RU51742U1

RU51742U1 - Газоанализатор

Info

Publication number: RU51742U1
Application number: RU2005128472/22U
Authority: RU
Inventors: Айдар Асхатович Мухамадиев; Марат Абдуллович Ураксеев
Priority date: 2005-09-12
Filing date: 2005-09-12
Publication date: 2006-02-27

Abstract

Полезная модель относится к области технологического контроля состава и измерению количества примесей в газовых смесях. Может быть использована для анализа концентраций газов в промышленности, научных исследованиях и при контроле загрязнения атмосферы. Задачей, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении точности измерения концентрации газов. Поставленная задача решается за счет того, что в газоанализаторе, содержащим источник света и последовательно оптически соединенные светоделитель, акустооптический монохроматор, корректор спектра, фотоприемник, к выходу которого через усилитель подключен синхронный детектор, опорный вход которого соединен с генератором тактовых импульсов, блок обработки и индикации измеряемых параметров, подключенный к выходу синхронного детектора, а также блок управления на базе микроконтроллера AT90S8515, соединенный с управляющими входами генератора тактовых импульсов и блока обработки и индикации, усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, вход управления которого соединен с блоком управления, последовательно соединенные синтезатор частот, вход установки частоты которого соединен с блоком управления, и модулируемый усилитель мощности, управляющий вход которого соединен с выходом тактового генератора, а выход с управляющим входом акустооптического монохроматора, уголковый отражатель, оптически связанный через светоделитель с источником света и акустооптическим монохроматором. В отличие от прототипа источник света выполнен лазерным и оптически связан со светоделителем посредством волоконно-оптического кабеля и установленного оптического изолятора для эффективного уменьшения влияния обратных отражений.

Description

Полезная модель относится к области технологического контроля состава и измерению количества примесей в газовых смесях. Может быть использована для анализа концентрации газов в промышленности, научных исследованиях и при контроле загрязнения атмосферы.

Известен газоанализатор (US, патент, 5267019, кл. G 01 N 21/35, 1993), содержащий последовательно соединенные модулируемый лазерный источник света, монохроматор, кювету для газа, фотоприемник, усилитель с преобразованием частоты, синхронный детектор и блок управления, а также генератор тактовых импульсов, который подключен к модулируемому лазерному источнику и синхронному детектору.

Недостатком данного анализатора является его относительная узкополосность, что ограничивает количество определения исследуемых газов и относительно невысокая точность измерения концентрации газов.

За прототип принят газоанализатор (RU, патент, 2095788, кл. G 01 N 21/35, 1996), содержащий широкополосный источник света, акустооптический монохроматор, фотоприемник, к выходу которого через усилитель подключен синхронный детектор, причем к опорному входу синхронного детектора подключен генератор тактовых импульсов, блок обработки и индикации измеренных параметров, подключенный к выходу синхронного детектора, и блок управления, соединенный с управляющими входами генератора тактовых импульсов и блока обработки и индикации измеренных параметров, усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, между источником света и монохроматором установлен светоделитель, последовательно соединены синтезатор частот и модулируемый усилитель мощности, выход которого подключен к управляющему входу акустооптического монохроматора, уголковый отражатель, оптически связанный со светоделителем, управляющие входы

синтезатора частот и модулируемого усилителя мощности соединены соответственно с выходом блока управления и генератора тактовой частоты.

Недостатком данного устройства является возникновение изменения параметров пучка света, передаваемого от источника света к светоделителю. Действительно, в результате взаимодействия светового пучка со средой возникает взаимовлияние света и среды друг на друга, изменяющих свойства светового пучка, непосредственно влияющего на точность измерения концентрации газов.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении точности измерения концентрации газов.

Поставленная задача решается за счет того, что в газоанализаторе, содержащим источник света и последовательно оптически соединенные светоделитель, акустооптический монохроматор, корректор спектра, фотоприемник, к выходу которого через усилитель подключен синхронный детектор, опорный вход которого соединен с генератором тактовых импульсов, блок обработки и индикации измеряемых параметров, подключенный к выходу синхронного детектора, а также блок управления на базе микроконтроллера, соединенный с управляющими входами генератора тактовых импульсов и блока обработки и индикации, усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, вход управления которого соединен с блоком управления, последовательно соединенные синтезатор частот, вход установки частоты которого соединен с блоком управления, и модулируемый усилитель мощности, управляющий вход которого соединен с выходом тактового генератора, а выход с управляющим входом акустооптического монохроматора, уголковый отражатель, оптически связанный через светоделитель с источником света и акустооптическим монохроматором.

В отличие от прототипа источник света выполнен лазерным и оптически связан со светоделителем посредством волоконно-оптического

кабеля и установленного оптического изолятора для эффективного уменьшения влияния обратных отражений.

На фиг.1 изображена блок-схема заявляемого газоанализатора. Заявляемый газоанализатор содержит лазерный источник света 1, оптически связанный волоконно-оптическим кабелем 2, на котором установлен оптический изолятор 3, со светоделителем 4, оптически соединенной с кюветой 5 и уголковым отражателем 6, и последовательно оптически соединенный с корректором спектра 7, акустооптическим монохроматором 8, фотоприемником 9, который соединен с усилителем 10, соединенным с синхронным детектором 11, который соединен с блоком обработки и индикации 12 и тактовым генератором 13, который соединен с блоком управления на базе микроконтроллера AT90S8515 14, последовательно соединенным с синтезатором частот 15, непосредственно соединенным с усилителем мощности 16, тактовый генератор 13 соединен с усилителем мощности 16, выход которого соединен с управляющим входом акустооптического монохроматора 8, блок управления на базе микроконтроллера 14 соединен с усилителем 10.

