Устройство для измерения концентрации газа

 

Изобретение относится к области спектроскопии и может быть использовано для определения концентрации газа оптическим методом. Устройство содержит кювету с системой отражающих зеркал для направления оптического излучения на фотоприемник, коллиматор, помещенный на входе оптического излучения в кювету, и объектив, фокусирующий оптическое излучение на фотоприемник. В устройство введен оптический элемент, разделяющий оптическое излучение на два пучка, направляемых на фотоприемник оптическими путями разной длины. Оптический элемент может быть выполнен в виде полупрозрачного зеркала с возможностью его снятия или замены или в виде бипризмы. Техническим результатом является расширение диапазона измерений при сохранении требуемой точности. 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к области спектроскопии и может быть использовано для определения концентрации газа оптическим методом.

Известно устройство, в котором оптическое излучение направляется на плоскость, покрытую пленкой, отражательная способность которой зависит от концентрации контролируемого газа. Мощность отраженного от пленки излучения фиксируется, и по ее изменению определяют концентрацию контролируемого газа в газовой смеси, имеющей контакт с пленкой [1].

Недостатком данного устройства является его инерционность, технологические трудности при изготовлении отражающих пленок с заданными характеристиками, малая селективность измеряемых газов.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для измерения концентрации газа [2], содержащее кювету с системой отражающих зеркал для направления оптического излучения на фотоприемник, коллиматор, помещенный на входе оптического излучения в кювету, объектив, фокусирующий оптическое излучение на фотоприемник.

Работа известного устройства основана на том, что начальная мощность светового сигнал I_o при прохождении через смесь газа становится равной I: I = I_oe^-Lc где - показатель поглощения газа, концентрация которого измеряется; L - длина оптического пути света в газовой смеси; c - концентрация измеряемого газа.

Т. е. , контролируя начальную I_o и конечную I мощность оптического излучения и зная длину оптического пути света в газовой среде и показатель поглощения контролируемого газа, концентрацию контролируемого газа можно определить по формуле: Откуда видно, что чувствительность канала при концентрации C ---> O пропорциональна L, т.е. зависит от длины пути света в газовоздушной смеси. В частности, для концентрации C =100 чувствительность максимальна при L = 1 и равна т.е. при изменении концентрации на 1% изменение I = I_o3,710^-3. Таким образом, чтобы реализовать необходимую чувствительность в диапазоне концентраций порядка 100% для оптимального оптического пути необходимо регистрировать оптическое излучение с точностью порядка 0,001 I_o. Однако при такой чувствительности регистрирующего прибора измерение концентрации метана с заданной точностью в начале диапазона потребует значительного увеличения оптического пути. Т.е. для определения концентрации примеси с требуемой точностью необходимо иметь несколько приборов либо прибор со сменными кюветами, что приведет к определенным трудностям при проведении измерений.

Эффективность устройства для случая N=2, L = 1, L = 20 иллюстрируется фиг. 1.

На этом чертеже кривая 1 отражает изменение мощности оптического излучения, проходящего через кювету с газом при значении L = 1, кривая 2 - при L = 20.
Достаточно высокий диапазон измерений при заданной точности достигается заявляемым устройством, содержащим кювету с системой отражающих зеркал для направления оптического излучения на фотоприемник, коллиматор, помещенный на входе оптического излучения в кювету, объектив, фокусирующий оптическое излучение на фотоприемник.

Устройство отличается тем, что оно выполнено с возможностью введения оптического элемента, разделяющего оптическое излучение на два пучка, направляемых на фотоприемник оптическими путями разной длины, или зеркала со 100%-ным отражением.

Кривая 3 на фиг. 1 отражает зависимость мощности проходящего через кювету оптического излучения от концентрации анализируемого газа для заявляемого устройства при разделении оптического излучения на два (равных по мощности) потока, для одного из которых L = 1, а для другого - L = 20.
Возможности устройства-прототипа и заявляемого устройства сравнены в таблице.

Устройство, представленное на фиг. 2, состоит из кюветы 4, с системой отражающих зеркал 5, источника излучения 6, коллиматора 7, объектива 8, фотоприемника 9 и оптического элемента 10. Оптический разделительный элемент 10 может быть выполнен в виде полупрозрачного зеркала или бипризмы. Устройство может быть выполнено с возможностью введения зеркала со 100%-ным отражением, что при больших значениях показателя поглощения (L 1) дает максимальную чувствительность в области высоких концентраций (C ---> 100%).

Источники информации
1. Nulander C. , Leidberg B., Lind T. "Sensors and Actuators", U. 3, 1982/1983, p. 79-88.

2. Jnaba H. , Kobayshi T., Hirama M. "Optical fiber network Sysmen for air pollution monitoring over a wide area of optical absorption method". "Elect. Zett. 15 (23), 1979, p. 749 - 751.

Формула изобретения

Устройство для измерения концентрации газа, содержащее кювету с системой отражающих зеркал для направления оптического излучения на фотоприемник, коллиматор, помещенный на входе оптического излучения в кювету, объектив, фокусирующий оптическое излучение на фотоприемник, отличающееся тем, что устройство выполнено с возможностью введения оптического элемента, разделяющего оптическое излучение на два пучка, направляемых на фотоприемник оптическими путями разной длины, или зеркала со 100%-ным отражением.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3