанализатора с расширенными функциональными возможностями и высокой разрешающей способностью.

Поставленная задача решается за счет того, что оптико-электронный спектральный газоанализатор, содержащий осветительный элемент, подсоединенный к выходу блока питания, оптическую кювету, вогнутую отражательную дифракционную решетку, фотоприемник и блок управления, выполненный с возможностью обработки и выдачи информации, при этом в него введены быстрый фотозатвор входного пучка, быстрый фотозатвор выходного пучка, устройство продувки оптической кюветы очищающим газом, устройство напуска анализируемой газовой смеси в оптическую кювету, многоканальный усилитель, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, при этом фотозатворы, устройство продувки оптической кюветы очищающим газом, устройство напуска анализируемой газовой смеси в оптическую кювету, фотоприемник, выполненный в виде блока детекторов, и многоканальный усилитель подсоединены к выходу блока питания, к входу которого через цифроаналоговый преобразователь присоединен блок управления, осветительный элемент, быстрый фотозатвор входного пучка, оптическая кювета с встроенной в нее вогнутой отражательной дифракционной решеткой расположены на одной оптической оси, по ходу входного луча, а оптическая кювета с вогнутой отражательной дифракционной решеткой и прозрачным выходным окном, быстрый фотозатвор выходного пучка, и фотоприемник расположены на другой оптической оси по ходу выходящего пучка, к оптической кювете последовательно присоединены быстрый фотозатвор выходного пучка, фотоприемник, многоканальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, выполненный в виде компьютера, и цифроаналоговый преобразователь.

Предложенная блок-схема оптико-электронного спектрального газоанализатора, в котором последовательно присоединены элемент для формирования спектрального разложения анализируемого сигнала, быстрый фотозатвор выходного пучка, фотоприемник, позволяющий по отдельности регистрировать и преобразовывать испускаемый оптический сигнал в каждом заранее заданном спектральном диапазоне, усилитель электрических сигналов, поступающих с фотоприемника, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок управления, например компьютер, в состав программного обеспечения которого входит база данных о спектральных характеристиках анализируемых веществ и программа распознавания образов, а также программа управления газоанализатором, позволяет создавать и анализировать спектры испускания, а не поглощения, как в существующих аналогах и прототипе.

Наличие встроенной в кювету вогнутой отражательной дифракционной решетки позволяет разложить световой импульс в спектр одновременно с фокусировкой сигнала, что позволяет существенно повысить разрешающую способность прибора.

Поскольку спектральные линии каждого вещества имеют определенную ширину, одновременно имитировать длину волны и ширину линии невозможно, однозначную идентификацию веществ производят с очень высокой степенью вероятности.

Возможность анализировать регистрируемые предлагаемым устройством спектры испускания, а не спектры поглощения позволяют обнаружить искомые вещества даже в случае ничтожно малых концентраций, когда их количество измеряется в тысячах молекул, поскольку современные ФЭУ способны регистрировать буквально отдельные фотоны.

Использование в устройстве компьютера со специальным программным обеспечением позволяет производить анализ состава газовой смеси за несколько секунд, и анализ может осуществляться в реальном времени.

Расположение блоков на разных оптических осях дает возможность выполнить газоанализатор компактным, небольших габаритных размеров и массы, и он может быть выполненным как в стационарном, так и в переносном варианте.

На чертеже изображена блок-схема оптико-электронного спектрального газоанализатора, где показаны блок питания 1, осветительный элемент 2, быстрый фотозатвор входного пучка 3, оптическая кювета 4, устройство продувки оптической кюветы очищающим газом 5, устройство 6 напуска анализируемой газовой смеси в оптическую кювету, вогнутая отражательная дифракционная решетка 7, прозрачное окно 8, через которое луч света выходит из оптический кюветы, быстрый фотозатвор выходного пучка 9, фотоприемник 10, многоканальный усилитель 11, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12, блок управления (БУ) 13, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14.

Оптико-электронный спектральный газоанализатор выполнен следующим образом.

К выходу блока питания 1 подсоединены осветительный элемент 2, быстрый фотозатвор входного пучка 3, устройство продувки оптической кюветы очищающим газом 5, устройство напуска анализируемой газовой смеси в оптическую кювету 6, быстрый фотозатвор выходного пучка 9, фотоприемник 10, многоканальный усилитель 11, а к входу присоединен блок управления 13 через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14.

Осветительный элемент 2, быстрый фотозатвор входного пучка 3, время срабатывания которого не превосходит 10^-10 секунды, и кювета 4 с встроенной в нее вогнутой отражательной дифракционной решеткой 7 расположены на одной оптической оси по ходу входного луча, а кювета 4 с отражательной дифракционной решеткой 7 с прозрачным окном 8, через которое луч света выходит из оптический кюветы, быстрый фотозатвор выходного пучка 9, фотоприемник 10 расположены на другой оптической оси по ходу выходящего луча.

