SU1617307A1

SU1617307A1 - Spectrometer

Info

Publication number: SU1617307A1
Application number: SU884603049A
Authority: SU
Inventors: Владимир Ростиславович Козубовский
Original assignee: Специальное конструкторское бюро средств аналитической техники
Priority date: 1988-09-12
Filing date: 1988-09-12
Publication date: 1990-12-30

Abstract

Изобретение относитс к области оптического спектрального приборостроени . Целью изобретени вл етс повышение чувствительности и селективности при одновременном измерении компонент газовой смеси. Излучение от источника проходит через кювету дл анализируемой газовой смеси и поступает в полихроматор. Входна щель полихроматора состоит из M наборов входных щелей. Каждый из M наборов состоит по крайней мере из двух входных щелей. Каждый набор поочередно размещаетс в плоскости входной щели полихроматора. Рассто ние D_I между входными щел ми в каждом наборе равно D_I=D_L ^.δλ_I, где D_L - обратна линейна дисперси полихроматора, δδ_I - спектральный период структуры I-ой компоненты газовой смеси. Рассто ние D_I также может удовлетвор ть соотношению D_I=D₁+XTGΑ, где D₁ - рассто ние между входными щел ми, соответствующее компоненту газовой смеси с минимальной величиной δλ_I, Α - угол наклона щелей, X - координата в направлении, перпендикул рном дисперсии полихроматора. Входные щели могут быть выполнены в виде спиралей Архимеда с общим центром. Устройство позвол ет расширить диапазон измер емых концентраций. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.The invention relates to the field of optical spectral instrumentation. The aim of the invention is to increase the sensitivity and selectivity while simultaneously measuring the components of the gas mixture. Radiation from the source passes through the cuvette for the analyzed gas mixture and enters the polychromator. The entrance slit of a polychromator consists of M sets of entrance slits. Each of the M sets consists of at least two entrance slots. Each set is alternately arranged in the plane of the entrance slit of the polychromator. The distance D _I between the inlet slits in each set is equal to D _I = D _^L. δλ _I , where D _L is the inverse linear dispersion of the polychromator, δδ _I is the spectral period of the structure of the 1st component of the gas mixture. The distance D _I can also satisfy the relation D _I = D ₁ + XTGΑ, where D ₁ is the distance between the entrance slots, the corresponding component of the gas mixture with the minimum value δλ _I , Α is the slope angle, X is the coordinate in the direction, perpendicular polychromator dispersion. The entrance slits can be made in the form of Archimedes spirals with a common center. The device allows to expand the range of measured concentrations. 2 hp f-ly, 4 ill.

Description

Изобретение относитс к оптическому спектральному приборостроению.This invention relates to optical spectral instrumentation.

Цель изобретени - повышение чувствительности и селективности при одновременном измерении всех компонент газовой смеси.The purpose of the invention is to increase the sensitivity and selectivity while simultaneously measuring all components of the gas mixture.

На фиг.1 показана структурна схема спектрометра: на фиг.2 - наборы выходных щелей: на фиг.З - то же, при непрерывном изменении рассто ний между щел ми: на фиг.4 - то же, при изменении рассто ний между щел ми по закону, соответствующему спирали Архимеда.Fig. 1 shows a structural diagram of the spectrometer: in Fig. 2, sets of output slits: in Fig. 3 — the same, with continuous changes in the distances between the slits: in Fig. 4 — the same, when the distances between the slits change according to the law corresponding to the spiral of Archimedes.

Спектрометр содержит источник 1, кол- ли аторную линзу 2, формирующую световой поток, кювету 3 с анализируемой газовой смесью, объектив 4, фокусирующий излучение в плоскость входной щели 5.The spectrometer contains a source 1, a collimating lens 2 forming a luminous flux, a cuvette 3 with the gas mixture being analyzed, an objective 4 focusing radiation into the plane of the entrance slit 5.