Заявляемый газоанализатор работает следующим образом. Пучок света, излучаемый лазерным источником света 1, попадает в волоконно-оптический кабель 2 проходит сквозь оптический изолятор 3 и поступает на светоделитель 4, кювету с анализируемым газом 5 и падает на уголковый отражатель 6, затем возвращается через кювету с анализируемым газом 5 на светоделитель 4, откуда отражается на корректор спектра 7 и попадает на акустооптический монохроматор 8, на который также поступает радиоимпульс, образованный из частоты, получаемой от синтезатора частот 15, модулированной тактовым генератором 13 в модулируемом усилителе мощности 16. Акустооптический монохроматор 8 пропускает на фотоприемник 9 поток излучения в узкой спектральной полосе, соответствующей длине волны λ_k, определяемой частотой синтезатора.

Спектральное выделение и переключение рабочих полос осуществляется с

помощью акустооптического монохроматора 8 совместно с синтезатором частот 15 и модулируемым усилителем мощности 16 по сигналам от блока управления на базе микроконтроллера AT90S8515 14.

Электрический сигнал, полученный от фотоприемника 9, усиливается усилителем 10, коэффициент передачи которого устанавливается (подбирается) с блока управления 14 и детектируется синхронным детектором 11.

Трансформирующий объектив 17 применяется при трассовых бескюветных измерениях и позволяет расширить световой пучок и уменьшить его сходимость, что дает возможность проводить измерения на трассах определенного интервала длин. Возвращаемый уголковым отражателем 6 световой пучок вновь трансформируется по угловой и пространственной апертурам к исходным размерам.

Сигнал на выходе синхронного детектора 11 пропорционален потоку излучения Ф_k на заданном, ранее выбранном множестве точек спектра λ_k, (k=1.m). Этот сигнал поступает в блок обработки и индикации 12, который может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных аналогового интегратора, аналого-цифрового преобразователя и электронно-вычислительной машины. Сигнал S_k с выхода синхронного детектора 11 в блоке обработки и индикации 12 корректируется (уменьшается) на значение темнового фотосигнала S^T _k и нормируется на значение сигнала S°_k, полученного когда кювета была "пустая" или заполненная чистым воздухом, и скорректированного на величину S^T _k. Коэффициент пропускания Т_k газа (газовой смеси) в k-том спектральном канале и вычисляется по формуле:

T_k=(S_k-S^T _k)/(S°_k-S^T _k).

Для расчета концентраций используется ослабление сигнала d(λ_k) связанное

с коэффициентом пропускания соотношением d(λ_k)=-lnT_k.

Согласно физической модели, общее ослабление потока излучения, прошедшего через газ (газовую смесь), составит:

d_o(λ_k)=Σσ_p(λ_k)n_pL+C(λ_k),

где σ_р(λ_k) - сечение поглощения р-й смесью при длине волны λ_k;

n_р - концентрация р-й примеси;

L -длина оптического пути потока излучения внутри кюветы;

С(λ_k) - оптическое ослабление, вызванное прочими факторами (загрязнение оптических поверхностей и др.). Определение концентрации примесей n_р сводится к разложению измеренной спектральной функции d_o(λ_k)по спектрам поглощения σ_р(λ_k) и определению коэффициентов разложения n_р.

В результате выполнения измерений на всех выбранных спектральных каналах задача сводится к решению системы m линейных уравнений с R неизвестными (R<m):

<BR>C,

где элементы матрицы А определяются константами поглощения газов σ элементы вектора С измеренными данными. Вектор В содержит концентрации искомых газов n_p.

Таким образом, выполнение источника света 1 лазерным и оптически связанным со светоделителем волоконно-оптическим кабелем 2 и установленного оптического изолятора 3 позволяет повысить точность измерения концентрации газов.

Claims

Газоанализатор, содержащий источник света и последовательно оптически соединенные светоделитель, акустооптический монохроматор, корректор спектра, фотоприемник, к выходу которого через усилитель подключен синхронный детектор, опорный вход которого соединен с генератором тактовых импульсов, блок обработки и индикации измеряемых параметров, подключенный к выходу синхронного детектора, а также блок управления на базе микроконтроллера, соединенный с управляющими входами генератора тактовых импульсов и блока обработки и индикации, усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, вход управления которого соединен с блоком управления, последовательно соединенные синтезатор частот, вход установки частоты которого соединен с блоком управления, и модулируемый усилитель мощности, управляющий вход которого соединен с выходом тактового генератора, а выход с управляющим входом акустооптического монохроматора, уголковый отражатель, оптически связанный через светоделитель с источником света и акустооптическим монохроматором, отличающийся тем, что источник света выполнен лазерным и оптически связан со светоделителем посредством волоконно-оптического кабеля и установленного оптического изолятора для эффективного уменьшения влияния обратных отражений.