RU89233U1 - GAS ANALYZER - Google Patents

Abstract

Газоанализатор, содержащий оптически связанные источник излучения, рабочий и опорный каналы, фотоприемники, связанные с блоком управления, связанную с источником газа кювету, отличающийся тем, что рабочий и опорный каналы связаны с источником излучения через Y-образное оптическое волокно, снабжены как минимум четырьмя фотоприемниками и двумя дифракционными решетками, фильтром калибровки и переключателем газового потока, связанными с блоком измерения и управления.A gas analyzer containing optically coupled radiation source, working and reference channels, photodetectors associated with a control unit connected to a cuvette gas source, characterized in that the working and reference channels are connected to the radiation source through a Y-shaped optical fiber, equipped with at least four photodetectors and two diffraction gratings, a calibration filter and a gas flow switch associated with the measurement and control unit.

Description

Полезная модель относится к аналитической измерительной технике, а именно к измерению концентрации анализируемого газа с использованием спектроскопических методов и может быть использовано в научных исследованиях, медицине, промышленности и при контроле загрязнения атмосферы.The utility model relates to analytical measuring technique, namely to measuring the concentration of the analyzed gas using spectroscopic methods and can be used in scientific research, medicine, industry and in monitoring atmospheric pollution.

Известны абсорбционные газоанализаторы [Бреслер П.И. Оптические абсорбционные газоанализаторы и их применение. Л.:Known absorption gas analyzers [Bresler PI Optical absorption gas analyzers and their application. L .:

Энергия, 1980, с.10-11.], содержащие расположенные на оптической оси источник оптического излучения, модулятор, средства спектральной селекции излучения (например, интерференционные фильтры), кювету для анализируемого газа, приемник светового потока и блок обработки аналогового сигнала.Energy, 1980, pp. 10-11.], Containing an optical radiation source, a modulator, spectral radiation selection means (for example, interference filters), a gas sample cell, a light flux receiver, and an analog signal processing unit located on the optical axis.

Недостаток такого газоанализатора заключается в низкой точности измерения, вызванной изменением со временем излучательной способности источника оптического излучения и чувствительности фотоприемника.The disadvantage of such a gas analyzer is the low accuracy of the measurement, caused by a change over time of the emissivity of the optical radiation source and the sensitivity of the photodetector.

Известен также абсорбционный газоанализатор [Авт.св. СССР, №1822945, кл. G01N 21/61], частично решающий проблему низкой точности измерения путем стабилизации температуры излучателя.Also known absorption gas analyzer [Auth. USSR, No. 1822945, class G01N 21/61], partially solving the problem of low measurement accuracy by stabilizing the temperature of the emitter.

Однако здесь не устраняется снижение точности за счет изменения со временем параметров приемника, кроме того, устройство имеет большие габариты и сложно в изготовлении.However, this does not eliminate the decrease in accuracy due to changes in the receiver parameters over time, in addition, the device has large dimensions and is difficult to manufacture.

Также известен газоанализатор по патенту СССР, №1825419, кл. G01N 21/61, содержащий оптический связанные источник излучения, модулятор, подсоединенную к источнику газа газовую кювету, интерференционный фильтр и фотоприемник, выход которого для получения значения концентрации анализируемого газа подсоединен к блоку измерения и управления.A gas analyzer according to the USSR patent, No. 1825419, class. G01N 21/61, containing an optically coupled radiation source, a modulator, a gas cell connected to the gas source, an interference filter and a photodetector, the output of which is connected to the measurement and control unit to obtain the concentration of the analyzed gas.

