Устройство для измерения загрязнения атмосферы

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для спектроскопического анализа микропримесей в газах, преимущественно в атмосфере, как в лабораторных, так и в полевых условиях путем измерения коэффициента отражения поверхности образцов. Сущность изобретения: устройство содержит источник излучения, плоское зеркало, две полупрозрачные плоские пластины, ориентированные так, что совместно с плоским зеркалом образуют резонатор Фабри-Перо, приемник излучения с электронным блоком обработки сигналов. Плоское зеркало жестко соединено с основанием, а периферийной зоной лицевой стороны через терморазвязки - с полупрозрачными пластинами резонатора Фабри-Перо, при этом плоское зеркало выполнено с системой охлаждения из материала с высокой теплопроводностью так, что его рабочая зона разделена с периферийной зоной компенсатором механических напряжений. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для спектроскопического анализа микроколичеств примесей в газах, преимущественно в атмосфере, как в лабораторных, так и в полевых условиях путем измерения коэффициента отражения поверхности образцов.

В последние годы в связи с загрязнением окружающей среды все большее внимание уделяется проблемам экологии. Активно разрабатываются приборы и устройства, позволяющие анализировать и контролировать состояние окружающей среды.

Одной из важнейших компонент окружающей среды является атмосфера. Для анализа загрязнения атмосферы используются различные приборы, работа которых основана на химических, спектральных, оптических методах, а также различных комбинациях названных методов.

Так, например, известен газовый спектроанализатор (заявка Японии N 61-14458, кл. G 01 N 21/01, 21/35, приор. 14.04.80), содержащий источник излучения, кювету, приемник излучения и электротехнический блок компенсации измерения температуры окружающей среды по отношению к температуре источника излучения.

Часть энергии источника излучения в зависимости от концентрации измеряемого компонента газа поглощается в кювете; изменение энергии источника излучения, пропорциональное измеряемой концентрации, фиксируется приемником.

Достоинством данного спектроанализатора является исключение погрешности измерений, связанных с колебаниями температуры окружающей среды и источника излучения.

Однако данное устройство характеризуется ограниченным числом отражений, что в свою очередь ограничивает чувствительность прибора.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для анализа газов многоходовая газовая кювета МХК-2, (Е.Г. Барская, В. Л. Кузовая. Многоходовая газовая кювета МХК-2. ОМП, N 6, 1972), содержащая источник излучения, основание, пять вогнутых зеркал, приемник излучения.

Данное устройство характеризуется высокой точностью измерения газовых компонент и воспроизводимостью измерений за счет многократного отражения излучения от вогнутых зеркал (число отражений до 100).

Однако устройство стационарно, крупногабаритно из-за большого числа зеркал, требует прецизионных механических узлов, что делает невозможным его использование в натурных условиях. Кроме того, рабочий пучок в кювете отражается от различных участков исследуемого газа, что приводит к локальным ошибкам, снижающим надежность измерений.

Предлагаемое устройство не уступает по точности и воспроизводимости таким устройством, как вышеописанное (число отражений не менее 100), прибор малогабаритен, высоко надежен и успешно работает как лабораторных, так и в полевых условиях.

Предлагаемое устройство содержит источник излучения, плоское зеркало, две полупрозрачные плоские пластины, ориентированные так, что совместно с плоским зеркалом образуют резонатор Фабри-Перо, приемник излучения с электронным блоком обработки сигналов. Новым в устройстве является то, что плоское зеркало жестко соединено с основанием, а периферийной зоной лицевой стороны через терморазвязки с полупрозрачными пластинами резонатора Фабри-Перо, при этом плоское зеркало выполнено с системой охлаждения из материала с высокой теплопроводностью так, что его рабочая зона разделена с периферийной компенсатором механических напряжений.

На фиг. 1 приведено схематическое изображение устройства для измерения микропримесей в атмосфере (пример конкретного исполнения); на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1.

Устройство содержит источник 1 излучения (гелий-неоновый лазер), плоские полупрозрачные пластины 2 и 5, терморазвязки 3 и 6, плоское охлаждаемое зеркало 4, приемник 7 излучения, система 8 охлаждения зеркала 4, система 9 отогрева зеркала 4 (для работы в непрерывном режиме), узел 10 крепления зеркала к основанию 11 установки, опора 12 установки.

Полупрозрачные пластины 2 и 5 ориентированы так, что совместно с рабочей поверхностью зеркала 4 образуют резонатор интерферометра Фабри-Перо.

