ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ГАЗОВ И КОНЦЕНТРАЦИЙ ГАЗОВ И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ГАЗОВ И КОНЦЕНТРАЦИЙ ГАЗОВ
MEASURING DEVICE FOR DETERMINING DIFFERENT GASES AND CONCENTRATIONS OF GASES AND METHOD OF DETERMINING DIFFERENT GASES AND CONCENTRATIONS OF GASES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к измерительному устройству для определения различных газов и концентраций газов, содержащему источник излучения, оптический путь и измерительный канал, имеющий путь осуществления газообмена, а также расположенные вдоль измерительного канала детекторы излучения.
Изобретение относится также к способу измерения газов и концентраций газов, использующему предлагаемое, согласно изобретению, измерительное устройство.
Уровень техники
Имеются две основных конструкции газовых анализаторов: взаимодействующие и невзаимодействующие газовые анализаторы. В первом случае, газ должен физически или химически взаимодействовать с сенсорным элементом. Для этого газ входит в контакт с одним или несколькими компонентами, например, электродами, электролитами или поверхностями датчика газового анализатора, например, при окислении, восстановлении или физической абсорбции. Эти взаимодействия неизбежно приводят к изменению газового анализатора, т.е. к изменению параметров датчика, в зависимости от взаимодействующего компонента датчика, например, к изменению взаимодействующего с газом электролита, вследствие чего становится необходимой регулярная калибровка, а в конечном счете - замена газового анализатора. Чаще всего используемыми взаимодействующими газовыми анализаторами являются, например, электрохимические датчики, полупроводниковые датчики и каталитические датчики.
Невзаимодействующие, также называемые свободными от взаимодействия газовые анализаторы, являются оптическими газовыми анализаторами. В них в контакт с газом вступает только электромагнитное излучение или входит с ним во взаимодействие, причем часть излучения поглощается газовыми молекулами, а затем газовые молекулы изменяют свое возбужденное состояние. Однако при столкновениях с другими газовыми молекулами или с камерой образцов, возбудившиеся газовые молекулы немедленно возвращаются в свое первоначальное состояние, поэтому ни физически, ни химически состояние газа не изменяется. При этом длина λ волны электромагнитного излучения простирается от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области спектра (λ = 0,2 μm до 20 μm). При этом недисперсионные инфракрасные газовые анализаторы (NDIR) являются наиболее используемыми невзаимодействующими газовыми анализаторами. Наряду с простой конструкцией, они отличаются, прежде всего, высокой разрешающей способностью измерения, длительным сроком службы и хорошей долговременной стабильностью. Способ использует возбуждение энергетических состояний в молекулах, т.е. возбуждение с колебанием молекулярных связей посредством инфракрасного излучения. При таких специфических для молекулы частотах вращений и колебаний инфракрасное излучение поглощается. Вследствие индивидуальной молекулярной конструкции каждая молекула имеет очень специфические полосы спектра поглощения в инфракрасной области спектра, благодаря чему ее можно однозначно идентифицировать. Для этого технический интерес представляет собой инфракрасная область λ спектра = (2... 20) μm, так как в этой области спектра находятся характеристические полосы спектра поглощения многих соединений.
Первый практически использующийся недисперсионный инфракрасный газовый анализатор разработан в 1938 году и описан в описании изобретения DE730478. В этой конструкции излучение, исходящее от двух источников излучения, периодически прерывается обтюратором, приводимым в движение приводом и направляется в две отделенные друг от друга трубы. В одной трубе находится измеряемый газ или газовая смесь, а в другой трубе - эталонный газ. Затем излучение поступает в две измерительные камеры, содержащие в качестве приемного слоя газ, который нужно определять. Эти обе измерительных камеры отделены герметично друг от друга тонкой мембраной. "Герметично" означает, что никакой из газов не участвует в диффузии между камерами. Мембрана образует с расположенной изолированно, противоположной по знаку пластиной с возможностью электрического модулирования конденсатор, емкость которого считывается с помощью измерительного инструмента. Следовательно, поглощение инфракрасного излучения газом определяется как разница давления посредством очень чувствительного микрофона. Существенными недостатками этого известного как "фото-акустическая газовая камера" недисперсионного инфракрасного газового анализатора является его конструктивный размер и механическая уязвимость относительно вибраций и ударов.
Наконец, с развитием недисперсионных, очень узкополосных оптических фильтров в распоряжении оказалась технология, реализующая значительно меньшие и более прочные недисперсионные инфракрасные газовые измерительные приборы. Эти, так называемые интерференционные фильтры, используют эффект интерференции для фильтрации электромагнитного излучения в зависимости от частоты или от длины волны.
M
В варианте исполнения в виде полосно-пропускающего фильтра передается определенный диапазон длины волн, в то время как более короткие и более длинные длины волны отражаются или поглощаются. Максимум пропускания определяют, как центральная длина волны (ZWL) полосно-пропускающего фильтра. Ширина полосы пропускания фильтра обозначается полушириной пропускания (полная ширина на половине максимума), т.е. разницей между обоими значениями параметра, для которых значения функции снижены на половину максимума. Наконец, спектр пропускания пропускающего интерференционного фильтра выбирают таким, чтобы он соответствовал характеристической полосе спектра поглощения измеряемого газа. При этом поглощение инфракрасного излучения измеряемым газом измеряют очень чувствительным детектором излучения, расположенным за пропускающим интерференционным фильтром. Наконец, вызванное действием газа ослабление излучения, вследствие поглощения излучения, является величиной концентрации газа. При этом уровень Iизлучения измеряемой длины волны изменяется в зависимости от концентрации газа, согласно закону Ламберта-Бэра (закон поглощения оптического излучения):
M =
0
,
0
α.c.l
II.eпричем α обозначает специфический для газа коэффициент поглощения, L обозначают длину пути поглощения, а I - начальную интенсивность излучения, т.е. при отсутствии анализируемого газа (c = 0).