Недостатком этого устройства является необходимость использовать два интерференционных фильтра и дополнительное зеркало с настройкой под определенным углом, что приводит к удорожанию прибора и усложнению процесса его настройки. Кроме того, оптические пути для опорного и рабочего пучка отличаются, поэтому изменение пространственного распределения УФ излучения излучателя может привести к повышению ошибки при измерениях.The disadvantage of this device is the need to use two interference filters and an additional mirror with adjustment at a certain angle, which leads to an increase in the cost of the device and the complexity of its adjustment process. In addition, the optical paths for the reference and working beams are different, therefore, a change in the spatial distribution of the UV radiation of the emitter can lead to an increase in measurement errors.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является детектор по международному патенту G01N 21/33 WO 99/05508. УФ детектор токсичных газов, а по сути - УФ спектрометр (Фиг.1). Он состоит из ксеноновой импульсной лампы 12 с прозрачным для УФ окном 14. Импульсная лампа сочленена с металлической трубкой 16, несколько дюймов длиной. Трубка сделана из отражающего УФ материала, например алюминия, внутренняя поверхность трубки отполирована. Трубка содержит множество отверстий 18 по длине и по радиусу. Внутри трубка может быть дополнительно покрыта отражающим материалом 16А, например никелем. Трубка выполняет одновременно 2 функции: «фокусирует» УФ излучение на фотоприемник и являются местом, где происходит абсорбция УФ излучения газом.The closest technical solution to the claimed is a detector according to international patent G01N 21/33 WO 99/05508. UV toxic gas detector, and in fact a UV spectrometer (Figure 1). It consists of a xenon flash lamp 12 with a UV-transparent window 14. The flash lamp is coupled to a metal tube 16, several inches long. The tube is made of UV reflective material, such as aluminum, the inner surface of the tube is polished. The tube contains many holes 18 in length and radius. Inside, the tube may be further coated with reflective material 16A, for example nickel. The tube performs 2 functions simultaneously: it “focuses” UV radiation on the photodetector and is the place where UV radiation is absorbed by gas.

После трубки коллимированный свет собирается линзой 20. Далее свет попадает на светоразделительную пластинку 22, в результате чего одна часть УФ излучения проходит через активный фильтр 26 (спектральный полосовой фильтр) с центральной частотой 198 нм (полоса 25 нм) и попадает на фотодиод 24. Другая часть УФ излучения проходит через активный фильтр 30 с центральной частотой 280 нм (полоса 20 нм) и попадает на фотодиод 28.After the tube, collimated light is collected by the lens 20. Next, the light enters the light separating plate 22, as a result of which one part of the UV radiation passes through the active filter 26 (spectral bandpass filter) with a central frequency of 198 nm (band 25 nm) and hits the photodiode 24. Another part of the UV radiation passes through the active filter 30 with a central frequency of 280 nm (band 20 nm) and enters the photodiode 28.

Недостатком этого устройства также является необходимость использовать два интерференционных фильтра и дополнительное зеркало с настройкой под определенным углом, что приводит к удорожанию прибора и усложнению процесса его настройки. При измерении концентрации различных газов потребуется смена одного или двух интерференционных фильтров, что удорожает обслуживание спектрометра. Кроме того, при измерении концентрации в многокомпонентных газовых смесях, где может быть поглощение на 280 нм, снижается точность измерения. Точность измерения также снижается за счет того, что в результате развития разряда в газоразрядной лампе, в том числе и при изменении параметров источника питания, происходит перераспределение интенсивности излучения на длинах волн 198 и 280 нм. Рассматриваемое устройство не содержит средств, позволяющих производить автокалибровку спектрометра.The disadvantage of this device is the need to use two interference filters and an additional mirror with adjustment at a certain angle, which leads to an increase in the cost of the device and the complexity of its adjustment process. When measuring the concentration of various gases, it will be necessary to change one or two interference filters, which makes the spectrometer more expensive to maintain. In addition, when measuring the concentration in multicomponent gas mixtures, where there may be absorption at 280 nm, the accuracy of the measurement is reduced. The measurement accuracy is also reduced due to the fact that as a result of the development of a discharge in a gas discharge lamp, including when the parameters of the power source are changed, the radiation intensity is redistributed at wavelengths of 198 and 280 nm. The device in question does not contain tools that allow the automatic calibration of the spectrometer.

Полезная модель направлена на снижение погрешности измерения, снижение стоимости эксплуатации и обеспечение автокалибровки.The utility model is aimed at reducing the measurement error, reducing the cost of operation and ensuring auto calibration.

