RU2207546C2

RU2207546C2 - Photothermoacoustic gas analyzer

Info

Publication number: RU2207546C2
Application number: RU2001120473A
Authority: RU
Inventors: А.А. Азбукин; М.А. Булдаков; В.В. Бурков; В.В. Занин; В.А. Корольков; И.И. Матросов
Original assignee: Институт оптического мониторинга СО РАН
Priority date: 2001-07-23
Filing date: 2001-07-23
Publication date: 2003-06-27

Abstract

FIELD: measurement technology, quantitative determination of concentration of individual components in multicomponent gas mixture. SUBSTANCE: photothermoacoustic gas analyzer includes two optical channels with identical sources of wide-band optical radiation and computer. Three dishes ( filtering, measurement and registering ) are installed in first channel on optical axis of source, three dishes ( filtering, comparison and registering ) are installed on optical axis of source in second channel. Analyzed gas mixture is pumped through measurement dish, comparison dish is filled with zero gas and both registering dishes are filled with gas whose concentration should be determined in composition of examined gas mixture. Salient feature of gas analyzer lies in insertion of additional electric pulse generator, time interval meter and two pairs of acoustically intermatched radiators and detectors of ultrasonic oscillations. Pairs of detectors are placed inside of registering dishes. EFFECT: raised sensitivity and noise immunity of gas analyzer. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для количественного определения концентрации отдельных компонент в многокомпонентной газовой смеси. The invention relates to the field of measurement technology and can be used to quantify the concentration of individual components in a multicomponent gas mixture.

Известны газоанализаторы, построенные на методе абсорбционной спектроскопии в области ИК-излучения, имеющие в своем составе широкополосные источники инфракрасного излучения и расположенные на их оптических осях измерительную и сравнительную газовые кюветы, компенсационную кювету и оптико-пневматические приемники оптического излучения, использующие эффект изменения давления заключенного в них газа при поглощении этим газом падающего на него оптического излучения [1]. Known gas analyzers, built on the method of absorption spectroscopy in the field of infrared radiation, incorporating broadband infrared sources and located on their optical axes measuring and comparative gas cuvettes, a compensation cuvette and optical-pneumatic optical radiation detectors using the effect of changing the pressure of the prisoner gas during the absorption of optical radiation incident on it [1].

Известен построенный по такой схеме оптико-акустический газоанализатор ГИАМ [2] (Прототип). A well-known optical-acoustic gas analyzer GIAM constructed according to this scheme is known [2] (Prototype).

Газоанализатор построен по двухканальной схеме и имеет в составе каждого из каналов идентичные источники широкополосного оптического излучения, на оптической оси каждого из которых последовательно установлены измерительная (сравнительная) кюветы и оптико-пневматические приемники оптического излучения, причем в одном из каналов через измерительную кювету принудительно прокачивают контролируемую газовую смесь, а в другом - сравнительная кювета заполнена "нулевым" газом (азотом или чистым воздухом), фильтрационные же кюветы обоих каналов заполнены чистым "мешающим" газом, влияние которого на результаты измерения контролируемой газовой компоненты требуется исключить. Выходы оптико-пневматических приемников через согласующие устройства подключены к вычислительному устройству, в котором на основе относительной величины пневматических сигналов, вызванных поглощением оптического излучения в оптико-пневматических приемниках первого и второго каналов, определяется концентрация искомой газовой компоненты в прокачиваемой через измерительную кювету газовой смеси. The gas analyzer is constructed according to a two-channel scheme and has identical broadband optical radiation sources in each of the channels, on the optical axis of each of which measuring (comparative) cuvettes and optical-pneumatic optical radiation receivers are installed, and in one of the channels a controlled pump is forcedly pumped through the measuring cuvette the gas mixture, and in the other, the comparative cell is filled with "zero" gas (nitrogen or clean air), while the filtration cells of both canals s filled pure "interfering" gas, whose influence on the measurement results controlled the gas component to be excluded. The outputs of the optical-pneumatic receivers through the matching devices are connected to a computing device in which, based on the relative value of the pneumatic signals caused by the absorption of optical radiation in the optical-pneumatic receivers of the first and second channels, the concentration of the desired gas component in the gas mixture pumped through the measuring cell is determined.

