RU2069348C1 - Инфракрасный абсорбционный газоанализатор - Google Patents
Инфракрасный абсорбционный газоанализатор Download PDFInfo
- Publication number
- RU2069348C1 RU2069348C1 RU94036045A RU94036045A RU2069348C1 RU 2069348 C1 RU2069348 C1 RU 2069348C1 RU 94036045 A RU94036045 A RU 94036045A RU 94036045 A RU94036045 A RU 94036045A RU 2069348 C1 RU2069348 C1 RU 2069348C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- filters
- spectral
- gas analyzer
- filter
- Prior art date
Links
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 title claims description 14
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 56
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 23
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000012491 analyte Substances 0.000 claims description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 10
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 11
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 2
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Использование: изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано в промышленности, научных исследованиях и при контроле загрязнения атмосферы. Сущность изобретения: устройство содержит источник излучения, средства спектральной селекции излучения, рабочую камеру для анализируемого вещества и тепловой приемник лучистой энергии, подключенный к электронной схеме измерений. Средства спектральной селекции излучения выполнены в виде по крайней мере двух светофильтров, установленных вдоль направления распространения излучения, причем добротности светофильтров в спектральных интервалах, соответствующих каждой полосе пропускания средств спектральной селекции излучения удовлетворяют соотношению: 0,1 < Q /Q < 10,, где Q - добротность n-го светофильтра в пределах i-й полосы пропускания; Q - добротность n+1 светофильтра по ходу излучения в пределах i-й полосы пропускания. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано в промышленности, научных исследованиях и при контроле загрязнения атмосферы.
Из предшествующего уровня техники известен инфракрасный абсорбционный газоанализатор [1] содержащий расположенные вдоль оптической оси источник модулированного излучения, светофильтр для выделения из излучения необходимого интервала (или интервалов) длин волн, например фильтровую кювету, заполненную газами, поглощающими балластное излучение, рабочую кювету для анализируемого вещества и приемник лучистой энергии, подключенный к электронной схеме измерений.
Недостаток этого устройства заключается в низкой точности измерений, обусловленной нестабильностью источника излучения и окружающей температуры.
Известен также инфракрасный абсорбционный газоанализатор [2] содержащий расположенные вдоль оптической оси источник модулированного излучения, двухполюсный интерференционный светофильтр, рабочую кювету для анализируемого вещества и приемник лучистой энергии, подключенный к электронной схеме измерений.
Недостатком этого устройства является невысокая точность измерений вследствие наличия на входе приемника лучистой энергии переменного фонового сигнала, обусловленного поглощением интерференционным светофильтром балластного излучения источника. Действительно, при использовании широкополюсного ИК-излучателя большая часть его энергии поглощается в материале светофильтра, который нецелесообразно выполнять массивным, поскольку увеличение толщины светофильтра неизбежно приведет к увеличению потерь энергии излучения в рабочих диапазонах длин волн. Таким образом, воздействие на светофильтр амплитудно-модулированного теплового излучения приведет к возникновению в нем температурных колебаний с периодом, равным периоду модуляции воздействующего излучения.
Здесь следует также отметить, что описанные выше колебания температуры светофильтра не могут быть устранены за счет использования стандартных средств стабилизации температуры, так как период температурных волн не превышает 0,1 сек. т.е. меньше инерционности средств стабилизации температуры.
В основу изобретения поставлена задача разработать инфракрасный абсорбционный газоанализатор с такими средствами спектральной селекции излучения, конструктивное выполнение которых обеспечило бы при использовании широкополюсных источников излучения постоянную величину фонового сигнала на входе приемника лучистой энергии, что повысило бы точность измерений.
Поставленная задача решена тем, что в инфракрасном абсорбционном газоанализаторе, содержащем источник излучения, средства спектральной селекции излучения, рабочую кювету для анализируемого вещества и тепловой приемник лучистой энергии, подключенный к электронной схеме измерений, согласно изобретению, средства спектральной селекции излучения выполнены в виде по крайней мере двух светофильтров, установленных последовательно вдоль направления распространения излучения, причем добротности светофильтров в спектральных интервалах, соответствующих каждой полосе пропускания средств спектральной селекции излучения, удовлетворяют соотношению:
где Q добротность n-го светофильтра в пределах i-й полосы пропускания;
Q добротность n+1 светофильтра по ходу излучения в пределах i-й полосы пропускания.
