Способ определения качественного и количественного состава среды

 

Назначение: изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для определения качественного и количественного состава газовых смесей, образуемых в результате жизнедеятельности организмов или выделяемых в процессе работы различных устройств. Оно решает задачу повышения точности измерений концентраций компонентов среды. Сущность: на среду, прозрачную для оптического излучения , поочередно воздействуют N пучками оптического излучения, каждому из которых соответствует своя спектральная полоса, преобразуют излучение, прошедшее через среду, в электрические сигналы и измеряют амплитуды этих сигналов, одновременно с каждым из упомянутых пучков на среду дополнительно воздействуют п пучками излучения . Идентичными упомянутым, значения п определяют из следующих условий N-2 n и Nfn+2) - целое число, причем комбинации пучков, одновременно воздействующих на среду, выбирают из ряда, полученного путем составления из последовательности номеров пучков всех возможных сочетаний без повторений из (п+2) по (п+1), а концентрации компонентов среды определяют по определенным формулам. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з 6 01 N 21/61 21/39

ГОСУДАРСТВЕН-ЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ /

К ПАТЕНТУ (21) 4936959/25 (22) 20.05.91 (46) 30.05.93, Бюл, N. 20 (71) Физико-технический институт им. А,Ф.Иоффе и Хозрасчетный центр научно-технических услуг (72) И.И.Марков, Б.А.Матвеев и А.А.Тарасова (73) Физико-технический институт им, А.Ф.Иоффе РАН и Хозрасчетный центр научно-технических услуг (56) Оптико-акустический гаэоанализатор

АО 2109-2309М. Номенклатурный перечень иэделий Смоленского ПО Аналитприбор, 1980. с. 3, Инфракрасный анализатор CO и НС Р1—

503АН-S, Гаэоизмерительные приборы, каталог фирмы "Рикен Кейки", Япония, 1989, с. 24-25. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВЕННОГО И КОЛИЧЕСТВЕННОГО СОСТАВА

СРЕДЫ (57) Назначение: изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для определения качественного

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для определения качественного и количественного состава газовых смесей. образуемых в результате жизнедеятельности организмов, или выделяемых в процессе работы различных устройств, например, карбюраторныхх двигателей.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

Указанная цель достигается тем, что, на среду, прозрачную для оптического иэлуче„„SLY„„1819348 АЗ и количественного состава газовых смесей, образуемых в результате жизнедеятельности организмов или выделяемых в процессе работы различных устройств. Оно решает задачу повышения точности измерений концентраций компонентов среды. Сущность: на среду, прозрачную для оптического излучения, поочередно воздействуют N пучками оптического излучения, каждому из которых соответствует своя спектральная полоса, преобразуют излучение, прошедшее через среду, в электрические сигналы и измеряют амплитуды этих сигналов, одновременно с каждым иэ упомянутых пучков на среду дополнительно воздействуют A пучками излучения, идентичными упомянутым, значения и определяют из следующих условий N-2 и и N(n+2) — целое число, причем комбинации пучков, одновременно воздействующих на среду, выбирают из ряда, полученного путем составления из последовательности номеров пучков всех возможных сочетаний без повторений иэ (@+2) по (и+1), а концентрации компонентов среды определяют по определенным формулам, 3 ил. ния, поочередно воздействуют N пучками оптического излучения. каждому из которых соответствует своя спектральная полоса, преобразует излучение, прошедшее через среду, в электрические сигналы и измеряют амплитуды электрических сигналов. Новым является то, что одновременно с каждым из упомянутых пучков на среду дополнительно воздействуют и пучками излучения, идентичными упомянутым, где значения и определяют из условий N-2п1 и N/n+2 — целое число, причем комбинации пучков, одновре1819348 менно воздействующих на среду, выбирают из ряда, полученного путем составления из последовательности номеров всех возможных сочетаний без повторений из (и+2) по (и+1), а концентрации компонентов среды определяют по формулам п +2 ,">,Si — (n +1) Si

i=1

Х = ln

1 — L< 9) и +2

Q S;o — (n + 1) Sio для n+ 2 >1> 1

2п +4

gSi — (n +1) Si

i =и+Э

Xi = In

Li gi

2п +4, . S io — (n + 1) Sio

i =n+3 для 2n+ 14 >1> n+ 3 и т.д„где X> — концентрация в среде i-компонента, поглощающего излучение в области спектральной полосы, соответствующей

1-му пучку;

Li — коэффициент поглощения i-го компонента среды в области спектральной полосы, соответствующей i-му пучку;

d — оптический путь i-го пучка;

S — амплитуда электрического сигнала при одновременном воздействии на среду (и+1) пучком, среди которых нет i-го пучка;

Sio — амплитуда электрического сигнала при одновременном воздействии на фотоприемник (n+1) пучком, среди которых нет

i-го пучка, при отсутствии среды.