Следовательно, простой недисперсионный инфракрасный газовый анализатор состоит из инфракрасного источника излучения, измерительной камеры (кюветы), в которой находится измеряемый газ или газовая смесь, а также инфракрасного детектора с пропускающим интерференционным фильтром, спектр пропускания которого соответствует полосе спектра поглощения измеряемого газа (фиг. 1). Эти компоненты смонтированы вдоль оптической оси. Такая конструкция описывается, например, в публикациях DE10221708B4 и DE10013374A1. В качестве инфракрасного источника излучения используется, как правило, электрический, с возможностью модулирования тепловой облучатель, излучающий, благодаря своей температуре, электромагнитное излучение непрерывного спектра, содержащее все длины волн технически интересной области спектра λ = (2... 20) ym. В качестве инфракрасного детектора имеется в распоряжении широкий круг детекторов с достаточным соотношением сигнал - шум и небольшой ценой, например, термоэлектрические датчики и пироэлектрические детекторы.
Современные недисперсионные инфракрасные газовые анализаторы, известные, например, из публикаций DE 10 2008 005 572 B4, DE 20 2005 010 475 Ul, DE 102 21 708 B4 и DE 296 02 282 Ul, эксплуатируются в большинстве случаев согласно так называемому двухчастотному способу (фиг. 2). В нем, наряду с измерением, с настроенной на анализируемый газ измеряемой длиной волны, дополнительно осуществляют измерение с помощью второй длины волны, так называемой эталонной длины волны, находящейся в области спектра, в которой не происходит поглощение другими имеющимися в газовой смеси или в окружении газами. Для этого необходимы два расположенные в ходе лучей инфракрасных детектора с разными пропускающими интерференционными фильтрами. При этом посредством образования соотношения обоих сигналов детектора достигают существенного повышения устойчивости, благодаря чему, можно, например, компенсировать изменения сигнала вследствие сдвигов интенсивности излучения источника излучения или отложений загрязнений в измерительной камере. Правда, недостатком является необходимое разделение испускаемого источником излучения потока излучения на оба инфракрасных детектора, вследствие чего уменьшается уровень излучения на инфракрасном детекторе, а вместе с ним предел чувствительности газового анализатора. На фиг. 2 показан двухчастотный способ согласно уровню техники и необходимое разделение испущенного от источника S излучения на детекторы D1 и D2.
Во всяком случае, с помощью вышеназванных способов измерения и подходящих для них измерительных устройств можно измерять только один газ. Хотя, во многих случаях их применения для исследования газов, например, при измерении отработавшего газа, измерении топочного газа или измерении анестезиологического газа, необходимо одновременно регистрировать несколько газов и определять их концентрации в газовой смеси.
В публикации US 2012/0235038 AI представлен так называемый мультиспектральный детектор для недисперсионных инфракрасных газовых анализаторов, имеющий множество элементов детектора с пропускающим интерференционным фильтром. Он обеспечивает простую конструкцию газового анализатора в соответствии с описанным выше двухчастотным способом для одновременного измерения нескольких газов. Подобные компоновки известны также из публикаций DE 34 06 175 AI, DE 41 33 481 AI и DE 101 40 998 C2. Существенными недостатками таких недисперсионных инфракрасных газовых анализаторов с мультиспектральным детектором являются постоянная длина пути поглощения или длина кювет для всех спектральных каналов и распределение уровня излучения на отдельные элементы детектора. В частности, в идеальном случае для генерирования сигнала в четырехканальном детекторе имеется только 25% падающего уровня излучения на элемент детектора. В реальности, в большинстве случаев менее, чем 10%. Следовательно, предел чувствительности газового анализатора сильно уменьшается для всех измеряемых газах.
2
2
Постоянная длина пути поглощения для всех спектральных каналов ограничивает, с одной стороны, диапазон измерения, а с другой стороны - предел чувствительности газового анализатора. Это происходит потому, что, во-первых, каждый газ имеет специфический для газа коэффициент поглощения, во-вторых, газы присутствуют в газовой смеси, в большинстве случаев, в разных концентрациях, а, в-третьих, газы имеют разную токсичность, в силу которой существуют разные критические значения, требующие, опять же, разной разрешающей способности измерения. В частности, например, в топочном газе при сжигании мазута содержатся такие фумиганты, как углекислота (CО), двуокись серы (SО), окись азота (NO) и моноксид углерода (СО) в следующих концентрациях:
2
(125000... 140 000) ppm CO,
2
(180... 220) ppm SO,
(80... 150) ppm CO и
(50... 100) ppm NO.
Максимальные концентрации вредных веществ на рабочем месте (максимально допустимые концентрации вредных веществ на рабочем месте) этих составных частей топочного газа можно извлечь из Технических правил для опасных веществ (Технические правила для опасных веществ 900) и которые составляют:
2
5000 ppm для CО,
2,
0,5ppm для SO
25ppm для NO и
30 ppm для CО.
Следовательно, вызванное поглощение излучения согласно закону Ламберта-Бэра (закон поглощения оптического излучения) для каждого газа, вследствие поглощения излучения, является индивидуальным, а поэтому для определения точной концентрации имеет значение индивидуальная длина пути поглощения. В противном случае всегда следует искать компромисс в отношении диапазона измерения и разрешающей способности измерения.
