Помехозащищенный оптико-электронный газоанализатор

Помехозащищенный оптико-электронный газоанализатор относится к аналитическому приборостроению и может быть использован для определения широкого диапазона газообразных веществ, содержащихся в воздухе в малых концентрациях.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение помехоустойчивости и разрешающей способности помехозащищенного оптико-электронного газоанализатора при сохранении широкого диапазона анализируемых веществ.

Поставленная задача решается за счет того, что помехозащищенный оптико-электронный газоанализатор содержит блок питания, лазер, декогерентор, оптическую кювету, спектральный элемент, оптическую систему, фотоприемник, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, цифроаналоговый преобразователь, отличающийся тем, что к выходу блока питания подсоединены: лазер, фотоприемник, усилитель, а к входу присоединен блок управления через цифроаналоговый преобразователь; к кювете, последовательно присоединены спектральный элемент, оптическая система, фотоприемник, усилитель аналого-цифровой преобразователь, блок управления; лазер, декогерентор и кювета соединены лучом проходящего света.

Помехозащищенный оптико-электронный газоанализатор относится к аналитическому приборостроению и может быть использован для определения широкого диапазона газообразных веществ, содержащихся в воздухе в малых концентрациях.

Известно техническое решение по патенту RU 2083959, МПК 6 G01J 3/42, от 21.03.95, опубликовано 10.07.97, бюллетень №19, «СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ МЕТОДОМ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ФУРЬЕ СПЕКТРОСКОПИИ» (2)

Изобретение относится к способам измерения концентраций газов в газовых средах методом абсорбционной спектроскопии, в частности, к способам измерения газовых примесей в атмосфере и контроля загрязнения окружающей среды. Способ корреляционной Фурье-спектроскопии включает измерение интенсивностей определенного набора компонент Фурье-спектра принимаемого излучения, причем значения Фурье - переменных измеряемых Фурье-компонент коррелируют с положениями максимумов и минимумов в Фурье-спектре спектра поглощения измеряемого газа, а принимаемое излучение анализируют только в диапазоне волновых чисел, где измеряемый газ имеет линии поглощения.

Недостатком этого метода является относительно невысокая чувствительность, поскольку для заметного поглощения излучения необходимо, чтобы концентрация искомого вещества была достаточно большой (не менее 0.001%).

Известно также техническое решение по патенту №2035717 от 01.06.92, опубликовано 20.05.95, бюллетень №14, МПК 6 G01N 21/61, «Корреляционный анализатор газов», который снабжен разделительным блоком, блоком выборки-сравнения и блоком управления, при этом выход блока приемника излучения соединен с входом разделительного блока, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первыми и вторыми входами блоков выборки-сравнения и обработки сигналов, выход блока выборки-сравнения через блок управления связан с управляющим входом разделительного блока, а его управляющий вход подключен к блоку синхронизации.

У такого анализатора низкая точность измерений обусловлена взаимной нестабильностью интенсивности излучения, падающего на анализируемую среду, и интенсивности излучения опорного излучателя.

Кроме того, данное устройство не позволяет в реальном масштабе времени определить наличие искомого вещества, если оно присутствует в газе, но его концентрация настолько мала, что не вызывает заметного поглощения

электромагнитного излучения на заданной длине волны, т.е. лежит ниже порога чувствительности прибора [1].

Наиболее близким по технической сути является техническое решение по патенту на спектральный газоанализатор ПМ 51744 з2005131258 от 27.02.06, бюллетень №6, содержащее блок питания, осветительный элемент, входной фотозатвор, оптическую кювету, приемник излучения, выходной фотозатвор, оптическую систему, фотоприемник, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, цифроаналоговый преобразователь [7].

Основным недостатком подобной схемы является ее сложность и незащищенность от внешних воздействий. В частности, даже небольшая рассинхронизация работы фотозатворов полностью выводит прибор из строя. Причиной этого является то, что система механических фотозатворов вносит погрешности в работу прибора из-за вибраций, а электронно-оптическая система нуждается в дорогой и сложной электронной системе синхронизации, чувствительной по отношению к любым внешним электромагнитным помехам. Кроме того, данная система не предназначена для работы в накопительном режиме.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение помехоустойчивости и разрешающей способности помехозащищенного оптико-электронного газоанализатора при сохранении широкого диапазона анализируемых веществ.