Щели 5 размещены на кассете 6, установленной на оси т гового двигател 1. Полихроматор состоит из дифракционной решетки 8 и сканируемой выходной щели 9, установленной на оси привода 10. Система регистрации содержит фотоумножитель 11 усилитель 12, датчик 13 реперной точки, формирователь 14 управл ющего сигнала, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 15, микропроцессор 16, дисплей 17, блок 18 питани шагового двигател и блок 19 управлени .The slots 5 are placed on a cassette 6 mounted on the axis of the traction motor 1. The polychromator consists of a diffraction grating 8 and a scanned exit slot 9 mounted on the axis of the drive 10. The recording system contains a photomultiplier 11 an amplifier 12, a sensor 13 of the reference point, the driver 14 of the driver signal, analog-to-digital converter (ADC) 15, microprocessor 16, display 17, stepper motor powering unit 18 and control unit 19.

СА) О Х1SA) O X1

Спектрометр работает следующим образом .The spectrometer works as follows.

Излучение от источника 1 проходит через анализируемую газовую смесь, содержащуюс в кювете 3, и преобретает характерную спектральную структуру, представл ющую собой композицию из структур анализируемых газов, содержащихс в смеси. Излучение фокусируетс на входные щели 5 полихроматора, который установлен на кассете 6. В одном из вариантов кзссета 6 представл ет собой металлический диск, на котором прорезаны (по одному витку) спирали Архимеда с различным шагом - как положительным, так и от- рицательным (фиг.4). Причем дл достижени селективности количество Щелей в кассете должно быть четным. Получен- на таким образом система щелей характерна тем, что рассто ние между щел ми d измен етс по линейному законуThe radiation from the source 1 passes through the analyzed gas mixture contained in the cuvette 3, and acquires a characteristic spectral structure, which is a composition of the structures of the analyzed gases contained in the mixture. The radiation is focused on the entrance slots 5 of the polychromator, which is mounted on the cassette 6. In one of the variants, CS 6 is a metal disk on which Archimedes spirals are cut (one turn) with a positive or negative pitch (FIG. .four). Moreover, in order to achieve selectivity, the number of slots in the cassette must be even. Thus obtained system of slits is characterized by the fact that the distance between the gaps d varies according to the linear law

d di + a,d di + a,

где а tga - посто нна , величина которой определ етс углом а ;where a tga is a constant, the value of which is determined by the angle a;

(р- углова координата кассеты 6. На кассете 6 также имеетс реперное отверстие, от которого начинаетс отсчет угловой координаты. Кассета 6 установлена на оси шагового двигател 7, на которой через блок 18 поступают периодически от блока 19 цуги импульсов. Каждый цуг импульсов осуществл ет поворот кассеты на определенный угол , при котором щели 5 кассеты образуют маску с рассто нием между щел ми di DI (5Я| дл анализа i-ro газа. В этом положении кассета находитс до прихода следующего цуга импульсов Di - обратна линейна дисперси монохрома- тора.(p is the angular coordinate of the cassette 6. Cassette 6 also has a reference hole, from which the angular coordinate starts. The cassette 6 is installed on the axis of the stepping motor 7, which receives periodically through block 18. from pulses 19. Each pulse train performs rotation of the cassette at a certain angle at which the slots 5 of the cassette form a mask with a distance between the slots di DI (5Н | for analyzing the i-ro gas. In this position the cassette is before the next train of pulses Di is the inverse linear dispersion of the monochromator.

Прошедшее через щели 5 кассеты 6 излучение разлагаетс по спектру с помощью решетки 8 и собираетс в ее фокальной плоскости . Световой поток от каждой щели 5 кассеты 6 образует в фокальной плоскости решетки 8 изображение спектра анализируемого газа. При эквидистантном расположении полос поглощени спектры совпадают по фазе, амплитуды их структуры суммируютс и амплитуда полезного сигна-. ла увеличиваетс в п раз, где п - количество щелей 5, а эффективное значение сигнала - в V1T раз. Если спектры не совпадают по фазе, то и не происходит увеличени полезного сигнала.The radiation that has passed through the slots 5 of the cassette 6 is spectrally spread by the grid 8 and is collected in its focal plane. The light flux from each slit 5 of the cassette 6 forms in the focal plane of the lattice 8 an image of the spectrum of the analyzed gas. When the absorption bands are equidistantly arranged, the spectra coincide in phase, the amplitudes of their structure are summed and the amplitude of the useful signal is. la increases by n times, where n is the number of slots 5, and the effective value of the signal - by V1T times. If the spectra do not coincide in phase, then the increase in the useful signal does not occur.