Зеркало имеет сквозные прорези, отделяющие центральную рабочую зону зеркала от ее периферийной зоны. Перемычки между прорезями служат компенсаторами механических воздействий, при этом механические напряжения, возникающие в нерабочей зоне зеркала, не передаются в центральную рабочую зону.

Устройство измерения микропримесей работает следующим образом.

Излучение от источника 1, например гелий-неонового лазера, проходит через полупрозрачную пластину 2 и падает на рабочую поверхность металлического зеркала 4, отражаясь от которой через полупрозрачную пластину 5 попадает на приемник 7 излучения. Так как зеркало 4 и пластины 2 и 5 образуют интерферометр типа Фабри-Перо, в плоскости приемника 7 формируется многолучевая интерференционная картина.

Приемником выделяют центральное пятно и ищут максимум сигнала. Регистрируют величину сигнала с приемника при неохлажденном зеркале.

Затем включают систему охлаждения зеркала и охлаждают его до 260К (температура зеркала регистрируется с помощью датчика температуры, установленного на его поверхности).

Эксперименты, проведенные при захолаживании зеркала показали, что при использовании в качестве хладоагента жидкого азота достаточно 15 мин для захолаживания до требуемой температуры.

При охлаждении зеркала микропримеси различных веществ, находящиеся в исследуемом объеме, конденсируются в виде крисосадка на его поверхности. При этом коэффициент отражения зеркала меняется и, следовательно, меняется сигнал, регистрируемый с приемника.

Регистрируют величину сигнала при охлажденном зеркале.

Отношение сигналов характеризует поглощение излучения внутри вещества, подвергнутого анализу и находящемуся в виде пленки на поверхности зеркала. Это поглощение связано с концентрацией осевшего вещества, которая определяется либо по предварительной калибровке, либо расчетным путем.

Пример конкретного исполнения. На неподвижной опоре 12 размещены источник 1 излучения и приемник 7 излучения. Зеркало 4, выполненное из материала с высокой теплопроводностью, в нашем случае из алюминиевого сплава АМГБ, жестко крепится через металлическую трубу 10 (длина трубки 25 мм), снабженную двумя фланцами, к основанию 11 установки.

Зеркало диаметром 80 мм и толщиной 12 мм имеет три сквозные прорези шириной 5 мм, расположенные под углом 120^o друг к другу. Перемычки между прорезями, длиной по 5 мм каждая и толщиной 5 мм, служат компенсаторами механических воздействий. Диаметр центральной рабочей зоны составляет 1/4 от общего диаметра зеркало.

Система 8 охлаждения зеркала выполнена в виде полой металлической трубки, навитой по торцевой поверхности зеркала 4.

Полупрозрачные пластины 2 и 5 диаметром 15 мм находятся в оправках, снабженных подвижками, и жестко закреплены на терморазвязках 3 и 6, выполненных в виде тонкостенных трубок из нержавеющей стали Каганер М.Г. Тепломассообмен в низкотемпературных конструкциях. М. Энергия, 1979, с. 156-170. Трубки через фланцевое соединение винтами крепятся к нерабочей поверхности зеркала 4, что обеспечивает жесткость конструкции интерферометра и удобство закрепления пластин.

В настоящее время проведены испытания лабораторного макета установки. В процессе испытаний макет установки размещается в замкнутой камере с атмосферным воздухом, в которую с помощью калиброванного расходомера напускалось дозированное количество газе NO₂ так, чтобы его концентрация в атмосфере камеры составляла 0,01% Проводился замер сигнала при теплом зеркале. Затем зеркало захолаживалось до 260К в течение 15 мин. Измерялся сигнал при холодном зеркале. Подобные замеры проводились 10 раз. При этом погрешность измерений составила 0,002% Описанное устройство перспективно для определения особо вредных примесей, например, бериллия в атмосфере в количествах ниже ПДК. В настоящее время запланировано изготовление прибора мелкими сериями.

Формула изобретения

Устройство для измерения загрязнения атмосферы, содержащее основание, источник излучения, размещенные в ходе его лучей три отражающих элемента, один из которых зеркало, и приемник излучения, отличающееся тем, что зеркало выполнено плоским, а два отражающих элемента в виде полупрозрачных пластин, ориентированных так, что совместно с плоским зеркалом они образуют резонатор типа Фабри-Перо, приемник излучения выполнен с электронным блоком обработки сигналов, плоское зеркало жестко соединено с основанием, а периферийной зоной лицевой стороны через терморазвязки с полупрозрачными пластинами резонатора Фабри-Перо, при этом плоское зеркало выполнено с системой охлаждения из материала с высокой теплопроводностью так, что его рабочая зона разделена с периферийной зоной компенсатором механических напряжений.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2