RU1407233C

RU1407233C - Method of correlation analysis of gases and device for its implementation

Info

Publication number: RU1407233C
Authority: RU
Inventors: В.Б. Дунаев
Original assignee: Дунаев Валерий Борисович
Priority date: 1986-06-06
Filing date: 1986-06-06
Publication date: 1995-06-27

Abstract

FIELD: analysis of gases. SUBSTANCE: method is intended for selective analysis of gas mixtures. Correlation analysis consists in successive passing of radiation passed through analyzed gas mixture through correlation and reference dishes and of radiation of additional source and in subsequent processing of signals. Use of additional radiation source of modulator of special shape made it neutral attenuator and to obtain sameness of absorption spectra per each modulation half-period. EFFECT: increased selectivity and precision of measurements. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано для контроля выбросов промышленных предприятий и автотранспорта в атмосферу, а также в ряде технологических процессов, связанных с выделением газообразных веществ. The invention relates to the field of analytical instrumentation and can be used to control emissions of industrial enterprises and vehicles in the atmosphere, as well as in a number of technological processes associated with the release of gaseous substances.

Цель изобретения повышение избирательности и точности измерений. The purpose of the invention to increase the selectivity and accuracy of measurements.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства, реализующего способ; на фиг.2 показано одно из возможных взаимных расположений отверстия и отражающей поверхности на диске модулятора; на фиг.3 графики, поясняющие работу устройства. Figure 1 presents a structural diagram of a device that implements the method; figure 2 shows one of the possible mutual arrangements of the hole and the reflecting surface on the modulator disk; figure 3 graphs explaining the operation of the device.

Устройство для коррекционного анализа газов содержит оптически связанные модулятор 1, блок 2 опорного излучателя, коррекционную 3 и опорную 4 кюветы, оптическую систему 5, предназначенную для сведения промодулированных потоков на приемник излучения 6, устройство 7 электронной обработки сигналов, включающее, например, усилитель 8, синхронный фильтр 9, детектирующий блок 10, вторичное устройство 11, предназначенное для контроля и дополнительной обработки получаемой информации в зависимости от решаемых задач, и датчик 12 положения модулятора. A device for the corrective analysis of gases contains optically coupled modulator 1, block 2 of the reference emitter, correction 3 and reference 4 cuvettes, an optical system 5 designed to reduce the modulated flows to the radiation receiver 6, a device 7 for electronic signal processing, including, for example, amplifier 8, a synchronous filter 9, a detecting unit 10, a secondary device 11, designed to control and further process the information received, depending on the tasks to be solved, and a modulator 12 position sensor.

Модулятор 1 содержит прорезь 13, отражающую поверхность 14 и неотражающую поверхность 15 (фиг.2). The modulator 1 contains a slot 13, a reflective surface 14 and a non-reflective surface 15 (figure 2).

Сущность способа состоит в следующем. The essence of the method is as follows.

Основное излучение (несущее информацию о концентрации анализируемого компонента) от естественного (пассивный режим работы) либо от искусственного (активный режим работы) источника пропускают через исследуемую среду. Затем потоки этого излучения поочередно пропускают через корреляционную кювету, заполненную газом, аналогичным измеряемому компоненту в исследуемой среде, и через опорную кювету, заполненную газом, не поглощающим излучение в рабочем диапазоне длин волн. Через опорную и корреляционную кюветы также поочередно пропускают потоки дополнительного излучения (от некоторого опорного источника), чередуя их с потоками основного излучения. Далее потоки основного и дополнительного излучений, прошедшие как через корреляционную, так и через опорную кюветы, направляют на приемник излучения, выходной сигнал которого обрабатывают, а затем измеряют электрический сигнал, пропорциональный разности средних арифметических интенсивностей излучения пар потоков: потока основного излучения, прошедшего через корреляционную кювету, и потока дополнительного излучения, прошедшего через опорную кювету, а также потока основного излучения, прошедшего через опорную кювету, и потока дополнительного излучения, прошедшего через корреляционную кювету. The main radiation (carrying information on the concentration of the analyzed component) from a natural (passive mode of operation) or from an artificial (active mode) source is passed through the medium under study. Then the fluxes of this radiation are alternately passed through a correlation cell filled with a gas similar to the measured component in the test medium, and through a reference cell filled with a gas that does not absorb radiation in the operating wavelength range. Streams of additional radiation (from some reference source) are also alternately passed through the reference and correlation cuvettes, alternating them with the flows of the main radiation. Next, the flows of the main and additional radiation passing through both the correlation and reference cuvettes are sent to a radiation receiver, the output signal of which is processed, and then an electrical signal is proportional to the difference between the arithmetic mean intensities of the radiation of the pairs of streams: the main radiation stream passed through the correlation cuvette, and the additional radiation flux passing through the reference cell, as well as the main radiation flux passing through the reference cell, and the additional flux tionary radiation transmitted through a correlation cell.

