Многокомпонентный анализатор веществ

 

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано для контроля концентраций газообразных и жидких веществ, а также спектрального поглощения в твердых твэлах. Цель изобретения - снижение предела обнаружения. Излучение источника модулируется дискретно по спектру, пропускается через объем с анализируемым веществом и подается на приемник излучения. При этом на приемник излучения поочередно пропускаются пучки излучения с опорной и рабочими длинами волн, а также темновое излучение модулятора. На выходе блока приемника излучения сигналы, пропорциональные этим потокам, разделяются и отдельно накапливаются. Формируются разностные сигналы, пропорциональные разности рабочих и опорного сигналов. Измеряются отношения этих разностных сигналов к сигналу, пропорциональному разности опорного сигнала, сигнала темнового промежутка. Изобретение позволяет снизить предел обнаружения более чем в 70 раз за счет исключения из состава устройства блока фиксации нулевого уровня, создающего шум. 7 ил.

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано для контроля концентраций газообразных и жидких веществ, а также спектрального поглощения в твердых телах. Известен многокомпонентный анализатор веществ, содержащий оптически связанные источник излучения, рабочую кювету, модулятор, выполненный в виде вращающегося диска с расположенными на нем фильтрами, один из которых является опорным, и приемник излучения, а также блок электронной обработки сигналов. Недостатком такого анализатора является низкая точность измерений. Известен многокомпонентный анализатор веществ, содержащий оптически связанные источник излучения, спектральный источник излучения, спектральный модулятор, включающий блок расположенных по кругу оптических фильтров, разделенных темновыми промежутками, и выполненный с возможностью поочередного пропускания через эти фильтры излучения источника, кювету для размещения анализируемых веществ, фокусирующую систему и блок приемника излучения, а также блок синхронизации, связанный с модулятором, фиксатор уровня, электронный коммутатор с n+1 выходами, управляющий вход которого связан с блоком синхронизации, блок из n+1 накопителей, включающий накопители по меньшей мере двух рабочих и опорного сигналов, блок обработки, включающий по меньшей мере два делителя аналоговых сигналов, первые входы которых связаны с выходом накопителя опорного сигнала, а вторые входы - соответственно с выходами конкретных накопителей рабочих сигналов, и по меньшей мере два делителя аналоговых сигналов, первые входы которых связаны с выходами вычитающих элементов, а также блок вторичной обработки. Недостатком этого устройства является высокий предел обнаружения, обусловленный использованием фиксатора уровня, создающего шум. Цель изобретения - снижение предела обнаружения. На фиг. 1 представлена блок-схема многокомпонентного анализатора вещества; на фиг. 2 - спектральный модулятор, содержащий оптические фильтры, общий вид; на фиг. 3 -7 - временные диаграммы, поясняющие работу анализатора. Многокомпонентный анализатор веществ содержит оптически связанные источник 1 излучения, спектральный модулятор 2, включающий в качестве селектирующих элементов расположенные по кругу оптические фильтры, разделенные темновыми промежутками, и выполненный с возможностью поочередного пропускания через эти фильтры излучения источника, кювету 3 для размещения анализируемых веществ, фокусирующую систему 4 и блок 5 приемника излучения, в выходном каскаде которого может располагаться усилитель, а также связанный с модулятором блок 6 синхронизации и связанные последовательно с выходом блока 5 приемника излучения электронный коммутатор 7, управляющий вход которого связан с блоком 6 синхронизации, блок 8 накопителей, включающий накопители по меньшей мере двух рабочих сигналов 9 и 10, опорного сигнала 11 и сигнала 12 темнового промежутка соответственно, блок 13 обработки, включающий по меньшей мере два вычитающих элемента 14 и 15, первые входы которых связаны с выходом накопителя 11 опорного сигнала, а вторые входы - с выходами конкретных накопителей 9, 10 рабочих сигналов, опорный вычитающий элемент 16, входы которого связаны с выходами накопителей 11 и 12 опорного сигнала и сигнала темнового промежутка, и по меньшей мере два делителя 17 и 18 аналоговых сигналов, первые входы которых связаны с выходами вычитающих элементов 14, 15, а вторые - с выходом опорного вычитающего элемента 16, а также блок 19 вторичной обработки, входы которого связаны с выходами делителей аналоговых сигналов. Спектральный модулятор (фиг. 2) содержит опорный оптический фильтр 20, рабочие оптические фильтры 21, расположенные по кругу через темновые промежутки 22. Многокомпонентный анализатор веществ работает следующим образом. Излучение от источника 1 модулируется по спектру спектральным модулятором 2. В модуляторе в качестве селектирующих элементов используются узкополосные оптические фильтры, установленные таким образом, чтобы обеспечить поочередное пропускание через них излучения источника. Для этого оптические фильтры 20, 21 (фиг. 2) один из которых опорный (полоса его пропускания не совпадает с полосами поглощения измеряемых компонентов, находящихся в анализируемой смеси) и по меньшей мере два рабочих (полосы пропускания которых совпадают с полосами поглощения выбранных для анализа компонентов), располагаются по кругу через темновые промежутки 22, не прозрачные для излучения источника протяженности А которых не меньше протяженностей Б фильтров. При этом протяженность по крайней мере одного из темновых промежутков между соседними фильтрами не меньше трех протяженностей Б фильтров. Количество рабочих фильтров соответствует количеству определяемых компонентов в смеси. Модуляция осуществляется, например, путем вращения блока с оптическими фильтрами, путем вращения зеркальных призм в створе жестко закрепленных фильтров, путем вращения дискового модулятора с одним вырезом перед или за фильтрами и т. д. При помощи спектрального модулятора 2, пучки излучения различных (заранее определенных фильтрами) длин волн поочередно пропускаются через анализируемую смесь, помещенную в кювету 3 для размещения анализируемого вещества, и фиксирующей системой 4 направляются на фотоприемник, входящий в состав блока 5 приемника излучения, в выходном каскаде которого может располагаться усилитель. С выхода блока 5 приемника излучения электрический сигнал U_вых5, форма которого (без шумовой составляющей) при использовании одного опорного и двух рабочих фильтров показана на фиг. 3, подается на вход электронного коммутатора 7, управляемого сигналами, формируемыми в блоке 6 синхронизации, связанном с модулятором 2. В зависимости от управляющих сигналов, подаваемых на коммутатор 7, поступающие на его информативный вход сигналы пропускаются на определенные выходы и далее подаются на входы соответствующих накопителей, расположенных в блоке 8 накопителей. Таким образом, с помощью электронного коммутатора 7 на входы накопителей 9 и 10 рабочих сигналов подаются сигналы U_вх9 и U_вх10 (форма их показана соответственно на фиг. 4, 5), возникающие на выходе блока 5 приемника излучения, при прохождении излучения источника соответственно через первый и второй рабочие фильтры, на вход накопителя 11 опорного сигнала пропускаются сигналы U_вх11 (фиг. 6), имеющие место на выходе блока 5 приемника излучения, при прохождении излучения источника через опорный фильтр, а на вход накопителя 12 сигнала темнового промежутка, подающего сигналы U_вх12 (фиг. 7), имеющие место на выходе блока 5 приемника излучения, когда на него не проходит излучение источника (задерживается темновым промежутком, протяженность которого не меньше трех протяженностей фильтра). При этом блок 6 синхронизации может быть выполнен любым известным способом, например, с использованием специальных вырезов синхронизации на модуляторе и опорных оптопар, размещенных против этих вырезов. Выходные постоянные напряжения накопителей 9-12, уровни которых пропорциональны подаваемым на их входы сигналам, подаются на входы вычитающих элементов 14, 15 и опорного вычитающего элемента 16. В результате независимо от первоначального уровня постоянной составляющей промодулированного сигнала на выходах вычитающих элементов 14 и 15 присутствуют сигналы, уровни которых пропорциональны разности потоков излучения, прошедших через опорный фильтр и через рабочие фильтры. При этом, если поглощение излучения анализируемым веществом на длинах волн рабочих фильтров отсутствует, то на выходе вычитающих элементов 14 и 15 постоянное напряжение устанавливается равным нулю, что соответствует нулевой концентрации измеряемого компонента в анализируемой смеси. На выходе опорного вычитающего элемента 16, в котором происходит вычитание из постоянного напряжения, имеющего место на выходе накопителя 11 опорного сигнала, постоянного выходного напряжения накопителя 12, возникает постоянное напряжение, уровень которого пропорционален потоку, прошедшему через опорный фильтр. Таким образом, на выходах делителей 17 и 18 аналоговых сигналов, в которых осуществляется деление выходных сигналов вычитающих элементов 14 и 15 (несущих информацию о концентрациях анализируемых компонентов в смеси) на сигнал, пропорциональный потоку, пропущенному через опорный фильтр, получаются постоянные напряжения, уровни которых пропорциональны концентрациям анализируемых компонентов. В блоке 19 вторичной обработки эти выходные сигналы делителей могут измеряться, дополнительно обрабатываться, а также преобразовываться в другие сигналы, например в такие, которые могут управлять технологическими процессами. Изобретение позволяет снизить предел обнаружения более чем в 70 раз за счет исключения из состава устройства блока фиксации нулевого уровня, создающего шум.

