Корреляционный анализатор газов

 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано для измерения концентраций газообразных веществ. Сущность изобретения: корреляционный газоанализатор 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. 3 ил.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано для измерения концентраций газообразных веществ.

Известен корреляционный анализатор газов, содержащий модулятор, корреляционную кювету, нейтральный ослабитель, оптическую систему, фотоприемник и связанный с его выходом блок выделения электрического сигнала, пропорционального разности потоков излучения, прошедшего через корреляционную кювету и нейтральный ослабитель.

Недостатками этого анализатора являются низкая чувствительность, обусловленная необходимостью установки коэффициента пропускания нейтрального ослабителя меньше единицы, и низкая точность измерений из-за двойственности показаний, обусловленной экстремумом на градуировочной характеристике анализатора, и их зависимости от интенсивности падающего излучения.

Известен также корреляционный анализатор газов, содержащий двухлопастный модулятор, устройство балансировки светового потока, объектив, оптический фильтр, фотоприемник и связанный с его выходом блок регистрации суммарно-разностного сигнала.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерений, обусловленная неоднозначностью показаний, связанной с наличием экстремума на градуировочной характеристике анализатора, и их зависимостью от интенсивности падающего на анализируемую среду излучения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является корреляционный анализатор газов, содержащий оптически связанные модулятор, блок опорного излучателя, корреляционную и сравнительную кюветы, оптическую систему и фотоприемник, последовательно соединенные усилитель, синхронный фильтр, детектирующий блок и вторичное устройство, а также блок синхронизации, при этом выход фотоприемника соединен с входом усилителя, а управляющие входы синхронного фильтра и детектирующего блока через блок синхронизации связаны с модулятором.

Недостатком такого анализатора также является низкая точность измерений, обусловленная взаимной нестабильностью интенсивности излучения, падающего на анализируемую среду, и интенсивности излучения опорного излучателя.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерений.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в корреляционный анализатор газов, содержащий оптически связанные модулятор, корреляционную и сравнительную кюветы, оптическую систему и блок приемника излучения, а также блок синхронизации и блок обработки сигналов, управляющий вход которого через блок синхронизации связан с модулятором, введены разделительный блок, блок выборки-сравнения и блок управления, при этом первый выход разделительного блока соединен с первыми входами блока выборки-сравнения и блока обработки сигналов, второй выход разделительного блока соединен с вторыми входами блока выборки-сравнения и блока обработки сигналов, управляющий вход блока выборки-сравнения подключен к блоку синхронизации, а выход блока выборки-сравнения через блок управления связан с управляющим входом разделительного блока, вход которого подключен с выходу блока приемника излучения.

На фиг.1 представлена структурная схема корреляционного анализатора газов; на фиг.2 показаны графики, поясняющие работу анализатора; на фиг.3 представлена структурная схема одного из вариантов выполнения блока обработки сигналов.

Анализатор газов (фиг.1) содержит оптически связанные модулятор 1, блок 2 опорного излучателя, корреляционную 3 и сравнительную 4 кюветы, оптическую систему 5 и блок 6 приемника излучения, а также разделительный блок 7, блок 8 выборки-сравнения, блок 9 синхронизации, блок 10 управления и блок 11 обработки сигналов. Выход блока 6 приемника излучения соединен с входом разделительного блока 7, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первыми и вторыми входами блока 8 выборки-хранения и блока 11 обработки сигналов. Выход блока выборки-хранения через блок 10 управления связан с управляющим входом разделительного блока 7, а управляющие входы блока выборки-сравнения и блока 11 обработки сигналов через блок 9 синхронизации связаны с модулятором 1.

Корреляционный анализатор газов работает следующим образом.

