RU2095788C1

RU2095788C1 - Gas analyzer

Info

Publication number: RU2095788C1
Application number: RU96100425A
Authority: RU
Inventors: Михаил Михайлович Мазур; Владимир Николаевич Шорин; Витольд Эдуардович Пожар; Зайнутдин Абдулкадырович Магомедов
Original assignee: Михаил Михайлович Мазур; Владимир Николаевич Шорин; Витольд Эдуардович Пожар; Зайнутдин Абдулкадырович Магомедов
Priority date: 1996-01-09
Filing date: 1996-01-09
Publication date: 1997-11-10

Abstract

FIELD: examination and analysis of substances. SUBSTANCE: analyzer has light source 1, monochromator 4, photoreceiver 5, amplifier 6, synchronous detector 7 the reference input of which is connected to clock-pulse generator 9, and processing and indicating unit 8. Device has also frequency synthesizer 11 the frequency-setting input of which is connected to control unit 10, and modulated power amplifier 12. Control input of power amplifier is connected to output of clock-pulse generator 9, and its output is connected to control input of monochromator 4 which is made acoustic. Light beam splitter 2 and corner reflector 3 connected optically to light source 1 and to acoustic monochromator 4 through light beam splitter 2 are inserted between wide-band light source 1 and acoustic monochromator. In this case, amplifier 6 are control input of which is connected to control unit 10 has controlled transmission factor. Spectrum corrector may be installed at input of acoustic optical monochromator, and transforming objective may be positioned between light beam splitter and corner reflector. EFFECT: higher measurement result. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технологическому контролю состава и измерению количества примесей в газовых смесях. The invention relates to technological control of the composition and measuring the amount of impurities in gas mixtures.

Известны различные виды газоанализаторов, в частности, газоанализаторы спектрофотометрические на решетках и на сменных светофильтрах, а также на базе Фурье-спектрометров. Газоанализаторы на сменных светофильтрах отличаются простотой и дешевизной, однако для каждого анализируемого газа необходим свой набор светофильтров, т.е. ограничены возможности по исследованию множественности газов, т.к. необходимо иметь большое число светофильтров, а это в свою очередь уменьшает оперативность исследования газов и ограничивает возможности в случае регистрации смесей. Решетчатые и призменные газоанализаторы позволяют анализировать различные газовые смеси, но при этом непрерывное механическое сканирование решетки или призмы по спектру приводит к тому, что при анализе вынужденно измеряется весь участок спектра, который зачастую содержит большой массив малоинформативных точек. Кроме того, время измерения у таких сканирующих спектрометров недопустимо велико для использования их в качестве газоанализаторов, измеряющих на открытых трассах, где турбулентность атмосферы и быстро меняющиеся условия освещения приводят к существенным искажениям снимаемых таким образом спектров. В этих случаях приходится ограничивать регистрируемый участок спектра узким диапазоном, что сужает возможности одновременной регистрации нескольких газов. Это же относится и к газоанализаторам на основе Фурье-спектрометров. Various types of gas analyzers are known, in particular spectrophotometric gas analyzers on gratings and on replaceable light filters, as well as on the basis of Fourier spectrometers. Gas analyzers on interchangeable filters are simple and cheap, but each gas analyzed requires its own set of filters, i.e. limited ability to study the multiplicity of gases, because it is necessary to have a large number of filters, and this in turn reduces the efficiency of gas research and limits the possibilities in the case of registration of mixtures. Lattice and prism gas analyzers make it possible to analyze various gas mixtures, but continuous mechanical scanning of the lattice or prism by spectrum leads to the fact that the analysis compulsory measures the entire part of the spectrum, which often contains a large array of uninformative points. In addition, the measurement time for such scanning spectrometers is unacceptably long for use as gas analyzers measuring on open paths, where atmospheric turbulence and rapidly changing lighting conditions lead to significant distortions of the spectra recorded in this way. In these cases, it is necessary to limit the recorded portion of the spectrum to a narrow range, which narrows the possibilities of simultaneously registering several gases. The same applies to gas analyzers based on Fourier spectrometers.

