RU9311U1 - Трассовый газоанализатор - Google Patents

Abstract

Трассовый газоанализатор, на одном конце трассы содержащий ретрорефлектор, а на другом - систему регистрации-обработки данных, анализатор спектра и приемопередающее устройство, состоящее из вогнутого зеркала, зеркала меньшего диаметра, расположенного со стороны передней поверхности вогнутого зеркала перпендикулярно и симметрично относительно оптической оси вогнутого зеркала, источника излучения, расположенного на оптической оси вогнутого зеркала, причем приемопередающее устройство оптически связано с анализатором спектра гибким световодом, входное отверстие которого расположено в фокусе вогнутого зеркала, отличающийся тем, что зеркало меньшего диаметра повернуто передней поверхностью в сторону вогнутого зеркала, в центре которого имеется отверстие, причем фокус оптической системы, образованной вогнутым зеркалом и зеркалом меньшего диаметра, находится на оптической оси вогнутого зеркала со стороны его задней поверхности, а источник излучения расположен в этом фокусе.

Description

Полезная модель относится к приборам, предназначенным для измерения концентрации газов на открытых трассах в атмосфере методами абсорбционной спектроскопии и может быть использована для проведения атмосферных исследований (состав атмосферы, химические реакции в атмосфере, фоновый мониторинг малых газовых составляющих) и контроля газовых загрязнений окружающей среды (выбросы промышленных предприятий, определение состава и уровня газовых загрязнений вблизи транспортных магистралей и т.д.).

Техника абсорбционной спектроскопии основана на избирательности и индивидуальности спектров поглощения различных веществ. Основными узлами газоанализаторов, используюпщх методы абсорбционной спектроскопии для измерения концентрации газов на открытых трассах в атмосфере, являются источник излучения, приемный телескоп, анализатор спектра излучения и электронная система регистрации и обработки данных. В качестве источника излучения используются газоразрядные лампы высокого давления. Для коллимации из. обычно используется вогнутое зеркало, в фокусе которого располагается светяпщйся объем лампы. После хфохождения по трассе зондирования излучение собирается приемным телескопом, построенном, обычно, на базе вогнутого зеркала, а его спектр измеряется с помоп(ью анализатора спектра, построенного на базе спектральных приборов (монохроматоров, спектрометров и т.д.). Основой анализа спектра и определения концекграции измеряемых газов является закон Ламберта. В соответствии с «классической схемой трассового зондирования источник излучения и спектрометр размещаются на противоположных концах трассы 1. Недостатки такой схемы измерений заключаются: в необходимости использования двух отдельных блоков питания для источника излучения и для гфиелшорегистрирующей аппаратуры; в необходимости обеспечения и поддержания высокой точности совпадения оптических осей коллимирующего и приемного зеркал; неудобство обслуживания разнесенных на большое расстояние частей , особенно при работе на длинных трассах. Известна схема измерений, в которой