Основное излучение от искусственного или естественного источника, прошедшее через анализируемый газ, находящийся в открытом или замкнутом пространстве, с помощью модулятора 1 поочередно пропускается через корреляционную 3 и сравнительную 4 кюветы. Дополнительное излучение, формируемое в блоке 2 опорного излучателя (минуя анализируемый газ), также посредством модулятора 1 поочередно пропускается через те же корреляционную и сравнительную кюветы, чередуясь при этом с основным излучением. Корреляционная кювета 3 заполняется газом, аналогичным измеряемому компоненту в анализируемой смеси, а сравнительная кювета 4 заполняется чистым воздухом или газом, не поглощающим излучение в рабочем интервале длин волн.

Пучки прошедшего через кюветы излучения оптической системой 5, в которой при необходимости может осуществляться его оптическая фильтрация с выделением требуемого спектрального интервала, направляются на приемную площадку фотоприемника, расположенного в блоке 6 приемника излучения, который помимо самого фотоприемника может содержать усилитель, повторитель напряжения и другие узлы, необходимые для его согласования с последующими каскадами электронной схемы. При этом форма оптического сигнала, попадающего на фотоприемник, может иметь вид, показанный на фиг.2, где _Ос, _Ок, _Дс и _Дк потоки основного и дополнительного излучений, прошедших соответственно через сравнительную и корреляци- онную кюветы.

Электрический сигнал, представляющий собой смесь полезного сигнала и шума, с выхода блока 6 приемника излучения подается на вход разделительного блока 7. Разделительный блок может быть выполнен, например, в виде двух включенных по входам усилителей, по меньшей мере один из которых представляет собой усилитель с автоматической регулировкой усиления по сигналу, поступающему на его управляющий вход. Таким образом, на выходах разделительного блока создаются два электрических сигнала, напоминающих по форме подаваемый на фотоприемник оптический сигнал. Эти два сигнала одновременно поступают на первые и вторые входы блока 8 выборки-сравнения и блока 11 обработки сигналов.

В блоке выборки-сравнения обеспечивается раздельное накопление сигналов, пропорциональных потокам основного и дополнительного излучений, прошедших соответственно только через корреляционную или только через сравнительную кювету, и осуществляется их сравнение (например, посредством вычитающего устройства, размещаемого в выходном каскаде блока выборки-сравнения) с получением на его выходе сигнала рассогласования. Этот сигнал рассогласования подается на вход блока 10 управления, выполненного, например, в виде компаратора и управляющего работой разделительного блока таким образом, чтобы на выходе блока выборки-сравнения сигнал рассогласования поддерживался равным нулю, т.е. чтобы обеспечивалось равенство сигналов, пропорциональных потокам основного и дополнительного излучений, прошедших соответственно или через корреляционную, или через опорную кювету.

Возможен вариант, когда в блоке 8 выборки-сравнения сигналы, пропорциональные потокам основного и дополнительного излучений, прошедших через одну и ту же кювету, сравниваются не между собой, а каждый из них сравнивается с одним и тем же эталонным высокостабильным напряжением. При этом создаются два сигнала рассогласования, каждый из которых посредством блока управления воздействует на разделительный блок таким образом, чтобы также обеспечить равенство сигналов, пропорциональных потокам основного и дополнительного излучений, прошедших через одну и ту же кювету. В этом случае помимо уравнивания выделенных сигналов обеспечивается нормировка выходных сигналов разделительного блока, т.е. без проведения дополнительной нормировки измеряемого сигнала в блоке 11 обработки сигналов исключается влияние на результат анализа не только взаимной нестабильности потоков основного и дополнительного излучений, но и общего изменения интенсивности модулируемых излучений.

Для обеспечения синхронного с модуляцией потоков излучения выделения в блоке выборки-сравнения требуемых для накопления сигналов в блоке 9 синхронизации, связанном с модулятором, формируются управляющие синхроимпульсы, которые подаются на управляющий вход блока 8.

В блоке 11 обработки сигналов из выходных сигналов разделительного блока формируется сигнал, дающий информацию о концентрации определяемого компонента в анализируемой смеси, и при необходимости обеспечивается его регистрация.