Предложенный способ поясняется чертежами. На фиг.1 приведена блок-схема устройства для реализации способа для случая, когда N-3 и n=1, 1, 2, 3 - первый, второй и третий источники оптического излучения, соответственно;

4 — фотоприемник;

5 — среда, прозрачная для оптического излучения;

6 — схема измерения электрических сигналов.

На фиг.2 приведены эпюры электрических сигналов с фотоприемника при работеустройства (фиг.1): а, б, в — сигналы при воздействии на среду пучков излучения от источников 1, 2, 3.

На фиг,З приведена схема устройства, использованного для конкретной реализации предлагаемого способа, где:

20

7 — блок питания источников излучения:

8 — регулирующий резистор;

9 — синхронный электродвигатель;

10 — источник питания синхронного электродвигателя;

11 — дисковый. прерыватель излучения;

12, 13, 14 — первый, второй и третий узкополосные фильтры, соответственно;

15 — вспомогательный дисковый прерыватель:

16 — кювета с кварцевыми окнами;

17 — компрессор;

18, 19 — вогнутые зеркала;

20 — предварительный усилитель;

21 — узел обработки сигналов;

22 — усилитель;

23, 24. 25 —,первый, второй и третий индикаторы;

26 — синхронный сигнал-генератор.

Предлагаемый способ может быть реализован следующим образом.

Источники излучения 1, 2, 3 (фиг.1) включают последовательно друг за другом и таким образом формируют соответственно первый I, второй II и третий III пучки излучения, последовательно воздействующие на среду 5. Каждому из пучков 1, II, III соответствует своя заранее известная спектральная полоса. Это обеспечивают или за счет того, что каждый источник излучения 1, 2, 3 формирует пучок с одной спектральной полосой, или за счет того, что иэ каждого из пучков I, П, IИ, имеющих первоначально

35 широкий спектр, выделяют излучение с одной спектральной полосой (например, с помощью дифракционной решетки или фильтров), Одновременно с каждым иэ упомянутых пучков излучения (N-2, п 1), форми40 руемым одним из тех же источников 1, 2, 3, Пучки, дополнительно воздействующие на среду 5,идентичны по интенсивности, спектральному составу и конфигурации первоначально упомянутым пучкам 1, II, Ill, т,к.

45 формируются теми же источниками излучения 1, 2, 3 и, следовательно, дополнительно воздействующим пучкам, идентичным пучкам 1. И, Иl, соответственно, можно также присвоить номера 1, И, ИI. Из последователь50 ности номеров пучков (I, II, lll) можно составить три сочетания из 3 по 2 (n+2 = 3, n+1=2) без повторений: (1, И), (И, И1), (Иl, I), Исходя иэ этого, на среду 5 одновременно с пучком

1 воздействуют пучком И, включая одновре55 менно с источником 1 источник 2; одновременно с пучком Il — пучком III, включая одновременно с источником 2 источник 3; одновременно с пучком И1 — пучком 1, включая одновременно с источником 3 источник

1 (фиг,2).

1S1O34S (фиг.2а) (фиг.26) (фиг.2в) 5З = !1+ !г

S1 = !2+ !3

S2 = !3 + !1 (2) повторений из 4 (n+2=-4) по 3 (п+1)=3): (!, II, 30 И!). (И. ИI, IV) и (!Ч, I, I!), В соответствии с этим на среду воздействуют одновременно

40

$1+ S2+ $3- 251 = 2!1

52 + S2 + - >3 - 252 = 2I2

S1+ S2+ 5З - 28Э = 2!З (3) В общем виде:

Оптическое излучение взаимодействует со средой 5, Если в среде 5 содержатся компоненты, поглощающие излучение в . области спектральной полосы, соответствующей какому-либо из пучков, то интенсивность излучения этого пучка после взаимодействия со средой уменьшается. После взаимодействия со средой 5 излучение попадает на фотоприемник 4, который преобразует излучение в электрические сигналы, причем, амплитуды этих сигналов пропорциональны интенсивности излучения пучка.