При сканировании выходной щелью 9 с помощью привода 10 спектра, о,бразован- ного в фокальной плоскости решетки 8, с выхода фотоумножител 11 снимаетс сигнал , близкий к синусоидальному определенной частоты (при наличии только одного из анализируемых газов в кювете 3), или сигнал , имеющий более сложный спектр (в случае присутстви нескольких газов). Этот сигнал усиливаетс и поступает на быстродействующий АЦП 15, в котором он преобразуетс в цифровую форму. АЦП 15 управл етс сигналами, поступающими с блока 19 через формирователь 14. Цифро- вые сигналы поступают в микропроцессор 16, где они накапливаютс в соответствующих каналах и обрабатываютс по определенному алгоритму. Концентраци анализируемых газов индицируетс на дис- 5 плее 17. Дл поиска исходного положени кассеты б служит датчик 13. Между блоком 19 и микропроцессором 16 идет обмен информацией о начале и окончании выполнени той или иной команды, поступающей с 0 микропроцессора 16.When scanning by the output slit 9 using a spectrum drive 10, o, formed in the focal plane of the array 8, a signal close to the sinusoidal frequency (if only one of the analyzed gases is present in the cuvette 3) is removed from the output of the photomultiplier 11, having a more complex spectrum (in the presence of several gases). This signal is amplified and fed to a high speed ADC 15, in which it is digitized. The A / D converter 15 is controlled by signals from block 19 through shaper 14. Digital signals are fed to microprocessor 16, where they are accumulated in the corresponding channels and processed according to a certain algorithm. The concentration of the analyzed gases is displayed on display 5. To search for the initial position of the cassette b, sensor 13 serves. Between block 19 and microprocessor 16, information is exchanged on the beginning and end of the execution of a command coming from microprocessor 0 0.

Требование, чтобы рассто ние di между щел ми в каждом фиксированном положении было равно. dr DI (3 Я вытекает из определени линейной дисперсии полихрома- 5 тора Di , где dl-рассто ние в спектре между излучени ми с весьма близкими длинами волнАиЯ -f d Я,, который наблюдаетс в плоскости выходной щели полихроматора ,Действительно, плоскости входной и вы- 0 ходной щелей в соответствии с принципом взаимности эквивалентны. Поэтому, если в плоскости входной щели 5 полихроматора установить набор щелей с рассто нием между щел ми,равным dj, то в плоскости его 5 выходной щели 9 сформируетс их изображение {в случае монохроматического источника излучени ). Причем рассто ние между изображени ми щелей в наборе по шкале длин волн d Я Di/d. Если d выбрать таким 0 образом, чтобы dЯ б Я; (б Я) - период структуры 1-го анализируемого газа), то в случае освещени щелей 5 набора монохроматическим источником 2 света и присутстви в кювете 3 1-го анализируемого газа, в плоско- 5 сти выходной щели 9 полихроматора наблюдаютс спектры i-ro газа (от каждой щели., маски, накладывающиес друг на друга с совпадающей по фазе структурой), т.е. в этом случае амплитуда полезного сигнала 50 увеличиваетс в п раз, где п - количество щелей в наборе.The requirement that the distance di between the gaps in each fixed position be equal. dr DI (3 I follows from the definition of linear dispersion of a 5-torus Di polychrome, where the dl-distance in the spectrum is between emissions with very close wavelengths A and -fd I, which is observed in the plane of the exit gap of the polychromator, Indeed, the plane of the entrance and you In accordance with the principle of reciprocity, the 0 slots are equivalent. Therefore, if in the plane of the entrance slit 5 of the polychromator a set of slits is installed with a gap between dj equal to dj, then in the plane of its 5 exit slit 9 they will be formed { radiation). Moreover, the distance between the images of the slots in the set is on a scale of wavelengths dI Di / d. If d is chosen in such a way that dId I; (b I) is the period of the structure of the 1st analyzed gas), if the slits 5 of the set are illuminated with a monochromatic source 2 of light and 3 of the 1st analyzed gas are present in the cuvette, i-ro spectra are observed in the 5th plane of the output slit 9 of the polychromator gas (from each slit., masks superimposed on each other with the same phase structure), i.e. in this case, the amplitude of the useful signal 50 increases by n times, where n is the number of slots in the set.

