UA52387A

UA52387A - Device for measuring gas concentration

Info

Publication number: UA52387A
Application number: UA2002043273A
Authority: UA
Inventors: Леонід Андрійович Міхеєнко; Леонид Андреевич Михеенко; Євгеній Володимирович Вівчарик
Original assignee: Національний Технічний Університет України "Київський Політехнічний Інститут"; Национальний Техничний Университет України "Київський Политехничний Институт"
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2002-12-16

Abstract

The proposed device for measuring gas concentration contains an optical radiation source, a light filter, a cuvette, prisms with mirror sides, a collimating lens, a focusing lens, a semitransparent mirror plate, and a photoreceiver. The availability of the cuvette and mirror sides of the prisms provides for achieving high sensitivity and accuracy of the proposed device, excluding dependence of the characteristics of the propagation of the optical radiation within the cuvette on the prism tilt and rotary angles, and allows the device to be used in different analytical instruments.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід відноситься до техніки аналітичного приладобудування і може бути використаний для аналізу газів в 2 хімічній, металургійній та інших галузях промисловості, а також для контроля забруднення оточуючого середовища.The invention relates to the technique of analytical instrumentation and can be used for the analysis of gases in 2 chemical, metallurgical and other branches of industry, as well as for environmental pollution control.

Відомий інфрачервоний газоаналізатор, що містить оптично зв'язані джерело випромінювання, багатоходову дзеркальну кювету з вхідним та вихідним вікнами, систему дзеркал для розділення потоку випромінювання від джерела по робочому та еталонному каналах та зведення його на приймач випромінювання (11. 70 Недоліками цього газоаналізатору є обмежені чутливість та точність, що обумовлені низькою світлосилою системи сферичних дзеркал через втрати потока випромінювання на розсіювання, а також, через зміну потужності внаслідок розділення потока на два ідентичних пучка, складність конструкції.A well-known infrared gas analyzer containing an optically coupled radiation source, a multi-pass mirror cuvette with input and output windows, a system of mirrors for separating the radiation flow from the source through the working and reference channels and reducing it to the radiation receiver (11. 70 The disadvantages of this gas analyzer are limited sensitivity and accuracy due to the low luminous power of the system of spherical mirrors due to the loss of the radiation flux due to scattering, as well as, due to the change in power due to the splitting of the flux into two identical beams, the complexity of the design.

Найбільш близьким технічним рішенням до запропонованого є пристрій для вимірювання концентрації газу, що містить кювету з системою відбиваючих дзеркал для спрямування оптичного випромінювання на приймач, 72 коліматор, розташований на вході оптичного випромінювання в кювету, об'єктив, що фокусує оптичне випромінювання на приймач, оптичний елемент, що розділяє випромінювання на два пучка з оптичними шляхами різної довжини |21.The closest technical solution to the proposed one is a device for measuring gas concentration, containing a cuvette with a system of reflective mirrors for directing optical radiation to the receiver, 72 a collimator located at the entrance of optical radiation to the cuvette, a lens that focuses optical radiation to the receiver, optical an element that divides radiation into two beams with optical paths of different lengths |21.

Недоліками даного пристрою є низька точність, що викликана нестабільністю системи двох відбиваючих дзеркал, розташованих паралельно, внаслідок чого при невеликих кутах нахилу дзеркал відбувається збільшення поворотів променя та його зміщення по чутливій площадці приймача, що призводить до флуктуації вихідного сигналу, за рахунок чого знижується чутливість та точність вимірювання.The disadvantages of this device are low accuracy, which is caused by the instability of the system of two reflecting mirrors located in parallel, as a result of which, at small angles of inclination of the mirrors, there is an increase in the rotation of the beam and its displacement along the sensitive area of the receiver, which leads to fluctuations in the output signal, due to which the sensitivity decreases and measurement accuracy.

В основу винаходу поставлено задачу удосконалення пристрою для вимірювання концентрації газу шляхом виконання системи відбиваючих дзеркал на основі призм БР-180, що забезпечує підвищення чутливості та точності газового аналізу. 29 Поставлена задача досягається тим, що у відомому пристрої, що містить кювету з системою відбиваючих « дзеркал для спрямування оптичного випромінювання на приймач, коліматор, розташований на вході оптичного випромінювання в кювету, об'єктив, що фокусує оптичне випромінювання на приймач, оптичний елемент, що розділяє випромінювання на два пучка з оптичними шляхами різної довжини, згідно з винаходом новим є те, що система дзеркал виконана на катетних гранях призм БР-180, причому гіпотенузні грані розташовані паралельно в 30 між собою. Крім того, оптичний елемент, що розділяє випромінювання на два пучки, виконано у вигляді с напівпрозорої дзеркальної пластини. Перевагою такої конструкції є незалежність кутів падаючого та відбитого від призм випромінювання від кута повороту самих призм. оThe basis of the invention is the task of improving the device for measuring gas concentration by implementing a system of reflecting mirrors based on BR-180 prisms, which ensures increased sensitivity and accuracy of gas analysis. 29 The task is achieved by the fact that in a known device containing a cuvette with a system of reflective mirrors for directing optical radiation to the receiver, a collimator located at the entrance of optical radiation to the cuvette, a lens that focuses optical radiation on the receiver, an optical element, which divides the radiation into two beams with optical paths of different lengths, according to the invention, the new thing is that the mirror system is made on the catenary faces of BR-180 prisms, and the hypotenuse faces are located parallel at 30 to each other. In addition, the optical element that divides the radiation into two beams is made in the form of a translucent mirror plate. The advantage of this design is the independence of the angles of radiation incident and reflected from the prisms on the angle of rotation of the prisms themselves. at