В публикации DE19604167A1 предлагается газоанализирующее устройство для определения концентраций газа в сложной газовой смеси, в котором отдельные детекторы излучения расположены вращательно - симметрично вокруг источника излучения, причем можно изменять расстояние до источника излучения, а вместе с ним - длину пути поглощения. Существенным недостатком этой компоновки остается разделение испускаемого потока излучения на множество детекторов излучения, вследствие чего на детекторы попадает только очень небольшая доля уровня излучения, а предел чувствительности газоанализирующего устройства сильно уменьшается. То же самое относится к описанной в публикации US5222389A компоновке, в которой для реализации разных длин путей поглощения отдельные детекторы излучения расположены вдоль измерительной камеры. Однако, также и в этой публикации существенным недостатком является то, что на детекторы всегда попадает только доля измерительного излучения, к тому же зависящая от соответствующего отражения на измерительной стенке камеры.
Кроме того, из публикации 1020100052691 A известен недисперсионный инфракрасный газовый анализатор только с одним детектором излучения, в котором выбор измеряемой длины волны осуществляют посредством револьверной головки с фильтрами. Эту револьверную головку с фильтрами можно укомплектовывать, в соответствии с измеряемыми газами, подходящими пропускающими интерференционными фильтрами, благодаря чему с помощью простой конструкции идентифицируют множество газов. Однако, это можно осуществлять только последовательно. Одновременное определение концентрации различных газов в газовой смеси невозможно. Кроме того, длина пути поглощения для каждого газа одинакова и размеры компоновки очень плохо поддаются ее уменьшению.
Для повышения предела чувствительности оптических газовых анализаторов на детекторе излучения нужно фокусировать наиболее высокие уровни излучения. Кроме того, каждому анализируемому газу предоставляется индивидуальная длина пути поглощения для возможности осуществления оптимального определения отдельных концентраций газов в сложной газовой смеси, а конструктивный размер газового анализатора выдерживается минимальным. Кроме того, для многих случаев применений требуется одновременное определение компонентов в газовой смеси.
Раскрытие изобретения
Поэтому задача предложенного изобретения - предоставить оптическое измерительное устройство с значительно повышенным пределом чувствительности; сконструированное компактно и просто, а также с возможностью экономичного изготовления.
Измерительное устройство должно обходиться без потерь уровня излучения и иметь отдельную с возможностью регулирования длину пути поглощения для разных специфических для газов коэффициентов поглощения и концентраций газа, причем должно осуществляться одновременное определение концентраций различных газов в газовой смеси.
Задача решается со стороны компоновки посредством того, что оптический путь имеет, по меньшей мере, одну точку преломления, причем в первой точке преломления расположен первый узкополосный пропускающий интерференционный фильтр, за узкополосным пропускающим интерференционным фильтром расположен первый детектор излучения и, причем, оптический путь и путь осуществления газообмена в измерительном канале идентичны. Точка преломления определяет границу измерительного канала и ограничивает взаимодействующую измерительную длину канала, в частности, длину пути поглощения отдельно измеряемого газа. Путь осуществления газообмена является путем, на котором измеряемый газ или газовая смесь взаимодействует в измерительном канале с излучением. В точке преломления на оптическом пути измерительное излучение попадает на первый узкополосный пропускающий интерференционный фильтр, причем на расположенный за узкополосным пропускающим интерференционным фильтром детектор излучения попадает только излучение заданной первым узкополосным пропускающим интерференционным фильтром длины волны, т.е. фильтром передается только определенный узкий диапазон длины волн, в то время, как более короткие и более длинные длины волны отражаются. Под узкополосным диапазоном волн понимают в смысле этого описания диапазон <10% центральной длины волны узкополосного пропускающего интерференционного фильтра. Максимум пропускания определен при этом, как центральная длина (ZWL) волны узкополосного пропускающего интерференционного фильтра. Спектр пропускания узкополосного пропускающего интерференционного фильтра выбирают для этого таким, чтобы он соответствовал характеристической полосе спектра поглощения измеряемого газа. При этом поглощение инфракрасного излучения анализируемым газом измеряют с помощью очень чувствительного детектора излучения, расположенным за узкополосным пропускающим интерференционным фильтром. Отраженное фильтром излучение передается дальше от точки преломления в измерительном канале до тех пор, пока оно не попадет на следующую точку преломления. Благодаря тому, и тем самым, что путь осуществления газообмена и оптический путь идентичны, т.е. конгруэнтны друг к другу, обеспечивается также, что в измерительном устройстве не нужен делитель излучения для направления излучения на несколько детекторов излучения или для разделения излучения для отдельного обнаружения газов, и предоставлять для этого отдельный детектор для измерения. Делитель излучения делит испущенную источником излучения мощность излучения, независимо от длины волны, на две части и соответственно снижает мощность излучения (фиг. 3). Особенное преимущество при отказе от делителя излучения состоит в том, что уровень излучения источника излучения распределяется, не как в Уровне техники на различные детекторы, а на каждый детектор излучения попадает максимальный уровень излучения. Этим достигают существенно повышенной разрешающей способности, так как сигнал на детекторе больше.
1
Оптический путь от источника излучения до первой точки преломления имеет длину L пути поглощения. Длину L пути поглощения нужно формировать в соответствии с определяемым газом. Эта необходимость вытекает из того, что каждый газ имеет отдельный для газа коэффициент поглощения и газы присутствуют в газовой смеси в большинстве случаев в разных концентрациях. Кроме того, вследствие, например, специфической для газа токсичности, для газа требуется специфическая для газа разрешающая способность измерения. Следовательно, для каждого газа требуется индивидуальная длина пути поглощения или измерительная длина канала для настройки измерительного устройства на необходимую разрешающую способность измерения и диапазоны измерений измеряемых газов.
N
В предпочтительном варианте исполнения предлагаемого измерительного устройства, оптический путь измерительного устройства имеет точки N преломления, причем от источника излучения до точки N преломления оптический путь имеет длину L пути поглощения, причем N является натуральным числом, больше 1. Т.е. посредством количества точек преломления можно отдельно регулировать длину пути поглощения оптического пути, а вместе с ней - длину пути осуществления газообмена, поэтому одновременно можно измерять разные газы с разной длиной пути поглощения. Исследуемый газ подают в измерительный канал по всей длине оптического пути.
