ГАЗОАНАЛИЗАТОР

Полезная модель относится к аналитической измерительной технике, а именно к измерению концентрации анализируемого газа с использованием спектроскопических методов и может быть использовано в научных исследованиях, медицине, промышленности и при контроле загрязнения атмосферы.
Известны абсорбционные газоанализаторы [Бреслер П.И. Оптические абсорбционные газоанализаторы и их применение. Л.:
Энергия, 1980, с.10-11.], содержащие расположенные на оптической оси источник оптического излучения, модулятор, средства спектральной селекции излучения (например, интерференционные фильтры), кювету для анализируемого газа, приемник светового потока и блок обработки аналогового сигнала.
Недостаток такого газоанализатора заключается в низкой точности измерения, вызванной изменением со временем излучательной способности источника оптического излучения и чувствительности фотоприемника.
Известен также абсорбционный газоанализатор [Авт.св. СССР, №1822945, кл. G01N 21/61], частично решающий проблему низкой точности измерения путем стабилизации температуры излучателя.
Однако здесь не устраняется снижение точности за счет изменения со временем параметров приемника, кроме того, устройство имеет большие габариты и сложно в изготовлении.
Также известен газоанализатор по патенту СССР, №1825419, кл. G01N 21/61, содержащий оптический связанные источник излучения, модулятор, подсоединенную к источнику газа газовую кювету, интерференционный фильтр и фотоприемник, выход которого для получения значения концентрации анализируемого газа подсоединен к блоку измерения и управления.
Недостатком этого устройства является необходимость использовать два интерференционных фильтра и дополнительное зеркало с настройкой под определенным углом, что приводит к удорожанию прибора и усложнению процесса его настройки. Кроме того, оптические пути для опорного и рабочего пучка отличаются, поэтому изменение пространственного распределения УФ излучения излучателя может привести к повышению ошибки при измерениях.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является детектор по международному патенту G01N 21/33 WO 99/05508. УФ детектор токсичных газов, а по сути - УФ спектрометр (Фиг.1). Он состоит из ксеноновой импульсной лампы 12 с прозрачным для УФ окном 14. Импульсная лампа сочленена с металлической трубкой 16, несколько дюймов длиной. Трубка сделана из отражающего УФ материала, например алюминия, внутренняя поверхность трубки отполирована. Трубка содержит множество отверстий 18 по длине и по радиусу. Внутри трубка может быть дополнительно покрыта отражающим материалом 16А, например никелем. Трубка выполняет одновременно 2 функции: «фокусирует» УФ излучение на фотоприемник и являются местом, где происходит абсорбция УФ излучения газом.
После трубки коллимированный свет собирается линзой 20. Далее свет попадает на светоразделительную пластинку 22, в результате чего одна часть УФ излучения проходит через активный фильтр 26 (спектральный полосовой фильтр) с центральной частотой 198 нм (полоса 25 нм) и попадает на фотодиод 24. Другая часть УФ излучения проходит через активный фильтр 30 с центральной частотой 280 нм (полоса 20 нм) и попадает на фотодиод 28.
Недостатком этого устройства также является необходимость использовать два интерференционных фильтра и дополнительное зеркало с настройкой под определенным углом, что приводит к удорожанию прибора и усложнению процесса его настройки. При измерении концентрации различных газов потребуется смена одного или двух интерференционных фильтров, что удорожает обслуживание спектрометра. Кроме того, при измерении концентрации в многокомпонентных газовых смесях, где может быть поглощение на 280 нм, снижается точность измерения. Точность измерения также снижается за счет того, что в результате развития разряда в газоразрядной лампе, в том числе и при изменении параметров источника питания, происходит перераспределение интенсивности излучения на длинах волн 198 и 280 нм. Рассматриваемое устройство не содержит средств, позволяющих производить автокалибровку спектрометра.
Полезная модель направлена на снижение погрешности измерения, снижение стоимости эксплуатации и обеспечение автокалибровки.