Формула изобретения

МНОГОКОМПОНЕНТНЫЙ АНАЛИЗАТОР ВЕЩЕСТВ, содержащий оптически связанные источник излучения, спектральный модулятор, включающий блок расположенных по кругу оптических фильтров, разделенных темновыми промежутками, и выполненный с возможностью поочередного пропускания через эти фильтры излучения источника, кювету для размещения анализируемых веществ, фокусирующую систему и блок приемника излучения, а также связанный с модулятором блок синхронизации и связанные последовательно электронный коммутатор с n+1 выходами, управляющий вход которого связан с блоком синхронизации, блок из n+1 накопителей, включающий накопители по меньшей мере двух рабочих и опорного сигналов,блок обработки, включающий по меньшей мере два вычитающих элемента, первые входы которых связаны с выходом накопителя опорного сигнала, а вторые входы - соответственно с выходами конкретных накопителей рабочих сигналов, и по меньшей мере два делителя аналоговых сигналов, первые входы которых связаны с выходами вычитающих элементов, а также блок вторичной обработки, отличающийся тем, что, с целью снижения предела обнаружения, блок накопителей дополнительно содержит (h+2)-й накопитель сигнала темнового промежутка, блок обработки дополнительно содержит опорный вычитающий элемент, входы которого подключены к соответствующим выходам накопителей опорного сигнала и сигнала темнового промежутка, а выход - к объединенным между собой вторым входам делителей аналоговых сигналов, выход блока приемника излучения подключен к входу электронного коммутатора, дополнительный (h+2)-й выход которого подключен к входу накопителя сигнала темнового промежутка, при этом протяженность по крайней мере одного из темновых промежутков модулятора между расположенными по кругу соседними оптическими фильтрами выбрана не меньше трех протяженностей фильтра, где n - количество анализируемых компонентов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 32-2000

Извещение опубликовано: 20.11.2000        

---