Амплитуда сигналов при одновременном воздействии на среду двух пучков (Si) равна сумме сигналов, которые появлялись бы при воздействии на среду каждого из этих пучков в отдельности: где li — амплитуда электрического сигнала при воздействии на среду одного i-пучка (1=1, 2, 3), Каждое из значений амплитуд электрических сигналов Si является результатом взаимодействия со средой 5 двух пучков.

Следовательно, каждое значение Si содержит в себе информацию о поглощении в среде 5 излучения с двумя спектральными полосами. Так, значение S. содержит информацию о поглощении излучения пучков

II и И!, которым соответствуют спектральные полосы с длинами волн А2 и !з, соответственно, Значения S2 и Яз, аналогично, содержат информацию о поглощении излучения с !.1 и 5 (соответствующих пучкам I u !

И) и А1 и k2 (соответствующих пучкам I и I!).

Если происходит поглощение излучения в области какой-либо спектральной полосы, с определенным значениемk, то соответствующие значения Si, уменьшаются.

Значения S1, S2, Яз измеряются с помощью схемы измерения сигналов (6), и далее над ними производят следующие преобразования: и +2

g Si - (n + 1) Si = (n + 1) (4)

i =1

Из (3) и (4) видно, что в результате преобразования получены значения амплитуд

25 сигналов, соответствующих воздейс вию излучения с одной спектральной полосой, но увеличены в (и+1) раз по сравнению со случаем воздействия на среду одиночными пучками. Уровень же шума фотоприемника при этом не изменяется. следовательно. увеличивается отношение полезный сигнал/шум, и повышается точность измерения электрических сигналов !ь

Концентрации компонентов среды определяют из соотношения Бугера-Ламберта, которое с учетом выражения (4) принимает вид (1). При этом в результате увеличения точности измерения амплитуд электрических сигналов увеличивается и точность определения концентраций компонентов среды Xi. которые вычисляются через эти амплитуды (или, что то же самое, через комбинации амплитуд электрических сигналов Si). Аналогичн ым образом действуют при большем количестве пучков N попеременно воздействующих на среду 5.

Например, N=4. Условиям N - 2 >п> 1 и

N/n+2 — целое число удовлетворяет п=2-количество пучков. дополнительно воздействующих на среду одновременно с упомянутыми. Тогда из номеров пучков I, II, III, IV можно составить следующие сочетания беэ с пучком излучения пучками !I и !II одновременно с пучком II — пучками III и V, одновременно с пучком III — пучками IV u I u одновременно с пучком И вЂ” пучками и II

Тогда, в соответствии с выражением (4) после обработки электрических сигналов будут получены четыре значения Ii, nо каждому из которых можно судить о поглощении средой оптического излучения с определенной спектральной полосой и каждое из которых увеличено в 3 раза по сравнению со случаем поочередного воздействия на среду N одиночными пучками.

Концентрации компонентов среды при этом вычисляют по формуле (1). Таким образом, в случае N=4, п=2 оказывается возможным установить наличие в среде четырех компонентов, и в три раза увеличить точность измерения их концентраций.

Пример. Предлагаемый способ был реализован с помощью устройства, схема которого представлена на фиг,3. В качестве источников излучения 1 и 2 использовались лампы накаливания ТРШ 2300 с кварцевыми колбами, пропускающими инфракрасное излучение. На лампу 1 и 2 подавали напряжение от источника питания 7 (УИП-2), Пучки излучения, воздействующие на газовую среду, формировали с помощью дискового I 819348 прерывателя 11, имеющего три отверстия. В отверстия, расположенные под углом 120 друг относительно друга, были вставлены узкополосные интерферационные фильтры 12, 13, 14, имеющие максимумы пропускания при длинах волн Àf - 3,7 мкм, 4 =3,3 мкм, лз - 2,7 мкм, соответственно. Прерыватель 11 вращали с помощью двигателя

9(ЩДР-711}, на который подавалось напряжение от источника питания 10(ОН3215ПМ).

