фототермоакустический газоанализатор

Формула изобретения

Фототермоакустический газоанализатор, содержащий два оптических канала с идентичными источниками широкополосного оптического излучения и вычислительное устройство, на оптических осях источников последовательно установлены кюветы: три в первом - фильтрационная, измерительная и регистрирующая, и три во втором - фильтрационная, сравнительная и регистрирующая, причем через измерительную кювету принудительно прокачивают исследуемую газовую смесь, сравнительная заполнена "нулевым" газом, а обе регистрирующие - газом, концентрацию которого определяют в составе исследуемой газовой смеси, отличающийся тем, что в него введены генератор электрических импульсов, измеритель временных интервалов, а также две пары акустически согласованных между собой излучателей и приемников ультразвуковых колебаний, причем одна из этих пар размещена внутри регистрирующей кюветы первого канала, а другая - внутри регистрирующей кюветы второго канала, при этом входы обоих излучателей ультразвуковых колебаний подключены к выходу генератора электрических колебаний, а выходы приемников ультразвуковых колебаний соответственно соединены с первым и вторым входами измерителя временных интервалов, выход которого подключен к вычислительному устройству.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для количественного определения концентрации отдельных компонент в многокомпонентной газовой смеси.

Известны газоанализаторы, построенные на методе абсорбционной спектроскопии в области ИК-излучения, имеющие в своем составе широкополосные источники инфракрасного излучения и расположенные на их оптических осях измерительную и сравнительную газовые кюветы, компенсационную кювету и оптико-пневматические приемники оптического излучения, использующие эффект изменения давления заключенного в них газа при поглощении этим газом падающего на него оптического излучения [1].

Известен построенный по такой схеме оптико-акустический газоанализатор ГИАМ [2] (Прототип).

Газоанализатор построен по двухканальной схеме и имеет в составе каждого из каналов идентичные источники широкополосного оптического излучения, на оптической оси каждого из которых последовательно установлены измерительная (сравнительная) кюветы и оптико-пневматические приемники оптического излучения, причем в одном из каналов через измерительную кювету принудительно прокачивают контролируемую газовую смесь, а в другом - сравнительная кювета заполнена "нулевым" газом (азотом или чистым воздухом), фильтрационные же кюветы обоих каналов заполнены чистым "мешающим" газом, влияние которого на результаты измерения контролируемой газовой компоненты требуется исключить. Выходы оптико-пневматических приемников через согласующие устройства подключены к вычислительному устройству, в котором на основе относительной величины пневматических сигналов, вызванных поглощением оптического излучения в оптико-пневматических приемниках первого и второго каналов, определяется концентрация искомой газовой компоненты в прокачиваемой через измерительную кювету газовой смеси.

Основным недостатком известного газоанализатора является низкая защищенность его от влияния акустических и вибрационных помех, обусловленная использованием в качестве чувствительного элемента оптико-пневматических приемников акустического микрофона. , Это обстоятельство приводит к тому, что, несмотря на то что расчетная чувствительность этого типа газоанализаторов по многим попадающим в область его измерения газам достаточно высока (вплоть до фоновых значений концентраций), на практике применение этих типов газоанализаторов существенно ограничено. Высокая степень восприимчивости этого типа газоанализаторов к акустическим и вибрационным шумам существенно ухудшает величину пороговой чувствительности анализа и делает его малопригодным для использования в широкой практике в реальных производственных условиях.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение восприимчивости газоанализатора к акустическим и вибрационным шумам. Технический результат - увеличение чувствительности и помехозащищенности устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что так же, как и в известном устройстве, фототермоакустический газоанализатор имеет два оптических канала, первый из которых состоит из широкополосного источника оптического излучения, на оптической оси которого последовательно установлены фильтрационная кювета и измерительная кювета, через которую осуществляется принудительная прокачка газовой смеси, в которой требуется определить концентрацию искомой газовой компоненты, и регистрирующая кювета, заполненная тем газом, концентрацию которого определяют в составе прокачиваемой через измерительную кювету газовой смеси, и второй канал, состоящий из идентичных первому источнику оптического излучения и расположенных на его оси фильтрационной кюветы и сравнительной кюветы, заполненной "нулевым" газом, а также регистрирующей кюветы, и вычислительное устройство.

Но в отличие от известного устройства в состав фототермоакустического газоанализатора дополнительно введены генератор электрических импульсов, две пары акустически согласованных между собой излучателей и приемников ультразвуковых колебаний и измеритель временных интервалов следующим образом: в регистрирующей кювете первого канала, так же, как и в регистрирующей кювете второго канала, помещено по паре акустически согласованных излучателей и приемников ультразвуковых колебаний, при этом входы обоих излучателей ультразвуковых колебаний подключены к одному выходу генератора электрических импульсов, а выходы приемников ультразвуковых колебаний соединены, соответственно, с первым и вторым входами измерителя временных интервалов, выход которого соединен со входом вычислительного устройства.

Блок-схема фототермоакустического газоанализатора изображена на чертеже.

