Устройство для корреляционно-оптического измерения концентрации газов

 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для селективного контроля газов. Устройство содержит коллиматор, полосовой фильтр, интерференционно-поляризационный фильтр, в котором помимо поляризатора, анализатора, формирующей двупреломляющей пластины и фотоупругого модулятора введена дополнительная корректирующая двупреломляющая пластина толщиной, большей четырех толщин формирующей пластины, с развернутой на 45^o относительно оптической оси формирующей пластины оптической осью. Эта дополнительная пластина позволяет существенно повысить селективность и чувствительность прибора. Применение в качестве анализатора поляризатора-расщепителя с использованием одной из поляризаций для формирования опорного сигнала позволяет снизить дрейф нулевого сигнала без снижения чувствительности из-за дополнительных потерь света. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для селективного контроля содержания газообразных веществ в реальном масштабе времени в системах мониторинга атмосферы, медицинского контроля и контроля производственных процессов.

Известно устройство для корреляционно- оптического газового анализа [1]. Устройство включает коллиматор, светофильтр, интерференционно-поляризационный светофильтр, состоящий из скрещенных поляризаторов, между которыми помещены двупреломляющая пластина и фотоупругий модулятор, фотодетектор. Главные оси двупреломляющей пластины и модулятора ориентированы под углом 45^o к плоскостям поляризации анализатора и поляризатора. При этом формируется квазипериодический периодически смещаемый по длинам волн спектр, подобный в выделенной спектральной полосе спектру измеряемого газа. Это устройство наиболее близко к предлагаемому изобретению и может быть принято за прототип.

Пропускание света интерференционно-поляризационным фильтром определяется выражением , где Δn - двупреломление, λ - длина волны света, l - толщина двулучепреломляющей пластины в направлении распространения света.

Это выражение определяет квазипериодическое чередование максимумов и минимумов, в узком спектральном интервале. Спектральное расстояние между максимумами приблизительно описывается выражением .

В спектрах большого числа многоатомных молекул такая структура электронно-колебательных переходов в коротковолновой области спектра или колебательно вращательная структура переходов в инфракрасной области спектра также носит квазипериодический характер. Подбором толщины пластины можно совместить несколько пиков поглощения конкретного газа с пиками пропускания интерференционно-поляризационного фильтра. Полосовой фильтр ограничивает спектр пропускания этой областью совпадения. Фотоупругий модулятор, представляющий составной резонатор из пьезоэлемента и из оптически прозрачного (как правило, изотропного) материала, вносит в поляризационно-интерференционный фильтр периодически изменяемую разность фаз. На выходе фильтра это приводит к периодическому смещению положения максимумов пропускания фильтра по спектру. Подбором амплитуды колебаний резонатора можно добиться ситуации, когда пики поглощения газа совпадают то с максимумами, то с минимумами пропускания фильтра. Это соответствует сдвигу фазы между двумя ортогональными поляризациями света в 90^o при максимуме модулирующего ультразвукового сигнала. При наличии газа, спектр которого коррелирует со спектром фильтра, возникает модуляция света. Интенсивность сигнала пропорциональна концентрации газа. Сигнал с фотодетектора попадает на синхронный детектор, опорной частотой которого является сигнал, подаваемый на пьезоэлектрический возбудитель ультразвуковых колебаний. Дрейф нулевого сигнала авторы пытались снизить электронным путем, создав на выходе фотодетектора второй канал с синхродетектором, в котором опорный сигнал подавался со сдвинутой на 90^o фазой.

Такой прибор обладает рядом серьезных достоинств. Он имеет более высокую селективность по сравнению с некорреляционными приборами и более высокую чувствительность по сравнению с другими корреляционными приборами, например с прибором, корреляция в котором достигается с помощью специальной механически сканируемой маски [2] из-за применения в прототипе [1] высокодобротного высокочастотного фотоупругого модулятора.

В то же время указанный прибор [1] обладает существенным недостатком. В интерференционно поляризационном фильтре ввиду ряда эффектов высших порядков возникает синфазная амплитудная модуляция, медленно меняющаяся во времени. Это приводит к появлению случайно меняющегося во времени сигнала, иммитирующего наличие газа. Такое явление существенно ограничивает предельную чувствительность, увеличивает уровень дрейфа нулевого сигнала. Кроме того, этот прибор имеет недостаточно высокую селективность.

Задачей настоящей заявки является создание устройства для корреляционно-оптического измерения концентрации газов с улучшенными селективностью, чувствительностью и дрейфом нуля. Эти задачи решаются введением дополнительной двупреломляющей пластины с ориентацией оптической оси, параллельной или перпендикулярной плоскости поляризации, а также использованием в качестве опорного сигнала светового сигнала с поляризацией, ортогональной пропускаемому анализатором свету от выходного поляризатора-расщепителя.