Поставленная задача решается за счет того, что помехозащищенный оптико-электронный газоанализатор содержит блок питания, лазер, декогерентор, оптическую кювету, спектральный элемент, оптическую систему, фотоприемник, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, цифроаналоговый преобразователь, отличающийся тем, что к выходу блока питания подсоединены: лазер, фотоприемник, усилитель, а к входу присоединен блок управления через цифроаналоговый преобразователь; к кювете, последовательно присоединены спектральный элемент, оптическая система, фотоприемник, усилитель аналого-цифровой преобразователь, блок управления; лазер, декогерентор и кювета соединены лучом проходящего света.

Предложенная схема помехозащищенного оптико-электронный газоанализатора, в котором используется оптическая кювета и блок управления, в состав программного обеспечения которого входит данные о спектральной характеристике анализируемого вещества и программа обработки сигнала, а также программа управления газоанализатором, позволяет создавать и анализировать спектр испускания, определенного вещества, как в существующем прототипе. Однако он является более

надежным в работе, поскольку не содержит сложной и недостаточно устойчивой в работе системы синхронизированных фотозатворов. Использование лазера в качестве осветительного элемента в прототипе позволяет эмулировать работу фотозатворов за счет выбора формы и продолжительности импульса. Импульсно-периодический режим работы лазера обеспечивает работу фотоприемника в накопительном режиме. Такой прибор имеет все достоинства прототипа, но более надежен и чувствителен по сравнению с ним. Однако использование лазера в качестве осветительного элемента имеет не только неоспоримые преимущества, но и очевидные недостатки. В частности, для достижения максимальной чувствительности прибора его необходимо настраивать на режим резонансной флуоресценции разыскиваемого вещества. Лазеры с перестраиваемой длиной волны позволяют осуществлять тонкую настройку прибора на поиск разыскиваемого вещества. Однако при этом возникает другая проблема. Молекулы искомого вещества действительно возбуждаются с наибольшей вероятностью при выполнении условия резонанса (совпадении частоты вынуждающего излучения с частотой соответствующего перехода в возбуждаемой молекуле). Однако в этом случае использование когерентного излучения для возбуждения молекул приводит к тому, что при девозбуждении молекул основную долю переходов составляют вынужденные переходы, а спонтанные переходы вносят лишь незначительный вклад в общее число переходов. Это приводит к тому, что вынужденное излучение направлено в ту же сторону, что и вынуждающее. Такая диаграмма направленности вынужденного электромагнитного излучения, возникающего при девозбуждении молекул искомого вещества, неоптимальна с точки зрения возможности его отделения от вынуждающего излучения при регистрации выходного сигнала. Для устранения этого недостатка необходимо использовать декогерентор - тонкую прозрачную пластинку, имеющую статистически неровную поверхность, масштаб случайно распределенных неоднородностей которой соизмерим с длиной волны лазера-осветителя. В этом случае удается сохранить все преимущества использования лазера в качестве осветительного элемента, и, одновременно, устранить проблему вклада вынужденных переходов, и, таким образом, расширить диапазон анализируемых веществ.

Действие прибора, как и в прототипе, основано на том, что спектральные линии каждого вещества имеют определенную ширину, а одновременно имитировать длину волны и ширину линии невозможно. Поэтому идентификация вещества производится с очень высокой степенью вероятности.

Возможность анализировать предлагаемым устройством спектры испускания позволяет обнаруживать искомые вещества даже в случае ничтожно малых концентраций, поскольку современные фотоприемники способны регистрировать буквально отдельные

фотоны.

Использование в устройстве блока управления специального программного обеспечения позволяет производить анализ состава газовой смеси за несколько секунд. Поэтому анализ состава газовой смеси может осуществляться в реальном масштабе времени.

Газоанализатор описанного типа имеет не слишком большие габариты и массу, и может выполняться как в стационарном, так и в переносном варианте.

Техническим результатом предложенного технического решения является создание помехозащищенного оптико-электронного газоанализатора, работающего в режиме высокой чувствительности для широкого круга анализируемых веществ за счет введения декогерентора.

На чертеже изображена блок-схема спектрального газоанализатора, где блок питания 1, лазер 2, декогерентор 3, оптическая кювета 4, спектральный элемент 5, оптическая система 6, фотоприемник 7, усилитель 8, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9, блок управления 10, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 11.

Спектральный газоанализатор выполнен следующим образом. К выходу блока питания 1 подсоединены: лазер 2, фотоприемник 7, усилитель 8, а к входу присоединен блок управления 10 через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 11. Лазер 2, декогерентор 3 и кювета 4 соединены лучом проходящего сквозь них света.