Поставленная задача решается в газоанализаторе, содержащем оптически связанные источник излучения, подсоединенную к источнику газа кювету, четыре фотоприемника, и блок измерения и управления подсоединенный к выходу фотоприемников, отличающимся тем, что он снабжен Y-образным оптическим волокном и двумя дифракционными решетками, фильтром калибровки и переключателем газового потока соединенными с блоком измерения и управления и источником газа.The problem is solved in a gas analyzer containing an optically coupled radiation source connected to a cuvette gas source, four photodetectors, and a measurement and control unit connected to the output of photodetectors, characterized in that it is equipped with a Y-shaped optical fiber and two diffraction gratings, a calibration filter and a gas flow switch connected to a measurement and control unit and a gas source.

На фиг.2 представлена блок - схема газоанализатора.Figure 2 presents the block diagram of the gas analyzer.

Газоанализатор содержит оптически связанные источник излучения 1, Y-образное оптическое волокно 2, дифракционные решетки 3 и 4, фотоприемники 5, 6, 7 и 8, фильтр калибровки 9 и измерительную кювету 10, а также переключатель газового потока 13, источник тестовой газовой смеси 14, источник исследуемого газа 15 и блок измерения и управления 12.The gas analyzer contains optically coupled radiation source 1, a Y-shaped optical fiber 2, diffraction gratings 3 and 4, photodetectors 5, 6, 7 and 8, a calibration filter 9 and a measuring cell 10, as well as a gas flow switch 13, a source of test gas mixture 14 , a source of test gas 15 and a measurement and control unit 12.

Спектрометр работает следующим образом.The spectrometer works as follows.

Свет от импульсного источника излучения 1 (например, от лампы, излучающей в ультрафиолетовом диапазоне), проходит через одну ветвь Y-образного оптического волокна 2 и направляется на дифракционную решетку 3, откуда дифрагированный луч попадает на фотоприемники 5 и 6 (в качестве которых могут быть использованы, например, фотодиоды) для контроля интенсивности источника излучения на измерительной и опорной частотах. Через вторую ветвь Y-образного оптического волокна излучение направляется на фильтр калибровки 9 и далее в измерительную кювету 10, содержащую газ, концентрацию которого нужно измерить. Прошедшее сквозь кювету излучение попадает на дифракционную решетку 4 и, после дифракции, на фотоприемники 7 и 8, в качестве которых, например, также можно использовать фотодиоды. Электрические сигналы с выходов фотоприемников 5, 6, 7, 8 поступают на входы блока измерения и управления 12, где определяется концентрация газа. Блок измерения и управления 12 может быть выполнен, например, на базе микроконтроллера. При подаче через переключатель газового потока 13, в качестве которого может быть использован, например, электромагнитный газовый вентиль, в кювету 10 газа из источника 14, содержащего газ, не имеющего поглощения в спектральной области, на которую настроены дифракционные решетки 3, 4 и фотоприемники 5, 7 производится установка нулевого уровня, соответствующего отсутствию поглощения в исследуемом газе. Это значение является опорным и соответствует подаче на фотоприемник 7 максимальной мощности. Если при этом сигналы с фотодиодов 5 и 7 отличаются значительно, то это говорит о том, что в измерительном тракте присутствуют загрязнения, и требуется его чистка. Также существует дополнительный способ обнаружения загрязнений в измерительном тракте. Фотоприемники 6 и 8 настроены на спектральную область, в которой исследуемый газ не имеет поглощения. Если сигналы с фотоприемников 6 и 8 различаются значительно, то это также свидетельствует о том, что в измерительном тракте присутствуют загрязнения, либо в исследуемый газ попала компонента, поглощающая в спектральной области на которую настроены фотоприемники 6 и 8. В данном случае следует проанализировать сигналы с фотоприемников 5, 6, 7, 8 при тестовом газе в измерительной кювете.Light from a pulsed radiation source 1 (for example, from a lamp emitting in the ultraviolet range) passes through one branch of a Y-shaped optical fiber 2 and is sent to a diffraction grating 3, from where a diffracted beam hits photodetectors 5 and 6 (which can be used, for example, photodiodes) to control the intensity of the radiation source at the measuring and reference frequencies. Through the second branch of the Y-shaped optical fiber, the radiation is directed to a calibration filter 9 and then to a measuring cell 10 containing gas, the concentration of which needs to be measured. The radiation passing through the cuvette enters the diffraction grating 4 and, after diffraction, to the photodetectors 7 and 8, for which, for example, photodiodes can also be used. Electrical signals from the outputs of the photodetectors 5, 6, 7, 8 are fed to the inputs of the measurement and control unit 12, where the gas concentration is determined. The measurement and control unit 12 can be performed, for example, on the basis of a microcontroller. When a gas stream 13 is supplied through a switch, which can be used, for example, an electromagnetic gas valve, into a gas cuvette 10 from a gas source 14 that does not have absorption in the spectral region, onto which diffraction gratings 3, 4 and photodetectors 5 , 7, a zero level is set corresponding to the absence of absorption in the test gas. This value is a reference and corresponds to the supply to the photodetector 7 of maximum power. If the signals from photodiodes 5 and 7 differ significantly, this indicates that there are contaminants in the measuring path and it needs to be cleaned. There is also an additional way to detect contamination in the measuring path. Photodetectors 6 and 8 are tuned to the spectral region in which the test gas has no absorption. If the signals from photodetectors 6 and 8 differ significantly, this also indicates that there are contaminants in the measuring path, or that a component absorbing in the spectral region to which photodetectors 6 and 8 are tuned has entered the test gas. In this case, analyze signals with photodetectors 5, 6, 7, 8 with test gas in a measuring cell.

