ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована 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 (Ж. Аш и др. Датчики измерительных систем. Книга 2. гл.19, с.403. М.: Мир, 1992.).
Известен построенный по такой схеме оптико-акустический газоанализатор ГИАМ (Д.Л. Бронштейн, Н.Н. Александров. Современные средства измерения загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1989, гл.3, с.147).
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.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому эффекту к предлагаемому техническому решению является «Фототермоакустический газоанализатор» (Патент РФ на изобретение №2207546, G01N 21/61, опубл. 27.06.2003 г.).
Для снижения восприимчивости газоанализатора к акустическим и вибрационным шумам фототермоакустический газоанализатор содержит два оптических канала с идентичными источниками широкополосного оптического излучения и вычислительное устройство. В каждом канале на оптических осях источников установлены по три кюветы: в первом - фильтрационная, измерительная и регистрирующая, во втором - фильтрационная, сравнительная и регистрирующая. Через измерительную кювету прокачивают исследуемую газовую смесь, сравнительная заполнена "нулевым" газом, а обе регистрирующие - газом, концентрацию которого следует определить в составе исследуемой газовой смеси. Новым в устройстве являются дополнительно введенные генератор электрических импульсов, измеритель временных интервалов и две пары акустически согласованных между собой излучателей и приемников ультразвуковых колебаний. Последние расположены попарно внутри регистрирующих кювет. Техническим результатом является увеличение чувствительности и помехозащищенности устройства.
В данном 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.
Существенным недостатком данного газоанализатора является необходимость строгой идентичности источников широкополосных излучателей и фильтрационных кювет, расположенных сразу же после них для обеспечения высокой точности совпадения характеристик. Кроме того, точность измерения концентрации нахождения ВВ в воздушной среде зависит от характера нагрева газовой среды в кюветах, а также от идентичности акустических приемников. С другой стороны, многократное преобразование природы исследуемого сигнала: оптический, ультразвуковой, термический и, наконец, временные интервалы, также сказываются на точности измерения. Кроме того, газоанализатор предназначен для определения только одного вредного вещества, находящегося в воздушной среде, т.к. регистрирующие кюветы заполняются тем самым газом, концентрацию которого следует определить.
Устранить этот недостаток можно путем использования когерентных волн, у которых разность фаз колебаний не меняется со временем. При этом более целесообразным способом определения концентрации является интерференционный, а не фототермоакустический. При этом исследуемые сигналы представляют собой когерентные волны.
В теории интерференции оперируют не разностью фаз накладывающихся волн, а разностью хода их лучей.
Задачей полезной модели является расширение технических характеристик и повышение точности определения концентрации вредных примесей в многокомпонентной газовой смеси за счет исследования сигналов, имеющих только одной природу происхождения.
Технический результат, который может быть получен при использовании полезной модели, заключается в снижении восприимчивости газоанализатора к акустическим и вибрационным шумам, а также уменьшении помехозащищенности устройства.
Поставленная задача достигается тем, что интерференционный газоанализатор содержит источник широкополосного оптического излучения, оптический фильтр, две кюветы с идентичными характеристиками: сравнительную с "нулевым"
газом и измерительную с анализируемым газом, регистрирующее устройство. При этом в измерительную кювету с исследуемой газовой смесью добавлен микрометрический винт, а оптический фильтр представляет собой двояковыпуклую собирающую линзу, на входе которой установлена диафрагма с одной щелью, а на выходе - с двумя щелями, при этом регистрирующее устройство представляет собой двояковыпуклую собирающую линзу, установленную на выходе из кювет и окуляр.
Принципиальная схема интерференционного газоанализатора приведена на фиг.1, а на фиг.2 - система интерференционных полос, наблюдаемая в газоанализаторе,
где: 1 - широкополосный излучатель;
2 - диафрагма с одной щелью;
3 - двояковыпуклая собирающая линза;
4 - диафрагма с двумя щелями;
5 - сравнительная кювета с "нулевым" газом;
6 - измерительная кювета с анализируемым газом;
7 - микрометрический винт;
8 - двояковыпуклая собирающая линза;
9 - окуляр.
Интерференцию волн можно наблюдать только в том случае, если складывающиеся волны когерентны. Когерентными называются волны, у которых разность фаз колебаний не меняется со временем.
Интерференционный метод измерения основан на получении интерференционной картины от двух когерентных световых пучков, прошедших через две параллельные щели.
1
2
1
2
Источником света интерференционного газоанализатора служит широкополосный излучатель, который создает ярко освещенная щель S, от которой световая волна падает на две равноудаленные щели S и S, параллельные щели S (фиг.1). Таким образом, щели S и S играют роль когерентных источников.
В теории интерференции оперируют не разностью фаз накладывающихся волн, а разностью хода лучей. Разность хода лучей и разность фаз колебаний - величины пропорциональные.
