ОПТИЧЕСКИЙ АБСОРБЦИОННЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР
OPTICAL ABSORPTION GAS ANALYSER

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для количественного определения концентрации отдельных компонентов в многокомпонентных газовых смесях на производстве и в других сферах жизнедеятельности, а также для экологического мониторинга окружающей среды.
Известны газоанализаторы, построенные на методе абсорбционной спектроскопии, имеющие в своем составе источник излучения, два оптических канала - рабочий и сравнительный и регистрирующее устройство. На оптической оси каждого канала последовательно установлены камера с газом и приемник оптического излучения, в качестве которого могут быть использованы фотосопротивление, фотодиод, фототранзистор, вакуумные фотоэлементы или фотоумножители. Через камеру рабочего канала пропускают анализируемую смесь, тогда как камера сравнительного канала заполнена так называемым «нулевым» газом (газовая смесь постоянного состава, в которой отсутствует измеряемая компонента). Приемники обоих каналов соединены с регистрирующим прибором [Павленко В.А. Газоанализаторы. - М.: Машиностроение, 1965. стр.166.] (аналог).
Недостатком данного газоанализатора является небольшой спектральный диапазон, обусловленный наличием длинноволновой границы спектра чувствительности используемых приемников оптического излучения и низкая надежность.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является фотометрический газоанализатор [Кустикова М.А., Мешалкина М.Н., Мусяков В.Л., Тимофеев А.Н. Методические указания к лабораторным работам по разделу «ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ» курса «ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ» / Под общей редакцией д.т.н., профессора Г.Г.Ишанина. - СПб: СПбГИТМО, 2003. стр.33. (http://window.edu.ru/window_catalog/pdf2txt?p_id=6932)] (прототип).
Газоанализатор содержит источник излучения с устройством разделения лучистого потока на два одинаковых пучка, камеру для анализируемой смеси и приемник рабочего канала, последовательно расположенные на пути прохождения одного пучка; камеру с «нулевым» газом и приемник сравнительного канала, расположенные на пути другого пучка. Приемники оптического излучения соединены с входами дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом регистрирующего устройства. Мерой концентрации измеряемой газовой компоненты в анализируемой смеси является разность фототоков приемников рабочего и сравнительного канала.
Основным недостатком известного газоанализатора является небольшой спектральный диапазон, обусловленный наличием длинноволновой границы спектра чувствительности фотоприемника, и низкая надежность.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение спектрального диапазона газоанализатора в сторону длинноволновой области и повышение его надежности.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемое изобретение, так же как и прототип, содержит источник оптического излучения с устройством разделения лучистого потока на два одинаковых пучка, камеру для анализируемой смеси и приемник рабочего канала, последовательно расположенные на пути прохождения одного пучка; камеру с «нулевым» газом и приемник сравнительного канала, расположенные на пути другого пучка.
В отличие от известного газоанализатора вместо фотоприемников используют тепловые приемники оптического излучения, расположенные на пути двух раздельных лучей, которые выполнены в виде идентичных металлических пластин, изготовленных из сплава, претерпевающего мартенситное превращение в заданном интервале температур измерения, размещенных на диэлектрических подложках с малым коэффициентом теплопроводности, и соединенных с соответствующими входами устройства измерения электросопротивления, сопряженного с блоком управления, приема и обработки данных.
Предлагаемый газоанализатор позволяет расширить спектральный диапазон в сторону длинноволновой области, за счет использования в качестве оптического приемника металлических пластин, чувствительных к длинам волн 0,3-20 мкм, и повысить надежность, вследствие их большого срока службы и высокой лучевой стойкости по сравнении с фотоприемниками [Ишанин Г.Г. Источники и приемники излучения. - СПб.: Политехника, 1991. стр.133].
На чертеже представлена функциональная схема оптического абсорбционного газоанализатора. Он содержит источник излучения с устройством разделения лучистого потока 1, камеру 2 с «нулевым» газом, камеру 3 для анализируемой смеси, приемники сравнительного и рабочего канала 4 и 5, содержащие идентичные металлические пластины 6 и 7, размещенные на диэлектрических подложках с малым коэффициентом теплопроводности 8 и 9 соответственно, устройство измерения электросопротивления 10 и блок управления, приема и обработки данных 11. Источник оптического излучения с устройством разделения лучистого потока 1 формирует два одинаковых пучка. Камера для анализируемой смеси 3 и приемник рабочего канала 5 последовательно расположены на пути прохождения одного пучка, а камера с «нулевым» газом 2 и приемник сравнительного канала 4 расположены на пути другого пучка. Металлические пластины 6 и 7 приемников обоих каналов своими контактами соединены с соответствующими входами устройства измерения электросопротивления 10, сопряженного с блоком управления, приема и обработки данных 11.