К кювете 4, последовательно присоединены спектральный элемент 5, оптическая система 6 для передачи анализируемого сигнала на фотоприемник 7, позволяющий регистрировать излучаемый оптический сигнал в заранее заданном спектральном диапазоне, усилитель 8 электрического сигнала, поступающего с фотоприемника 7, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9, блок управления 10, в состав программного обеспечения которого входит база данных о спектральных характеристиках анализируемых веществ, а также программа управления газоанализатором.

Помехозащищенный оптико-электронный газоанализатор работает следующим образом.

Действие данного устройства основано на использовании в блоке управления принципа двойственности (Ю.Л.Ратис, 1984 г.) для численного преобразования Фурье (см. [4] - [6]). Согласно принципу двойственности при численном или аппаратном интегрировании функций, имеющих острые пики (например, спектральные линии или полосы в спектре излучения или поглощения), необходимо рассматривать задачу распознавания образа (сигнала) одновременно, как для самой функции, так и для ее Фурье-образа. Поскольку дельта-пик в координатном пространстве превращается в

функцию-подложку в Фурье-сопряженном пространстве и наоборот, постольку одновременный численный или аппаратный анализ, как самой функции, так и ее Фурье-образа, позволяет минимизировать вероятность ошибки идентификации вещества за счет определения качественного состава газовой смеси по спектрам излучения, а также повышению его точности и чувствительности.

Вначале блок управления 10 через ЦАП 11 и блок питания 1 осуществляет кратковременное включение лазера 2. В результате импульсного освещения оптической кюветы 4 через декогерентор 3 часть атомов и молекул, входящих в состав анализируемой газовой смеси, переходит в возбужденное состояние.

При девозбуждении эти атомы и молекулы испускают электромагнитное излучение в инфракрасном, видимом и, в некоторых случаях, в ультрафиолетовом диапазоне, которое поступает в спектральный элемент 5, где осуществляется разложение сформировавшегося в оптической кювете 4 светового импульса в спектр.

После этого через оптическую систему 6 световой импульс поступает в фотоприемник 7.

После оптико-электрического преобразования электрический сигнал поступает в усилитель 8, из которого сигнал через АЦП 9 поступает в блок управления 10 для цифровой обработки информации.

Блок управления 10 производит обработку входного сигнала с помощью алгоритма, использующего принцип двойственности, и выдает информацию о химическом составе исследуемой газовой смеси.

Система спектральных окон строится с учетом того факта, что многие молекулярные соединения имеют достаточно долгоживущие уровни в инфракрасном, оптическом и даже в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Для спектрального диапазона _ii+_i выходной сигнал регистрируется детектором, где - циклическая частота электромагнитного излучения, испускаемого атомами и молекулами вещества, находящегося в оптической кювете 4, _i - наименьшая циклическая частота для i-го канала (спектрального диапазона), _i - ширина спектрального окна.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Д.В.Сивухин, Общий курс физики, т.4. Оптика, М.: «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1980, 752 с.

2. RU 2083959, МПК 6 G01J 3/42, от 21.03.95, опубл. 10.07.97, бюл. №19, «СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ МЕТОДОМ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ФУРЬЕ-СПЕКТРОСКОПИИ» (2)

3. RU №2035717 от 01.06.92, опубл. 20.05.95 бюл. №14, МПК 6 G01N 21/61, «Корреляционный анализатор газов»

4. Ю.Л.Ратис, М.Л.Каляев Коллективные явления в жаростойких покрытиях при тепловом ударе, Деп. ВИНИТИ, №6594-84, от 08.10.1984 г.,

5. Ю.Л.Ратис, В.В.Столяр, Обобщенная модель Калецкого для описания экономики больших городов, Рыночная экономика. Состояние, проблемы, перспективы. Отделение экономики РАН, МИР, Самара, 1998, 6 с.

6. Yu.L.Ratis, G.I.Leonovich, A.Yu.Melnikov, Light flux diffraction of fiber - optical and optical electronic transducers of mechanical displacement. Proceedings of SPIE, volume 3348, Computer and Holographic Optics and Image Processing, 1997, p.336

7. Г.Ю.Ратис, Н.Н.Коньков, Патент РФ ПМ 51744 з2005131258 от 27.02.06, бюллетень №6

Помехозащищенный оптико-электронный газоанализатор, содержащий блок питания, лазер, декогерентор, оптическую кювету, спектральный элемент, оптическую систему, фотоприемник, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, цифроаналоговый преобразователь, отличающийся тем, что к выходу блока питания подсоединены: лазер, фотоприемник, усилитель, а к входу присоединен блок управления через цифроаналоговый преобразователь; к кювете последовательно присоединены спектральный элемент, оптическая система, фотоприемник, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок управления; лазер, декогерентор и кювета соединены лучом проходящего света.