МПК G 01N 21/01, 21/25

источник света и спектрометр располагаются вместе на одном конце трассы, а на другом конце устанавливается ретрорефлектор, который возвращает свет источника обратно к спектрометру. Совместное размещение узлов прибора, требующих электропитания, защиты от влаги и т.д., существенно упрощает их oбcJQ живaниe. Использование в качестве ретрорефлектора уголкового отражателя не требует его точной установки и периодической поверки. По такой схеме работает трассовый газоанализатор, в котором источник и приемник излучения расположены на одной общей платформе, а оптические оси коллимирующего и приемного зеркал параллельны и не совпадают 2. Недостатком несоосного расположения источника и приемника излучения является необходимость применения ретрорефлектора больщих размеров, максимальный из которых должен превьппать расстояние между оптическими осями коллимирующего и приемного зеркал. Это приводит к увеличению стоимости рефлектора и уменьшению надежности его работы. Наиболее близким к заявленной полезной модели из известных аналогов является 3, в котором коллимирующее зеркало и лампа источника излучения расположены внутри приемного телескопа на его огггической оси между приемным зеркалом, размеры которого больще размеров коллимирующего зеркала, и его фокусом, в котором установлено входное окно оптоволоконного кабеля, передающего собранное излучение на вход спектрального прибора. Достоинством соосного расположения источника и приемника излучения является уменьшение габаритов и веса приемопередающего устройства и ретрорефлектора, увеличение жесткости конструкции, увеличение точности и надежности юстировки огггических осей коллимирующего и приемного зеркал. Однако размещение источника внутри приемного телескопа, используемое в указанном вьпив аналоге, имеет ряд недостатков: накладываются ограничения на размеры источника из.11учения, т.к. он находится в зоне распространения отраженного от ретрорефлектора излучения и экранирует часть площади приемного зеркала, уменыиая тем самым интенсивность регистрируемого сигнала; ухудшается безопасность эксш атации прибора, т.к. для работы дуговых ламп используется высокое напряжение, а ограничение размеров конструкции источника из; чения увеличивает вероятность гфобоя; ухудшается отвод тепла выделяемого лампой, возрастает температура в области размещения лампы, уменьщая, тем самым, ресурс работы ламп и накладывая ограничения на использование ламп большой мощности; нагрев воздуха внутри приемного телескопа, приводит к возникновению турбулентности и связанными с этим искажениями светового пучка и уменьшением точности измерений; затрудняется обслуживание источника излучения (смена ламп, юстировка и т.д.).

Заявляемая полезная модель направлена на решение задачи устранения перечисленных выше недостапсов, присушек газоанализатору с размещением источника излучения между приемным зеркалом и ретрорефлектором внутри корпуса приемного зеркала, тфи условии сохранения достоинств схемы работы трассового газоанализатора с ретрорефлектором и соосным расположением источника и тфиемника излучения. Решение поставленной задачи достигается в заявляемой полезной модели путем размещения источника излучения на оптической оси вогнутого (приемо-передающего) зеркала со стороны его задней поверхности, то есть вне пучка отраженного от ретрорефлектора излучения. При этом внешняя кольцевая зона этого зеркала используется для сбора излучения ттрошедшего трассу зондирования, а внутренняя кольцевая зона для коллимирования излучения лампы. Существенными признаками заявляемой полезной модели являются: использование ретрорефлектора; анализатора спектра; системы реп{страции и обработки данных; приемо-передающего устройства, состоящего из главиого (вогнутого) зеркала, дополнительного зеркала меньшего диаметра, расположенного со стороны передней поверхности вогнутого зеркала перпендикулярно и симметрично относительно оптической оси вогнутого зеркала и источника излучения, расположенного на оптической оси вогнутого зеркала; гибкого световода, связывающего ттриемопередающее устройство с анализатором спектра, причем входное отверстие световода расположено в фокусе вогнутого зеркала. С)ацественным и от.1шчительным признаком заявляемой полезной модели является то, что зеркало меньшего диаметра повернуто передней поверхностью в сторону вогнутого зеркала, в центре которого имеется отверстие, тфичем фокус отпической системы, образованной вогнутым зеркалом и зеркалом меньшего диаметра, находится на отпической оси вогнутого зеркала со стороны его задней поверхности, а источник излучения расположен в этом фокусе. Техническими результатами такого решения являются ликвидация нагрева воздуха перед приемо-передаюпщм зеркалом, а также устранение эффекта экрашфовжшя тфиемо-передающего зеркала конструкцией источника излучения и, как следствие, снятие ограничений на ее размеры. Увеличение размеров конструкции источника излучения позволяет получить дополнительные технические результата : повьшхение эффективности охлаждения лампы и снижение ее температуры; увеличение мощности применяемых ламп; уменьшение вероятности пробоя при поджиге лампы имг льсом высоковольтного напряжения. Дополнительным техническим результатом, связанным с ликвидацией источника нагрева воздуха внутри корпуса приемо-передающего зеркала, является ликвидация турбулентности и обусловленных ею шумов сигнала. Полученные в результате предлагаемого решения технические результаты увеличивают ресурс работы ламп, повышают точность измерений, повьпиают безопасность эксплуатации газоанализатора. Размещение источника излучения вне корпуса приемо-передающего зеркала улучшает условия доступа и облегчает его обсл живание.