В кювету 4 непосредственно встроена вогнутая отражательная дифракционная решетка 7 и прозрачное окно 8. К кювете 4 последовательно присоединены быстрый фотозатвор выходного пучка 9, время срабатывания которого не превосходит 10^-10 секунды, для передачи анализируемого сигнала на фотоприемник 10, выполненного, например, на базе ПЗС-матрицы, позволяющий по отдельности регистрировать оптический сигнал в каждом заранее заданном спектральном диапазоне выходного оптического сигнала (от 1 до ... n), позволяющий по отдельности регистрировать излучаемый оптический сигнал в каждом заранее заданном спектральном диапазоне, многоканальный усилитель 11 электрических сигналов, поступающих с блока 10, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12, блок управления 13, например компьютер, в состав программного обеспечения которого входит база данных о спектральных характеристиках анализируемых веществ и программа распознавания образов, а также программа управления газоанализатором, цифроа-налоговый преобразователь (ЦАП) 14.

Газоанализатор работает следующим образом.

Действие данного прибора основано на использовании принципа двойственности (Ю.Л.Ратис, 1984 г.) для численного преобразования Фурье (см. [4] - [6]). Согласно принципу двойственности при численном или аппаратном интегрировании функций, имеющих острые пики (например, спектральные линии или полосы в спектре излучения или поглощения), необходимо рассматривать задачу распознавания образа (сигнала) одновременно как для самой функции, так и для ее Фурье-образа. Поскольку дельта-пик в координатном пространстве превращается в функцию-подложку в Фурье-сопряженном пространстве, и наоборот, постольку одновременный численный или аппаратный анализ как самой функции, так и ее Фурье-образа позволяет минимизировать вероятность ошибки идентификации вещества за счет определения качественного состава газовой смеси по спектрам излучения, а также повышению его точности и чувствительности.

Блок управления 13 через ЦАП 14 выдает управляющий сигнал на блок питания 1 для включения устройства продувки оптической кюветы 5 очищающим газом.

После очистки оптической кюветы 4 блок управления 13 выдает через ЦАП 14 управляющий сигнал на блок питания 1 для включения устройства напуска анализируемой газовой смеси 6 для подачи ее (смеси) в оптическую кювету 4.

Далее блок управления 13 выдает через ЦАП 14 управляющий сигнал на блок питания 1 для кратковременного включения мощной лампы-осветителя 2.

После включения лампы осветителя 2 блок управления 13 выдает через ЦАП 14 управляющий сигнал на блок питания 1 для включения быстрого фотозатвора 3 осветительной системы. В результате импульсного освещения часть атомов и молекул, входящих в состав анализируемой газовой смеси, переходит в возбужденное состояние. При девозбуждении эти атомы и молекулы испускают электромагнитное излучение в инфракрасном видимом и в некоторых случаях в ультрафиолетовом диапазоне.

Дифракционная решетка 7 осуществляет разложение сформировавшегося в оптической кювете 4 светового импульса в спектр и фокусировку его через выходное окно 8 на блок детекторов.

Одновременно с закрытием быстрого входного фотозатвора 3 блок управления 13 через ЦАП 14 при помощи блока питания 1 открывает быстрый выходной фотозатвор 9.

После этого световые импульсы в каждом спектральном окне поступают на фотоприемник 10.

После оптико-электрического преобразования с помощью блока детекторов 10 электрические сигналы от каждого канала (спектрального диапазона) поступают в многоканальный усилитель 11, из которого сигнал через АЦП 12 поступает в блок управления 13 для обработки информации.

Блок управления 13 производит обработку входного сигнала и выдает информацию о наличии или отсутствии в газовой смеси эталонных веществ.

Система спектральных окон строится с учетом того факта, что многие молекулярные соединения имеют достаточно долгоживущие уровни именно в оптическом и инфракрасном диапазонах. Для каждого спектрального диапазона ω_i≤ω≤ω_i+Δω_i выходной сигнал регистрируется детектором, где ω - циклическая частота электромагнитного излучения, испускаемого атомами и молекулами вещества, находящегося в оптической кювете 4, ω_i - наименьшая циклическая частота для i-го канала (спектрального диапазона), Δω_i - ширина спектрального окна. В качестве детектора используют, например, ПЗС-линейку.

Оптико-электронный спектральный газоанализатор, содержащий осветительный элемент, подсоединенный к выходу блока питания, оптическую кювету, вогнутую отражательную дифракционную решетку, фотоприемник и блок управления, выполненный с возможностью обработки и выдачи информации, отличающийся тем, что в него введены быстрый фотозатвор входного пучка, быстрый фотозатвор выходного пучка, устройство продувки оптической кюветы очищающим газом, устройство напуска анализируемой газовой смеси в оптическую кювету, многоканальный усилитель, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, при этом фотозатворы, устройство продувки оптической кюветы очищающим газом, устройство напуска анализируемой газовой смеси в оптическую кювету, фотоприемник, выполненный в виде блока детекторов, и многоканальный усилитель подсоединены к выходу блока питания, к входу которого через цифроаналоговый преобразователь присоединен блок управления, осветительный элемент, быстрый фотозатвор входного пучка, оптическая кювета с встроенной в нее вогнутой отражательной дифракционной решеткой расположены на одной оптической оси по ходу входного луча, а оптическая кювета с вогнутой отражательной дифракционной решеткой и прозрачным выходным окном, быстрый фотозатвор выходного пучка и фотоприемник расположены на другой оптической оси по ходу выходящего пучка, к оптической кювете последовательно присоединены быстрый фотозатвор выходного пучка, фотоприемник, многоканальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, выполненный в виде компьютера, и цифроаналоговый преобразователь.