RU1808125C

RU1808125C - Method of and device for analyzing gases

Info

Publication number: RU1808125C
Authority: RU
Inventors: Валерий Борисович Дунаев
Original assignee: Валерий Борисович Дунаев
Priority date: 1990-04-23
Filing date: 1990-04-23
Publication date: 1993-04-07

Abstract

Сущность изобретени : пучки излучени , прошедшего через анализируемую среду , модулируют и раздельно пропускают по коррел ционному каналу, в котором осуществл ют селективно широтно-спектральную модул цию пропускаемого излучени , и по сравнительному каналу. Отдельно на частоте неселективной модул ции пучков в каналах формируют разностный сигнал и нормируют его на сигнал, который выдел ют при пропускании излучени по коррел ционному каналу на частоте его селективной широтно-спектральной модул ции . Измер ют значение пронормиро- ванного разностного сигнала относительно сигнала (при нулевой концентрации измер емого компонента). В устройстве дл обеспечени селективн-ой широтно-спектральной модул ции используют газофильтровый модул тор, заполн емый газом, аналогичным измер емому компоненту. При этом дл получени сигнала нормировки примен етс формирователь управл ющих сигналов, св занный с селективным газофильтровым модул то-- ром. 2 с.п. ф-лы, 1 ил. ел сSUMMARY OF THE INVENTION: Beams of radiation transmitted through a medium to be analyzed are modulated and separately transmitted through a correlation channel, which selectively carries out the width-spectral modulation of transmitted radiation, and through a comparative channel. Separately, a difference signal is generated at the frequency of non-selective modulation of the beams in the channels and normalized to a signal that is extracted when radiation is transmitted through the correlation channel at the frequency of its selective latitudinal spectral modulation. The value of the normalized difference signal relative to the signal is measured (at zero concentration of the measured component). A gas filter modulator filled with a gas similar to the measured component is used in the apparatus for providing selective wide-spectrum spectral modulation. In this case, a control signal generator, connected to a selective gas filter modulator, is used to obtain a normalization signal. 2 s.p. f-ly, 1 ill. ate with

Description

Изобретение относитс к области аналитического приборостроени и может быть использовано дл дистанционных и локальных измерений концентраций газообразных веществ.The invention relates to the field of analytical instrumentation and can be used for remote and local measurements of concentrations of gaseous substances.

Цель изобретени - повышение точности измерений.The purpose of the invention is to improve the accuracy of measurements.

На чертеже представлена структурна схема одного из вариантов устройства, предназначенного дл осуществлени способа коррел ционного анализа газов.The drawing shows a structural diagram of one embodiment of a device for implementing the method of correlation analysis of gases.

Устройство содержит оптически св занные неселективный Модул тор 1, селективный газофильтровый модул тор 2.The device comprises optically coupled non-selective Modulator 1, a selective gas filter modulator 2.

сравнительную кювету 3, оптическую систему 4 и фотоприемник 5. а также блок 6 делител напр жений, блок 7 разностного сигнала, блок 8 сигнала нормировки, первый 9 и второй 10 формирователи управл ющих сигналов, при этом выход фотоприемника через блок 6 делител напр жений подключен к входу блока 7 разностного сигнала, управл ющий вход которого через первый формирователь 9 управл ю- щихсигналов св зан с неселективным модул тором 1, вход блока 7 разностного сигнала соединен с входом блока 8 сигнала нормировки, выход которого соединен сcomparative cuvette 3, optical system 4 and photodetector 5. as well as voltage divider unit 6, differential signal unit 7, normalization signal unit 8, first 9 and second 10 control signal conditioners, while the photodetector output is connected through voltage divider unit 6 to the input of the differential signal unit 7, the control input of which is connected through the first driver 9 of the control signals to the non-selective modulator 1, the input of the differential signal unit 7 is connected to the input of the normalization signal unit 8, the output of which is connected to

СОWith

оabout

0000

го елgo eat

СлЭSLE

нормирующим входом блока 6 делител напр жений , а управл ющий вход через второй формирователь 10 управл ющих сигналов св зан с селективным газофильтровым модул тором 2. .the voltage input of the voltage divider unit 6, and the control input through the second driver 10 of the control signals is connected to a selective gas filter modulator 2.