Основным недостатком известного газоанализатора является низкая защищенность его от влияния акустических и вибрационных помех, обусловленная использованием в качестве чувствительного элемента оптико-пневматических приемников акустического микрофона. , Это обстоятельство приводит к тому, что, несмотря на то что расчетная чувствительность этого типа газоанализаторов по многим попадающим в область его измерения газам достаточно высока (вплоть до фоновых значений концентраций), на практике применение этих типов газоанализаторов существенно ограничено. Высокая степень восприимчивости этого типа газоанализаторов к акустическим и вибрационным шумам существенно ухудшает величину пороговой чувствительности анализа и делает его малопригодным для использования в широкой практике в реальных производственных условиях. The main disadvantage of the known gas analyzer is its low protection against the influence of acoustic and vibrational noise, due to the use of optical-pneumatic receivers of an acoustic microphone as a sensitive element. , This circumstance leads to the fact that, despite the fact that the calculated sensitivity of this type of gas analyzers for many gases falling into the region of its measurement is quite high (up to background concentrations), in practice the use of these types of gas analyzers is significantly limited. The high degree of susceptibility of this type of gas analyzers to acoustic and vibrational noise significantly worsens the threshold sensitivity of the analysis and makes it unsuitable for use in widespread practice in real production conditions.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение восприимчивости газоанализатора к акустическим и вибрационным шумам. Технический результат - увеличение чувствительности и помехозащищенности устройства. The problem to which the invention is directed, is to reduce the susceptibility of the gas analyzer to acoustic and vibrational noise. The technical result is an increase in the sensitivity and noise immunity of the device.

Указанный технический результат достигается тем, что так же, как и в известном устройстве, фототермоакустический газоанализатор имеет два оптических канала, первый из которых состоит из широкополосного источника оптического излучения, на оптической оси которого последовательно установлены фильтрационная кювета и измерительная кювета, через которую осуществляется принудительная прокачка газовой смеси, в которой требуется определить концентрацию искомой газовой компоненты, и регистрирующая кювета, заполненная тем газом, концентрацию которого определяют в составе прокачиваемой через измерительную кювету газовой смеси, и второй канал, состоящий из идентичных первому источнику оптического излучения и расположенных на его оси фильтрационной кюветы и сравнительной кюветы, заполненной "нулевым" газом, а также регистрирующей кюветы, и вычислительное устройство. The specified technical result is achieved by the fact that, like in the known device, the photothermal acoustic gas analyzer has two optical channels, the first of which consists of a broadband optical radiation source, on the optical axis of which a filtration cell and a measuring cell through which forced pumping is carried out gas mixture, in which it is required to determine the concentration of the desired gas component, and a recording cell filled with that gas, concentration which is determined as a part of the gas mixture pumped through the measuring cell, and a second channel, consisting of a filter cell and a comparative cell filled with a "zero" gas, which are identical to the first source of optical radiation, and which records the cell, and a computing device.

Но в отличие от известного устройства в состав фототермоакустического газоанализатора дополнительно введены генератор электрических импульсов, две пары акустически согласованных между собой излучателей и приемников ультразвуковых колебаний и измеритель временных интервалов следующим образом: в регистрирующей кювете первого канала, так же, как и в регистрирующей кювете второго канала, помещено по паре акустически согласованных излучателей и приемников ультразвуковых колебаний, при этом входы обоих излучателей ультразвуковых колебаний подключены к одному выходу генератора электрических импульсов, а выходы приемников ультразвуковых колебаний соединены, соответственно, с первым и вторым входами измерителя временных интервалов, выход которого соединен со входом вычислительного устройства. But unlike the known device, an electric pulse generator, two pairs of acoustic emitters and receivers of ultrasonic vibrations and a time interval meter are additionally introduced into the photothermal acoustic gas analyzer as follows: in the recording cell of the first channel, as well as in the recording cell of the second channel placed along a pair of acoustically matched emitters and receivers of ultrasonic vibrations, while the inputs of both emitters of ultrasonic vibrations The devices are connected to one output of the electric pulse generator, and the outputs of the ultrasonic vibration receivers are connected, respectively, with the first and second inputs of the time interval meter, the output of which is connected to the input of the computing device.

Блок-схема фототермоакустического газоанализатора изображена на чертеже. A block diagram of a photothermal gas analyzer is shown in the drawing.

Он содержит два оптических канала. В первом канале на одной оптической оси расположены широкополосный излучатель 1, фильтрационная кювета 2, измерительная кювета 3 и регистрирующая кювета 4. Во втором канале на одной оптической оси расположены излучатель 5, фильтрационная кювета 6, сравнительная кювета 7 и регистрирующая кювета 8. Дополнительно газоанализатор содержит генератор электрических импульсов 9, а измерительная и сравнительная кюветы снабжены парами акустически согласованных излучателей и приемников ультразвуковых колебаний 10, 11 и 12, 13. Входы излучателей 10, 12 соединены с выходом генератора электрических импульсов 9, а выходы приемников 11, 13 соединены соответственно с 1-м и 2-м входами измерителя временных интервалов 14, выход которого подключен к входу вычислительного устройства 15. It contains two optical channels. In the first channel, a broadband emitter 1, a filtration cell 2, a measuring cell 3 and a recording cell 4 are located on one optical axis. In a second channel, a radiator 5, a filtration cell 6, a comparative cell 7 and a recording cell 8 are located on one optical axis. an electric pulse generator 9, and the measuring and comparative cuvettes are equipped with pairs of acoustically matched emitters and receivers of ultrasonic vibrations 10, 11 and 12, 13. The inputs of the emitters 10, 12 are connected enes with the output of the generator of electrical pulses 9, and the outputs of receivers 11, 13 are connected respectively to the 1st and 2nd input meter slots 14, whose output is connected to the input 15 of the computing device.

