ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР

13
12
Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к оптико-акустическим инфракрасным (ИК) газоанализаторам, и может быть использована для анализа состава газов, в том числе для селективного определения изотопического отношения С/С, например, в медицине для диагностики состояния человека на основе дыхательных тестов.
Известны ИК газоанализаторы, предназначенные для количественного анализа состава газовых смесей (см., например, патент RU №2091764, МПК G01N 21/61, от 1998.08.16.; патенты US №4013260, МПК G01N 21/31, G01N 33/00, G01J 1/00 от 1977.03.22; №4236827, МПК G01N 21/37, G01N 21/34, от 1980.12.02.; №4288693, МПК G01N 21/37, G01J 1/00, G01N 21/25, от 1981.08.09.; №5773828, МПК G01N 21/35; G01N 21/35, от 1995.03.04; европейский патент ЕР №0794423, МПК G01N 21/03, G01N 21/35, G01N 21/03, G01N 21/35, от 1996.03.06.; патент Японии JP №9033432, МПК G01N 21/35, G01N 21/61, G01N 21/35, G01N 21/61, от 1997.02.07.)
Известные устройства, отличаясь в той или иной степени по структурно-функциональной схеме и конструкциям отдельных элементов и узлов, в общем случае содержат оптически связанные источник ИК излучения, модулятор, оптические фильтры, газовую кювету, приемник излучения.
Наиболее близким к заявляемому устройству является оптико-акустический газоанализатор по патенту US №4236827, который содержит источник ИК излучения, последовательно установленные в пучке излучения модулятор, выполненный в виде механического обтюратора, полосовой обрезающий фильтр и оптико-акустический детектор излучения, представляющий собой камеру со средствами ввода/вывода пучка излучения и анализируемой газовой пробы и установленным в ней датчиком давления (микрофоном).
Известный газоанализатор работает следующим образом.
Поток ИК излучения источника периодически перекрывается установленным на его пути обтюратором, вследствие чего непрерывный поток излучения преобразуется в последовательность импульсов излучения, которые поступают на полосовой обрезающий фильтр, пропускающий излучение только той области сплошного спектра источника, в которой находятся линии поглощения анализируемого газа, уменьшая тем самым фоновую засветку детектора.
Анализируемая газовая проба непрерывно или порциями прокачивается через камеру детектора и, если в ее составе имеются компоненты, поглощающие излучение в области поглощения искомого газа, часть энергии излучения поглощается. Как следствие, газ в камере нагревается, что влечет за собой повышение давления, регистрируемое микрофоном, сигнал которого, после соответствующей обработки, подается на устройство индикации.
Основным недостатком известного газоанализатора, связанным с наличием в его конструкции механического обтюратора-модулятора, периодически прерывающего поток излучения, являются относительно высокий уровень акустического фона детектора, обусловленный частичным поглощением амплитудно-модулированного излучения источника конструкционными элементами детектора (стенками камеры, окнами и т.п.). Как следствие, указанный конструктивный недостаток снижает пороговую чувствительность детектора и увеличивает погрешность измерений.
Другим недостатком известного газоанализатора является его низкая избирательность, связанная с тем, что полоса пропускания обрезающего фильтра достаточно широка и, как правило, кроме линий поглощения искомого газа, в ней находятся линии поглощения многих других газов. Последние, присутствуя в анализируемой пробе в качестве примесей, будут точно так же, как и газ интереса, регистрироваться детектором, вуалируя полезный сигнал.
Целью настоящей полезной модели является устранение вышеуказанных недостатков оптико-акустического газоанализатора.
Техническими результатами предлагаемой разработки являются высокие пороговая чувствительность и селективность газоанализатора, высокая точность измерений.
Результаты полезной модели достигаются за счет того, что в оптико-акустическом газоанализаторе, содержащем последовательно установленные на общей оси источник ИК излучения, полосовой обрезающий фильтр и оптико-акустический детектор, между фильтром и детектором установлен интерферометр Фабри-Перо первого порядка, одно из зеркал которого закреплено на пьезокерамическом актуаторе, возбуждаемом модулированным напряжением.
Сущность предлагаемого технического решения иллюстрируется структурно функциональной схемой газоанализатора, приведенной на фиг.1.
Газоанализатор содержит источник ИК излучения 1 с параболическим отражателем 2, полосовой обрезающий фильтр 3, интерферометр 4 с актуатором 5 и генератором 6 модулирующего напряжения, оптико-акустический детектор 7 со средствами ввода 8/вывода 9 пробы и микрофоном 10.
Газоанализатор работает следующим образом.
ИК излучение источника 1 формируется отражателем 2 в квазипараллельный пучок, который через полосовой фильтр 3 и коллиматор (не показан) поступает в интерферометр Фабри-Перо 4. На пьезокерамический актуатор 5, жестко прикрепленный к одному из зеркал интерферометра, с генератора 6 подается управляющее напряжение, например - напряжение пилообразной формы с синусоидальной модуляцией его пилы. При подаче на актуатор указанного напряжения расстояние между зеркалами, от которого, как известно из курсов оптики (см. например, Оптика. Ландсберг Г.С. ФИЗМАТЛИТ, 2003) зависит спектральное пропускание интерферометра Фабри-Перо, изменяется. Изменение расстояния между зеркалами позволяет, таким образом, регулировать спектральное пропускание интерферометра, при этом изменение напряжения «пилы» обеспечивает плавную перестройку положения центра полосы пропускания интерферометра, а синусоидальная модуляция напряжения «пилы» - временную спектральную модуляцию потока излучения.
Поскольку полоса пропускания интерферометра Фабри-Перо очень узкая, то его использование в качестве спектрального фильтра обеспечивает возможность высокоточной, но достаточно простой настройки газоанализатора на анализ определенного газа, т.е. значительно повышение избирательности прибора.
Отфильтрованное в достаточно узкой спектральной полосе и одновременно спектрально модулированное излучение подается далее на оптико-акустический детектор 7, через камеру которого непрерывно или порциями прокачивается анализируемая проба. Если в ее составе имеются компоненты, поглощающие излучение в полосе поглощения, на которую настроен интерферометр (характерной для искомого газа), часть энергии излучения поглощается, газ в камере нагревается, что влечет за собой повышение давления, которое регистрируется микрофоном, сигнал которого, после соответствующей обработки, подается на устройство индикации.
Так как перестройка пропускания интерферометра в достаточно широкой спектральной области обеспечивается микронными перемещениями зеркала (так, при изменении расстояния между зеркалами всего на 0.1 мкм в интервале 2.3÷2.4 мкм положение центра полосы пропускания смещается в интервале 2.2÷4.5 мкм) то предлагаемый газоанализатор обеспечивает, с одной стороны, возможность плавной настройки анализатора на селективный анализ различных газов, с другой стороны, спектральная (в отличие от амплитудной в прототипе) временная модуляция потока излучения позволяет значительно снизить фон детектора, что, в свою очередь, обеспечивает повышение пороговой чувствительности газоанализатора и точности измерений.
Следует также отметить, что использование интерферометра Фабри-Перо, управляемого переменным модулирующим напряжением, допускает возможность синхронного детектирования сигнала с оптико-акустического датчика, что дополнительно обеспечивает повышение помехоустойчивости и избирательности прибора.