оптический газоанализатор

Формула изобретения

Оптический газоанализатор, содержащий последовательно расположенные на оптической оси источник излучения, формирователь параллельного светового потока, снабженный приводом интерференционный фильтр с возможностью качания вокруг оптической оси, кювету, фокусирующее устройство, приемник излучения и подключенный к нему электронный блок, отличающийся тем, что на оптической оси между формирователем параллельного светового потока и интерференционным фильтром установлен ослабитель светового потока в виде пластины, вращаемой приводом, приемник излучения выполнен восприимчивым только к переменной составляющей светового потока, а электронный блок, в котором посредством частотной фильтрации с последующим детектированием выделяются два постоянных сигнала с амплитудами, пропорциональными переменным составляющим с частотой вращения привода ослабителя и с частотой колебаний интерференционного фильтра соответственно, дополнительно содержит два генератора электрических сигналов, настроенных на частоты, не кратные друг другу, выходы которых подключены к приводам интерференционного фильтра и ослабителя потока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к газовому анализу, основанному на поглощении инфракрасного излучения определяемым компонентом газовой смеси, и может быть использовано для анализа концентраций газов в промышленности, научных исследованиях и при контроле загрязнения атмосферы.

Известен оптический газоанализатор, состоящий из последовательно расположенных на оптической оси теплового источника излучения, формирователя потока излучения, модулятора, системы интерференционных светофильтров, кюветы с анализируемой газовой смесью и электронного блока обработки сигнала, формирователь потока излучения выполнен в виде расходящегося фоклина, снабженного заслонкой с двумя щелями и механизмом возвратно-поступательного перемещения ее перпендикулярно сформированному потоку, система светофильтров содержит два фильтра с одинаковыми характеристиками пропускания, расположенными по знаку, а электронный блок обработки сигналов содержит схему выделения сигнала, пропорционального крутизне спектральной характеристики анализируемого газа (авт. свид. CCCP N873056, кл. G 01 N 21/61, 1981).

Недостатком газоанализатора является низкая чувствительность из-за малого коэффициента пропускания оптической системы, обусловленного щелями заслонки и наличием двух фильтров, разновременного сравнения сигналов и сложности оптико-механической структуры.

За прототип принят оптический газоанализатор, содержащий последовательно расположенные на оптической оси источник излучения, формирователь светового потока, интерференционный фильтр, кювету, приемник излучения и подключенный к нему электронный блок обработки сигнала, формирователь светового потока выполнен в виде формирователя параллельного светового потока. Интерференционный фильтр выполнен с возможностью качания вокруг оптической оси, электронный блок обработки сигнала включает усилитель постоянного тока, фильтр нижних частот, полосовой фильтр, настроенный на частоту, кратную частоте качания интерференционного фильтра, два амплитудных детектора и схему деления с подключенным к ее выходу индикатором, причем входы фильтра нижних частот и полосового фильтра подключены к выходу усилителя постоянного тока, их выходы - к входам амплитудных детекторов, выходы которых подключены к входам схемы деления (Россия N1494712 А1, кл. G 01 N 21/61, 1987).

Прототип имеет следующие недостатки.

Приемники инфракрасного излучения, воспринимающие постоянную составляющую сигнала, такие как болометры, полупроводниковые фоторезисторы и фотодиоды, либо принимают излучение узкого спектрального интервала, вследствие чего не могут быть использованы в универсальных газоанализаторах, либо для своей работы требуют охлаждения до сверхнизких температур, что усложняет и удорожает схему прибора.

При измерении микроконцентраций компонентов газовой смеси амплитуда переменной составляющей сигнала с приемника излучения будет много меньше амплитуды постоянной составляющей этого сигнала. Так как максимально возможное значение амплитуды выходного сигнала приемника излучения имеет фиксированную величину, очевидно, что минимальная измеряемая с заданной погрешностью концентрация анализируемой газовой смеси будет ограничиваться величиной собственных шумов приемника излучения. При этом повышение чувствительности прибора, например, увеличением мощности источника излучения становится невозможным.

Измерение амплитуды постоянной составляющей сигнала с выхода приемников излучения нежелательно, так как известно, что спектр уровня их собственных шумов максимален при нулевой частоте, а снижение шумов происходит при повышении частоты.

Задачей изобретения является снижение мультипликативных помех, вызываемых флуктуациями температурной среды и загрязнением окон кюветы анализируемыми газовыми смесями.

