устройство для измерения содержания паров веществ в газовой среде

Формула изобретения

Устройство для измерения содержания в газовой среде паров веществ, поглощающих часть излучения от внешнего источника, включающее оптическую систему, ограничивающую рабочий спектральный диапазон и фокусирующую поступающее на вход устройства излучение на газовую ячейку, содержащую корреляционный газ, и на пустую, не содержащую корреляционный газ ячейку, отличающееся тем, что в устройство вводят для каждой газовой ячейки эшелетт, разлагающий в спектр излучение, прошедшее через соответствующую газовую ячейку, и фокусирующий его на двумерную матрицу фотоприемников прибора с зарядовой связью или прибора с инжекцией заряда, или фотодиодов, так, что каждой спектральной линии или полосе излучения из рабочего спектрального диапазона, прошедшего через газовые ячейки, соответствует один или несколько фоточувствительных элементов матрицы, позволяющих отфильтровать при последующей обработке информации сигналы от части излучения в тех спектральных линиях и полосах, которые пересекаются со спектральными линиями и полосами от фоновых газов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химического анализа веществ, более конкретно к устройствам для измерения концентрации и состава паров химических веществ в атмосфере и других газовых средах.

Известно устройство (см. статью Drummond J.R., 1989: Novel correlation radiometer: The length-modulated radiometer. Appl. Opt. 28, 2451-2452) для измерения содержания в газовой среде паров веществ (методом газокорреляционной радиометрии), поглощающих часть излучения от внешнего источника, включающее оптическую систему, ограничивающую рабочий спектральный диапазон и фокусирующую поступающее на вход устройства излучение на газовую ячейку, содержащую корреляционный газ, и на пустую, не содержащую корреляционный газ, ячейку, механический модулятор, попеременно пропускающий излучение через каждую ячейку на фотоприемник.

Наличие механических движущихся элементов (механического модулятора и его электромотора) ухудшает стоимостные, массогабаритные, энергетические, эксплуатационные и надежностные характеристики устройства. Не достигаются предельно высокие значения селективности и чувствительности метода, в частности, из-за измерения излучения во всем рабочем спектральном диапазоне, в результате чего искажается сигнал от тех областей спектра, в которых происходит наложение спектральных составляющих от анализируемого газа, например метана, и от "посторонних" (фоновых) газов, например воды, а также из-за нестабильности модуляции при работе механических элементов.

Известно устройство (см. патент США №5128797, опубл. 07 июля 1992 г.) для измерения (методом газокорреляционной радиометрии) содержания в газовой среде паров веществ, поглощающих часть излучения от внешнего источника, включающее оптическую систему, ограничивающую рабочий спектральный диапазон и фокусирующую поступающее на вход устройства излучение на газовую ячейку, содержащую корреляционный (анализируемый) газ, и на пустую, не содержащую корреляционный газ, ячейку, электронный оптический переключатель - модулятор (на основе оптических поляризаторов), попеременно пропускающий излучение через каждую ячейку на один фотоприемник.

В таком устройстве, наиболее близком к предлагаемому, из-за введения дополнительных элементов (поляризаторов и оптических разделителей излучения) уменьшается мощность полезного сигнала, а материалы поляризаторов и флуктуации в процессе модуляции искажают исходный спектр, создавая дополнительное изменение входного излучения, что уменьшает селективность и чувствительность. Не достигаются предельно высокие значения селективности и чувствительности метода, в частности, из-за измерения излучения во всем рабочем спектральном диапазоне, в результате чего искажается сигнал от тех областей спектра, в которых происходит наложение спектральных составляющих от анализируемого газа, например метана, и от "посторонних" (фоновых) газов, например воды.

В предлагаемом изобретении решается задача увеличения селективности и чувствительности устройства.

Для достижения этого технического результата - измерения содержания в газовой среде паров веществ, поглощающих часть излучения от внешнего источника, - в устройство, включающее оптическую систему, ограничивающую рабочий спектральный диапазон и фокусирующую поступающее на вход устройства излучение на газовую ячейку, содержащую корреляционный газ, и на пустую, не содержащую корреляционные газы, ячейку, вводят для каждой газовой ячейки эшелетт (отражательная фазовая дифракционная решетка), разлагающий в спектр излучение, прошедшее через соответствующую газовую ячейку, и фокусирующий его на двумерную матрицу фотоприемников прибора с зарядовой связью или прибора с инжекцией заряда, или фотодиодов, так, что каждой спектральной линии или полосе излучения из рабочего спектрального диапазона, прошедшего через газовые ячейки, соответствует один или несколько фоточувствительных элементов матрицы, позволяющих отфильтровать при последующей обработке информации сигналы от части излучения в тех спектральных линиях и полосах, которые пересекаются со спектральными линиями и полосами от посторонних (фоновых не анализируемых) газов.

