СПЕКТРАЛЬНЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР

Спектральный газоанализатор относится к аналитическому приборостроению и может быть использован для измерения концентраций газообразных веществ.
Известно техническое решение по патенту RU 2083959, МПК 6 G 01 J 3/42, от 21.03.95, опубликовано 10.07.97, бюллетень №19, «СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ МЕТОДОМ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ФУРЬЕ - СПЕКТРОСКОПИИ» (2)
Изобретение относится к способам измерения концентраций газов в газовых средах методом абсорбционной спектроскопии, в частности, к способам измерения газовых примесей в атмосфере и контроля загрязнения окружающей среды. Способ корреляционной Фурье-спектроскопии включает измерение интенсивностей определенного набора компонент Фурье-спектра принимаемого излучения, причем значения Фурье-переменных измеряемых Фурье-компонент коррелируют с положениями максимумов и минимумов в Фурье-спектре спектра поглощения измеряемого газа, а принимаемое излучение анализируют только в диапазоне волновых чисел, где измеряемый газ имеет линии поглощения.
Недостатком этого метода является относительно невысокая чувствительность, поскольку для заметного поглощения излучения необходимо, чтобы концентрация искомого вещества была достаточно большой (не менее 0.001%).
Известно также техническое решение по по патенту №2035717 от 01.06.92, опубл. 20.05.95 бюл. №14, МПК 6 G 01 N 21/61, «Корреляционный анализатор газов», который снабжен разделительным блоком, блоком выборки-сравнения и блоком управления, при этом выход блока приемника излучения соединен с входом разделительного блока, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первыми и вторыми входами блоков выборки-сравнения и обработки сигналов, выход блока выборки-сравнения через блок управления связан с управляющим входом разделительного блока, а его управляющий вход подключен к блоку синхронизации.
У такого анализатора низкая точность измерений, обусловленная взаимной нестабильностью интенсивности излучения, падающего на анализируемую среду, и интенсивности излучения опорного излучателя.
Наиболее близким по технической сути является устройство для спектрального анализа, [1] содержащее осветительный элемент, дифракционную решетку, фокусирующее устройство, приемник излучения
Но данное устройство не позволяет в реальном масштабе времени определить наличие искомого вещества, если оно присутствует в газе, но его концентрация настолько мала, что не вызывает заметного поглощения электромагнитного излучения на заданной длине волны, т.е. лежит ниже порога чувствительности прибора [1].
Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей, повышение точности измерений, и разрешающей способности спектрального газоанализатора.
Поставленная задача решается за счет того, спектральный газоанализатор содержит блок питания, осветительный элемент, входной фотозатвор, однопроходную оптическую кювету, приемник излучения, выходной фотозатвор, оптическую систему, фотоприемник, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, цифроаналоговый преобразователь, при этом к выходу блока питания подсоединены: осветительный элемент, входной фотозатвор, выходной фотозатвор, фотоприемник, усилитель, а к входу присоединен блок управления через цифроаналоговый преобразователь; осветительный элемент, входной фотозатвор, кювета соединены лучом проходящего сквозь них света; к кювете, последовательно присоединены приемник излучения, выходной фотозатвор, оптическая система, фотоприемник, усилитель аналого-цифровой преобразователь, блок управления.
Предложенная схема спектрального газоанализатора в котором используется однопроходная оптическая кювета и блок управления, в состав программного обеспечения которого входит данные о спектральной характеристике анализируемого вещества и программа распознавания образов, а также программа управления газоанализатором, позволяет создавать и анализировать спектр испускания, определенного вещества а не поглощения, как в существующих аналогах и прототипе. Такой прибор компактен и недорог, по сравнению с аналогичными.
Поскольку спектральные линии каждого вещества имеют определенную ширину, одновременно имитировать длину волны и ширину линии невозможно, однозначная идентификация вещества, производится с очень высокой степенью вероятности.
Возможность анализировать регистрируемые предлагаемым устройством спектры испускания позволяют обнаружить искомые вещества даже в случае ничтожно малых концентраций, поскольку современные приборы способны регистрировать буквально отдельные фотоны.
Использование в устройстве блока управления специального программного обеспечения позволяет производить анализ состава газовой смеси за несколько секунд и
анализ может осуществляться в реальном времени.
Газоанализатор описанного типа имеет не слишком большие габариты и массу, и может выполняться как в стационарном, так и в переносном варианте.
На чертеже изображена блок-схема спектрального газоанализатора, где блок питания 1, осветительный элемент 2, входной фотозатвор 3, однопроходная оптическая кювета 4, приемник излучения 5, выходной фотозатвор 6, оптическая система 7, фотоприемник 8, усилитель 9, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10, блок управления 11, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 12.