Блок 11 обработки сигналов, представленный на фиг.3, содержит блок 12 коммутации, первый 13 и второй 14 накопители, вычитающее устройство 15 и регистратор 16. Первый и второй входы вычитающего устройства 15 через входы-выходы первого 13 и второго 14 накопителей связаны соответственно с первым и вторым выходами блока 12 коммутации.

Обработка сигналов в блоке 11, приведенном на фиг.3, осуществляется следующим образом.

Электрические сигналы с первого и второго выходов разделительного блока, подаваемые в блок обработки сигналов, поступают на первый и второй входы блока 12 коммутации. Этот блок представляет собой набор входных и выходных ключей, управляемых выходными импульсами блока 9 синхронизации таким образом, чтобы обеспечить подачу в первый накопитель 13 сигналов, пропорциональных _Ок и _Дс, причем поступающих с разных выходов разделительного блока, а во второй накопитель 14 сигналов, пропорциональных _Ос и _Дк, также поступающих с разных выходов разделительного блока, причем сигналы, пропорциональные потокам одного и того же излучения, должны подаваться в накопители с одного и того же выхода разделительного блока (например, если в накопитель 13 подается сигнал, пропорциональный _Ок, с первого выхода разделительного блока, то в этот же накопитель должен подаваться сигнал, пропорциональный _Дс, с второго выхода разделительного блока, при этом в накопитель 14 с первого выхода разделительного блока должен подаваться сигнал, пропорциональный _Ос, а с второго его выхода пропорциональный _Дк). Такую работу блока коммутации можно обеспечить, например, при формировании оптического сигнала в последовательности, показанной на фиг.2, путем переключения его входных ключей на удвоенной частоте, а выходных на частоте модуляции оптического сигнала.

С выходов первого и второго накопителей электрические сигналы, пропорциональные соответственно _Ок + _Дс и _Ос + _Дк, подаются на входы вычитающего устройства 15, выходной разностный сигнал которого пропорционален (_Ок + _Дс) (_Ос + +_Дк).

Выходной сигнал вычитающего устройства при необходимости нормируется на любой из выделяемых сигналов и измеряется регистратором 16 или направляется на управление вторичными устройствами.

При отсутствии определяемого компонента в анализируемом газе и автоматическом уравнивании сигналов, пропорцио- нальных потокам основного и дополнительного излучений, прошедших через одну и ту же кювету, выходной измеряемый сигнал устанавливается равным нулю.

Если в анализируемом газе появляется определяемый компонент, аналогичный находящемуся в корреляционной кювете, но он ведет к ослаблению потока основного излучения, проходящего по каналу сравнительной кюветы, так как в канале корреляционной кюветы основное излучение заведомо ослаблено газом, находящимся в ней. Таким образом, на выходе анализатора появляется сигнал, зависящий от уровня изменения _Ос, т.е. сигнал, определяемый концентрацией измеряемого компонента в анализируемом газе. При этом обеспечение в предлагаемом анализаторе газов описанного выше автоматического уравнивания сигналов, пропорциональных потокам основного и дополнительного излучений, позволяет исключить влияние взаимной нестабильности интенсивности этих излучений, т.е. обеспечивает достижение поставленной цели повышение точности измерений.

Формула изобретения

КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗАТОР ГАЗОВ, содержащий оптически связанные модулятор, корреляционную и сравнительную кюветы, оптическую систему и блок приемника излучения, а также блок синхронизации и блок обработки сигналов, управляющий вход которого через блок синхронизации связан с модулятором, отличающийся тем, что в него введены блок опорного излучателя, оптически связанный с модулятором, а также разделительный блок, блок выборки-сравнения и блок управления, при этом выход блока приемника излучения соединен с входом разделительного блока, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первыми и вторыми входами блока выборки-сравнения и блока обработки сигналов, выход блока выборки-сравнения через блок управления связан с управляющим входом разделительного блока, а его управляющий вход подключен к блоку синхронизации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3