В результате ма среду воздействовали тремя пучками излучения со спектральными полосами, соответствующими указанным длинам волн. Исследуемая газовая среда

5 прокачивалась с помощью компрессора

17 через кювету 16. Пучки излучения после воздействия на среду с помощью вогнутых зеркал 18 и 19 (fi,2 - 12,5 см ) фокусировали на фотоприемник 4 (ФР 611). Сигнал с фотоприемника 4 подавался в схему измерения сигналов 6, содержащую предварительный усилитель 20 (548YHI), блок обработки сигналов 21, усилитель 22 (комплекс ДВК-3 с блоками САМАС) и индикаторы 23, 24, 25. С помощью описанного устройства проводились измерения концентраций углекислого газа (максимум поглощения при длине волны з - 2,7 мкм) и метана (максимум поглощения при длине волны 4 - 3,3 мкм) в воздушной среде. Перед мачалом измерений производили баламсировку источников 1 и 2 для обеспечения идентичности формируемых ими пучков излучения. Для этого ма валу двигателя 9 укрепляли вспомогательный диск 15, с одним отверстием для прохождения излучения от источников

1 и 2 к фотоприемнику 4. Далее включали блоки питания источников 7 и двигателя 10;

При этом схемой 6 измерялась интемсив ность излучения, попадающего ма фотоприемник 4 попеременно от источников 1 и 2.

При этом сигналы с фотоприемника при воздействии пучков от источников 1 и Z после усиления выводились на индикаторы 23 и

24. соответственно. Регулируя величину сопротивления 8 добивались одинакового показания индикаторов 23 и 24, т.е. идентичности пучков, формируемых источниками 1 и2.

Далее проводили непосредственно измерения. Для этого диск 15 заменяли .на дисковый прерыватель 11. в который были вставлены узкополосные фильтры 12, 13 и

14. При вращении диска 11 с помощью электродвигателя 9 на среду 5 в кювете 16 воздействовали тремя пучками оптического излучения с длинами волн i4-3,7 мкм, А23,3 мкм и Мз - 2,7 мкм, сформированными при фильтрации излучения от источника 1

50 держащего две спектральные полосы с длинами волн л1 и Az — при воздействии пучками 1 и П, А2 и A3 — при воздействии пучками И и Ш, Яз и k — при воздействии пучками III u I. Сигнал с фотоприемника 4 усиливался предварительным усилителем

20, после чего осуществлялось синхронное детектирование узлом обработки сигналов

21 и синхронный сигнал — генератором 26.

Далее. сигналы, соответствующие воздействию на среду пар пучков (1, 3);(2, 1), (3, 2) выводились ма индикаторы 23, 24, 25, соответственно. Индикаторы 23, .24, 25 представляли собой микроамперметры типа

H-24, В отсутствие газовой среды в кювете 16 показания индикаторов 23, 24, 25, т.e. аМплитуды электрических сигналов Sio, Szo, $зо имели значения 29,3 мкА, 15,2 мкА,30.5 мкА, соответственно. Затем кювету 16 наполняли калиброванной метаново-воздушной смесью, которая содержала 2 метана (Х2=0,02) и 0,03 углекислого газа (X30 0003) Значения $3 $2, $з при этом

17;3 мкА, 15,2 мкА, соответственно. Иэ полученных таким образом значений Slo u Sl при известных концентрациях компонентов среды Xi определяли значения коэффициентв пропорциональности(а di) следующим образом: фильтрами 12, 13 и 14, последовательно сменяющими друг друга. Источник 2 был расположен относительно источника 1 под

120 относительно оси вращения диска 11, поэтому дисковый прерыватель 11 одновременно пропускал через фильтры излучение от источников 1 и 2, т.е. одновременно с каждым иэ упомянутых пучков на среду дополнительно воздействовали еще одним

10 пучком излучения в следующих сочетаниях: (l, И), (II, 1И); (III, I), где I пучков формируется при прохождении излучения через фильтр

12, И пучок — через фильтр 13, III пучок— через фильтр 14, Пучки, формируемые иэ излучения источника 2 были идентичны пучкам, формируемым из излучения источника

1; т.е. была проведена баламсировка этих источников и пучки формировались с помощью одних и тех же фильтров. Пучки из20 лучения nponycxaw через кювету 16 и после взаимодействия со средой 5, прокачиваемой через кювету, направляли с помощью зеркал 18 и 19 на фотоприемник 4. С помощью фотоприемника оптические сигналы

25 преобразовывали е электрические. Причем, поскольку на среду взаимодействовали одновременно двумя пучками, то каждый электрический сигнал нес в себе информацию о взаимодействии со; со1819348

