Оптический газоанализатор

 

О П И С А Н И Е (873056

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

CDIo3 Советскик

Сфциапистическик

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 07. 12. 79 (21) 2848280/18-25 с присоединением заявки М (23) Приоритет (53)NL. Кл.

G 0l и 21/61

3Ьвумврствсквыб кемятет

СССР ае двлам язабретевяб и втирнтв11

О убликовано 15 10. 81. бюллетень М 38

Дата опубликования описания 15.10.81 (53) УДК 543.422., .4(088.8) М. С. Алейников, В. В. Аристов и Н. М т Галттмулин

1 (72) Авторы изобретения

1

Томский ордена Октябрьской Революции И ордена Трудового

Красного Знамени политехнический инстйтут-им, С. М. Кирова (7 t ) Заявитель (54) ОПТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к газовому анализу, основанному на поглощении электромагнитного излучения в оптическом диапазоне длин волн, определяемом компонентом газовой смеси, и может быть использовано в автоматических газоаналиэаторах.

Известен оптический газоанализатор, содержащий источник излучения, формирователь потока излучения, модуля1О тор в виде поворотного зеркала и приемник излучения с электронным бло-. ком обработки сигнала.

Модуляцию потока по частоте осуществляют изменением длины хода луча в оптической системе путем быстрого перемещения поворотного зеркала вдоль оси вращения на определенную величину (1).

Недостатком этого устройства является сложность оптической системы °

Наиболее близким к предлагаемому является оптический газоанализатор, содержащий расположенные на одной оптической оси излучатель, формирователь потока излучения, модулятор, систему интерференционных светофильтров, рабочую камеру с анализируемой смесью и электронный блок обработ-, ки сигналов12).

Недостатком такого газоанализатора является невысокая селективиость и концентрационная чувствительность из-за перекрытия полос поглощения измеряемого газа и других газов, содержащихся в газовой смеси.

„ Цель изобретения — повышение точночти анализа.

Поставленная цель достигается тем, что в оптическом газоанализаторе, содержащем расположенные на одной оптической оси излучатель, формирователь потока излучения, модулятор, систему интерференционных светофильтров, рабочую камеру с анализируемой смесью

873056 4

20 и электронный блок обработки сигналов, формирователь потока излучения выполнен в виде расходящего фоклина, снабженного заслонкой с двумя щелями с механизмом возвратно-поступательного перемещения ее перпендикулярно сформированному потоку, система светофильтров содержит два фильтра с одинаковыми характеристиками пропускания, расположенными под углами к оп» тической оси, равными по величине, но противоположиьв4и по знаку, а электронный блок обработки сигналов содержит схему выделения сигнала, пропорционального крутизне спектральной характеристики анализируемого газа.

На фиг. 1 представлена схема газоанализатора; на фиг. 2 — заслонки с двумя щелями; на фиг. 3 - механический модулятор с приводом; на

4 г. 4- взаимное расположение формирователя потока заслонки с двумя щелями и двух фильтров с одинаковыми по величине углами наклона .к оптической оси, Но разными по знаку; на фиг. 5 — экспериментальные характеристики пропускания фильтров Т н

Т при падении на них лучей под yrо лами 85 и 75осоответствеино и общая характеристика пропускания двух фильтров; на фиг. 6 — пример расположения полосы поглощения газа и максимумов пропускания.системы двух фильтров при падении на них лучей,прошедших через щели.

Газоанализатор содержит последовательно расположенные на одной оптической оси источник 1 излучения (например, нихромовая спираль}, формирователь потока в виде полого фокусирующего клина — фоклина 2, заслонки 3 с двумя щелями с приводом 4 в виде . электромагнита, механического модуля тора 5 с приводом 6 в виде двух электромагнитов, двух интерференционных фильтров 7 с одинаковыми характеристикаьж пропускания и с равными по величине, но с разными по знакууглами. наклона к оптической оси, многоходовую рабочую кювету в виде полого фокусирующего клина (фоклина) 8, че-рез которую прокачивается анализируемая газовая смесь, приемник 9 излучения с подключенным к нему электрическим блоком обработки сигнала, включающим в себя усилитель 10, синхронный детектор ll, сигнальный выход которого подключен к выходу уси» лителя 10 а управляющий — к выходу

ЗО

<35

5О

55 усилителя — формирователя 12, вход которого соединен с выходом оптронной пары — светодиод 13 — фотодиод !4, дифференциатор 15, выход которого соединен с выходом синхронного детектора 11 узкополосного усилителя 16, вход которого подключен к выходу дифференциатора 15 синхронного детектора 17, сигнальный вход которого соединен с выходом усилителя 16, а управляющийподключен к выходу удвоителя частоты 18, вход которого подключен к выходу усилителя — формирователя 19, управляющего сигналом с выхода оптронной пары — светодиод 20 — фотодиод 21, сумматора 22, один вход которого подключен к выходу синхронного детектора 17, а второй — к потенциометру 23, индикатора 24, подк-. люченного к выходу сумматора 22.

