Газоанализатор

 

Союз Советских

Социааисткческих

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОВСКОМУ СВ ЕТЕЛЬСТВУ (ii)813205 (6! ) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 10.11. 78 (21) 2683812/18-25 с присоединением заявки Йо— (23) Приоритет—

Опубликовано 15.0381. Бюллетень 89 10

Дата опубликования описания 150ЭЛ1 (я)м. к„.з

6 01 и 21/61

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (53) УДК 535.24 (088 ° 8) аявителы

Ленинградского ордена Ленина политехнического института нм. М.И.Калинина и Томский политехнический институт (54) ГАЭОАНАЛИЗАТОР

Поставленная цель достигается тем, что в известном гаэоаналиэаторе, содержащем последовательно расположенные на одной оптической оси источник

20 излучения, формирователь потока НКИзлучения, механический модулятор в виде вращающегося диска,интерференционный фильтр, кювету с исследуемым веществом и приемник излучения с подключенным к нему электронным блоком обработки сигналов, диск модулятора изготовлен с двумя окнами, в одном иэ которых установлена плоскопараллельная пластина, а в другом — приз30 ма.

Изобретение относится к области исследования веществ с помощью инФракрасных лучей, в частности к технике .газового анализа, и может быть использовано для определения содержания микропримесей в газовой среде.

Известен газоаналиэатор, выполненный по однолучевой одноканальной схеме, состоящей иэ источника излучения, формирователя потока, механического модулятора, интерференционного фильтра, полоса поглощения которого совпадает с полосой поглощения анализируемого компонента, кюветы с исследуемым веществом, приемника излучения и электронного- блока обработки сигнала (11 .

Недостатком данного газоаналиэа.тора является погрешность от нестабильности во времени ИК-потока, излучаемого источником.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому газоаналиэатору является гаэоаналиэатор, содержащий последовательно расположенные на одной оптической оси источник излучения, формирователь потока ИКизлучения, механический модулятор в виде вращающегося диска интерференционный фильтр, кювету с исследуемым веществом и приемник излучения с подключенным к нему электронным блоком обработки сигналов 723.

Недостатком указанного газоанализатора является наличие не менее двух интерференционных фильтров, характеристики которых изменяются со временем и от температуры неодинаково,что приводит к изменению метрологических характеристик прибора (снижению точности и увеличению нестабильности).

Целью изобретения является повьанение точности и стабильности измерения.

813205

Известно, что„ если фильтр рассчитан. на пропускание коллимированного потока ИК-излучения определенной длины волны (т.е. угол падения потока излучения составляет О"), то при отклонении этого угла от нулевого значения максимум полосы пропускания фильтра смещается н коротковолновую область. Аналитическое выражение для пропускания излучения с длиной волны Л для простого интерференционного фильтра имеет нид г

Ct> .,Cg Lp (1) (- С„б „р-,) +«p P P. < где Т,1q,Tð — энергетические коэффициенты пропускания первого и второго полуотражающих слоев и разделяющего их диэлектрического слоя; энергетические коэффициенты отражения металлических слоев со с

H6I диэлектрика торо25

2 = и - и oCn+Уо

4кР

Л разность Фаз между последовательно интерферирующими лучами; п — показатель преломления подложки; толщина подложки из диэлектрика;

0(— угол падения излучения;

Фазовый сдвиг при отражении о на полупрозрачном слое.

Меняя дискретно угол падения потока ИК-излучения, можно перемещать по шкале частот полосу пропускания интерференционного фильтра, и, таким образом, отпадает необходимость во 49 втором фильтре, а наличие только одного фильтра позволяет повысить точность и стабильность измерений.

На фиг.1 изображена функциональная схема газоанализатора; на фиг.2 -ход лучей в призме, установленной в модуляторе.

Устройство содержит последовательно расположенные на одной оптической оси источник 1 излучения (нихромовая спираль), формирователь потока в виде коллиматора 2, принодимый во вращение с помощью двигателя 3 механический дисковый модулятор 4 с двумя окнами, в одном из которых установлена плоскопараллельная пластина 5, а в другом — призма б, интерференционный фильтр 7, многоходовую кювету с исследуемым веществом в виде полого

Фокусирующего конуса (фокона) 8, приемник 9 излучения с подключенным к нему электронным блоком обработки сигналов„ включающим усилитель 10„ вход которого соединен с выходом приемника, схему 11 переключения сигналов, два синхоонных детектора 12 и

13, сигнальные входы которых соединены с выходами схемы переключения сигналов, а управляющие входы — c выходом пары светодиод 14-фотодиод 15, схему 16 отношения, соединенную с выходами синхронных детекторов, и последовательно с нею — логарифмирующее устройство 17.

Устройство работает следующим образом.

Коллиматор 2 и плоскопараллельная пластина 5 формируют поток излучения от нити 1 накала, направляя его перпендикулярно плоскости интерференционного фильтра (гри этом допускается расхождение потока не более 5 ). Отфильтрованный поток входит в кюветуфокон 8 и, испытывая многократное отражение в ней, поступает на приемник

9 излучения.

