Интерференционный газоанализатор
Интерференционный газоанализатор относится к области измерительной техники и может быть использован для количественного определения концентрации отдельных компонент в многокомпонентной газовой смеси. Задачей полезной модели является расширение технических характеристик и повышение точности определения концентрации вредных примесей в многокомпонентной газовой смеси за счет исследования сигналов, имеющих только одной природу происхождения. Технический результат, который может быть получен при использовании полезной модели, заключается в снижении восприимчивости газоанализатора к акустическим и вибрационным шумам, а также уменьшении помехозащищенности устройства. Поставленная задача достигается тем, что интерференционный газоанализатор содержит источник широкополосного оптического излучения, оптический фильтр, две кюветы с идентичными характеристиками: сравнительную с "нулевым" газом и измерительную с анализируемым газом, регистрирующее устройство. При этом в измерительную кювету с исследуемой газовой смесью добавлен микрометрический винт, а оптический фильтр представляет собой двояковыпуклую собирающую линзу, на входе которой установлена диафрагма с одной щелью, а на выходе - с двумя щелями, при этом регистрирующее устройство представляет собой двояковыпуклую собирающую линзу, установленную на выходе из кювет и окуляр. Разность показателей преломления анализируемого газа определяется относительно эталонного с известным показателем преломления. При этом характер расположения интерференционных полос позволяет определить сам газ, а сдвиг полос между верхними и нижними интерференционными полосами - его концентрацию. Использование одной природы исследуемых сигналов способствует снижению восприимчивости газоанализатора к акустическим и вибрационным шумам. Отсутствие зависимости от влияния внешних факторов делает процесс исследования и регистрации помехоустойчивым. Интерференционный газоанализатор может найти применение в системах контроля микроконцентраций аварийно опасных и отравляющих примесей, находящихся в воздухе. 1 илл.
Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для количественного определения концентрации отдельных компонент в многокомпонентной газовой смеси.
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 (Ж. Аш и др. Датчики измерительных систем. Книга 2. гл.19, с.403. М.: Мир, 1992.).
Известен построенный по такой схеме оптико-акустический газоанализатор ГИАМ (Д.Л. Бронштейн, Н.Н. Александров. Современные средства измерения загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1989, гл.3, с.147).
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.
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.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому эффекту к предлагаемому техническому решению является «Фототермоакустический газоанализатор» (Патент РФ на изобретение №2207546, G01N 21/61, опубл. 27.06.2003 г.).
Для снижения восприимчивости газоанализатора к акустическим и вибрационным шумам фототермоакустический газоанализатор содержит два оптических канала с идентичными источниками широкополосного оптического излучения и вычислительное устройство. В каждом канале на оптических осях источников установлены по три кюветы: в первом - фильтрационная, измерительная и регистрирующая, во втором - фильтрационная, сравнительная и регистрирующая. Через измерительную кювету прокачивают исследуемую газовую смесь, сравнительная заполнена "нулевым" газом, а обе регистрирующие - газом, концентрацию которого следует определить в составе исследуемой газовой смеси. Новым в устройстве являются дополнительно введенные генератор электрических импульсов, измеритель временных интервалов и две пары акустически согласованных между собой излучателей и приемников ультразвуковых колебаний. Последние расположены попарно внутри регистрирующих кювет. Техническим результатом является увеличение чувствительности и помехозащищенности устройства.
В данном 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.
Существенным недостатком данного газоанализатора является необходимость строгой идентичности источников широкополосных излучателей и фильтрационных кювет, расположенных сразу же после них для обеспечения высокой точности совпадения характеристик. Кроме того, точность измерения концентрации нахождения ВВ в воздушной среде зависит от характера нагрева газовой среды в кюветах, а также от идентичности акустических приемников. С другой стороны, многократное преобразование природы исследуемого сигнала: оптический, ультразвуковой, термический и, наконец, временные интервалы, также сказываются на точности измерения. Кроме того, газоанализатор предназначен для определения только одного вредного вещества, находящегося в воздушной среде, т.к. регистрирующие кюветы заполняются тем самым газом, концентрацию которого следует определить.