Газоанализатор работает следующим образом.

Если интерференционный фильтр рассчитан на пропускание потока.оптического излучения определенной дли.— ны волны, падающего на поверхность фильтра нормально; то при отклонении угла падения потока от 90 s ту или другую сторону максимум. полосы пропускания фильтра смещается в коротковолновую область. Меняя угол падения потока на поверхность фильтра, можно перемещать по шкале частот его полосу пропускания.

На фиг. 4 представлено взаимное расположение формирователя потока в виде полого фокусирующего клина— фоклина 2, заслонки с двумя щелями 3 и двух фильтров 7 с одинаковыми по величине углами наклона к оптической оси с,, но разными по знаку. На фнг. 4 видно, что на фильтр с отрицательным углом наклона через щель падает поток под углом близким

90- о (угол расходимости потока, вышедшего из формирователя 2, также равен с ). На фильтр с положительным углом наклона + а (см. фиг. 4) через щель 25 падает поток под уго лом 90-2 с, а через щель 26 — под углом 90"+Q . Для угла Q равного, например 10, характеристика пропускания части поверхности фильтра с углом наклона — Й., на которую па- дают лучи под углом 90 через щель

О

25, представлена на фиг. 5 (кривая

Т4) снятая экспериментально на спектрофотометре ИКС-22, а характерис. тика пропускания части поверхности

873056 6 рабочей кюветы при отсутствии в ней измеряемого газа проходит разностный оптический сигнал

e0r0 ФГТЮ

5 .где Ф01, Ф - — потоки, прошедшие через щели 25 и 26 соответственно;

Т и Т у - пропускания двух фильтров для потоков, прошедших через щели 2ф и 26 соответственно.

Так как формирователь 2 формирует поток, равномерный по его сечению, то Ф„= Ф1у= Ф

ТогдадФ = Ф (Т„- Ту) (2)

Поскольку характеристики пропускания

15 системы двух фильтров при движении щелей 25 и 26 перемещаются по оси частот навстречу друг другу, то при некотором положении щелей 25 и 26

Т< = Тд, а дФ = О, т.е. происходит смена знака (соответствующим подбором угла наклона фильтров можно всегда обеспечить равенство Т Т ).

Приемник 9 преобразует разность потоков дФ в электрический сигнал, который, проходя через усилитель I0 и синхронный детектор II снова усиливается, детектируется и поступает

1 на вход сумматора 22, на второй вход которого поступает опорный сигнал с.

30 потенциометра 23, равный по величине и противоположный по знаку сигналу с выхода синхронного детектора 17.При этом индикатор фиксирует нуль.

Взаимное расположение характерис---. тик пропускания фильтров и полосы ед- поглощения измеряемого газа выбирают так, чтобы их максимумы не совпадали (см. фиг.б) . На фиг.б представ-лен пример расположения лолосы погло"

40 щения газа В и максимумов пропуска-. ния системы двух фильтров при падении на них лучей, прошедших через щель 25 †)" 1 и щель 26 — 3-,г, когда щели расположены в исходном поло45 женин, как показано на фиг. 4. Стрелками на фиг. 6 показаны направления смещения максимумов полос поглощения при перемещении заслонки в направлении, указанном на фиг. 4 стрелкой.

Следовательно, при наличии в рабочей кювете измеряемого газа на приемник поступает сигнал

Ю) фильтра с положительным углом накло на + сК, на которую падают лучи йод углом 90 — 21К, представлена кривой Т, так же снятой экспериментально на ИКС-22.

Общее пропускание обоих фильтров, равное произведению пропусканий каждого фильтра, представлено кривой

Т4 Т2 на фт

Для лучей, прошедших через щель

26, углы падения на поверхности фильтров одинаковы по величине и про тивоположны по знаку. Характеристики пропускания этих фильтров будут также одинаковы (см фиг.8, кривая Т, Т ). Общая их характеристика представлена кривой T4 — Т .

При перемещении заслонки вниз по стрелке (см. фиг ° 4) угол падения лучей, проходящих через щель 25, для фильтра с углом наклона — О

Р о уменьшается от 90 до 90 — д, а для фильтра с углом наклона + возраста ет от 90 †.2с6 до 90 + и .. При этом о о угол падения лучей, прошедших через щель 26, для фильтра с углом наклона - уменьшается о 90 +cL до 90 а для фильтра с углом наклона + N возрастает от 90 - до 90 . Следовательно, максимумы общих характеристик пропускания двух фильтров для лучей, прошедших через щель 25, при ,перемещении ее от верхнего положения до оптической оси (см. фиг. 4) перемещаются в коротковолновую об.--; ласть (см. фиг. 5 и 6). На фиг. 5 пр ставлены снятые экспериментально характеристики пропускания фильтров Т4 и Т> при падении на их поверхность о лучеи под углом 85, 75 соответственно, что соответствует прохождению лучей через щель 25, имеющих угол о расходимости 5 относительно оптической оси. На этой же фигуре показана общая характеристика прохождения двух фильтров (кривая Т - Т2).