Техническим результатом, на который направлено данное изобретение, является уменьшение относительной погрешности измерения концентрации газов, повышение чувствительности, расширение диапазона измерений газоанализатора за счет повышения точности и чувствительности работы газоанализатора.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве, содержащем последовательно расположенные на оптической оси источник излучения, формирователь параллельного светового потока, интерференционный фильтр, выполненный с возможностью качания вокруг оптической оси, кювету с анализируемой газовой смесью, приемник излучения и подключенный к нему электронный блок обработки сигнала, содержащий усилитель постоянного тока, фильтр нижних частот, полосовой фильтр, настроенный на частоту, кратную частоте качания интерференционного фильтра, два амплитудных детектора и схему деления с подключенным к ее выходу индикатором, причем входы фильтра нижних частот и полосового фильтра подключены к выходу усилителя постоянного тока, их выходы - к входам амплитудных детекторов, выходы которых подключены к входам схемы деления. Отличительная особенность заключается в том, что на оптической оси между формирователем параллельного светового потока и интерференционным фильтром установлен ослабитель светового потока в виде платины, вращаемой приводом, приемник выполнен восприимчивым только к переменной составляющей светового потока, а электронный блок, в котором посредством частной фильтрации с последующим детектированием выделяются два постоянных сигнала с амплитудами, пропорциональными переменным составляющим с частотой вращения привода ослабителя и с частотой колебаний интерференционного фильтра соответственно, дополнительно содержит два генератора электрических сигналов, настроенных на частоты, не кратные друг другу, выходы которых подключены к приводам интерференционного фильтра и ослабителя светового потока.

Ослабитель светового потока выполнен в виде пластины, вращаемой приводом. Ослабитель светового потока выполнен таким образом, чтобы при максимальной концентрации измеряемого компонента газовой смеси обеспечить условие:

U_м=U_о,

где U_м - амплитуда вызываемой поглощением излучения анализируемого компонента газовой смеси переменной составляющей сигнала с выхода приемника излучения частоты f_м при максимальном значении измеряемой концентрации С;

U_o - амплитуда вызываемой модуляцией излучения ослабителем светового потока переменной составляющей сигнала с выхода приемника излучения частоты f_o.

Вращаемый привод позволяет периодически по синусоидальному закону изменять интенсивность светового потока, поступающего от формирователя светового потока. При этом глубина модуляции интенсивности потока излучения не должна превышать долей процента. Конструкция привода с ослабителем светового потока может быть весьма разнообразной. Но она должна модулировать интенсивность зондирующего излучения по синусоидальному закону с частотой f_o и регулируемой глубиной модуляции.

Приемник излучения, выполненный восприимчивым к переменной составляющей светового потока, позволяет увеличить интенсивность потока излучения, формируемого источником излучения, так как в предлагаемой схеме обрабатываемые электронным блоком сигналы имеют величину амплитуды одного порядка, что позволяет за счет повышения точности работы газоанализатора повысить чувствительность, расширить диапазон измерений, уменьшить относительную погрешность измерения концентрации газов.

Частоты f_м и f_o генераторов электрических сигналов не должны быть кратны друг другу и частоте электропитания. При этом они не должны сильно (в разы и более) отличаться друг от друга. Это необходимо для снижения влияния электромагнитных наводок от сети электропитания на обрабатываемые сигналы и для снижения взаимного влияния измерительных каналов, образованных в оптической схеме и разделенных при помощи амплитудной модуляции на частотах f_м и f_o.

На чертеже изображен газоанализатор, содержащий последовательно расположенные на оптической оси источник излучения 1, формирователь параллельного светового потока 2, ослабитель светового потока 3, интерференционный фильтр 4, кювету с анализируемой газовой смесью 5, фокусирующее устройство 6, приемник излучения 7. На привод ослабителя светового потока 8 от электронного блока поступает напряжение синусоидальной формы частоты f_о. На совершающем вращательное движение валу привода 8 закреплен ослабитель светового потока 3, представляющий собой пластину в форме параллелепипеда с различающимися размерами ширины и толщины. При вращении ослабителя светового потока 3 перекрываемая им площадь потока излучения изменяется по синусоидальному закону с частотой f_м. На привод интерференционного фильтра 9 от электронного блока поступает напряжение синусоидальной формы частоты f_м. На совершающем колебательное движение валу привода 9 механически закреплен интерференционный фильтр 4. Приемник излучения 7 подключен к полосовым фильтрам 10 и 11, с выходов которых сигналы подаются на амплитудные детекторы 12 и 13, выходы которых соединяются с входами устройства деления 14, выходная величина из которого поступает на индикатор 15.

Устройство работает следующим образом: источник излучения 1, представляющий собой нагреваемую электрическим током спираль, испускает излучение широкого спектрального диапазона интенсивности I₀, которое формирователем параллельного светового потока 2 направляется вдоль оптической оси прибора. Это излучение проходит через ослабитель светового потока 3, который периодически с частотой f_o изменяет величину проходящего через него потока излучения по синусоидальному закону, описываемому выражением:

где К₀<<1 - коэффициент глубины модуляции потока излучения ослабителем светового потока.