N
N
N
N+1
Кроме того, узкополосный пропускающий интерференционный фильтр имеет оптическую ось, причем оптический путь и оптическая ось N-ного узкополосного пропускающего интерференционного фильтра f образуют угол φ. Благодаря углу φ, с одной стороны, возможна компактная компоновка измерительного устройства, а, с другой стороны, отраженное в узкополосном пропускающем интерференционном фильтре f измерительное излучение полностью направляют на следующий в измерительном канале фильтр f. Это гарантирует, что на каждый детектор попадает максимальный уровень излучения. Угол φ имеет величину от 0° до менее 90°, предпочтительно величину менее 50°, еще предпочтительнее в диапазоне от 30° до менее 50 °. Угол можно регулировать для каждой точки N преломления отдельно.
Для оптимизированного обнаружения излучения в детекторе излучения между узкополосным пропускающим интерференционным фильтром и детектором излучения располагают концентратор излучения. Этот концентратор излучения представляет собой вид коллиматора и выполнен так, что переданное через фильтр излучение наиболее полно направляется на детектор излучения.
2
2
Предпочтительно, если материал подложки узкополосного пропускающего интерференционного фильтра состоит из кремния (Si), германия (Ge), фторида кальция (CaF), фторида бария (BaF) или селенида цинка (ZnSe). Эти материалы имеют, особенно высокий коэффициент пропускания, в частности, в инфракрасной области спектра, поэтому в соответствии с используемым узкополосным пропускающим интерференционным фильтром большая часть излучения попадает на расположенный за ним детектор. Однако, можно использовать и/или применять и другие материалы подложки.
1
2
N
Кроме того, для выполнения длины пути поглощения с возможностью переменного регулирования, в точке преломления можно установить оптическое зеркало для удлинения оптического пути, т.е. длины пути поглощения. Это позволяет переменно изменять длину волны измерительного излучения на L = l+l +... +l  посредством компоновки зеркал в точках преломления в измерительном канале, в зависимости от того, какая длина L пути поглощения требуется для определяемого газа.
Кроме того, в точке преломления можно установить эталонный детектор. Преимущество состоит в том, что, благодаря этому можно контролировать, например, изменения уровня источника излучения или загрязнения в измерительном канале. Например, при длине волны, примерно, 4 μm не происходит поглощение газами. Эту длину волны можно использовать эталонным детектором для определения изменений в измерительном устройстве, не вызванных исследуемым газом. На основе изменений определяемых сигналов посредством детекторов излучения и эталонного детектора можно устанавливать: насколько изменения вызваны измеряемым газом в измерительном канале, например, вследствие старения или дрейфа источника излучения, или вследствие отложений, например, на оптических зеркалах. При синхронно с измерением концентрации газа осуществляемым эталонном измерении повышается долговременная стабильность измерения концентрации газа или измерения состава газа и уменьшаются издержки обслуживания для газового анализатора, так его нужно менее часто калибровать.
Проблематичным при таком виде эталонного измерения является то, что нельзя, или можно только недостаточно компенсировать спектральные изменения в потоке излучения, в частности, если длина поглощения волны газа не располагается рядом с эталонной длиной волны.
Для полной компенсации спектральных изменений в потоке излучения, например, вследствие отложений в оптическом измерительном канале, сдвигов интенсивности излучения и изменений коэффициента излучения источника излучения, а также влияния температуры окружающей среды, а также, благодаря этому, значительного повышения долговременной стабильности недисперсионных инфракрасных газовых анализаторов и минимизации издержек их обслуживания и калибровки и связанных с ними затрат и реализации компактной компоновки, - особенно предпочтительно, если эталонное измерение осуществляют на длине поглощения волны измеряемого газа. В этой предлагаемой, согласно изобретению, конструкции эталонного измерения эталонный детектор расположен в измерительном канале с эталонным узкополосным пропускающим интерференционным фильтром после детектора излучения для измеряемого газа. При этом эталонный узкополосный пропускающий интерференционный фильтр имеет большую ширину полосы пропускания, чем узкополосный пропускающий интерференционный фильтр для измеряемого газа, причем диапазоны пропускания обоих фильтров перекрывают друг друга, а эталонный узкополосный пропускающий интерференционный фильтр всегда передает на эталонный детектор область вне полосы спектра поглощения измеряемого газа.
Под перекрытием узкополосного пропускающего интерференционного фильтра перед эталонным детектором и узкополосного пропускающего интерференционного фильтра перед детектором излучения понимают при этом спектральную область, в которой диапазоны пропускания обоих фильтров перекрываются частично, но не неизбежно полностью. Следовательно, перекрытие присутствует, если полосовые фильтры используемых фильтров перекрываются частично, так чтобы общая площадь сечения образовывалась в спектральной области.
Особенно предпочтительно, если узкополосный пропускающий интерференционный фильтр перед эталонным детектором и/или узкополосный пропускающий интерференционный фильтр перед детектором излучения с помощью своего соответствующего диапазона пропускания определяет боковую сторону полосы спектра поглощения определяемого газа. Это значит, что, либо узкополосный пропускающий интерференционный фильтр перед эталонным детектором регистрирует боковую сторону полосы спектра поглощения определяемого газа с помощью своего соответствующего диапазона пропускания, либо узкополосный пропускающий интерференционный фильтр перед детектором излучения с помощью своего соответствующего диапазона пропускания регистрирует боковую сторону полосы спектра поглощения определяемого газа. Также предполагается, что оба узкополосных пропускающих интерференционных фильтра, в частности, узкополосный пропускающий интерференционный фильтр перед эталонным детектором и узкополосный пропускающий интерференционный фильтр перед детектором излучения, регистрируют боковую сторону полосы спектра поглощения определяемого газа, однако, обеспечивая при этом, что один из детекторов определяет большую область спектра, чем соответственно другой детектор, причем первый детектор должен иметь меньший диапазон пропускания вдоль измерительного канала.