Для привязки к абсолютным значениям измеренного поглощения на пути излучения, направляемого в измерительную кювету, на время калибровки помещают фильтр калибровки с известным для данной длины волны поглощением. Получаемый при этом с фотоприемника 7 сигнал соответствует абсолютному значению поглощения, вносимому фильтром калибровки.To bind to the absolute values of the measured absorption, a calibration filter with an absorption known for a given wavelength is placed on the path of the radiation directed to the measuring cell. The signal obtained from the photodetector 7 corresponds to the absolute value of the absorption introduced by the calibration filter.

Далее блок измерения и управления 12 переводит переключатель газового потока 13 в положение, обеспечивающее подачу анализируемого газа из источника 15 к кювете 10, и выводит фильтр калибровки из области распространения света, направляемого в кювету с анализируемым газом. Анализируемый газ имеет поглощение на длине волны, равной длине волны, регистрируемой фотоприемниками 5 и 7 при заданном положении относительно дифракционной решетки. Доля мощности, достигающей фотоприемника 7, уменьшится и будет зависеть от концентрации анализируемого газа в кювете. В соответствии с полученными с фотоприемников 5 и 7 сигналами блок измерения и управления определяет концентрацию.Next, the measurement and control unit 12 sets the switch of the gas stream 13 to the position that provides the supply of the analyzed gas from the source 15 to the cell 10, and removes the calibration filter from the propagation region of the light sent to the cell with the analyzed gas. The analyzed gas has absorption at a wavelength equal to the wavelength recorded by the photodetectors 5 and 7 at a given position relative to the diffraction grating. The fraction of power reaching the photodetector 7 will decrease and will depend on the concentration of the analyzed gas in the cell. In accordance with the signals received from photodetectors 5 and 7, the measurement and control unit determines the concentration.

Техническая эффективность предлагаемого газоанализатора по сравнению с известными, заключается в уменьшении погрешности измерения, устранении зависимости результатов измерения от перераспределения спектра источника света, возможности измерения концентрации других газов без изменения компонентов системы.The technical efficiency of the proposed gas analyzer in comparison with the known ones consists in reducing the measurement error, eliminating the dependence of the measurement results on the redistribution of the spectrum of the light source, the ability to measure the concentration of other gases without changing the components of the system.

Claims (1)

Газоанализатор, содержащий оптически связанные источник излучения, рабочий и опорный каналы, фотоприемники, связанные с блоком управления, связанную с источником газа кювету, отличающийся тем, что рабочий и опорный каналы связаны с источником излучения через Y-образное оптическое волокно, снабжены как минимум четырьмя фотоприемниками и двумя дифракционными решетками, фильтром калибровки и переключателем газового потока, связанными с блоком измерения и управления.

A gas analyzer containing optically coupled radiation source, working and reference channels, photodetectors associated with a control unit connected to a cuvette gas source, characterized in that the working and reference channels are connected to the radiation source through a Y-shaped optical fiber, equipped with at least four photodetectors and two diffraction gratings, a calibration filter and a gas flow switch associated with the measurement and control unit.