Он содержит два оптических канала. В первом канале на одной оптической оси расположены широкополосный излучатель 1, фильтрационная кювета 2, измерительная кювета 3 и регистрирующая кювета 4. Во втором канале на одной оптической оси расположены излучатель 5, фильтрационная кювета 6, сравнительная кювета 7 и регистрирующая кювета 8. Дополнительно газоанализатор содержит генератор электрических импульсов 9, а измерительная и сравнительная кюветы снабжены парами акустически согласованных излучателей и приемников ультразвуковых колебаний 10, 11 и 12, 13. Входы излучателей 10, 12 соединены с выходом генератора электрических импульсов 9, а выходы приемников 11, 13 соединены соответственно с 1-м и 2-м входами измерителя временных интервалов 14, выход которого подключен к входу вычислительного устройства 15.

Фототермоакустический газоанализатор работает следующим образом. В первом канале широкополосное оптическое излучение, в спектре которого имеются составляющие, совпадающие со спектральными полосами поглощения контролируемой газовой компоненты, направляется от источника 1 через фильтрационную кювету 2, измерительную кювету 3 в регистрирующую кювету 4. Через измерительную кювету 3 принудительно прокачивают контролируемую газовую смесь, содержащую в той или иной концентрации искомую газовую компоненту. Вследствие этого в газовой смеси происходит поглощение части оптического излучения, имеющего соответствующий спектральный состав.

Далее, ослабленное таким образом оптическое излучение поступает в регистрационную кювету 4, где поглощается находящимся в ней газом и вследствие этого поглощения нагревает его. Поскольку кювета 4 заполнена тем самым газом, концентрацию которого в измерительной кювете 3 следует определить, то величина нагрева газа в регистрирующей кювете будет тем больше, чем меньше концентрация этого газа в измерительной кювете.

Во втором канале излучение от аналогичного источника 5 поступает через фильтрационную кювету 6 в сравнительную кювету 7 и далее в регистрирующую кювету 8, заполненную, как и кювета 4 первого канала, измеряемым газом. Однако, поскольку во втором канале в сравнительной кювете 7 отсутствует измеряемая газовая компонента (кювета 7 заполнена "нулевым" газом - газом, в среде которого определяется контролируемая компонента - обычно это чистый воздух или азот), то в ней не происходит дополнительного поглощения соответствующей спектральной компоненты оптического излучения, и оптическое излучение поступает в регистрирующую кювету 8 не подвергаясь ослаблению, вызванному наличием в измерительной кювете первого канала контролируемой газовой компоненты. Вследствие этого величина нагрева газа в регистрирующей кювете 8 будет отличаться от соответствующей величины нагрева в кювете 4, причем эта разница будет тем больше, чем больше концентрация контролируемой газовой компоненты в прокачиваемой через кювету 3 газовой смеси.

Одновременно с этим с генератора 9 на акустические излучатели 10 и 12 поступают электрические сигналы, которые возбуждают ультразвуковые колебания, распространяющиеся, соответственно, через газовую среду в кюветах 4 и 8, к приемникам 11 и 13. Так как температура нагрева газа в этих кюветах различается в силу наличия в первом канале дополнительного поглощения оптического излучения газовой смесью в измерительной кювете 3, то благодаря известной зависимости скорости распространения акустического колебания С в газовой среде от температуры среды Т: (где К - коэффициент пропорциональности, зависящей от сорта газа, его давления и являющийся в данном случае константой), время прихода ультразвукового колебания на акустический приемник 11 кюветы 4 будет отличаться от времени прихода ультразвукового колебания на акустический приемник 13 кюветы 8, причем это отличие будет однозначно связано с относительной величиной нагрева газовой среды в кюветах и, соответственно, с концентрацией, поглощающей оптическое излучение искомой газовой компоненты. Электрические сигналы с выходов акустических приемников 11 и 13 поступают на 1-й и 2-й входы соответственно измерителя временных интервалов 14, где происходит измерение времени задержки распространения ультразвуковых колебаний в регистрирующей кювете 4 относительно регистрирующей кюветы 8, и, далее, в вычислительном устройстве 15 происходит вычисление непосредственно величины концентрации искомой газовой компоненты.

Заявленный технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, данный фототермоакустический газоанализатор не имеет в качестве регистрирующего датчика высокочувствительного микрофона, обладающего большой степенью восприимчивости к посторонним акустическим и вибрационным шумам. В заявленном фототермоакустическом газоанализаторе информация о концентрации искомой газовой компоненты содержится в величине разности скорости распространения ультразвуковых колебаний в регистрирующих кюветах первого и второго каналов, которая не зависит от влияния внешних факторов и делает процесс регистрации исключительно помехоустойчивым. Современные цифровые измерители временных интервалов достаточно легко позволяют регистрировать временные задержки порядка 1-10 нс, что обеспечивает чувствительность фототермоакустического газоанализатора на уровне фоновых концентраций.

Источники информации

1. Ж. Аш и др. Датчики измерительных систем. Книга 2, гл.19, с.403. М.: Мир, 1992.

2. Д.Л. Бронштейн, Н.Н. Александров. Современные средства измерения загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1989, гл.3, с.147.