Благодаря приведенным условиям возникает смещение между обнаружением сигнала детектором излучения и обнаружением сигнала эталонным детектором излучения. Это смещение обусловлено большей шириной полосы пропускания узкополосного пропускающего интерференционного фильтра перед эталонным детектором, или, совсем в целом, - узкополосного пропускающего интерференционного фильтра перед вторым детектором, следующим за первым детектором вдоль измерительного канала.
Влияния помех, например, сдвигов интенсивности излучения источника излучения, равным образом влияют на измерительный канал и на эталонный канал, поэтому соотношение сигналов не изменяется. Напротив, изменения концентрации газа приводят к изменениям соотношения сигналов. Особенно предпочтительно, если можно отказаться от используемых до настоящего времени таких способов компенсации, как создание разных длин пробега частиц до поглощения или интеграция камеры насыщения, (сравните с публикациями US 8 003 944 B2 и US 8 143 581 B2). Благодаря этому, с одной стороны, можно реализовать существенно более компактную и более простую компоновку, а, с другой стороны, значительно улучшенную компенсацию влияний помех, вследствие чего получают газовые измерительные приборы со значительно повышенной долговременной стабильностью, а, следовательно, с меньшей стоимостью обслуживания.
В другом варианте исполнения, узкополосный пропускающий интерференционный фильтр перед детектором излучения и узкополосный пропускающий интерференционный фильтр перед эталонным детектором сконструированы так, что с помощью них можно полностью регистрировать определяемую полосу поглощения газа. Также и в этом случае нужно обеспечивать, что один из детекторов определяет большую область спектра, чем соответственно расположенный вдоль измерительного канала последующий детектор.
Предпочтительно также, если узкополосный пропускающий интерференционный фильтр перед детектором излучения имеет первую центральную длину волны, а узкополосный пропускающий интерференционный фильтр перед эталонным детектором имеет вторую центральную длину волны, причем первая и вторая центральная длина волны идентичны. Важно, что ширина полос пропускания, т.е. диапазоны пропускания обоих узкополосных пропускающих интерференционных фильтров выполнены различными и один узкополосный пропускающий интерференционный фильтр передает, по меньшей мере, часть спектра, находящуюся вне полосы спектра поглощения определяемого газа с тем, чтобы детектор излучения видел большую спектральную часть излучения для создания выше описанного смещения.
Тем не менее, первая и вторая центральная длина волны не должны быть идентичны. Они также могут отличаться, причем предпочтительно, если центральные длины волн находятся на участке определяемой полосы поглощения газа. В зависимости от определяемого газа и его характеристических спектральных характеристик поглощения выбор узкополосного пропускающего интерференционного фильтра перед детектором излучения и узкополосного пропускающего интерференционного фильтра перед эталонным детектором следует осуществлять так, чтобы продолжалось обеспечение смещения.
Первая и вторая центральная длина волны могут находиться также в пределах полосы спектра поглощения определяемого газа. Для этого узкополосный пропускающий интерференционный фильтр перед эталонным детектором всегда должен передавать также часть на детектор излучения, располагающийся вне характеристической полосы спектра поглощения газа. Например, эталонный детектор определяет 30% спектра пропускания, находящегося вне полосы спектра поглощения определяемого газа и 70% спектра пропускания, находящегося в пределах полосы спектра поглощения определяемого газа.
В одном варианте исполнении детектор излучения и эталонный детектор излучения расположены рядом в месте измерения, например, в точке преломления вдоль измерительного канала. Благодаря этому можно реализовать измерительное устройство в особенно компактной компоновке. К тому же, оба детектора расположены на одном и том же теплоотводе, что позволяет полностью компенсировать колебания температуры окружающей среды. При этом важно, что перед каждым детектором расположен узкополосный пропускающий интерференционный фильтр, причем диапазон пропускания узкополосного пропускающего интерференционного фильтра перед детектором излучения и диапазон пропускания узкополосного пропускающего интерференционного фильтра перед эталонным детектором выполнены с перекрытием, а узкополосный пропускающий интерференционный фильтр перед эталонным детектором или узкополосный пропускающий интерференционный фильтр перед детектором излучения имеет большую ширину полосы пропускания по сравнению с соответственно другим узкополосным пропускающим интерференционным фильтром.
Особенно предпочтительно, если измерительное устройство сконструировано модульно, а оптическую дорожку и путь осуществления газообмена можно удлинять модульно. "Модульно" - значит, что измерительное устройство можно расширять на оптическую длину L волны и точку преломления с помощью находящихся в этой точке преломления узкополосного пропускающего интерференционного фильтра и детектора, но также и выборочно с помощью расположенного в точке преломления зеркала, до тех пор, пока, например, не достигнута требуемая длина пути поглощения. Эти зеркала могут иметь, например, плоскую или вогнутую или выпуклую поверхность.
Кроме того, оптический путь может быть изогнут, например, выполнен спиралеобразно. Благодаря этому, предлагаемую компоновку измерительного устройства можно выполнять очень компактной, располагая в определенных местах измерительной дорожки детекторы излучения для регулирования различной длины пути поглощения для определяемых газов.
Предпочтительным является выполнение измерительного канала с почти идеально отражающим слоем. В частности, для этого подходят позолоченные и хромированные поверхности, а также зеркально-гладкие поверхности из алюминия или высококачественной стали. Однако, измерительный канал не обязательно следует понимать, как физически ограниченное пространство. Измерительный канал в смысле данного описания представляет собой пространство, например, в виде канала, в котором измеряемый газ или газовая смесь может входить во взаимодействие с излучением источника излучения.