Газоанализатор работает следующим образом. Оптическое излучение, с длиной волны, лежащей в спектре поглощения измеряемой газовой компоненты, направляется от источника излучения с устройством разделения лучистого потока 1 через камеру 2 с «нулевым» газом и камеру 3 для анализируемой смеси на металлические пластины 6 и 7 приемников сравнительного и рабочего канала 4 и 5 соответственно. Интенсивность оптического излучения приходящего на металлическую пластину 6 приемника 4 является постоянной (опорной), а ее возможные изменения обусловлены рядом факторов, не связанных с измеряемой газовой компонентой, но в равной степени действующих на оба оптических канала. Интенсивность оптического излучения приходящего на металлическую пластину 7 приемника 5 зависит от количественной величины измеряемой газовой компоненты в камере 3 для анализируемой смеси. При отсутствии измеряемой компоненты в камере 3 интенсивность в обоих каналах одинакова.
Поглощение лучистого потока металлическими пластинами 6 и 7 приемников 4 и 5 соответственно приводит к повышению их температуры на величину, пропорциональную интенсивности падающего излучения. При этом подложки 8 и 9, на которых размещены пластины 6 и 7, выполняют функции электрической и тепловой изоляции. Металлические пластины выполнены из сплава, претерпевающего мартенситное превращение в заданном интервале температур измерения. В ходе превращения доля новой термодинамической фазы изменяется пропорционально изменению температуры. Процесс имеет атермическую кинетику - при прекращении изменения температуры прекращается изменение соотношения долей фаз. Указанное превращение заключается в перестройке кристаллической решетки с понижением (повышением) симметрии кристалла, что приводит к изменению электронно-фононного взаимодействия в системе и соответственно к изменению электрического сопротивления металлических пластин в целом. Такие сплавы, с необходимыми параметрами, хорошо известны в технике, которые по сравнению с другими тепловыми датчиками оптического излучения обладают значительно более высокой чувствительностью [RU 2345334 C1].
Затем электрическое сопротивление металлических пластин 6 и 7 приемников рабочего и сравнительного канала 4 и 5 регистрируется устройством измерения электросопротивления 10, в качестве которого могут использоваться как готовые приборы, так и известные схемы того же назначения. Результаты измерения с устройства 10 поступают в блок управления, приема и обработки данных 11, где производятся необходимые вычисления. В качестве блока 11, который также задает режим измерения электрического сопротивления металлических пластин устройством 10, могут применяться любые ЭВМ или другие вычислительные приборы и схемы с соответствующим системным или прикладным программным обеспечением. Мерой концентрации измеряемой газовой компоненты в камере 3 для анализируемой смеси является разность электрического сопротивления металлических пластин 6 и 7 приемников рабочего и сравнительного канала 4 и 5.
Таким образом, заявленный технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, в данном оптическом абсорбционном газоанализаторе вместо фотоприемников используют тепловые приемники оптического излучения, расположенные на пути двух раздельных лучей, которые выполнены в виде идентичных металлических пластин, изготовленных из сплава, претерпевающего мартенситное превращение в заданном интервале температур измерения, размещенных на диэлектрических подложках с малым коэффициентом теплопроводности, и соединенных с соответствующими входами устройства измерения электросопротивления, сопряженного с блоком управления, приема и обработки данных. В заявленном газоанализаторе информация о концентрации измеряемой газовой компоненты содержится в величине разности электрического сопротивления металлических пластин 6 и 7 приемников рабочего и сравнительного канала 4 и 5 соответственно. Современные приборы позволяют регистрировать изменение электрического сопротивления за время соизмеримое с реакцией металла на изменение его температуры (порядка 0,2 мс) с разрешением 0,1 мкОм, что является достаточным для проведения измерений концентрации необходимой газовой компоненты в атмосфере.