Сущность способа состоит в следующем . Пучки излучени (от естественного или искусственного источника), прошедшего сквозь анализируемую среду, наход щуюс в атмосфере или в специальной рабочей кювете , модулируют и раздельно пропускают по коррел ционному каналу, в котором осуществл ют дополнительную селективную (только дл измер емого компонента) ши- ротно-спектральную модул цию пропускаемого излучени , и по сравнительному каналу, в котором отсутствует селективное поглощение излучени в рабочем интервале длин волн. При этом неселективную модул цию излучени в коррел ционном и сравнительном каналах осуществл ют путем попеременного или с разной частотой прерывани пропускаемых по ним пучков, причем в первом пучке селективную широт- но-спектральную модул цию излучени в коррел ционном канале выполн ют с частотой , превышающей частоту его неселективной модул ции, а во втором случае - наоборот. .The essence of the method is as follows. The radiation beams (from a natural or artificial source) passing through the analyzed medium in the atmosphere or in a special working cell are modulated and separately passed through the correlation channel, in which an additional selective (only for the measured component) is carried out spectral modulation of the transmitted radiation, and through a comparative channel in which there is no selective absorption of radiation in the operating wavelength range. In this case, non-selective modulation of the radiation in the correlation and comparative channels is carried out by alternately or with different frequencies of interruption of the beams transmitted through them, and in the first beam, selective latitudinal-spectral modulation of the radiation in the correlation channel is performed with a frequency exceeding the frequency its non-selective modulation, and in the second case, vice versa. .

Отдельно на частоте (частотах) неселективной модул ции пучков излучени в коррел ционном и сравнительном каналах формируют разностный сигнал, т.е. сигнал, пропорциональный разности потоков прошедшего через них излучени , а на частоте селективной широтно-спектральной модул ции излучени в коррел ционном канале формируют сигнал нормировки и измер ют значение пронормированного разностного сигнала за вычетом значени этого сигнала, имеющего место при нулевой концентрации измер емого компонента анализируемой смеси.Separately, a difference signal is generated at the frequency (frequencies) of the non-selective modulation of the radiation beams in the correlation and comparative channels, i.e. a signal proportional to the difference in the fluxes of radiation transmitted through them, and a normalization signal is generated in the correlation channel at the frequency of the selective latitudinal spectral modulation of the radiation and the value of the normalized difference signal is measured minus the value of this signal that occurs at zero concentration of the measured component of the analyzed mixture .

При отсутствии поглощени излучени в анализируемой смеси (в рабочем интервале длин волн) и в коррел ционном канале потоки излучени , пропускаемого по этому и сравнительному каналам уравнивают, после чего в коррел ционном канале осуществл ют селективную широтно-спектральную модул цию пропускаемого по нему излучени и получаемый при этом пронормирован- ный разностный сигнал компенсируют до нулевого значени , соответствующего отсутствию измер емого компонента в анализируемой смеси.In the absence of radiation absorption in the analyzed mixture (in the working wavelength range) and in the correlation channel, the radiation flux transmitted through this and comparative channels is equalized, after which selective latitudinal-spectral modulation of the radiation transmitted through it is carried out and the resulting the normalized difference signal is compensated to a zero value corresponding to the absence of the measured component in the analyzed mixture.

При по влении в анализируемой смеси посторонних компонентов, линии поглощени которых не перекрываютс с лини ми поглощени измер емого компонента.When foreign components appear in the analyzed mixture, the absorption lines of which do not overlap with the absorption lines of the measured component.

уменьшение потоков излучени , пропускаемого по каналам будет одинаковым, что не вызовет изменени разностного сигнала, т.е. результирующий измер емый сигнал останетс неизменным. По вление в анализируемой смеси определ емого компонента скажетс лишь на уменьшении потока излучени , пропускаемого по сравнительному каналу, т.к. в коррел ционном канале вthe decrease in the radiation flux transmitted through the channels will be the same, which will not cause a change in the difference signal, i.e. the resulting measured signal will remain unchanged. The appearance of a definable component in the analyzed mixture will only affect the decrease in the radiation flux transmitted through the comparative channel, since in the correlation channel in

центрах линий поглощени излучение будет заведомо поглощено или заметно ослаблено . При этом сигнал нормировки, получаемый за счет селективной модул ции ширин спектральных интервалов вcenters of absorption lines, the radiation will be deliberately absorbed or noticeably attenuated. Moreover, the normalization signal obtained by selective modulation of the width of the spectral intervals in

районах центров линий поглощени определ емого компонента остаетс без изменени и будет, как и разностный сигнал, пропорционален потоку излучени источни- ка.. the regions of the centers of the absorption lines of the determined component remain unchanged and, like the difference signal, will be proportional to the radiation flux of the source.

Таким образом, измер емый пронорми- рованный разностный сигнал будет однозначно св зан с концентрацией определ емого компонента и не будет зависеть ни от интенсивности излучени , пропускаемого через анализируемую среду, ни от посторонних компонентов, линии поглощени которых в рабочем интервале длин волн не перекрываютс , хот их полосы поглоще- ни могут быть перекрыты,Thus, the measured normalized difference signal will be unambiguously related to the concentration of the detected component and will not depend either on the intensity of the radiation transmitted through the analyzed medium or on extraneous components whose absorption lines do not overlap in the operating wavelength range, although their absorption bands can be blocked,

Устройство дл реализации данного способа, структурна схема которого представлена на чертеже, работает следующим образом.A device for implementing this method, the structural diagram of which is shown in the drawing, operates as follows.