Устранить этот недостаток можно путем использования когерентных волн, у которых разность фаз колебаний не меняется со временем. При этом более целесообразным способом определения концентрации является интерференционный, а не фототермоакустический. При этом исследуемые сигналы представляют собой когерентные волны.
В теории интерференции оперируют не разностью фаз накладывающихся волн, а разностью хода их лучей.
Задачей полезной модели является расширение технических характеристик и повышение точности определения концентрации вредных примесей в многокомпонентной газовой смеси за счет исследования сигналов, имеющих только одной природу происхождения.
Технический результат, который может быть получен при использовании полезной модели, заключается в снижении восприимчивости газоанализатора к акустическим и вибрационным шумам, а также уменьшении помехозащищенности устройства.
Поставленная задача достигается тем, что интерференционный газоанализатор содержит источник широкополосного оптического излучения, оптический фильтр, две кюветы с идентичными характеристиками: сравнительную с "нулевым"
газом и измерительную с анализируемым газом, регистрирующее устройство. При этом в измерительную кювету с исследуемой газовой смесью добавлен микрометрический винт, а оптический фильтр представляет собой двояковыпуклую собирающую линзу, на входе которой установлена диафрагма с одной щелью, а на выходе - с двумя щелями, при этом регистрирующее устройство представляет собой двояковыпуклую собирающую линзу, установленную на выходе из кювет и окуляр.
Принципиальная схема интерференционного газоанализатора приведена на фиг.1, а на фиг.2 - система интерференционных полос, наблюдаемая в газоанализаторе,
где: 1 - широкополосный излучатель;
2 - диафрагма с одной щелью;
3 - двояковыпуклая собирающая линза;
4 - диафрагма с двумя щелями;
5 - сравнительная кювета с "нулевым" газом;
6 - измерительная кювета с анализируемым газом;
7 - микрометрический винт;
8 - двояковыпуклая собирающая линза;
9 - окуляр.
Интерференцию волн можно наблюдать только в том случае, если складывающиеся волны когерентны. Когерентными называются волны, у которых разность фаз колебаний не меняется со временем.
Интерференционный метод измерения основан на получении интерференционной картины от двух когерентных световых пучков, прошедших через две параллельные щели.
Источником света интерференционного газоанализатора служит широкополосный излучатель, который создает ярко освещенная щель S, от которой световая волна падает на две равноудаленные щели S1 и S 2, параллельные щели S (фиг.1). Таким образом, щели S 1 и S2 играют роль когерентных источников.
В теории интерференции оперируют не разностью фаз накладывающихся волн, а разностью хода лучей. Разность хода лучей и разность фаз колебаний - величины пропорциональные.
Введем понятие оптической длины пути как произведение геометрического
хода луча на абсолютный показатель преломления среды, в которой распространяется данный луч (т.е. расстояние, которое прошел бы свет в вакууме за то время, в течение которого свет идет в данном веществе)
где l - геометрическая длина пути (расстояние между источником света и той точкой, в которой рассчитывается интерференционная картина);
n - абсолютный показатель преломления среды. Он показывает, во сколько раз скорость света в данной среде меньше скорости света в вакууме:
Принцип работы интерференционного газоанализатора.
Пучок лучей от источника света со сплошным спектром (лампы накаливания) 1, пройдя через диафрагму 2 с одной щелью S, собирающую линзу 3 и диафрагму 4 с двумя щелями S1 и S2, разделяется на два канала.
Лучи выходят из линзы 4 параллельными лучами и окружены с ее обеих сторон одинаковой средой.
На пути лучей против щелей S1 и S2 устанавливаются две кюветы с идентичными характеристиками: сравнительную 5 с "нулевым" газом и измерительную 6 с анализируемым газом.
Возникают две спектральные интерференционные полосы, расположенных одна над другой, причем верхняя картина подвижная, нижняя - неподвижная (фиг.2).
В случае, когда кюветы заполнены одной и той же воздушной средой, т.е. разность хода между лучами от обеих щелей S1 и S2 равна нулю, то верхняя система полос совпадает с нижней (фиг.2, а).