В отсутствие поглощения основного излучения в исследуемой среде средние арифметические значения интенсивностей потока основного излучения, прошедшего через корреляционную кювету, и потока дополнительного излучения, прошедшего через опорную кювету, а также потока основного излучения, прошедшего через опорную кювету, и потока дополнительного излучения, прошедшего через корреляционную кювету, уравнивают, т.е. их разностный сигнал будет равен нулю. Если в исследуемой среде появляется постоянный газ, линии поглощения которого попадают между линиями поглощения анализируемого компонента, то интенсивности потоков основного излучения будут уменьшаться на одинаковую величину, т. е. измеряемый разностный сигнал будет оставаться равным нулю. Появление же в исследуемой среде измеряемого компонента вызовет уменьшение интенсивности излучения основного потока, проходящего лишь через опорную кювету, при этом величина измеряемого разностного сигнала будет пропорциональна концентрации измеряемого компонента. In the absence of absorption of the main radiation in the medium under study, the arithmetic mean values of the intensities of the flux of the main radiation transmitted through the correlation cell, and the flux of the additional radiation transmitted through the reference cell, as well as the flux of the main radiation transmitted through the reference cell and the flux transmitted through the correlation cuvette, equalize, i.e. their difference signal will be zero. If a constant gas appears in the medium under study, the absorption lines of which fall between the absorption lines of the analyzed component, then the intensities of the main radiation fluxes will decrease by the same amount, i.e., the measured difference signal will remain equal to zero. The appearance in the medium under study of the measured component will cause a decrease in the radiation intensity of the main stream passing only through the reference cell, while the value of the measured difference signal will be proportional to the concentration of the measured component.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Излучение (В) от естественного источника (пассивный режим работы) или от искусственного (активный режим работы) проходит через исследуемый газ, находящийся либо в атмосфере, либо в специальной рабочей кювете, и с помощью прорези 12 (фиг. 2) модулятора 1 пропускается через корреляционную 3 и опорную 4 кюветы со сдвигом во времени. Излучение из блока 2 опорного излучателя с помощью его отражающей поверхности также пропускается со сдвигом во времени через корреляционную 3 и опорную 4 кюветы. При этом временная зависимость интенсивности потока излучения, направляемого оптической системой 5 на приемник излучения 6, будет иметь вид, показанный на фиг.3. В первую четверть периода (T/4) на фотоприемник 6 попадает излучение В, прошедшее через исследуемый газ и корреляционную кювету 3, интенсивность которого равна I_В.К.К. Во вторую четверть периода на приемник попадает излучение из блока 2 опорного излучателя, прошедшее через опорную кювету 4 (I_2о.к.), в третью четверть излучение В, прошедшее через исследуемый газ и опорную кювету (I_в.о.к), а в четвертую из блока 2 опорного излучателя, прошедшее через корреляционную кювету 3 (I_2к.к), после чего процесс повторяется, причем благодаря наличию неотражающих поверхностей 15 на диске модулятора исключается взаимное наложение модулируемых потоков, что повышает точность измерения.Radiation (B) from a natural source (passive mode of operation) or from an artificial (active mode of operation) passes through the test gas, which is either in the atmosphere or in a special working cell, and using slot 12 (Fig. 2) of modulator 1 is passed through correlation 3 and reference 4 cells with a time shift. The radiation from block 2 of the reference emitter with the help of its reflecting surface is also passed with a time shift through the correlation 3 and reference 4 cells. In this case, the time dependence of the intensity of the radiation flux directed by the optical system 5 to the radiation receiver 6 will have the form shown in FIG. 3. In the first quarter of the period (T / 4), radiation B enters the photodetector 6, which passed through the test gas and the correlation cell 3, whose intensity is equal to I _V.K.K. In the second quarter of the period, the radiation from the block 2 of the reference emitter passed through the reference cell 4 ( _I2.o.k. ) _{enters the receiver} , in the third quarter of the radiation B passed through the test gas and the reference cell ( _I.o.o. ), and into the fourth from block 2 of the reference emitter, passed through the correlation cell 3 (I _2k.k ), after which the process is repeated, and due to the presence of non-reflecting surfaces 15 on the modulator disk, mutual overlapping of modulated flows is eliminated, which increases the measurement accuracy.