При перемещении щелй 26 от оптической оси к нижнему краю фильтров (см фиг. 4) общие характеристики пропускания двух фильтров изменяются в обратном порядке (см. фиг. 5).

Таким образом, модулятор 5, пе.рекрывая поочередно движущиеся щели 25 и 26, расположенные на заслонке 3, пропускает в рабочую кюве55 .ту 8 излучение разных длин волн.

При этом частота движения модулятора должна быть в 5 -10 раз больше частоты движения заслонки. На выходе ьф=ф(т т -т, т„ )= (т, ц- „, -тО- „„ ф

=Ф(1тц-т )-(тоттла татгы>1i

7 8 где ) ." = " — поглощение измеряемого

Г1.с1 ГФ газа на максимумах частот $Cl и я.с)соответственно;

Т T — пропускаиие измеряемого

ГЫ ГМ5 газа для полос пропускания фильтров с максимумом частот Х )l.уоох-. ветственно.

При С1=,1А5 Ф в (3) равно нулю, так как Tg= Т и 11 ГАС1 = Г)1д; Знак

ЬФ в (3) изменяется при дальнейшем перемещении. Так как Т и Т - не зависит от состояния газовой смеси, а

1 р Г зависят от концентрации измаояемГого газа, то изменения амплитуды ЬФ также зависят от концентрации измеряемого газа. Таким образом, при возвратно-поступательном движении заслонки с двчмя щелями 3 и поочередном перекрывании этих щелей модулятором 5, при наличии измеряемого газа в рабочей кювете 8, на прием--. ник 9 поступает оптический сигнал, содержащий переменную, амплитуда которой пропорциональна разности величин поглощений при соответствующих значениях величин пропчскания двух фильтров и положения максимумов их полос пропускания1 а частота равна удвоенной частоте пвижения заслонки.

Сигнал с выхода приемника проходит чеоез чсилитель 10, синхронный детектор 11, дифференциатоо 15 дифференцирует сигнал с выхода синхронного детектора 11 и удваивает часто.ту вхопного сигнала) усилитель 16 с полосовым фильтоом чсиливает этот сигнал; с выхода чсилителя 16 сигнал постчпает на вход синхоонного детектооа 17, управляемый сигналом, сформированным цепью, состоящей из последовательно расположенных светодиода 20 двчх щелей для молуляции потока излучения светодиода 20 на заслонке 3, фотодиода 21, усилителя — формирователя 19, удвоителя частоты 18.

Сигнал с выхода синхоонногo детектора 17, пропорциональный производной

° ) и--кФ() -

dt dt ) где К вЂ” коэф)пициент пропооциональности, поступает на вход сумматора 22.

Так как на втором вход сумматора посступает сигнал с потенцгомет а 23, равный по величине КФ

Т вЂ” ) и противоположный по знаку, то на

73056 выходе сумматора порционален

22, сигнал пооц =кф

Соответствующим выбором углов наклона фильтров обеспечивают-". Т = Т

t3

Тогда сигнал на выходе сумматора 22 будет пропорционален

1О ф d(

/ (6) т.е. крутизне полосы поглощения газа. Выбирая полосу поглощения измеряемого газа на шкале частот так, чтобы ее крутизна была намного больше крутизны полос поглощения мешающих газов при их максимальчо возможной концентрации, обеспечивают высокую селективность газового анализа, что в конечном счете поиводит к повьппению концентрационной чувствительности газоанализатооа.

25

Формула изобретения

Оптический газоанализатор, содержащий расположенные на .одной опти50 ческой оси излучатель, формирователь потока излучения, модулятор,. систему интерференционных светофильтров, рабочую камеру с анализируемой смесью и электронный блок обработки сигналов о т л и ч а ю щ и Й с. я тем, что, с целью повьппения точности анализа, формирователь потока излучения выполнен в виде расходящегося фоклина, снабженного заслонкой с

40 двуМя щелями с механизмом возвратно-поступательного перемещения ее перпендикулярно сформированному потоку, система светофильтров содержит два фильтра с одинаковыми характе45 ристиками пропускания, расположенными под углами к оптической оси, равными по величине, но противоположными по знаку, а электронный блок обработки сигналов содержит схему

50 выделения сигнала пропорциональноt го крутизне спектральной характеристики анализируемого газа.

Источники информации, 1. Stauffer, ЬаЕа 1 .Н. "Derinati"

55 че Spectroscopy" Appl, Optics,1968, 7, 11) 1, рр. 61-65.

2 Авторское свидетельство СССР

Ф 525874, кл. G 01 и 21/00,1974 (прототип).

873056

Составитель Н. Ананьева

Редактор И. Касарда Техред А.Бабинец Корректор М. Демчик

Заказ 9019/66 Тираж 910 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

Ф по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4