Для компактной компоновки измерительное устройство может быть расположено на одной монтажной плате с интегрированными детекторами, измерительным каналом, узкополосными пропускающими интерференционными фильтрами, концентраторами и зеркалами, а также эталонными детекторами. При этом источник излучения и детекторы располагают так, чтобы можно было реализовать наиболее экономящую место и компактную компоновку. Для этого измерительный канал выполнен на монтажной плате, например, интегрирован монтажной плате. Для направления измерительного излучения источника излучения в измерительный канал, используют зеркало для поворота измерительного излучения в измерительный канал. Это же относится к изменению направления луча измерительного излучения на детекторы в точках преломления вдоль оптического пути внутри измерительного канала. Для этого за узкополосным пропускающим интерференционным фильтром, на который сначала попадает измерительное излучение, расположено вышеуказанное зеркало для изменения направления луча, направляющее переданную часть излучения на расположенный на монтажной плате детектор. Благодаря этому можно реализовать существенно более компактную компоновку, так как уменьшается горизонтальное растяжение, вследствие вертикальной интеграции компонентов измерительного устройства, потому что, например, источник излучения и детекторы не расположены в одной плоскости с измерительным каналом. Отраженная узкополосным пропускающим интерференционным фильтром часть измерительного излучения направляется далее вдоль оптического пути через измерительный канал, до тех пор, пока измерительное излучение не попадет на следующий узкополосный пропускающий интерференционный фильтр.
В особенно предпочтительном варианте исполнения изобретения, источник излучения является широкополосным, имеющим параллельное излучение лазером. Преимущество в том, что на детектор в точках преломления всегда попадает полный уровень излучения. В частности, минимальны потери при отражении и поглощении вследствие дисперсии излучения в измерительном канале.
В наиболее предпочтительном варианте исполнения измерительного устройства, перед источником излучения может быть расположено, кроме того, фокусирующее устройство для фокусирования и корреляции излучения, излучаемого источником излучения, в частности если не используется лазер. Эффект состоит в том, что на соответствующие точки преломления и на расположенные в точках преломления такие функциональные устройства, как детектор излучения, зеркало, эталонный детектор и т.д., попадает максимальный уровень излучения.
Задача предложенного изобретения в отношении способа решается посредством того, что измерительное излучение подают источником излучения в измерительный канал, содержащий измеряемый газ или газовую смесь; измерительное излучение попадает на расположенный в первой точке преломления первый узкополосный пропускающий интерференционный фильтр, причем на следующий за узкополосным пропускающим интерференционным фильтром детектор излучения попадает только излучение заданной первым узкополосным пропускающим интерференционным фильтром длины волны; отраженную узкополосным пропускающим интерференционным фильтром часть излучения направляют вдоль оптического пути в измерительном канале на второй детектор излучения и/или зеркало, причем затем осуществляют оценку концентраций газа, измеренных с помощью детекторов излучения. Благодаря выполнению измерительного канала или, благодаря характеристикам источника излучения, излучение от источника излучения непосредственно направляется на узкополосный пропускающий интерференционный фильтр и расположенный за ним детектор излучения. Компоновка различных детекторов излучения в точках преломления вдоль оптического пути позволяет осуществлять одновременное измерение различных газов или газовых компонентов исследуемой газовой смеси.
В одном варианте осуществления предлагаемого согласно изобретению способа, используя предлагаемое измерительное устройство, эталонный детектор с расположенным перед ним эталонным узкополосным пропускающим интерференционным фильтром расположен в измерительном канале после детектора излучения с узкополосным пропускающим интерференционным фильтром для измеряемого газа, причем эталонный узкополосный пропускающий интерференционный фильтр имеет большую ширину полосы пропускания, чем узкополосный пропускающий интерференционный фильтр детектора излучения; диапазоны пропускания обоих узкополосных пропускающих интерференционных фильтров выполнены с перекрытием, и эталонный узкополосный пропускающий интерференционный фильтр позволяет передавать на эталонный детектор близлежащую часть вне полосы спектра поглощения измеряемого газа, а между сигналом детектора излучения и сигналом детектора эталонного детектора образуется соотношение сигналов, и соотношение сигналов оценивают и, благодаря этому, можно компенсировать отклонение в соотношении сигналов. Важным является то, что относится к расположенному впереди детекторов узкополосным пропускающим интерференционным фильтрам: первый узкополосный пропускающий интерференционный фильтр вдоль измерительного канала всегда имеет меньший диапазон пропускания, чем второй, т.е. расположенные за первым узкополосным пропускающим интерференционным фильтром в измерительном канале узкополосные пропускающие интерференционные фильтры.
Смещение создают посредством того, что узкополосный пропускающий интерференционный фильтр перед эталонным детектором передает большую область спектра перед эталонным детектором и эталонный детектор определяет область вне полосы поглощения газа. Благодаря этому, можно компенсировать спектральные изменения, возникающие, например, вследствие отложений в оптическом измерительном канале или влияния температуры окружающей среды, а также сдвигов интенсивности излучения и спектральных изменений источника излучения.
Предпочтительно, если узкополосный пропускающий интерференционный фильтр перед эталонным детектором передает, по меньшей мере, 30% диапазона длины волны, находящегося вне полосы спектра поглощения измеряемого газа. Однако, этот диапазон может быть меньше или больше, чем 30%. Это, по меньшей мере, обеспечивает, что эталонный детектор излучения определяет большую спектральную область, чем детектор излучения и, в частности, с помощью спектральной части излучения вне полосы спектра поглощения определяемого газа.