Известны также газоанализаторы, использующие модуляционный метод измерения, которые обеспечивают повышенную чувствительность [1, 2, 3, 4]
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа из указанных газоанализаторов, использующих модуляционный метод измерения, является газоанализатор, описанный в [4] Этот газоанализатор содержит 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 исследуемых газов.Also known are gas analyzers using a modulation measurement method that provide increased sensitivity [1, 2, 3, 4]
The closest analogue selected as a prototype from these gas analyzers using a modulation measurement method is the gas analyzer described in [4]. This gas analyzer contains a modulated laser light source, a monochromator, a gas cell, a photodetector, a frequency conversion amplifier, and a synchronous detector and a control unit, as well as a clock generator, which is connected to a modulated laser source and a synchronous detector. The disadvantage of this analyzer is its relative narrow-band, which limits the amount of gases studied.

Технический результат данного изобретения заключается в расширении возможностей по анализу газовых смесей, что, в частности, позволяет анализировать большое количество примесей одним прибором, в частности, одновременно. The technical result of this invention is to expand the capabilities of the analysis of gas mixtures, which, in particular, allows you to analyze a large number of impurities with one device, in particular, simultaneously.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в газовом анализаторе, содержащем источник света, 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, источник света выполнен широкополосным, монохроматор выполнен акустооптическим, усилитель выполнен с регулируемым коэффициентом передачи, при этом между источником света и монохроматором установлен светоделитель, введены последовательно соединенные 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. This technical result is achieved due to the fact that in a gas analyzer containing a light source, a monochromator, a photodetector, to the output of which a synchronous detector is connected through an amplifier, and a clock generator, a processing unit and an indication of the measured parameters connected to the reference input of the synchronous detector are connected to the output of the synchronous detector, and a control unit connected to the control inputs of the clock generator and the processing unit and display of the measured parameters, the light source made broadband, the monochromator made acousto-optic, the amplifier is made with an adjustable transmission coefficient, while a beam splitter is installed between the light source and the monochromator, a frequency synthesizer and a modulated power amplifier are connected in series, the output of which is connected to the control input of the acousto-optic monochromator, an angle reflector optically coupled to the beam splitter , the control inputs of the frequency synthesizer and the modulated power amplifier are connected respectively to the output ohm control unit and clock.

На чертеже представлена блок-схема газоанализатора, где показаны: 1 - источник широкополосного света, в качестве которого может быть использована, например, ксеноновая лампа типа ДКСШ с оптическими элементами, формирующими параллельный пучок света; 2 светоделитель, в качестве которого может использоваться, например, полупрозрачное зеркало; 3 уголковый отражатель; 4 акустооптический монохроматор; 5 фотоприемник; 6 усилитель с регулируемым коэффициентом передачи; 7 синхронный детектор; 8 блок обработки и индикации; 9 генератор тактовых импульсов; 10 блок управления на основе микропроцессора либо персонального компьютера; 11 синтезатор частот; 12 модулируемый усилитель мощности; 13 кювета с анализируемым газом, показанная пунктиром, поскольку при определенных условиях она может отсутствовать; 14 корректор спектра, в качестве которого может использоваться, например, светофильтр; 15 трансформирующий объектив. The drawing shows a block diagram of a gas analyzer, where: 1 - a source of broadband light, which can be used, for example, a xenon lamp of the DKSh type with optical elements forming a parallel light beam; 2 a beam splitter, for example, a translucent mirror; 3 corner reflector; 4 acousto-optic monochromator; 5 photodetector; 6 amplifier with adjustable gain; 7 synchronous detector; 8 processing and display unit; 9 clock generator; 10 control unit based on a microprocessor or a personal computer; 11 frequency synthesizer; 12 modulated power amplifier; 13 sample gas cuvette, indicated by a dashed line, since under certain conditions it may be absent; 14 spectrum corrector, which can be used, for example, a filter; 15 transform lens.