где Q
Q
Целесообразно, чтобы средства спектральной селекции излучения, приемник лучистой энергии и электронная схема измерений были выполнены многоканальными.
Выгодно, чтобы светофильтры были теплоизолированы друг от друга. Предпочтительно, чтобы источник был снабжен средствами модуляции излучения, а светофильтры соединены теплопроводом, длина которого не менее чем в два раза превышает отношение температуропроводности материала теплопровода к скорости распространения в нем температурных волн.
Такое выполнение ИК-абсорбционного газоанализатора обеспечивает неизменную величину фонового излучения на входе приемника лучистой энергии, так как, во-первых, лучистый теплообмен между светофильтрами незначителен вследствие малой разности температур, а во-вторых, согласно закону Кирхгофа в области прозрачности тела величина его теплового излучения минимальна.
Кроме того, выполнение светофильтров теплоизолированными друг от друга обеспечивает их тепловую развязку при использовании как источников модулированного излучения, так и немодулированного излучения.
В случае использования источника модулированного излучения эффективная тепловая развязка светофильтров каждого канала обеспечивается соответствующим выбором расстояния между светофильтрами.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных примеров его выполнения и чертежами.
На фиг. 1 изображена блок-схема ИК-абсорбционного газоанализатора; на фиг. 2 многоканальный вариант выполнения газоанализатора; на фиг. 3 оправа для крепления светофильтров.
Инфракрасный абсорбционный газоанализатор содержит источник 1 излучения, например модулированного, рабочую кювету 2 с патрубками 3 и 4 для подвода и отвода анализируемого вещества, средства спектральной селекции излучения, выполненные, например, в виде первого 6 и второго 7 светофильтров, установленных последовательно вдоль направления распространения излучения 8, тепловой приемник 9 лучистой энергии (ТПЛЭ) и измерительно-регистрирующий блок 10, подключенный к выходу приемника 9.
В случае многоканального выполнения ИК-абсорбционного газоанализатора средства 5 спектральной селекции излучения содержат m пар (где m число каналов) светофильтров 6', 7', 6'', 7'' и 6''', 7''', тепловой приемник 9 лучистой энергии m приемных площадок 11, а измерительно-регистрирующий блок 11 m каналов 12. Возможно использование одного общего светофильтра для всех каналов: либо первого по ходу излучения, либо второго.
Светофильтры 6 и 7 могут быть установлены в оправе 13 и закреплены в ней с помощью колец 14 (фиг. 3). Оправа 13 выполнена либо из материала с низкой теплопроводностью (в этом случае светофильтры 6 и 7 теплоизолированы друг от друга), либо из металла. В последнем случае длина теплопровода l между светофильтрами 6 и 7 должна удовлетворять соотношению:
где a температуропроводность материала оправы, м2/сек.
где a температуропроводность материала оправы, м2/сек.
V скорость распространения температурных колебаний в материале оправы, м/cек,
а источник 1 должен обеспечивать модуляцию излучения.
а источник 1 должен обеспечивать модуляцию излучения.
Скорость распространения температурных колебаний в материале определяется следующим образом. На одной поверхности тела простой формы, выполненного из исследуемого материала, создают гармоническое изменение температуры. Измеряют температуру в двух точках тела, расположенных на расстоянии Δr вдоль прямой, перпендикулярной нагреваемой поверхности. Спустя некоторое время после начала теплового процесса в теле установится регулярный тепловой режим; т. е. температура в контролируемых точках будет изменяться по гармоническому закону с постоянными амплитудами и фазами. Измеряют разность фаз ΔΦ температурных колебаний, а скорость распространения температурных колебаний определяют по формуле:
В ряде случаев для уменьшения габаритов оправу целесообразно выполнить не в виде цилиндра, а в виде сильфона, что обеспечивает при меньших габаритах требуемую длину теплопровода между светофильтрами.