Спектральный газоанализатор выполнен следующим образом. К выходу блока питания 1 подсоединены: осветительный элемент 2, входной фотозатвор 3, выходной фотозатвор 6, фотоприемник 8, усилитель 9, а к входу присоединен блок управления 11 через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 12. Осветительный элемент 2, входной фотозатвор 3, кювета 4 соединены лучом проходящего сквозь них света.
К кювете 4, последовательно присоединены приемник излучения 5, выходной фотозатвор 6, оптическая система 7 для передачи анализируемого сигнала на фотоприемник 8, позволяющий регистрировать излучаемый оптический сигнал в заранее заданном спектральном диапазоне, усилитель 9 электрического сигнала, поступающего с фотоприемника 8, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10, блок управления 11, в состав программного обеспечения которого входит база данных о спектральных характеристиках анализируемого вещества, программа распознавания образов, а также программа управления газоанализатором.
Спектральный газоанализатор работает следующим образом.
Действие данного устройства основано на использовании в блоке управления принципа двойственности (Ю.Л.Ратис, 1984 г.) для численного преобразования Фурье (см. [4]-[6]). Согласно принципу двойственности при численном или аппаратном интегрировании функций, имеющих острые пики (например, спектральные линии или полосы в спектре излучения или поглощения), необходимо рассматривать задачу распознавания образа (сигнала) одновременно, как для самой функции, так и для ее Фурье-образа. Поскольку дельта-пик в координатном пространстве превращается в функцию-подложку в Фурье-сопряженном пространстве и наоборот, постольку одновременный численный или аппаратный анализ, как самой функции, так и ее Фурье-образа, позволяет минимизировать вероятность ошибки идентификации вещества за счет определения качественного состава газовой смеси по спектрам излучения, а также повышению его точности и чувствительности.
Вначале блок управления 11 через ЦАП 12 и блок питания 1 осуществляет
кратковременное включение мощной лампы осветительного элемента 2 и быстрого входного фотозатвора 3 осветительной системы. В результате импульсного освещения однопроходной оптической кюветы 4 часть атомов и молекул, входящих в состав анализируемой газовой смеси, переходит в возбужденное состояние.
При девозбуждении эти атомы и молекулы испускают электромагнитное излучение в инфракрасном, видимом и, в некоторых случаях, в ультрафиолетовом диапазоне, которое поступает в приемник излучения 5, где осуществляют разложение сформировавшегося в оптической кювете 4 светового импульса в спектр.
Одновременно с закрытием быстрого входного фотозатвора 3 блок управления 11 через ЦАП 12 при помощи блока питания 1 открывает выходной фотозатвор 6.
После этого через оптическую систему 7 световой импульс поступает в фотоприемник 8.
После оптико-электрического преобразования электрический сигнал поступает в усилитель 9, из которого сигнал через АЦП 10 поступает в блок управления 11 для цифровой обработки информации.
Блок управления 11 производит обработку входного сигнала с помощью алгоритма, использующего принцип двойственности, и выдает информацию о химическом составе исследуемой газовой смеси.
i
i
i
i
i
Спектральное окно строится с учетом того факта, что многие молекулярные соединения имеют достаточно долгоживущие уровни именно в оптическом и инфракрасном диапазоне. Для спектрального диапазона ω≤ω≤ω+Δω выходной сигнал регистрируется детектором, где ω - циклическая частота электромагнитного излучения, испускаемого атомами и молекулами вещества, находящегося в оптической кювете 4, ω - наименьшая циклическая частота для i-го канала (спектрального диапазона), Δω - ширина спектрального окна.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Д.В.Сивухин, Общий курс физики, т.4. Оптика, М.: «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1980, 752 с.
2. RU 2083959, МПК 6 G 01 J 3/42, от 21.03.95, опубл. 10.07.97, бюл. №19, «СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ МЕТОДОМ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ФУРЬЕ-СПЕКТРОСКОПИИ» (2)
3. RU №2035717 от 01.06.92, опубл. 20.05.95 бюл. №14, МПК 6 G 01 N 21/61, «Корреляционный анализатор газов»
4. Ю.Л.Ратис, М.Л.Каляев Коллективные явления в жаростойких покрытиях при тепловом ударе, Деп. ВИНИТИ, №6594-84, от 08.10.1984 г.,
5. Ю.Л.Ратис, В.В.Столяр, Обобщенная модель Калецкого для описания экономики больших городов. Рыночная экономика. Состояние, проблемы, перспективы. Отделение экономики РАН, МИР, Самара, 1998, 6 с.
6. Yu.L. Ratis, G.I. Leonovich, A.Yu. Melnikov, Light flux difrraction of fiber - optical and optical electronic transducers of mechanical displacement. Proceedings of SPIE, volume 3348, Computer and Holographic Optics and Image Processing, 1997, p.336-