На креслені (див. фіг.) представлена схема пристрою. ГаThe drawing (see fig.) shows the scheme of the device. Ha

Пристрій містить джерело випромінювання 1, світлофільтр 2, кювету 3, призми з дзеркальними катетними 3о гранями 4, колімуючий об'єктив 5, фокусуючий об'єктив 6, напівпрозору дзеркальну пластину 7, приймач о випромінювання 8.The device includes a radiation source 1, a light filter 2, a cuvette 3, prisms with mirror catenary 3o faces 4, a collimating lens 5, a focusing lens 6, a translucent mirror plate 7, and a radiation receiver 8.

Пристрій працює наступним чином. Випромінювання від джерела 1, проходячи через світлофільтр 2, який узгоджує полосу поглинання газу, що аналізується з полосою випромінювання джерела 1, колімується « об'єктивом 5 і потрапляє у кювету 3, що утворюється призмами 4, де взаємодіє або з повітрям (при калібровці З 50 приймача 8), або з газом, що аналізується (при вимірюванні його концентрації). Після відбиття від с напівпрозорої дзеркальної пластини 7 і дзеркальних граней призм 4 випромінювання фокусується об'єктивом 6The device works as follows. Radiation from the source 1, passing through the light filter 2, which matches the absorption band of the gas being analyzed with the emission band of the source 1, is collimated by the lens 5 and enters the cuvette 3 formed by the prisms 4, where it interacts either with the air (for calibration with 50 receiver 8), or with the gas being analyzed (when measuring its concentration). After reflection from the translucent mirror plate 7 and the mirror faces of the prism 4, the radiation is focused by the lens 6

Із» на приймач випромінювана 8. Сигнал на виході приймача випромінювання пропорційний величині падаючого на нього потоку випромінювання. Мірою концентрації газу, що аналізується, є зміна інтенсивності випромінювання при проходженні через газ, що призводить до відповідної зміни сигналу на виході приймача. При цьому повітряне 45 середовище без газу, що аналізується, в межах робочого спектрального діапазону є неселективним. і-й В якості джерела випромінювання можуть використовуватись світловипромінюючі діоди, полоси ка випромінювання яких узгоджені з полосами поглинання газу, а також лазери із змінною частотою випромінювання. о В якості приймача використовується широкополосний піроелектричний приймач. о 20 У порівнянні з прототипом рішення, що замовляється, за рахунок використання кювети з системою дзеркал, що виконана на катетних гранях призм БР-180, забезпечує високу чутливість та точність і не призводить до т залежності кутів розповсюдження променів у кюветі при непередбачених нахилах та поворотах призм та дозволяє використовувати газоаналізатор для різних задач аналітичного приладобудування.From" to the receiver is emitted 8. The signal at the output of the radiation receiver is proportional to the magnitude of the radiation stream falling on it. A measure of the concentration of the gas being analyzed is the change in radiation intensity when passing through the gas, which leads to a corresponding change in the signal at the output of the receiver. At the same time, the air 45 environment without the analyzed gas within the working spectral range is non-selective. i-th Light-emitting diodes, the emission bands of which are coordinated with the gas absorption bands, as well as lasers with a variable radiation frequency can be used as a radiation source. o A broadband pyroelectric receiver is used as a receiver. o 20 Compared to the prototype of the solution to be ordered, due to the use of a cuvette with a system of mirrors, made on the catenary faces of the BR-180 prisms, it provides high sensitivity and accuracy and does not lead to the dependence of the angles of propagation of rays in the cuvette at unforeseen inclinations and turns prism and allows you to use the gas analyzer for various tasks of analytical instrumentation.

Джерела інформації. 1. А. С. СССР Мо 1171699 кл. 501М21/61, 1985. в. 2. Патент Росії Мо 2134874, кл. 501М21/61, 1999.Sources. 1. AS USSR Mo 1171699 cl. 501М21/61, 1985. v. 2. Patent of Russia No. 2134874, cl. 501М21/61, 1999.

Claims

The formula of the invention

1. A device for measuring gas concentration containing a cuvette with a system of reflecting mirrors for directing optical radiation to the receiver, a collimator located at the entrance of optical radiation to the cuvette, a lens that focuses optical radiation on the receiver, an optical element that divides the radiation into two beams with optical paths of different lengths, which differs in that the system of mirrors is made on the catenary faces of BR-180 prisms, and the hypotenuse faces are located parallel to each other.

2. The device according to claim 1, which is characterized by the fact that the optical element is made as a translucent mirror plate.

5. Kk K-4. . . new Official Bulletin "Industrial Property". Book 1 "Inventions, useful models, topographies of integrated microcircuits", 2002, M 12, 15.12.2002. State Department of Intellectual Property of the Ministry of Education and Science of Ukraine. « cha Zo so (ze) with IS c) -

with . and? 1 name) (95) ге» SHY that 60 b5