Если в одной кювете оставить эталонную воздушную среду с показателем преломления n0, а в другую поместить исследуемую воздушную среду с показателем преломления n1 , то появится дополнительная разность хода
вследствие чего верхняя система полос сдвинется относительно нижней (фиг.2,б). Это смещение будет зависеть от разности показателей преломления сравниваемых воздушных сред (n1-n0).
Если на пути одного луча поместить микрометрический винт 7, выполненного в виде компенсационного клина переменной толщины 7 (фиг.1), вносящий дополнительную разность хода, то, передвигая клин, можно добиться того, что разность хода, даваемая клином, будет равна нулю и интерференционные полосы вернутся в исходное положение (фиг.2, а).
Микрометрический винт 7 проградуирован так, что поворот на одно деление изменяет разность хода на (1/30)
. Если смещение полос достигается поворотом винта на N делений, то разность хода, вносимая клином
Приравнивая уравнения 
и после небольших преобразований получим
Микрометрический винт интерференционного газоанализатора имеет две шкалы: неподвижную с 30 делениями и подвижную со 100 делениями. Поэтому вся шкала компенсации имеет 3000 делений.
Возникшая между интерферирующими лучами оптическая разность хода 
=(n1-n0)·l. Изменение разности хода приведет к сдвигу интерференционных полос. Этот сдвиг можно характеризовать величиной
которая показывает, на какую часть ширины интерференционной полосы сместилась интерференционная картина. Измеряя величину m при известных , n0 и l, можно вычислить или изменение nx, или изменение nx -n0.
В фокальной плоскости линзы 8 (F) создается система интерференционных полос, которая наблюдается с помощью окуляра 9 (фиг.1).
Порядок работы интерференционного газоанализатора.
1. Включить широкополосный излучатель (осветительную лампу) 1. В отсутствии кювет 5, 6 убедиться в совпадении верхних и нижних интерференционных полос. При этом микрометрический винт 7 должен занимать положение, соответствующее нулю делений по обеим шкалам.
2. Поместить кюветы 5, 6 в газоанализатор. При этом обе кюветы должны быть заполнены "нулевым" газом (азотом или чистым воздухом). Газоанализатор должен показать «ноль» прибора. Если нижние и верхние полосы смещены (фиг.2),
то необходимо возвратить их в исходное положение вращением микрометрического винта 7 и зафиксировать отсчет N 0. Это будет «ноль» прибора.
3. Заменить одну из кювет на кювету 6, через которую пропускают контролируемую газовую смесь (на фиг.1 эта кювета расположена справа).
4. С помощью микрометрического винта добиться совмещения верхних и нижних интерференционных полос.
5. Рассчитать показатели преломления исследуемой воздушной среды по формуле
6. По графику n=f(С), определить неизвестную концентрацию Cx. Если такого графика нет, то необходимо построить график n=f(С), повторив пункты 1-5 несколько раз и откладывая n по оси ординат, а С - по оси абсцисс.
Интерференционный газоанализатор позволяет измерять показатель преломления анализируемого газа очень малых концентраций с очень высокой точностью (до 1/1000000).
Таким образом, разность показателей преломления анализируемого газа определяется относительно эталонного с известным показателем преломления. При этом характер расположения интерференционных полос позволяет определить сам газ, а сдвиг полос между верхними и нижними интерференционными полосами - его концентрацию.
Использование одной природы исследуемых сигналов способствует снижению восприимчивости газоанализатора к акустическим и вибрационным шумам. Отсутствие зависимости от влияния внешних факторов делает процесс исследования и регистрации помехоустойчивым.
Интерференционный газоанализатор может найти применение в системах контроля микроконцентраций аварийно опасных и отравляющих примесей, находящихся в воздухе.
Интерференционный газоанализатор, содержащий источник широкополосного оптического излучения, оптический фильтр, две кюветы с идентичными характеристиками: сравнительную с "нулевым" газом и измерительную с анализируемым газом, регистрирующее устройство, отличающийся тем, что в измерительную кювету с исследуемой газовой смесью добавлен микрометрический винт, а оптический фильтр представляет собой двояковыпуклую собирающую линзу, на входе которой установлена диафрагма с одной щелью, а на выходе - с двумя щелями, при этом регистрирующее устройство представляет собой двояковыпуклую собирающую линзу, установленную на выходе из кювет и окуляр.