Электрический сигнал приемника излучения 6, пропорциональный интенсивности падающего на него потока, усиливается усилителем 8 и подается на вход синхронного фильтра 9, на управляющий вход которого с датчика 12 подаются управляющие сигналы со скважностью, равной двум, и периодом, равным периоду модуляции (Т) потоков излучения, благодаря чему на его выходе появляется переменный сигнал со скважностью, равной двум, амплитуда которого пропорциональна разности интенсивностей излучения потоков, попадающих на приемник излучения 6 за каждый полупериод (T/2). После выпрямления в детектирующем блока 10 сигнал подается на вторичное устройство 11, в качестве которого могут быть использованы в зависимости от назначения газоанализатора различного рода индикаторные и регистрирующие устройства, системы накопления и обработки информации, а также устройства регулирования и управления технологическими процессами. The electrical signal of the radiation receiver 6, proportional to the intensity of the incident stream, is amplified by an amplifier 8 and fed to the input of a synchronous filter 9, to the control input of which from the sensor 12 control signals are supplied with a duty cycle equal to two and a period equal to the modulation period (T) of the flows radiation, due to which an alternating signal with a duty cycle equal to two appears on its output, the amplitude of which is proportional to the difference in the intensities of the radiation of the flows incident on the radiation receiver 6 for each half IRS (T / 2). After rectification in the detecting unit 10, the signal is supplied to the secondary device 11, which can be used, depending on the purpose of the gas analyzer, various indicator and recording devices, information storage and processing systems, as well as process control and regulation devices.

При отсутствии в исследуемом газе поглощающего вещества, аналогичного находящемуся в корреляционной кювете, путем изменения интенсивности выходного излучения блока 2 опорного излучателя устанавливается равенство интенсивностей потоков излучения, попадающих на фотоприемник за каждый период модуляции. In the absence of an absorbing substance in the test gas, similar to that found in the correlation cell, by changing the intensity of the output radiation of the reference emitter unit 2, the intensity of the radiation fluxes incident on the photodetector for each modulation period is equal.

Появление в исследуемом газе посторонних веществ, линии поглощения которых попадают между линиями поглощения газа, находящегося в корреляционной кювета, не вызывает изменения выходного сигнала, так как интенсивность излучения В, прошедшего через исследуемый газ, как на выходе корреляционной, так и на выходе опорной кюветы уменьшиться на одинаковую величину. Появление в исследуемом газе анализируемого компонента, аналогичного находящемуся в корреляционной кювете, вызывает уменьшение интенсивности излучения В, проходящего только через опорную кювету, следовательно, на выходе устройства появится сигнал, величина которого пропорциональна концентрации анализируемого вещества в исследуемой газовой смеси. The appearance of foreign substances in the test gas, the absorption lines of which fall between the absorption lines of the gas located in the correlation cuvette, does not cause a change in the output signal, since the radiation intensity B passing through the test gas, both at the output of the correlation and at the output of the reference cell by the same amount. The appearance in the test gas of an analyte component similar to that found in the correlation cuvette causes a decrease in the intensity of radiation B passing only through the reference cuvette; therefore, a signal will appear at the output of the device, the magnitude of which is proportional to the concentration of the analyte in the test gas mixture.

Способ обеспечивает более высокую избирательность, так как в отличие от прототипа, где компенсация излучения, селективно поглощенного в корреляционной кювете, осуществляется с помощью нейтрального ослабителя, имеющего сплошной спектр, в данном техническом решении спектры поглощения за каждый полупериод модуляции одинаковы. Кроме того, при реализации способа устраняется неоднозначность результатов измерений, так как зависимость измеряемого разностного сигнала от концентрации анализируемого компонента не имеет экстремума, который имеет место в аналогах и в прототипе, что ведет к повышению точности измерений. The method provides higher selectivity, because in contrast to the prototype, where the compensation of radiation selectively absorbed in the correlation cell is carried out using a neutral attenuator having a continuous spectrum, in this technical solution the absorption spectra for each modulation half-period are the same. In addition, when implementing the method, the ambiguity of the measurement results is eliminated, since the dependence of the measured differential signal on the concentration of the analyzed component does not have an extremum, which occurs in analogs and in the prototype, which leads to an increase in measurement accuracy.

Claims

1. The method of correlation analysis of gases, which consists in alternately transmitting the main radiation transmitted through the test medium through the correlation and reference cuvette, registering the transmitted radiation by the receiver, processing the output signals of the receiver and finding the concentration by the difference of the signals from the two radiation streams, characterized in that, in order to increase the selectivity and accuracy of measurements, additional radiation fluxes are also alternately passed through the reference and correlation cells, alternating them with the main flows radiation, and measure the signal proportional to the difference between the arithmetic mean values of the radiation intensities of the flows: the main radiation flux passing through the correlation cell and the additional radiation flux passing through the reference cell, as well as the main radiation flux passing through the reference cell and the additional radiation flux passing through a correlation cell.

2. A device for correlation analysis of gases containing optically coupled modulator, correlation and reference cuvette, an optical system, a radiation receiver connected to an electronic signal processing device, and a modulator position sensor connected to a control input of the electronic signal processing device, characterized in that , in order to increase the selectivity and accuracy of measurements, an additional block of a reference emitter is introduced into it, optically coupled through a modulator with cuvettes, and the modulator ying as a disc with a slot circumferentially disposed and the reflecting surface of the same length separated by non-reflective surfaces, a length of which is less than the inner diameter of the ditch, and the other no less than the diameters of three cuvettes, and the slit length of the reflecting surface.