На фиг. 1 представлена схема одноканального корреляционно-оптического газоанализатора, состоящего из источника света 1, коллиматора 2, полосового фильтра 3, интерференционно-поляризационного фильтра 4, включающего в себя поляризатор 5, анализатор 9, фотоупругий модулятор 7, фазовую пластину 6, дополнительную фазовую пластину 8, кроме того, в оптическую схему может входить измерительная кювета 10, через которую прокачивается измеряемый газ, а также фотоприемник 11. Электронная схема регистрации основана на синхронном детектировании переменного сигнала с выхода фотодетектора при опорном сигнале от генератора, питающего фотоупругий модулятор. Дополнительная фазовая пластина имеет толщину, большую 4L, но не кратную L, оптическая ось ее также лежит в плоскости пластины, но ориентирована она параллельно или перпендикулярно анализатору, в отличие от формирующей корреляционную периодическую функцию пластины, оптическая ось которой образует угол 45^o с плоскостью поляризации поляризатора. Такая дополнительная пластина не участвует в формировании основной квазипериодической спектральной функции фильтра, но компенсирует дрейф, связанный с влиянием эффектов высших порядков, и повышает селективность прибора.

Проведенные испытания показали, что дрейф в течение суток снижается в 5 - 8 раз, а селективность возрастает более чем в четыре раза.

Долговременную стабильность можно повысить, если ввести опорный канал. В предлагаемом приборе опорный канал формируется с помощью конструкции анализатора, в котором две ортогональные поляризации разделяются в пространстве (фиг.2). В этой схеме свет от источника 1, проходя через коллиматор 2 и полосовой фильтр 3, с поляризацией, перпендикулярной поляризации входного поляризатора 5, проходит через формирующую фазовую пластину 6, фотоупругий модулятор 7, стабилизирующую фазовую пластину 8, анализатор-расщепитель поляризации 9, кювету с измеряемым газом 10 и попадает на фотодетектор основного канала 11, тогда как свет с поляризацией, параллельной поляризации входного поляризатора, попадает на фотодетектор сравнительного канала 12 и используется для контроля дрейфа оптической системы. Элементы 5-9 составляют интерференционно-поляризационный фильтр 4. Преимуществом такой схемы является то, что сравнительный сигнал модулирован по амплитуде, для его формирования не используется никакая часть полезного сигнала и в то же время опорный сигнал прошел через основные элементы оптической схемы: полосовой фильтр, поляризатор, фазовые пластины, модулятор. Таким образом удается в существенной степени скомпенсировать пространственно-временные изменения параметров элементов оптической схемы.

Изготовленный на основе предложенной схемы газоанализатор двуокиси серы был испытан во ВНИИ метрологии и показал результаты, изложенные в прилагаемом протоколе испытаний. Кроме того, прибор в течение шести месяцев непрерывно работает в составе системы автоматического контроля атмосферы г. Стерлитамака. Результаты работы подтвердили высокую чувствительность, избирательность и стабильность прибора, основанного на предлагаемой схеме.

Источники информации 1. Оптический измеритель концентрации газа. В.А.Новиков, А.А.Авдеенко, А. А. Ганеев, В. Г.Слонов. Авторское свидетельство SU 1293585 A1, 28.02.87. Бюл. N 8.

2. Корреляционный анализатор. В. Р. Козубовский, В.Л.Голдовский, О.Д. Крайслер. Авторское свидетельство SU 1182345 A, 30.09.85. Бюл. N 36.

Формула изобретения

1. Устройство для корреляционно-оптического измерения концентрации газов, включающее последовательно расположенные источник света, коллиматор, полосовой фильтр, управляемый интерференционно-поляризационный светофильтр, состоящий из поляризатора, анализатора, формирующей двупреломляющей фазовой пластины с подобранной под спектр измеряемого газа толщиной с оптической осью, лежащей в плоскости пластины и составляющей угол 45^o с плоскостью поляризатора, фотоупругий модулятор, кювету с измеряемым газом, фотодетектор, отличающийся тем, что интерференционно-поляризационный фильтр дополнительно содержит двупреломляющую фазовую пластину, толщиной большей 4 толщин формирующей фазовой пластины, но не кратной этой толщине, с оптической осью, лежащей в плоскости пластины и составляющей 90 или 180^o с плоскостью поляризации поляризатора.

2. Устройство для корреляционно-оптического измерения концентрации газов по п. 1, отличающееся тем, что анализатор выполнен в виде поляризатора-расщепителя, разделяющего пространственно свет на два пучка с двумя ортогональными поляризациями, при этом один из пучков проходит через кювету с измеряемым газом и для регистрации интенсивности второго светового пучка с ортогональной поляризацией в качестве опорного вводится дополнительный фотоприемник.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2