Работает газоанализатор следующим образом. Пучок света, излучаемый источником света 1, проходит через светоделитель 2, кювету с анализируемым газом 13 и падает на уголковый отражатель 3, затем возвращается через кювету с анализируемым газом 13 на светоделитель 2, откуда отражается на корректор спектра 14 и попадает на акустооптический монохроматор 4, на который также поступает радиоимпульс, образованный из частоты, получаемой от синтезатора частот 11, модулированной тактовым генератором 9 в модулируемом усилителе мощности 12. Акустооптический монохроматор 4 пропускает на фотоприемник 5 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 4 совместно с синтезатором частот 11 и модулируемым усилителем мощности 12 по сигналам от блока управления 10.The gas analyzer operates as follows. The light beam emitted by the light source 1 passes through a beam splitter 2, the sample gas cuvette 13 and falls onto the corner reflector 3, then returns through the sample gas cuvette 13 to the beam splitter 2, from where it is reflected to the spectrum corrector 14 and gets to the acousto-optic monochromator 4, which also receives a radio pulse formed from the frequency received from the frequency synthesizer 11, modulated by the clock generator 9 in a modulated power amplifier 12. The acousto-optic monochromator 4 passes to the photodetector 5 otok radiation in a narrow spectral band corresponding to a wavelength λ _k, defined by the frequency synthesizer. Spectral selection and switching of the working bands is carried out using an acousto-optic monochromator 4 together with a frequency synthesizer 11 and a modulated power amplifier 12 by signals from the control unit 10.

Электрический сигнал, полученный от фотоприемника 5, усиливается усилителем 6, коэффициент передачи которого устанавливается (подбирается) с блока управления 10 и детектируется синхронным детектором 7. The electrical signal received from the photodetector 5 is amplified by an amplifier 6, the transmission coefficient of which is set (selected) from the control unit 10 and is detected by a synchronous detector 7.

Таким образом, введение светоделителя 2 и уголкового тактового отражателя 3, а также выполнение монохроматора 4 акустооптическим с синтезатором частот 11 и модулируемым усилителем мощности 12 позволяет получить произвольный набор спектральных интервалов и измерять только наиболее информативные интервалы. Интервалы могут изменяться в зависимости от набора анализируемых газов, поскольку используется широкополосный источник света 1. Thus, the introduction of a beam splitter 2 and an angular clock reflector 3, as well as the implementation of an acousto-optic monochromator 4 with a frequency synthesizer 11 and a modulated power amplifier 12, allows one to obtain an arbitrary set of spectral intervals and measure only the most informative intervals. Intervals may vary depending on the set of analyzed gases, since a broadband light source 1 is used.

Корректор спектра 14 позволяет скомпенсировать значительную неравномерность по спектру фотосигнала, обычно имеющую место в оптических газоанализаторах, и тем самым увеличивает динамический диапазон газоанализатора. Выполнение усилителя 6 с переменным коэффициентом усиления также значительно расширяет динамический диапазон. Трансформирующий объектив 15 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 3 световой пучок вновь трансформируется по угловой и пространственной апертурам к исходным размерам. The spectrum corrector 14 allows you to compensate for the significant non-uniformity in the spectrum of the photo signal, usually found in optical gas analyzers, and thereby increases the dynamic range of the gas analyzer. The implementation of the amplifier 6 with a variable gain also significantly expands the dynamic range. The transforming lens 15 is used for traceless cuvette measurements and allows you to expand the light beam and reduce its convergence, which makes it possible to carry out measurements on the tracks of a certain length interval. The light beam returned by the corner reflector 3 is again transformed along the angular and spatial apertures to their original sizes.

Сигнал на выходе синхронного детектора 7 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 8, 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 7 в блоке обработки и индикации 8 корректируется (уменьшается) на значение темнового фотосигнала S $\binom{т}{k}$ и нормируется на значение сигнала S $\binom{o}{k}$ , полученного когда кювета была "пустая" или заполненная чистым воздухом, и скорректированного на величину S $\binom{т}{k}$ . Коэффициент пропускания T_k газа (газовой смеси) в k-том спектральном канале и вычисляется по формуле:
T_k = (S_k-S $\binom{т}{k}$ )/(S $\binom{o}{k}$ -S $\binom{т}{k}$ )
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_р(λ_k)n_рL+C(λ_k),
где
σ_p(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;
C(λ_k) оптическое ослабление, вызванное прочими факторами (загрязнение оптических поверхностей и др.).The signal at the output of the synchronous detector 7 is proportional to the radiation flux Ф _k at a given, previously selected set of spectrum points λ _k (k = 1.m). This signal enters the processing and display unit 8, which can be performed, for example, in the form of a series-connected analog integrator, analog-to-digital converter and an electronic computer. The signal S _k from the output of the synchronous detector 7 in the processing and display unit 8 is corrected (decreased) by the value of the dark photo signal S $\binom{t}{k}$ and normalized to the value of the signal S $\binom{o}{k}$ obtained when the cell was “empty” or filled with clean air, and adjusted by S $\binom{t}{k}$ . The transmittance T _{k of the} gas (gas mixture) in the k-th spectral channel and is calculated by the formula:
T _k = (S _k -S $\binom{t}{k}$ ) / (S $\binom{o}{k}$ -S $\binom{t}{k}$ )
To calculate the concentrations, the signal attenuation d (λ _k ) associated with the transmittance is used as
d (λ _k ) = - lnT _k
According to the physical model, the total attenuation of the radiation flux passing through the gas (gas mixture) will be:
d _o (λ _k ) = Σσ _p (λ _k ) n _p L + C (λ _k ),
Where
σ _p (λ _k ) absorption cross section of the rth mixture at a wavelength of λ _k ;
n _{p is the} concentration of the pth impurity;
L is the length of the optical path of the radiation flux inside the cell;
C (λ _k ) optical attenuation caused by other factors (contamination of optical surfaces, etc.).