Введем понятие оптической длины пути как произведение геометрического
хода луча на абсолютный показатель преломления среды, в которой распространяется данный луч (т.е. расстояние, которое прошел бы свет в вакууме за то время, в течение которого свет идет в данном веществе)
где l - геометрическая длина пути (расстояние между источником света и той точкой, в которой рассчитывается интерференционная картина);
n - абсолютный показатель преломления среды. Он показывает, во сколько раз скорость света в данной среде меньше скорости света в вакууме:
Принцип работы интерференционного газоанализатора.
1
2
Пучок лучей от источника света со сплошным спектром (лампы накаливания) 1, пройдя через диафрагму 2 с одной щелью S, собирающую линзу 3 и диафрагму 4 с двумя щелями S и S, разделяется на два канала.
Лучи выходят из линзы 4 параллельными лучами и окружены с ее обеих сторон одинаковой средой.
1
2
На пути лучей против щелей S и S устанавливаются две кюветы с идентичными характеристиками: сравнительную 5 с "нулевым" газом и измерительную 6 с анализируемым газом.
Возникают две спектральные интерференционные полосы, расположенных одна над другой, причем верхняя картина подвижная, нижняя - неподвижная (фиг.2).
1
2
В случае, когда кюветы заполнены одной и той же воздушной средой, т.е. разность хода между лучами от обеих щелей S и S равна нулю, то верхняя система полос совпадает с нижней (фиг.2, а).
0
1
Если в одной кювете оставить эталонную воздушную среду с показателем преломления n, а в другую поместить исследуемую воздушную среду с показателем преломления n, то появится дополнительная разность хода
1
0
вследствие чего верхняя система полос сдвинется относительно нижней (фиг.2,б). Это смещение будет зависеть от разности показателей преломления сравниваемых воздушных сред (n-n).
Если на пути одного луча поместить микрометрический винт 7, выполненного в виде компенсационного клина переменной толщины 7 (фиг.1), вносящий дополнительную разность хода, то, передвигая клин, можно добиться того, что разность хода, даваемая клином, будет равна нулю и интерференционные полосы вернутся в исходное положение (фиг.2, а).
Микрометрический винт 7 проградуирован так, что поворот на одно деление изменяет разность хода на (1/30)λ. Если смещение полос достигается поворотом винта на N делений, то разность хода, вносимая клином
Приравнивая уравнения  и после небольших преобразований получим
Микрометрический винт интерференционного газоанализатора имеет две шкалы: неподвижную с 30 делениями и подвижную со 100 делениями. Поэтому вся шкала компенсации имеет 3000 делений.
1
0
Возникшая между интерферирующими лучами оптическая разность хода Δ=(n-n)·l. Изменение разности хода приведет к сдвигу интерференционных полос. Этот сдвиг можно характеризовать величиной
0
x
x
0
которая показывает, на какую часть ширины интерференционной полосы сместилась интерференционная картина. Измеряя величину m при известных λ, n и l, можно вычислить или изменение n, или изменение n-n.
В фокальной плоскости линзы 8 (F) создается система интерференционных полос, которая наблюдается с помощью окуляра 9 (фиг.1).
Порядок работы интерференционного газоанализатора.
1. Включить широкополосный излучатель (осветительную лампу) 1. В отсутствии кювет 5, 6 убедиться в совпадении верхних и нижних интерференционных полос. При этом микрометрический винт 7 должен занимать положение, соответствующее нулю делений по обеим шкалам.
2. Поместить кюветы 5, 6 в газоанализатор. При этом обе кюветы должны быть заполнены "нулевым" газом (азотом или чистым воздухом). Газоанализатор должен показать «ноль» прибора. Если нижние и верхние полосы смещены (фиг.2),
0
то необходимо возвратить их в исходное положение вращением микрометрического винта 7 и зафиксировать отсчет N. Это будет «ноль» прибора.
3. Заменить одну из кювет на кювету 6, через которую пропускают контролируемую газовую смесь (на фиг.1 эта кювета расположена справа).
4. С помощью микрометрического винта добиться совмещения верхних и нижних интерференционных полос.
5. Рассчитать показатели преломления исследуемой воздушной среды по формуле
x
6. По графику n=f(С), определить неизвестную концентрацию C. Если такого графика нет, то необходимо построить график n=f(С), повторив пункты 1-5 несколько раз и откладывая n по оси ординат, а С - по оси абсцисс.
Интерференционный газоанализатор позволяет измерять показатель преломления анализируемого газа очень малых концентраций с очень высокой точностью (до 1/1000000).
Таким образом, разность показателей преломления анализируемого газа определяется относительно эталонного с известным показателем преломления. При этом характер расположения интерференционных полос позволяет определить сам газ, а сдвиг полос между верхними и нижними интерференционными полосами - его концентрацию.
Использование одной природы исследуемых сигналов способствует снижению восприимчивости газоанализатора к акустическим и вибрационным шумам. Отсутствие зависимости от влияния внешних факторов делает процесс исследования и регистрации помехоустойчивым.
Интерференционный газоанализатор может найти применение в системах контроля микроконцентраций аварийно опасных и отравляющих примесей, находящихся в воздухе.