Фототермоакустический газоанализатор работает следующим образом. В первом канале широкополосное оптическое излучение, в спектре которого имеются составляющие, совпадающие со спектральными полосами поглощения контролируемой газовой компоненты, направляется от источника 1 через фильтрационную кювету 2, измерительную кювету 3 в регистрирующую кювету 4. Через измерительную кювету 3 принудительно прокачивают контролируемую газовую смесь, содержащую в той или иной концентрации искомую газовую компоненту. Вследствие этого в газовой смеси происходит поглощение части оптического излучения, имеющего соответствующий спектральный состав. Photothermal gas analyzer operates as follows. In the first channel, broadband optical radiation, in the spectrum of which there are components coinciding with the absorption spectral bands of the monitored gas component, is directed from the source 1 through the filter cell 2, the measuring cell 3 into the recording cell 4. A controlled gas mixture is forcibly pumped through the measuring cell 3 in one concentration or another, the desired gas component. As a result of this, a part of the optical radiation having the corresponding spectral composition is absorbed in the gas mixture.

Далее, ослабленное таким образом оптическое излучение поступает в регистрационную кювету 4, где поглощается находящимся в ней газом и вследствие этого поглощения нагревает его. Поскольку кювета 4 заполнена тем самым газом, концентрацию которого в измерительной кювете 3 следует определить, то величина нагрева газа в регистрирующей кювете будет тем больше, чем меньше концентрация этого газа в измерительной кювете. Further, the thus weakened optical radiation enters the registration cuvette 4, where it is absorbed by the gas contained in it and, as a result of this absorption, heats it. Since the cuvette 4 is filled with the same gas whose concentration in the measuring cuvette 3 should be determined, the amount of gas heating in the recording cuvette will be the greater, the lower the concentration of this gas in the measuring cuvette.

Во втором канале излучение от аналогичного источника 5 поступает через фильтрационную кювету 6 в сравнительную кювету 7 и далее в регистрирующую кювету 8, заполненную, как и кювета 4 первого канала, измеряемым газом. Однако, поскольку во втором канале в сравнительной кювете 7 отсутствует измеряемая газовая компонента (кювета 7 заполнена "нулевым" газом - газом, в среде которого определяется контролируемая компонента - обычно это чистый воздух или азот), то в ней не происходит дополнительного поглощения соответствующей спектральной компоненты оптического излучения, и оптическое излучение поступает в регистрирующую кювету 8 не подвергаясь ослаблению, вызванному наличием в измерительной кювете первого канала контролируемой газовой компоненты. Вследствие этого величина нагрева газа в регистрирующей кювете 8 будет отличаться от соответствующей величины нагрева в кювете 4, причем эта разница будет тем больше, чем больше концентрация контролируемой газовой компоненты в прокачиваемой через кювету 3 газовой смеси. In the second channel, radiation from a similar source 5 enters through the filter cell 6 into the comparative cell 7 and then into the recording cell 8, filled, like the cell 4 of the first channel, with a measured gas. However, since there is no measurable gas component in the second channel in comparative cuvette 7 (cuvette 7 is filled with a “zero” gas — gas in the medium of which the controlled component is determined — usually pure air or nitrogen), there is no additional absorption of the corresponding spectral component optical radiation, and optical radiation enters the recording cell 8 without undergoing attenuation caused by the presence in the measuring cell of the first channel of a controlled gas component. As a result, the amount of gas heating in the recording cell 8 will differ from the corresponding amount of heating in the cell 4, and this difference will be the greater, the greater the concentration of the monitored gas component in the gas mixture pumped through the cell 3.

Одновременно с этим с генератора 9 на акустические излучатели 10 и 12 поступают электрические сигналы, которые возбуждают ультразвуковые колебания, распространяющиеся, соответственно, через газовую среду в кюветах 4 и 8, к приемникам 11 и 13. Так как температура нагрева газа в этих кюветах различается в силу наличия в первом канале дополнительного поглощения оптического излучения газовой смесью в измерительной кювете 3, то благодаря известной зависимости скорости распространения акустического колебания С в газовой среде от температуры среды Т:

(где К - коэффициент пропорциональности, зависящей от сорта газа, его давления и являющийся в данном случае константой), время прихода ультразвукового колебания на акустический приемник 11 кюветы 4 будет отличаться от времени прихода ультразвукового колебания на акустический приемник 13 кюветы 8, причем это отличие будет однозначно связано с относительной величиной нагрева газовой среды в кюветах и, соответственно, с концентрацией, поглощающей оптическое излучение искомой газовой компоненты. Электрические сигналы с выходов акустических приемников 11 и 13 поступают на 1-й и 2-й входы соответственно измерителя временных интервалов 14, где происходит измерение времени задержки распространения ультразвуковых колебаний в регистрирующей кювете 4 относительно регистрирующей кюветы 8, и, далее, в вычислительном устройстве 15 происходит вычисление непосредственно величины концентрации искомой газовой компоненты.Simultaneously with this, from the generator 9 to the acoustic emitters 10 and 12, electric signals are supplied that excite ultrasonic vibrations propagating, respectively, through the gas medium in the cells 4 and 8, to the receivers 11 and 13. Since the temperature of the gas heating in these cells varies due to the presence in the first channel of additional absorption of optical radiation by the gas mixture in the measuring cell 3, then due to the well-known dependence of the propagation velocity of acoustic vibration C in the gas medium on the temperature of the medium T:

(where K is the coefficient of proportionality, which depends on the type of gas, its pressure and is constant in this case), the time of arrival of ultrasonic vibrations to acoustic receiver 11 of cell 4 will differ from the time of arrival of ultrasonic vibrations to acoustic receiver 13 of cell 8, and this difference will be it is unambiguously associated with the relative magnitude of the heating of the gaseous medium in the cells and, accordingly, with the concentration absorbing the optical radiation of the desired gas component. Electrical signals from the outputs of the acoustic receivers 11 and 13 are fed to the 1st and 2nd inputs, respectively, of the time interval meter 14, where the measurement of the propagation delay time of ultrasonic vibrations in the recording cell 4 relative to the recording cell 8, and, further, in the computing device 15 the concentration of the desired gas component is directly calculated.

Заявленный технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, данный фототермоакустический газоанализатор не имеет в качестве регистрирующего датчика высокочувствительного микрофона, обладающего большой степенью восприимчивости к посторонним акустическим и вибрационным шумам. В заявленном фототермоакустическом газоанализаторе информация о концентрации искомой газовой компоненты содержится в величине разности скорости распространения ультразвуковых колебаний в регистрирующих кюветах первого и второго каналов, которая не зависит от влияния внешних факторов и делает процесс регистрации исключительно помехоустойчивым. Современные цифровые измерители временных интервалов достаточно легко позволяют регистрировать временные задержки порядка 1-10 нс, что обеспечивает чувствительность фототермоакустического газоанализатора на уровне фоновых концентраций. The claimed technical result is ensured by the fact that, unlike the prototype, this photothermal gas analyzer does not have a highly sensitive microphone as a recording sensor, which has a high degree of susceptibility to extraneous acoustic and vibrational noise. In the claimed photothermoacoustic gas analyzer, information on the concentration of the desired gas component is contained in the magnitude of the difference in the propagation velocity of ultrasonic vibrations in the recording cells of the first and second channels, which is independent of the influence of external factors and makes the registration process extremely noise-resistant. Modern digital time interval meters make it quite easy to record time delays of the order of 1-10 ns, which ensures the sensitivity of the photothermal-acoustic gas analyzer at the level of background concentrations.

Источники информации
1. Ж. Аш и др. Датчики измерительных систем. Книга 2, гл.19, с.403. М.: Мир, 1992.Sources of information
1. J. Ash and others. Sensors of measuring systems. Book 2, chap. 19, p. 403. M .: Mir, 1992.

2. Д.Л. Бронштейн, Н.Н. Александров. Современные средства измерения загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1989, гл.3, с.147. 2. D.L. Bronstein, N.N. Alexandrov. Modern means of measuring atmospheric pollution. L .: Gidrometeoizdat, 1989, Ch. 3, p. 147.

Claims

A photothermoacoustic gas analyzer containing two optical channels with identical sources of broadband optical radiation and a computing device, cuvettes are sequentially installed on the optical axes of the sources: three in the first - filtering, measuring and recording, and three in the second - filtering, comparative and recording, and through the measuring cuvette the test gas mixture is forcibly pumped, the comparative one is filled with “zero” gas, and both of the recording ones are filled with gas, the concentration of which o determine the composition of the test gas mixture, characterized in that it introduced an electric pulse generator, a time interval meter, and two pairs of acoustically matched emitters and receivers of ultrasonic vibrations, one of these pairs being placed inside the recording cell of the first channel, and the other is inside the recording cell of the second channel, while the inputs of both emitters of ultrasonic vibrations are connected to the output of the generator of electrical vibrations, and the outputs of the receivers are ultrasound ukovyh oscillations are respectively connected to first and second inputs of the meter slots, whose output is connected to the computing device.