Излучение от естественного или искусстввнного источника проходит через анализируемую среду, наход щуюс непосредственно в атмосфере или в специальной рабочей кювете, модулируетс неселективным модул тором 1 и пропускаетс черезRadiation from a natural or artificial source passes through the analyzed medium located directly in the atmosphere or in a special working cell, is modulated by a non-selective modulator 1 and passed through

селективный газофильтровый модул тор 2, представл ющий собой модул ционную камеру , в которой оптическа толщина поглощающего сло газа, аналогичного измер емому компоненту, периодическиselective gas filter modulator 2, which is a modulation chamber in which the optical thickness of the absorbing gas layer, similar to the measured component, periodically

измен етс , и через сравнительную кювету 3, заполненную газом, непоглощающим, излучение в рабочем интервале длин волн. При этом неселективный модул тор может быть выполнен в виде вращающегос дискаchanges, and through a comparative cuvette 3 filled with non-absorbing gas, radiation in the operating wavelength range. In this case, the non-selective modulator can be made in the form of a rotating disk

с вырезами дл попеременного или с разными частотами прерывани пропускаемых через селективный газофильтровый модул тор и сравнительную кювету пучков излучени .with cutouts for alternating or with different interruption frequencies transmitted through a selective gas filter modulator and a comparative cell of radiation beams.

Оптической системой 4, в состав которой может входить оптический фильтр, пучки излучени , прошедшего по коррел ционному и сравнительному каналам направл ютс на приемную площадкуOptical system 4, which may include an optical filter, beams of radiation transmitted through the correlation and comparative channels are directed to the receiving area

фотоприемника 5. Выходной электрическийphotodetector 5. Output electrical

сигнал фотоприемника подаетс в блок электронной обработки сигналов, в состав которого вход т соединенные последовательно блок 7 разностного сигнала и блок 6 делител напр жений, а также блок 8 сигна- ла нормировки. При этом блок делител напр жений может включатьс как перед блоком разностного сигнала (показано на чертеже) и представл ть собой усилитель с автоматической регулировкой усилени , так и после него и представл ть собой измеритель отношени открытого типа.the photodetector signal is supplied to an electronic signal processing unit, which includes a differential signal unit 7 and a voltage divider unit 6 connected in series, as well as a normalization signal unit 8. In this case, the voltage divider block can be switched on both in front of the difference signal block (shown in the drawing) and can be an amplifier with automatic gain control, or after it and can be an open type ratio meter.

Согласно варианту устройства, представленному на чертеже, выходной сигнал фбтоприемника подаетс на вход блока 6 делител напр жений, в котором при необходимости усиливаетс и нормируетс на выходной сигнал блока 8 сигнала нормировки , после-чего синхронно с частотой (частотами ) неселективной модул ции пучков излучени , в коррел ционном м сравнительном каналах обрабатываетс в блоке 7 разностного сигнала с получением сигнала, пропорционального разности потоков этих излучений, и -измерением значени этого сигнала по отношению к его значению при нулевой концентрации измер емого компо.- нента в анализируемой среде.According to a variant of the device shown in the drawing, the output signal of the receiver is supplied to the input of the voltage divider block 6, in which, if necessary, it is amplified and normalized to the output signal of the normalization signal block 8, after which it is synchronous with the frequency (frequencies) of non-selective modulation of the radiation beams, in the correlation m comparative channels, the difference signal is processed in block 7 to obtain a signal proportional to the difference in the fluxes of these radiations, and by measuring the value of this signal with respect to its Achen at zero concentration being measured kompo.- nent the assay medium.

Дл синхронизации работы блока разностного сигнала используетс св занный с модул торам, например оптически, первый формирователь 9 управл ющих сигналов. В качестве блока разностного сигнала может быть использован фазочувствительный усилитель , а в качестве блока 8 сигнала норми- ровки - накопительное устройство, управл емое синхронно с селективной модул цией излучени в коррел ционном канале посредством второго формировател 10 управл ющих сигналов, св занного с се- лективным газофильтровым модул тором.In order to synchronize the operation of the difference signal block, the first control signal generator 9, connected to the modulators, for example optically, is used. As a block of the difference signal, a phase-sensitive amplifier can be used, and as block 8 of the normalization signal, a storage device that is controlled synchronously with the selective modulation of radiation in the correlation channel by means of the second driver 10 of the control signals associated with the selective gas filter modulator.