В ряде случаев для уменьшения габаритов оправу целесообразно выполнить не в виде цилиндра, а в виде сильфона, что обеспечивает при меньших габаритах требуемую длину теплопровода между светофильтрами.
Светофильтры 6 и 7 могут иметь несколько полос пропускания, при этом добротности светофильтров в спектральных интервалах, соответствующих каждой полосе пропускания средств 5 спектральной селекции излучения, удовлетворяют соотношению:
где Q добротность светофильтра 6 в пределах i-й полосы пропускания;
Q добротность светофильтра 7 в пределах i-й полосы пропускания.
где Q
Q
Добротность светофильтра равна:
где λ длина волны, соответствующая максимальному пропусканию светофильтра в i-й полосе.
где λ
Δλi полуширина i-й полосы пропускания светофильтра на уровне пропускания, равном половине максимального значения.
Инфракрасный абсорбционный газоанализатор работает следующим образом.
Излучение 8 от источника 1 направляется в рабочую кювету 2, заполненную анализируемым веществом. Подача анализируемого вещества в рабочую кювету 2 осуществляется через патрубок 3, а отвод через патрубок 4. Наличие патрубков 3 и 4 позволяет прокачивать анализируемое вещество через кювету 2 в процессе измерений.
В рабочей камере 2 происходит частичное поглощение излучения анализируемым веществом. Затем ослабленный поток излучения 8 проходит через средства 5 спектральной селекции излучения. Балластное излучение частично поглощается в светофильтре 6, а частично отражается назад. Спектральный состав излучения, прошедшего светофильтр 6, соответствует спектральным интервалам полос пропускания светофильтра 6, при этом по крайней мере одна из полос пропускания соответствует спектральной области поглощения анализируемого вещества. Прошедшее светофильтр 6 излучение направляется на светофильтр 7, полосы пропускания которого полностью или частично перекрываются с соответствующими полосами пропускания светофильтра 6. Затем отфильтрованное излучение направляется на тепловой приемник 9 лучистого потока и преобразуется в электрический сигнал, который поступает на вход измерительно-регистрирующего блока 10. Конкретное конструктивное выполнение блока 10 не является существенным и может быть любым из числа известных, например таким же, как в патенте США N 5026992.
Поглощенное в светофильтре 6 балластное излучение вызовет нагрев его до некоторой температуры (в случае, если излучение 8 не модулировано по амплитуде) или приведет к возникновению колебаний температуры с периодом, равным периоду модуляции излучения 8.
Лучистый теплообмен между светофильтрами 6 и 7 не вызовет изменений температуры светофильтра 7, так как абсолютные значения температур светофильтров 6 и 7 и разность этих температур невелики. Кроме того, предложенное соотношение добротностей светофильтров 6 и 7 позволяет исключить влияние нагрева светофильтра 6 в областях прозрачности светофильтра 7, так как согласно закону Кирхгофа в областях прозрачности тела его тепловое излучение минимально.
Однако нагрев светофильтра 7 может произойти за счет тепловой связи светофильтров 6 и 7 по элементам конструкции, в которой они установлены. В этом случае возможно увеличение числа светофильтров до трех, четырех и т.д.
В случае, если оправа 13 выполнена из материала с низкой теплопроводностью, то светофильтры 6 и 7 будут полностью теплоизолированы друг от друга и нагрев светофильтра 6 как постоянным излучением, так и амплитудно-модулированным не будет влиять на результаты измерений.
В случае же использования амплитудно-модулированного излучения хорошая тепловая развязка светофильтров 6 и 7 может быть обеспечена, если расстояние между светофильтрами не менее чем в два раза превышает отношение температуропроводности материала оправы к скорости распространения в нем температурных волн.
Таким образом использование изобретения позволяет повысить точность измерений.
Claims (4)
1. Инфракрасный абсорбционный газоанализатор, содержащий источник излучения, средства спектральной селекции излучения, рабочую кювету для анализируемого вещества и тепловой приемник лучистой энергии, подключенный к электронной схеме измерений, отличающийся тем, что средства спектральной селекции излучения выполнены в виде по крайней мере двух светофильтров, установленных последовательно вдоль направления распространения излучения, причем добротности светофильтров в спектральных интервалах, соответствующих каждой полосе пропускания средств спектральной селекции излучения, удовлетворяют соотношению:
где Q добротность n-го светофильтра в пределах i ой полосы пропускания;
Q добротность n+1 светофильтра по ходу излучения в пределах i-ой полосы пропускания.