Поставленная задача решается в газоанализаторе, содержащем оптически связанные источник излучения, подсоединенную к источнику газа кювету, четыре фотоприемника, и блок измерения и управления подсоединенный к выходу фотоприемников, отличающимся тем, что он снабжен Y-образным оптическим волокном и двумя дифракционными решетками, фильтром калибровки и переключателем газового потока соединенными с блоком измерения и управления и источником газа.
На фиг.2 представлена блок - схема газоанализатора.
Газоанализатор содержит оптически связанные источник излучения 1, Y-образное оптическое волокно 2, дифракционные решетки 3 и 4, фотоприемники 5, 6, 7 и 8, фильтр калибровки 9 и измерительную кювету 10, а также переключатель газового потока 13, источник тестовой газовой смеси 14, источник исследуемого газа 15 и блок измерения и управления 12.
Спектрометр работает следующим образом.
Свет от импульсного источника излучения 1 (например, от лампы, излучающей в ультрафиолетовом диапазоне), проходит через одну ветвь Y-образного оптического волокна 2 и направляется на дифракционную решетку 3, откуда дифрагированный луч попадает на фотоприемники 5 и 6 (в качестве которых могут быть использованы, например, фотодиоды) для контроля интенсивности источника излучения на измерительной и опорной частотах. Через вторую ветвь Y-образного оптического волокна излучение направляется на фильтр калибровки 9 и далее в измерительную кювету 10, содержащую газ, концентрацию которого нужно измерить. Прошедшее сквозь кювету излучение попадает на дифракционную решетку 4 и, после дифракции, на фотоприемники 7 и 8, в качестве которых, например, также можно использовать фотодиоды. Электрические сигналы с выходов фотоприемников 5, 6, 7, 8 поступают на входы блока измерения и управления 12, где определяется концентрация газа. Блок измерения и управления 12 может быть выполнен, например, на базе микроконтроллера. При подаче через переключатель газового потока 13, в качестве которого может быть использован, например, электромагнитный газовый вентиль, в кювету 10 газа из источника 14, содержащего газ, не имеющего поглощения в спектральной области, на которую настроены дифракционные решетки 3, 4 и фотоприемники 5, 7 производится установка нулевого уровня, соответствующего отсутствию поглощения в исследуемом газе. Это значение является опорным и соответствует подаче на фотоприемник 7 максимальной мощности. Если при этом сигналы с фотодиодов 5 и 7 отличаются значительно, то это говорит о том, что в измерительном тракте присутствуют загрязнения, и требуется его чистка. Также существует дополнительный способ обнаружения загрязнений в измерительном тракте. Фотоприемники 6 и 8 настроены на спектральную область, в которой исследуемый газ не имеет поглощения. Если сигналы с фотоприемников 6 и 8 различаются значительно, то это также свидетельствует о том, что в измерительном тракте присутствуют загрязнения, либо в исследуемый газ попала компонента, поглощающая в спектральной области на которую настроены фотоприемники 6 и 8. В данном случае следует проанализировать сигналы с фотоприемников 5, 6, 7, 8 при тестовом газе в измерительной кювете.
Для привязки к абсолютным значениям измеренного поглощения на пути излучения, направляемого в измерительную кювету, на время калибровки помещают фильтр калибровки с известным для данной длины волны поглощением. Получаемый при этом с фотоприемника 7 сигнал соответствует абсолютному значению поглощения, вносимому фильтром калибровки.
Далее блок измерения и управления 12 переводит переключатель газового потока 13 в положение, обеспечивающее подачу анализируемого газа из источника 15 к кювете 10, и выводит фильтр калибровки из области распространения света, направляемого в кювету с анализируемым газом. Анализируемый газ имеет поглощение на длине волны, равной длине волны, регистрируемой фотоприемниками 5 и 7 при заданном положении относительно дифракционной решетки. Доля мощности, достигающей фотоприемника 7, уменьшится и будет зависеть от концентрации анализируемого газа в кювете. В соответствии с полученными с фотоприемников 5 и 7 сигналами блок измерения и управления определяет концентрацию.
Техническая эффективность предлагаемого газоанализатора по сравнению с известными, заключается в уменьшении погрешности измерения, устранении зависимости результатов измерения от перераспределения спектра источника света, возможности измерения концентрации других газов без изменения компонентов системы.