Определение концентрации примесей n_р сводится к разложению измеренной спектральной функции d_o(λ_k) по спектрам поглощения σ_p(λ_k) и определению коэффициентов разложения n_p.The determination of the impurity concentration n _p is reduced to the decomposition of the measured spectral function d _o (λ _k ) from the absorption spectra σ _p (λ _k ) and the determination of the decomposition coefficients n _p .

В результате выполнения измерений на всех выбранных спектральных каналах задача сводится к решению системы m линейных уравнений с R неизвестными (R<m):
A x B C,
где элементы матрицы А определяются константами поглощения газов σ элементы вектора С измеренными данными. Вектор B содержит концентрации искомых газов n_р.As a result of measurements on all selected spectral channels, the problem reduces to solving a system of m linear equations with R unknowns (R <m):
A x BC
where the elements of matrix A are determined by gas absorption constants σ elements of the vector C with measured data. Vector B contains the concentration of the desired gases n _p .

Таким образом, использование широкополосного источника света, светоделителя 2, уголкового отражателя 3 синтезатора частот 11, модулируемого усилителя мощности 12 и выполнение монохроматора 4 акустооптическим, а усилителя 6 с регулируемым коэффициентом передачи позволяет расширить перечень измеряемых газов, а также измерять состав любых газовых смесей по этому перечню. Кроме того, расширяются возможности газоанализатора в части объектов, которые могут быть подвергнуты анализу: анализировать можно газовый состав как в отдельных местах путем отбора проб в кювету, так и на больших пространствах путем просвечивания их световым лучом при помещении уголкового отражателя 3 в нужную точку пространства. Thus, the use of a broadband light source, a beam splitter 2, a corner reflector 3 of the frequency synthesizer 11, a modulated power amplifier 12 and the implementation of a monochromator 4 acousto-optical, and an amplifier 6 with an adjustable transmission coefficient allows you to expand the list of measured gases, as well as measure the composition of any gas mixtures on this to the list. In addition, the capabilities of the gas analyzer in terms of objects that can be analyzed are expanded: it is possible to analyze the gas composition both in separate places by sampling in a cuvette and in large spaces by exposing them to a light beam when placing the corner reflector 3 at the desired point in space.

Claims

1. A gas analyzer containing a light source and connected in series with a monochromator, a photodetector, an amplifier, a synchronous detector, the reference input of which is connected to a clock generator, and a processing and indication unit, as well as a control unit connected to the control inputs of the clock generator and the processing and indication unit, characterized in that a frequency synthesizer is connected in series, the frequency setting input of which is connected to the control unit, and a modulated power amplifier, the control input of which is connected n with the output of the clock generator, and the output with the control input of the monochromator, which is made acousto-optical, between the light source, which is made broadband, and the acousto-optic monochromator, a beam splitter is introduced, as well as an angle reflector optically coupled through the beam splitter with the light source and the acousto-optic monochromator, the amplifier, the control input of which is connected to the control unit, is made with an adjustable transmission coefficient.

2. The gas analyzer according to claim 1, characterized in that a spectrum corrector is installed at the input of the acousto-optic monochromator.

3. The gas analyzer according to claim 1 or 2, characterized in that a transforming lens is installed on the path between the beam splitter and the corner reflector.