где Q
Q
2. Газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что средства спектральной селекции излучения, приемник лучистой энергии и электронная схема измерений выполнены многоканальными.
3. Газоанализатор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что светофильтры теплоизолированы друг от друга.
4. Газоанализатор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что источник излучения снабжен средствами модуляции излучения, а светофильтры соединены теплопроводом, длина которого не менее, чем в 2 раза превышает отношение температуропроводности материала теплопровода к скорости распространения в нем температурных волн.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU94036045A RU2069348C1 (ru) | 1994-09-27 | 1994-09-27 | Инфракрасный абсорбционный газоанализатор |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU94036045A RU2069348C1 (ru) | 1994-09-27 | 1994-09-27 | Инфракрасный абсорбционный газоанализатор |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU94036045A RU94036045A (ru) | 1996-10-20 |
RU2069348C1 true RU2069348C1 (ru) | 1996-11-20 |
Family
ID=20160891
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU94036045A RU2069348C1 (ru) | 1994-09-27 | 1994-09-27 | Инфракрасный абсорбционный газоанализатор |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2069348C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2523741C1 (ru) * | 2013-04-23 | 2014-07-20 | Андрей Владимирович Кулемин | Инфракрасный газоанализатор |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU191610U1 (ru) * | 2019-03-05 | 2019-08-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Инфракрасный газоанализатор |
-
1994
- 1994-09-27 RU RU94036045A patent/RU2069348C1/ru active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
1. Бреслер П.И. Оптические абсорбционные газоанализаторы и их применение. - Л.: Энергия, 1980, с. 10 - 11. 2. Патент США N 5026992, кл. G 01J 5/12, 1991. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2523741C1 (ru) * | 2013-04-23 | 2014-07-20 | Андрей Владимирович Кулемин | Инфракрасный газоанализатор |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU94036045A (ru) | 1996-10-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4818705A (en) | Method and apparatus for analyzing the composition of the exhaust gas of any internal combustion engine | |
US3811776A (en) | Gas analyzer | |
US20210255095A1 (en) | System for measuring gas temperature and component concentrations in combustion field based on optical comb | |
US3916195A (en) | Non-dispersive multiple gas analyzer | |
US3950101A (en) | Measuring the heating value of a fuel in the gaseous state: method and apparatus | |
GB1530923A (en) | Infrared gas analyzer having pressure and temperature compensation | |
Low et al. | The measurement of infrared emission spectra using multiple-scan interferometry | |
US3723731A (en) | Absorption spectroscopy | |
CN108279209A (zh) | 一种波长范围以及波长连续可调谐的多气体检测系统 | |
US3032654A (en) | Emission spectrometer | |
US4320297A (en) | Split detector | |
GB2049176A (en) | Infra-red gas analyser | |
RU2069348C1 (ru) | Инфракрасный абсорбционный газоанализатор | |
US2559688A (en) | Absorption spectrometry with use of radio-frequency modulated light source | |
JPS5453579A (en) | Infrared ray multicomponent gas analysis apparatus | |
JPS6459018A (en) | Method and measuring instrument for long time resolution total reflection spectrum analyzing | |
US3700332A (en) | Spectral analysis using a modulating mask transmitting selected spectral lines and reference bands | |
RU1340302C (ru) | Способ измерения лучистой энергии | |
RU51742U1 (ru) | Газоанализатор | |
US2986633A (en) | Infra-red analysing apparatus | |
GB1425188A (en) | Atomic absorption apparatus | |
CN1043377C (zh) | 光纤传感瞬态高温测量仪 | |
SU1012038A1 (ru) | Способ измерени цветовой температуры | |
SU1103086A1 (ru) | Спектропирометр дл измерени температуры газа | |
US20010021024A1 (en) | Method and apparatus for fourier transform spectrometry |