Признаки, отличающие предлагаемое устройство от наиболее близкого к нему известного по патенту США №5128797 (прототип), характеризуют наличие для каждой газовой ячейки эшелетта, разлагающего в спектр излучение, прошедшее через соответствующую газовую ячейку, и фокусирующий его на двумерную матрицу фотоприемников прибора с зарядовой связью или прибора с инжекцией заряда, или фотодиов, так, что каждой спектральной линии или полосе излучения из рабочего спектрального диапазона, прошедшего через газовые ячейки, соответствует один или несколько фоточувствительных элементов матрицы, позволяющих исключить при последующей обработке информации сигналы от части излучения в тех спектральных линиях и полосах, которые пересекаются со спектральными линиями и полосами от посторонних не анализируемых газов, что позволяет увеличить селективность и чувствительность.

На чертеже приведена схема предлагаемого устройства, где 1 - внешний источник искусственного излучения (лазер, прожектор или с требуемым спектром другой подходящий источник излучения), 2 - газовая среда с анализируемым газом, 3 - оптическая система, 4 - газовая ячейка с анализируемым газом или с газом внешней газовой среды с известной концентрацией анализируемого (корреляционного) газа, 5 - газовая ячейка (пустая или с газом внешней газовой среды без анализируемого газа), 6 - два фокусирующих (вогнутых) эшелетта, 8 - двумерная фотоприемная матрица, 9 - внешний блок обработки сигналов с фотоприемной матрицы.

Изобретение работает следующим образом.

Имеется внешний достаточно интенсивный источник излучения 1. В его спектре должен присутствовать диапазон частот, охватывающий рабочий диапазон частот устройства, например, при использовании кремниевых ПЗС фотоприемников - порядка (650-1200) нм. Этим источником может быть искусственный - лампа накаливания или газоразрядная лампа, либо естественный - солнце или луна. Излучение от него проходит через газовую среду (искусственную или естественную атмосферу) 2, в которой содержатся молекулы анализируемого вещества, например метана. Оптическая система 3 на входе устройства фокусирует излучение и пропускает его часть в рабочем диапазоне спектра. Часть фотонов излучения поглощается и рассеивается анализируемым веществом, другая часть - "посторонними" молекулами вещества газовой среды, например парами воды, и другими веществами. Картина процессов также усложняется из-за слияния других факторов (рассеяния на флуктуациях плотности газа, переизлучения поглощенных фотонов и т.д.). Так как спектр поглащения/испускания индивидуален для каждого вещества, то, выделяя из излучения, попадающего в устройство, часть излучения (с соответствующим молекулам этого вещества спектром), можно определить количество молекул этого вещества в выделенном столбе газовой среды. Выделяющим элементом является газовый фильтр 4. Он состоит из газовой ячейки, содержащей корреляционный (анализируемый) газ при определенном давлении (элементом сравнения служит такая же пустая ячейка 5). Если, например, какая либо спектральная линия анализируемого газа частично или полностью перекрывается со спектральной линией "посторонних" молекул вещества газовой среды, то, как в прототипе, это может привести к искажению выходного информационного сигнала (соответственно, к уменьшению селективности и чувствительности). Для устранения этого эффекта в предлагаемом устройстве из всего рабочего спектрального диапазона отфильтровываются такие спектральные линии или полосы. Это достигается с помощью вогнутых эшелетт 6 и 7, разлагающих падающее на их поверхность излучение в спектр и фокусирующих его на поверхность, содержащую матрицу фотоприемных элементов, например, прибора с зарядовой связью 8. На одну половину матрицы подается излучение из газовой ячейки 4, на другую (идентичную) - из ячейки 5. Каждая часть матрицы разбивается на непересекающиеся области, в каждую из которых падает излучение, соответствующей спектральной области. При считывании сигнала из фотоприемников матрицы (пропорционального интенсивности излучения в соответствующей спектральной области) во внешнем блоке последующей обработки сигналов 9 "плохие" спектральные линии или полосы (т.е. пересекающиеся со спектральными линиями или полосами не анализируемого газа) отфильтровываются. Обработка сигналов в рабочем спектральном диапазоне с учетом отфильтрованных спектральных линий и полос может быть произведена известными методами. Для измерения содержания нескольких анализируемых газов в газовую ячейку вводятся все соответствующие корреляционные газы или используются несколько параллельно действующих газовых ячеек с ними, например, когда эти газы реагируют друг с другом.

Совместное использование двух фокусирующих (вогнутых) эшелеттов, одновременно разлагающих в частотный спектр излучений, проходящих через обе газовые ячейки, с ПЗС (на поверхности кристалла которого в фотоячейках формируются заряды, несущие всю необходимую информацию) позволяет в значительной степени исключить влияние внешней среды (температуры и давления), нестабильности напряжений питания и помех (шумов) и дестабилизирующих факторов, а также отфильтровать "плохие" спектральные линии или полосы, ухудшающие селективность и чувствительность устройства.