Устройство газоанализотора поясняется рисунком, на котором показаны отдельные элементы газоанализотора и их взаимное расположение.

В состав газоанализатора входят: приемо-передающее устройство, включающее в себя источник 1, вогнутое зеркало 2, зеркало меньшего диаметра 3 и держатель входа огггического волоконного световода 4; ретрорефлектор 5, устанавливаемый отдельно на протвоположном конце измеригельной трассы; волоконный световод 6 для оптического соединения приемо-передающего устройства с анализатором спектра; анализатор спектра 7 и система ретистрацинобработки данных 8.

Газоанализатор работает следующим образом. Для проведения юмерений в атмосфере выбирается трасса, на одном из концов которой размещаются гфиемопередающее устройство, анализатор спектра 7 и система регистрации и обработки данных 8, а на противоположном конце устанавливается ретрорефлектор 5. Фокус оптической системы приемо-передающего устройства, образованной вогаутым зеркалом 2 и зеркалом меньшего диаметра 3, находится на оптической оси вогнутого зеркала со стороны его задней поверхности. В этом фокусе, располагается светящееся тело дуги ксеноновой лампы высокого давления 1, используемой в качестве источника излучения. Через отверстие в вогнутом зеркале 2 излучение лампы попадает на зеркало 3, а затем на внугреннюю зону вогнутого зеркала и коллимируется последним в слабо расходяпщйся пучок света, который направляется вдоль трассы измерений в сторону ретрорефлектора 5. Ретрорефлектор 5, представляющий собой уголковый отражатель, перехватывает часть излучения и посылает его обратно в сторону приемо-передающего устройства. Часть голучения, прошедшего трассу в обрапюм направлении, попадает в апертуру внешнего кольца вогнутого зеркала 2 и собирается на входном окне волоконного световода 6, которое расположено в фокусе внешнего кольца вогнутого зеркала. Выходной конец световода сопрягается со входной щелью анализатора спектра 7, построенного по стандартной асимметричной схеме Фасти со сферическивш зеркальными объективами, угловая апертура которых совпадает с относительным отверстием BontyToro зеркала. Результаты измерений оцифровываются и поступают в систему регистрации и обработки данных.

Опытный образец, хфедлагаемой полезной модели трассового газоанализатора, разработан, изготовлен и его испытания подтвердили ожидаемые технические результаты. Размещение источника излучения вне области распространения зондирующего пучка сняло ограничегше на размеры конструкщш источника излучения и позволило разместить в его корпусе вентилятор, обеспечиваюпщй эффективное охлаждение газоразрядной лампы и, как следствие, увеличить ресурс ее работы на 20%.

Источники информации:

1.Ретег, D., and Platt, U. Absorption of the atmosphere by collision pairs of oTsygen (02)2. Geophys. Res. Lett 7, 1053-1056, 1980.

2.Plane, Jonh M. C., and Nie, Chia-Fu Differential optical absoфtion spectrometer for measuring atmospheric trace gases. Rev. Sci. Instum., 63, NO 3, 1867-1876, 1992.

3.Waffin et al.. Apparatus for emitting and receiving fight, US, Partent number: 5,5255,073 Oct. 19, 1993.

Заявитель// ПлМC.C. Хмелевцов

Claims (1)

1. Трассовый газоанализатор, на одном конце трассы содержащий ретрорефлектор, а на другом - систему регистрации-обработки данных, анализатор спектра и приемопередающее устройство, состоящее из вогнутого зеркала, зеркала меньшего диаметра, расположенного со стороны передней поверхности вогнутого зеркала перпендикулярно и симметрично относительно оптической оси вогнутого зеркала, источника излучения, расположенного на оптической оси вогнутого зеркала, причем приемопередающее устройство оптически связано с анализатором спектра гибким световодом, входное отверстие которого расположено в фокусе вогнутого зеркала, отличающийся тем, что зеркало меньшего диаметра повернуто передней поверхностью в сторону вогнутого зеркала, в центре которого имеется отверстие, причем фокус оптической системы, образованной вогнутым зеркалом и зеркалом меньшего диаметра, находится на оптической оси вогнутого зеркала со стороны его задней поверхности, а источник излучения расположен в этом фокусе.