В случае изменени рассто ни между щел ми 5 кассеты 6 по линейному закону di d 1 + ах (фиг.З) величина а Д d /Л х tga . 55Если S - ширина входных щелей 5 кассеты 6 и ска.нируемой выходной щели 9 (обычно эти ширины выбираютс равными), h - высота входной щели 5, то каналы второй щели кассеты относительно первой наIn the case of a change in the distance between the slots 5 of the cassette 6 according to the linear law di d 1 + ah (Fig. 3), the value a D d / L x tga. 55If S is the width of the entrance slits 5 of the cassette 6 and the output slot 9 that is openable (usually these widths are equal), h is the height of the entrance slit 5, then the channels of the second slot of the cartridge relative to the first

угол а привод т к уменьшению рассто ни между изображени ми щелей на величину А- htga . Максимальна амплитуда полезного сигнала может быть получена при ширине щелей 5, равной s 0.5d. С другой стороны, дл того, чтобы изображени щелей 5 кассеты 6 в плоскости выходной щели У не перекрывались, необходимо в данном случае чтобы А s. Подставл значени Д , получают h s/tga .the angle a leads to a decrease in the distance between the images of the slits by an amount A-htga. The maximum amplitude of the useful signal can be obtained with a width of 5 slots equal to s 0.5d. On the other hand, in order that the images of the slots 5 of the cassette 6 in the plane of the exit slit Y do not overlap, it is necessary in this case that A s. Substituting the values of D, get h s / tga.

Таким образом, введение в предлагаемый спектрометр, предназначенный дл од- новременного анализа многих газовых компонентов, наборов входных щелей указанной конструкции, движущихс с по- мощью привода по определенной программе, повышает селективность анализа , его чувствительность, Это, в свою очередь , позвол ет расширить диапазон измер емых концентраций, уменьшить по- 2 грешность измерений.Thus, an introduction to the proposed spectrometer, designed for the simultaneous analysis of many gas components, sets of entrance slits of a given structure, moving with the help of a drive according to a specific program, increases the selectivity of the analysis, its sensitivity, which, in turn, allows to expand the range of measured concentrations, reduce the measurement error 2.

Claims

Claim 1. Spectrometer comprising an optically coupled radiation source, a condenser system, a cuvette for the analyzed gas mixture, a polychromator equipped with an entrance slit and an output slit installed with the possibility of scanning over the spectrum, and a radiation receiver, as well as a system registration, connected with the reception of the radiation, with the aim of increasing the sensitivity and selectivity while simultaneously measuring all the components of the gas mixture, it contains at least one additional with the INLET slot, the first set of entrance slots, as well as t-1 sets of additional input slots, containing at least two entrance slots 40 in each set, where m is the number of analyzed gas mixture components, each of the m sets of input slots is installed with the possibility of alternately placing in the plane of the INPUT gap of the polychromator, while

five

The position di between the input slots in each set satisfies the relation di DI d / lj,

х т7раГ ° Ai - spectral period of the structure of the 1st component of the gas mixture.

2. Spectrometer pop. 1, characterized by the fact that the distance d between the entrance slots satisfies the relation

di di + xtga

where di is the distance between the entrance slots corresponding to the component of the gas mixture with the minimum value;

“- the angle of inclination of the entrance slits one relative to another;

X is the coordinate in the direction perpendicular to the dispersion of the polychromator, with the height h of each entrance slit satisfying the relation

s

h

tga

where s is the width of the exit slit, and the width I of each set of entrance slits satisfies the relation

.

where dm is the maximum distance between the entrance slots corresponding to the m-th component of the gas mixture.

3. Spectrometer pop. 1, characterized in that the entrance slits are made in the form of Archimedes spirals with a common center, the distances di between the entrance slots satisfy the relation

di di + tgcr

where is the angular coordinate of the Archimedes spiral, with the height h of each set of INPUT slots satisfying the ratio 11 AND rO

h

tga

and the width I of each entrance slit satisfies the relation

02dm.

FIG. 3

& udA

five