Si — 2 Si

Lldi = — In

Х1 з $ю — 2Sio

Выражение (5) получено иэ общего выражения (1) для реализуемого в примере случая

M=3, n=1, 2, 3. С помощью (5) вычислили а2б2=38,14, азиз=47,96. Вычисление amdt не имеет смысла, т.к. компонент, поглощающий излучение в области спектральной полосы пучка I g =3,7 мкм), в среде отсутствовал, что подтверждается равенст, вом значений l>o и 1е, которые были вычислены для данного случая по формуле (4) (l >o=16,4 мкА и I =16,4 мкА). После определе10

15 ния значений а101 кювету 16 продували новой смесью для определения качественного и количественного состава среды. Для того 20 использовали другую калиброванную воздушно-метановую смесь с содержанием метана — 4ф, и углекислого газа — 0,03 .

Амплитуды электрических сигналов при этомимелизначения$ =11,7мкА,$2=15,1 мкА, 25

$з=13,0 мкА. Для данного случая и для случая отсутствия в кювете среды по формуле

4 были вычислены значения 1о и li. Получено

I>o=16,4 векА, 12о=44,6 мкА, lao=14,0 мкА, I)16,4 мкА, 12=9,6 мкА, I3=13,8 мкА. Иэ срав- 30 нения lio u li следует; компонент, поглощающий излучение с k = 3,7 мкм в смеси отсутствует (lpo=l<), компоненты, поглощающие излучение с А2 =3,3 мкм (метан) и с

i4 =2,7 мкм (углекислый газ) в смеси имеют- 35 ся, т.к. I2 12о, 1з !зо. Концентрация метана и углекислого газа, вычисленные по формуле (1) с использованием определенных ранее значений б2д2 и Eadg, имели величины 4,02 и 0,03 . Видно хорошее соответствие меж- 40 ду концентрациями метана и углекислого газа, полученные предлагаемым способом и известными для данной калиброванной смеси.

Предлагаемый способ позволил опре- 45 делить концентрации метана и углекислого газа на 30 точнее, чем прототип 2. Для реализации известного способа-прототипа в устройстве на фиг.3 был отключен источник излучения 2, таким образом было получено 50 устройство для реализации способа-прототипа, аналогичное прибору R I-503ÀÍ-S фирмы "Рикен Кейки" (Япония).

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить точность измерений 55 концентраций компонентов среды, что в свою очередь позволит увеличить точность и чувствительность газоанализаторов, используемых, например, для определения и+2

Д;$1 — (n +1) Si

1=1

Х1= In

-Li g1

n+2

$ Sio (и + 1) Sio для и+ 2 >I>1, 2п +4

QSi — (n +1) Si

i =и+3

Xi = In

Li gi

2п +4

QS1o — (n +1) Sio

i n+a для 2п+4 >I> n-3 и т.д, где Xi — концентрация в среде 1-го компонента, поглощающего излучение в области спектральной полосы, соответствующей iму пучку;

Li — коэффициент поглощения i-го компонента среды в области спектральной полосы, соответствующей i-му пучку;

d1 — оптический путь i-го пучка;

Si — амплитуда электрического сигнала при одновременном воздействии на среду (n+1)-м пучком, среди которых нет 1-го пучка;

Sin — амплитуда электрического сигнала при одновременном воздействии на фотоприемник(п+1)-м пучком, среди которых нет

1-го пучка, при отсутствии среды. состава смесей, образуемых в результате жизнедеятельности организмов, или выделяемых в процессе работы различных устройств.

Формула изобретения

Способ определения качественного и количественного состава среды, прозрачной для оптического излучения, путем поочередного воздействия на среду Й пучками оптического излучения, каждому иэ которых соответствует своя спектральная полоса, преобразования излучения, прошедшего через среду, в электрические сигналы и измерения амплитуд электрических сигналоа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, одновременно с каждым из упомянутых пучков на среду дополнительно воздействуют и пучками излучения, идентичными упомянутым, где значения п определяют из условий N-24 и и й/(и+2) — целое число, причем комбинации пучков, одновременно воздействующих на среду, определяют иэ ряда, полученного путем составления из последовательности номеров пучков всех возможных сочетаний без повторений из (n+2) по (и+1), а концентрации компонентов среды определяют по формулам

1819348.1819348

Составитель А. Тарасова

Техред M.Моргентал Корректор (., I!атрушева

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 1953 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5