Пройдя через ослабитель светового потока 3, излучение широкого спектрального интервала поступает на твердотельный интерференционный фильтр 4. Интерференционный фильтр 4 состоит из системы пленок с различающимися коэффициентами преломления излучения. Толщина этих пленок равна длины волны пропускаемого интерференционным фильтром излучения. При периодическом изменении угла наклона фильтра относительно оптической оси происходит изменение длины пути излучения через систему пленок фильтра, что вызывает изменение длины волны прошедшего через фильтр излучения. Зависимость пропускаемого интерференционным фильтром излучения от его частоты описывается выражением:

где - характеризует диапазон излучений, выделяемых интерференционным фильтром; ₀ -максимальное значение оптической частоты излучения, пропускаемой интерференционным фильтром.

Так как при качании интерференционного фильтра длина пути излучения через него изменяется по синусоидальному закону, интенсивность излучения на выходе интерференционного фильтра 4 описывается выражением:

где t - время; - характеризует диапазон излучений, выделяемых интерференционным фильтром; Т_ф(, t) - функция пропускания излучения интерференционным фильтром; _o(t) - зависимость оптической частоты излучения, пропускаемого фильтром, от времени, которая описывается выражением:

где _ф - среднее значение частоты максимального пропускания излучения интерференционным фильтром; К_ф - коэффициент, характеризующий величину смещения частоты максимального пропускания излучения интерференционным фильтром.

Выбрав диапазон изменения частот пропускаемого фильтром излучения _o(t) таким образом, чтобы на одной из границ диапазона анализируемый газ не поглощал излучение и имел коэффициент поглощения излучения ()=0, а на другой - величина этого поглощения была максимальной и коэффициент поглощения излучения ()=, на выходе приемника излучения получим сигнал, переменная составляющая которого будет зависеть от амплитуды постоянной составляющей излучения на входе приемника излучения 7 и от концентрации измеряемого компонента газовой смеси:

где К_ПР - коэффициент преобразования приемником излучения интенсивности излучения в напряжение; l - длина хода излучения в анализируемом газе; С - концентрация измеряемого компонента газовой смеси.

При выполнении условий К_о<<1; lС<<1, линейной зависимости от частоты выражение для выходного сигнала приемника излучения примет вид:

который с учетом нечувствительности приемника излучения к излучениям постоянной интенсивности и в пренебрежении величинами второго порядка малости может быть преобразован к виду:

В электронном блоке сигнал U_пр(t) с приемника излучения 7 поступает на полосовой фильтр 11, настроенный на частоту вращения f₀ привода ослабителя, и полосовой фильтр 10, настроенный на частоту колебаний f_M привода интерференционного фильтра. С выходов полосовых фильтров сигналы подаются на амплитудные детекторы 12 и 13, которыми выделяются два постоянных сигнала с амплитудами, пропорциональными переменным составляющим потока излучения на входе приемника излучения: сигнал U₀, пропорциональный переменной составляющей с частотой f₀ и сигнал U_M, пропорциональный переменной составляющей с частотой f_M. С выходов амплитудных детекторов 12 и 13 сигналы U_M и U₀ поступают на входы устройства деления 14. Путем деления сигнала U_М на сигнал U₀ получаем выходную величину U_В, которая поступает на индикатор 15. Она пропорциональна концентрации определяемого компонента газовой смеси и не зависит от изменения мощности источника излучения 1 и коэффициента пропускания излучения кюветой 5:

Из выражения (6) видно, что выходной сигнал U_B предлагаемого прибора не зависит от интенсивности излучения I₀ и чувствительности приемника К_ПР. На величину выходного сигнала влияют только геометрические параметры ослабителя светового потока 3, обуславливающие величину К₀, измеряемая концентрация С и параметры интерференционного фильтра 4, влияющие на величину К.

Преимущество изобретения состоит в том, что у прототипа при выполнении операции 6 выполняется соотношение U_М<, поэтому интенсивность подаваемого на приемник сигнала ограничивается максимально допустимым значением U₀, что при постоянном уровне шумов приемника излучения ограничивает порог чувствительности прибора. В предлагаемом приборе ослабитель светового потока 3 выполнен таким образом, чтобы при максимальной концентрации измеряемого компонента газовой смеси обеспечить выполнение условия

U_M=U₀, (7)

где U_M - амплитуда вызываемой поглощением излучения анализируемого компонента газовой смеси переменной составляющей сигнала с выхода приемника излучения 7 частоты _M при максимальном значении измеряемой концентрации С; U₀ - амплитуда вызываемой модуляцией излучения ослабителем светового потока переменной составляющей сигнала с выхода приемника излучения 7 частоты f₀.

В этом случае по сравнению с прототипом возможно увеличение интенсивности попадающего на приемник 7 излучения в U₀/U_M раз за счет увеличения потребляемой источником излучения 1 мощности электропитания, что приведет к относительному снижению уровня шумов приемника излучения в выходном сигнале прибора в U₀/U_M раз.