Коллиматор 2 и призма б формируют поток излучения под углом падения на интерференционный Фильтр, отличном от Q . Выбор угла падения в этом случае зависит от ширины полосы поглощения конкретного исследуемого газа.

Для оптимального использования входной апертуры призмы возможно использовать например, геометрию призмы (Фиг.2). Направление луча 18 соответствует направлению коллимированного потока от источника излучения. Направление луча 19 соответствует общему случаю, когда падение потока излучения на призму произвольно.Уравнения, связывающие параметры призмы следующие:

А 91 82

s In Z1 — П5! П01 э

s I n + = ns l n0g

9 = K.„+K- (0„+02), где А — преломляющий угол при вершине призмы;

n — показатель преломления материала призмы; Р— угол отклонения призмы (угол, составленный падающим и выходящим лучами).

В случае коллимированного.нормально падающего потока на поверхность призмы с = О, В„= О, В = А, 5 1 и Q(= n s I и В =- и 5 I n А, 9- =Q =, 0,1== ;А, где Q — угол падения излучения на интерференционный фильтр.

Таким образом, модулятор создает вариацию угла падения излучения на интерференционный фильтр, что обеспечивает переключения участкон спектра, и предлагаемое устройство решает задачу измерения концентрации исследуемого вещества.

Мощность инфракрасного потока радиации, поступающего на приемник 9 излучения, пропорциональна пропусканию исследуемого газа в диапазоне полосы пропускания фильтра d Л„и пропорциональна пропусканию оптической

813205

При падении на фильтр коллимиро- 30 ванного пучка излучения, поток, зарегистрированный приемником излучения

1л -1 Сл Е (" " " ) о (3) $$ а при угле падения, отличном от 0

Г Г

1Л,=I тл Е "" " >e. (4) г

40 где 1 о (л,XA.>поток, падающий на интерференционный Фильтр; интегральные коэффициенты пропускания фильтра в диапазоне аЛ и,4Д соответственно; 45 коэффициенты поглощения исследуемого и "мешающего" газов в диапазоне а Л,; соответствующие коэффициенты поглощения в диа- 50 пазоне лье; концентрация исследуемого и "мешающего" компонентов; длина кюветы.

К,К,Г

К,К схемы потока радиации источника в смешенном диапазоне пропускания фильтра 6А .

Сигналы, снимаемые с приемника 9, усиливаются малошумящим усилителем 10.

Разделение .сигналов, несущих информаI .,цию о. пропускании кюветы на разных длинах волн, осуществляется схемой

;11 переключения сигналов. Эти сигналы поступают в схемы .12-13 синхронного детектирования. Управление синхронными детекторами осуществляется с помощью пары светодиод 14-фотодиод

15. Преобразование напряжений, снимаемых с выходов детекторов 12 и 13 в сигнал, пропорциональный парциальному давлению исследуемого газа, произво- 5 дится схемой 16 отношения. На выходе прибора установлено логарифмическое устройство 17.

Таким образом, измерение концентрации поглощающего газа или пара gQ производится .путем измерения логарифма отношений величины поглошения ИКизлучения в двух спектральных участках полосы поглощения измеряемого компонента. Такой способ измерения -2 обеспечивает повышение селективности метода за счет уменьшения влияния мешающих компонентов.

Используя схему отношения сигналов, имеем

1л «г.л1 (к с к с -к с -к с )е (5)

1л Тлг

Если регистрируется сигнал на фо" не очень сильной помехи, спектр которой полностью перекрывает спектр исследуемого газа (например случай полосы поглощения углекислого газа в районе 2,7 мкм на фоне полосы поI глощения водяных паров),то К =К и тогда равенство (5) примет вид

I 41 Сл, -(к,с, -к, с,)е — е (6)

Отношение — для одного и того СА г же фильтра, при отклонении падения пучка на некоторый фиксированный угол, остается величиной постоянной при любой величине пропускания фильтра, т.е. достигается повышение точности и стабильности измерения.

Предлагаемое устройство, использующее только один иитерфереиционный фильтр, обеспечивает повышение точности и стабильности измерений, а также экономию дорогостоящих интерференционных фильтров.

Предлагаемое устройство можно рекомендовать для использования в химической и газовой промышленности, а также для оценки загрязнения окружающей среды.

Формула изобретения

Газоанализатор, содержащий последовательно расположенные на одной оптической оси источник излучения, формирователь потока ИК-излучения, механический модулятор в виде вращающегося диска, интерференционный фильтр, кювету с исследуемым вещест» вом и приемник излучения с подключенным к нему электронным блоком обработки сигналов, о т л и ч а юшийся. тем, что, с целью повышения точности и стабильности измере-. ний, диск модулятора изготовлен с двумя окнами, в одном из которых установлена плоскопараллельная пластина, а в другом — призма.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Франции Р 219669, кл.G 01 М 7/04, опублик.1974.

2. наса and f.gup Food 1, If, 1974>

9 9., р.59-60,65,69 (прототип).