При отсутствии поглощени излучени в анализируемой смеси и отсутствии поглощающего газа в газофильтровом модул торе потоки излучени , пропускаемого через этот модул тор и сравнительную клювету, уравниваютс . Газофильтровый модул тор заполн етс газом, аналогичным измер емому компоненту, причем таким образом, чтобы даже при минимальной толщине его поглощающего сло цсуществл лось достаточно полное поглощение излучени в центрах линий. Работа же газофильтрового модул тора будет заключатьс в периодическом изменении ширин этих линий погло- щени , что обеспечит однозначную св зь амплитуды селективно промодулированно- го сигнала с интенсивностью излучени источника при устранении вли ни на него посторонних компонентов, линии поглощени которых не перекрываютс с лини ми поглощени газа в газофильтровом модул торе . При этом селективное ослабление излучени посторонними компонентами приведет к одинаковому снижению потоков излучени , проход щего как через газофильтровый модул тор, так и через сравнительную кювету, что не приведет к изменению разностного сигнала. Таким образом , пронормированный разностный сигнал останетс без изменени и при отсутствии измер емого компонента в анализируемой смеси может быть скомпенсирован до нул .In the absence of absorption of radiation in the analyzed mixture and the absence of absorbing gas in the gas filter modulator, the fluxes of radiation transmitted through this modulator and the comparative cell are equalized. The gas filter modulator is filled with gas, similar to the measured component, so that even with a minimum thickness of its absorbing layer, a sufficiently complete absorption of radiation is achieved at the center of the lines. The operation of the gas filter modulator will consist in periodically changing the width of these absorption lines, which will provide an unambiguous relationship between the amplitude of the selectively modulated signal and the radiation intensity of the source while eliminating the influence of extraneous components on it, whose absorption lines do not overlap with the absorption lines gas in the gas filter modulator. In this case, the selective attenuation of radiation by extraneous components will lead to an equal decrease in the radiation flux passing both through the gas filter modulator and through the comparative cell, which will not lead to a change in the difference signal. Thus, the normalized difference signal remains unchanged and, in the absence of a measured component in the analyzed mixture, can be compensated to zero.

По вление в анализируемой смеси измер емого компонента приведет к селективному ослаблению излучени в центрах его линий поглощени , а это скажетс лишь на уменьшении потока излучени , пропускаемого через сравнительную кювету, т.к. газрфильтровым модул тором излучение на этих длинах волн заведомо поглощено или заметно ослаблено. Таким образом, присутствие измер емого компонента в исследуемой смеси ведет к изменению значени разностного сигнала, причем пропорционально обусловленному им уменьшению потока излучени , пропускаемого через эту смесь, при этом измер емый пронормированный сигнал, дающий информацию о концентрации анализируемого компонента, не будет в достаточно широких пределах зависеть ни от изменений интенсивности излучени источника, ни от посторонних примесей.The appearance of the measured component in the analyzed mixture will lead to selective attenuation of radiation at the centers of its absorption lines, and this will only affect the decrease in the radiation flux transmitted through the comparative cell, since With a gas-filter modulator, radiation at these wavelengths is deliberately absorbed or noticeably attenuated. Thus, the presence of the measured component in the mixture under study leads to a change in the value of the difference signal, and in proportion to the decrease in the radiation flux passing through this mixture, which is due to it, while the measured normalized signal, which gives information on the concentration of the analyzed component, will not be within a sufficiently wide range depend neither on changes in the intensity of the radiation of the source, nor on impurities.

Claims

1. A method of analyzing gases, which consists in transmitting probing radiation beams through the analyzed medium, their subsequent non-selective modulation, separately transmitting probing radiation beams through correlation and comparative channels, isolating a signal proportional to the difference in radiation fluxes, and measuring the signal, the value of which determines the concentration of the analyzed component, characterized in that, in order to increase the accuracy of measurements, selective latitudinal-spectral spectra are carried out in the correlation channel In order to modulate the transmitted probe beam with a frequency different from the frequency of non-selective modulation, a normalization signal is extracted at the frequency of the latitudinal spectral modulation, which normalizes the signal proportional to the difference of the radiation fluxes.

2. A device for analyzing gases, comprising a non-selective modulator, a comparative cell, an optical system, a photodetector and a signal processing unit, the output of the photodetector connected to the input of the processing unit, characterized in that a selective gas filter modulator, the first and second control signal shapers, and the signal processing unit is made in the form of a difference signal block, a division block, and a normalization block, while the information input of the difference signal block is connected to the information input of the block and normalization, the output of which is connected to the input of a normalizing block dividing, and a control input of the difference signal generator unit via the first control signal is connected to the input of the non-selective modulator control input of normalization block through the second generator control signals associated with

selective gas filter modulator.