Краткое описание чертежей
Далее приводится более подробное разъяснение изобретения при помощи примеров исполнения со ссылкой на соответствующие чертежи, на которых показаны:
фиг. 1 - схематическое изображение принципиальной конструкции простого недисперсионного инфракрасного газового анализатора согласно уровню техники;
фиг. 2 - схематическое изображение принципиальной конструкции простого недисперсионного инфракрасного газового анализатора с эталонным измерением согласно уровню техники;
фиг. 3 - уровень излучения с использованием устройства разделения луча и без него;
фиг. 4 - схематических изображения предлагаемого согласно изобретению измерительного устройства для одновременного измерения различных газов и концентраций газов;
N
фиг. 5 - отраженный уровень излучения в последовательно расположенных в измерительном канале точках преломления/пропускающих интерференционных фильтрах f, в соответствии с определяемыми газами;
фиг. 6 - кривые пропускания используемых в качестве примеров пропускающих интерференционных фильтров для различных газов;
фиг. 7 - схематическое изображение предлагаемого, согласно изобретению, измерительного устройства с эталонным измерением;
фиг. 8 - схематическое изображение варианта исполнения, предлагаемого согласно изобретению измерительного устройства с оптическими концентраторами, расположенными перед детекторами, а также выборочно перед источником излучения;
фиг. 9 - схематическое изображение варианта исполнения, предлагаемого согласно изобретению измерительного устройства, с оптическими зеркалами Sp в выбранных точках N преломления для увеличения длины L пути поглощения;
фиг. 10 - схематическое изображение варианта исполнения, предлагаемого согласно изобретению измерительного устройства, с изогнутым оптическим путем, т.е. с изогнутым измерительным каналом: a) изображение в разрезе, b) перспективное изображение;
фиг. 11 - схематическое изображение варианта исполнения, предлагаемого согласно изобретению измерительного устройства, причем измерительное устройство выполнено с детекторами и оптическим путем, интегрированными на монтажной плате: a) перспективная горизонтальная проекция, b) вид сбоку;
фиг. 12 - спектральное прохождение спектров пропускания узкополосного пропускающего интерференционного фильтра, эталонного узкополосного пропускающего интерференционного фильтра и определяемого газа, причем центральные длины волны пропускающих интерференционных фильтров идентичны;
фиг. 13 - соотношение сигналов между сигналом детектора излучения и сигналом эталонного детектора.
Осуществление изобретения
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
На фиг. 4 схематически показан возможный вариант исполнения предлагаемого согласно изобретению измерительного устройства. Через впуск 4 газа газ впускают ламинарным потоком в измерительный канал 1. Однако, газ можно подавать также в измерительный канал по всей длине оптического пути. Впуск газа может быть выполнен также в виде газопроницаемой мембраны, где газ самостоятельно проникает в измерительный канал 1. Инфракрасный источник S излучения излучает пучок лучей с непрерывным спектром так, что, например, находящийся в полом проводнике, измерительном канале 1 газ или газовая смесь, проводится вдоль оптического пути 2 и попадает с возможностью отдельного регулирования длиной L волны на узкополосный пропускающий интерференционный фильтр F под углом φ. Место фильтра определяет первую точку 6 преломления измерительного излучения и пропускает только определенную длину волны или очень узкий диапазон длины волн излучения и отражает остаток под углом φ' назад в измерительный канал 1. При этом длина пропускания волн фильтра F соответствует длине поглощения волн измеряемого газа G1. На фиг. 4, 5 и 6 показано на примере функционирование и действие измерительного устройства для измерения процентного содержания газов в исследуемой газовой смеси, причем процентное содержание газов одновременно определяют в следующих друг за другом детекторах D, расположенных в точках 6 преломления в измерительном канале 1 с соответствующими узкополосными пропускающими интерференционными фильтрами F. На фиг. 5 изображены отраженные в соответствующих точках 6 преломления уровни излучения. Переданный диапазон длины волн определяют посредством соответствующего узкополосного пропускающего интерференционного фильтра. Переданную посредством первого узкополосного пропускающего интерференционного фильтра F долю излучения определяют детектором D. (фиг. 5a). Отраженная доля излучения попадает c длиной L волны на следующий узкополосный пропускающий интерференционный фильтр F под углом φ (фиг. 4). В этой второй точке 6 преломления отфильтровывают следующую долю излучения измеряемого газа G2 и измеряют детектором D (фиг. 5b). И это продолжается так. (фиг. 5c - e). Из фиг. 5a-e становится понятно, что на детекторы D всегда попадает полный уровень излучения. Необходимые узкополосные пропускающие интерференционные фильтры F расположены в измерительном канале 1 в соответствии с определяемым процентным содержанием газа и необходимыми длинами пробега частиц до поглощения. Например, для обнаружения SОтребуется большая длина L волны, чем для CО. Через выпуск 5 газа газ может снова выходить из измерительного канала. Выпуск 5 газа также может быть выполнен в виде газопроницаемой мембраны, где газ самостоятельно проникает из измерительного канала 1.
На фиг. 6 показаны в качестве примера кривые пропускания используемых узкополосных пропускающих интерференционных фильтров для различных газов.
На фиг. 7 показан предпочтительный пример исполнения, предлагаемого согласно изобретению измерительного устройства, причем в любой точке 6 преломления в измерительном канале 1 осуществляют эталонное измерение с помощью эталонного детектора 9 с длиной волны, при которой не происходит поглощение другими имеющимися в газовой смеси или в окружении газами (например, при 3,95 μm). С помощью этого эталонного измерения достигают существенного повышения устойчивости, благодаря которому, можно, например, компенсировать изменения сигнала вследствие сдвигов интенсивности излучения источника S излучения или отложений загрязнений в измерительной камере.
1
2
1
2
В другом предпочтительном варианте исполнения изобретения, в источнике S излучения расположен оптический концентратор KS или подобный оптический конструктивный элемент (например, зеркало, линза), вследствие чего генерированное излучение фокусируется в измерительный канал 1. Это схематически изображено на фиг. 8. Дополнительно, за каждым узкополосным пропускающим интерференционным фильтром F, F, и т.д. расположен оптический концентратор К, K, и т.д., фокусирующий все переданные посредством фильтра лучи на элементе D детектора для генерирования максимального сигнала детектора.
В другом варианте предлагаемого согласно изобретению измерительного устройства, в одном или нескольких точках 6 преломления вместо узкополосного пропускающего интерференционного фильтра F для увеличения длины L пути поглощения может располагаться зеркало Sp, полностью отражающее падающее излучение, поэтому излучение передается дальше на следующую точку 6 преломления (фиг. 9).
В следующем варианте предлагаемого согласно изобретению измерительного устройства, оптический путь 2 или измерительный канал 1 может иметь изогнутую траекторию, выполненную, кроме того, трехмерно, например, спиралеобразно для возможности размещения наибольшей длины L пути поглощения в небольшом объеме. Схематически это изображено на фиг. l0a, 10b. В местах, т.е. в точках 6 преломления, вдоль изогнутого оптического пути 2, располагают детекторы D, соответствующие предлагаемому измерительному устройству. Изогнутое выполнение оптического пути 2 обеспечивает еще более компактную компоновку измерительного устройства. Для наглядности на фиг. 10 a,b соответственно изображен только один детектор D в измерительном канале 1 вдоль оптического пути 2, в частности, в первой точке 6 преломления.
На фиг. 11 показан другой вариант исполнения предлагаемого согласно изобретению измерительного устройства, причем измерительное устройство с детекторами D и оптическим путем 2, т.е. измерительным каналом 1 выполнено интегрированным на монтажной плате LP. Источник S излучения и детекторы D расположены при этом так, что можно реализовать более экономящую место и компактную компоновку. Оптический путь 2, т.е. измерительный канал 1, выполнен на монтажной плате LP. Для направления измерительного излучения 3 источника излучения S в измерительный канал 1, используют зеркало Sp для изменения направления измерительного излучения 3 в оптический путь 2. То же самое относится к изменению направления луча измерительного излучения 3 на детекторы D в точках 6 преломления вдоль измерительного канала 1. Для этого за узкополосным пропускающим интерференционным фильтром F, на который сначала попадает измерительное излучение, расположено зеркало Sp или подобное устройство для изменения направления луча, направляющее переданную часть излучения на расположенный на монтажной плате LP детектор D. Благодаря этому реализуют существенно более компактную компоновку, так как горизонтальное растяжение уменьшает вертикальную интеграцию компонентов измерительного устройства. Отраженная в узкополосном пропускающем интерференционном фильтре F часть измерительного излучения направляется дальше вдоль оптического пути 2 через измерительный канал 1, до тех пор, пока измерительное излучение 3 не попадет на следующий узкополосный пропускающий интерференционный фильтр F.
На фиг. 12 изображено положение соответствующего пропускающего интерференционного фильтра облучающего и эталонного детектора относительно полосы спектра поглощения исследуемого газа. При этом центральные длины волн пропускающих интерференционных фильтров F1, F2 могут совпадать. Важным является то, что ширина полос пропускания обоих пропускающих интерференционных фильтров Fl, F2 выполнена различной, а пропускающий интерференционный фильтр определяет, по меньшей мере, часть спектра 11, 12, находящегося вне полосы 10 спектра поглощения определяемого газа, благодаря чему пропускающий интерференционный фильтр видит большую спектральную часть излучения, в частности, для создания вышеописанного смещения.
На фиг. 13 показано соотношение сигналов детектора излучения или газового детектора и эталонного детектора излучения и вытекающего из этого соотношения сигналов в зависимости от концентрации газа. Влияния таких помех, как например, сдвиги интенсивности излучения источника излучения, одинаково влияют на измерительный канал и на эталонный канал, поэтому соотношение сигналов не изменяется. Напротив, изменения концентрации газа приводят к изменениям соотношения сигналов.
Измерительное устройство и Способ к определению разных газов и концентраций газа.
Перечень ссылочных позиций.
F
Узкополосный пропускающий интерференционный фильтр, сокращенно – фильтр.
F<sub>1</sub>, F<sub>2 </sub>… , F<sub>N</sub>
Фильтр 1, фильтр 2..., фильтр N.
G
Газ.
G<sub>1</sub>, G<sub>2</sub>…<sub></sub>, GN
Газ 1, газ 2..., газ N.
D
Детектор.
D<sub>1 , </sub>D<sub>2</sub>…. D<sub>N</sub>
Детектор 1, детектор 2..., детектор N.
S
Источник излучения.
L
Длина пробега частиц до поглощения.
L<sub>1 </sub>…, L<sub>N</sub>
Длина пробега частиц до поглощения 1... N.
K
Концентратор.
K<sub>1 </sub>…, K<sub>N</sub>
Концентратор 1..., концентратор N.
KS
Концентратор перед источником излучения.
Sp
Зеркало.
Sp<sub>1</sub>…, Sp<sub>N</sub>
Зеркало 1..., зеркало N.
LP
Монтажная плата.
Φ
Угол падения.
φ<sub> 1, …, </sub>φ<sub>N</sub>
Угол падения на N-ный узкополосный пропускающий интерференционный фильтр.
1.
Измерительный канал.
2.
Оптическая дорожка.
3.
Направление распространения измерительного излучения.
4.
Впуск газа.
5.
Выпуск газа.
6.
Точка преломления.
8.
Оптическая ось.
9.
Эталонный детектор.
10.
Полоса поглощения газа.
11.
Боковая сторона полосы поглощения газа.
12.
Другая боковая сторона полосы поглощения газа.