Устройство для измерения количества химических веществ, содержащихся в газовой среде

Изобретение относится к области химического анализа веществ, более конкретно - к устройствам для измерения количества химических веществ, содержащихся в атмосфере и других газовых средах. Устройство содержит источник монохроматического излучения с изменяющейся по временному закону длиной волны, оптический разветвитель, оптический модулятор, фотоприемник и вычислительный блок, а также газокорреляционный фильтр, решающий блок эталонного сравнения и вспомогательные фотоприемники. Изобретение позволяет в значительной степени исключить влияние внешней среды (температуры и давления), нестабильности напряжений питания и помех (шумов) и дестабилизирующих факторов, а также отфильтровать "плохие" спектральные линии или полосы, ухудшающие селективность и чувствительность устройства. 2 ил.

 

Изобретение относится к области химического анализа веществ, более конкретно к устройствам для измерения количества химических веществ, содержащихся в атмосфере и других газовых средах.

Известно устройство (см. статью Drummond J.R., 1989: Novel correlation radiometer: The length-modulated radiometer. Appl. Opt. 28, 2451-2452) для измерения (методом газокорреляционной радиометрии) содержания в газовой среде газообразных химических веществ, поглощающих часть излучения от внешнего источника, содержащее оптическую систему, ограничивающую рабочий спектральный диапазон и фокусирующую поступающее в устройство излучение на газокорреляционный фильтр, включающий газовую кювету, имеющую измеряемое газообразное химическое вещество (корреляционный газ), и на пустую, не имеющую корреляционный газ, кювету, механический оптический модулятор (переключатель), попеременно пропускающий излучение от внешнего источника через каждую кювету на фотоприемник.

Наличие механических движущихся элементов (механического модулятора и его электромотора) ухудшает стоимостные, массо-габаритные, энергетические, эксплуатационные и надежностные характеристики устройства. Не достигаются предельно высокие значения селективности и чувствительности метода, в частности из-за измерения прошедшего через газокорреляционный фильтр излучения во всем рабочем спектральном диапазоне. В результате чего искажается сигнал от тех областей спектра, в которых происходит наложение спектральных составляющих от измеряемого газа, например, метана и от "посторонних" (фоновых, не измеряемых) газов, например, воды, а также из-за нестабильности модуляции при работе механических элементов. Кроме того, этому устройству присущи ограничения метода газокорреляционной радиометрии - практическая применимость для измерения только веществ с небольшим молекулярным весом, имеющих линейчатый спектр поглощения, например, метана.

Известно устройство (см. патент США №5,128,797, опубл. 07 июля 1992 г.) для измерения (методом газокорреляционной радиометрии) количества химических веществ, содержащихся в газовой среде, поглощающих часть излучения от внешнего источника, имеющее газокорреляционный фильтр с одной или несколькими газовыми кюветами, в некоторых из которых содержатся, а в других не содержатся газы с измеряемыми химическими веществами (корреляционные газы), оптический модулятор (на основе оптических поляризаторов с электронным управлением), попеременно пропускающий излучение через каждую кювету на один фотоприемник, сигнал с которого подается на вычислительный блок, обрабатывающий оптическую информацию.

В таком устройстве, наиболее близком к предлагаемому, не достигаются предельно высокие значения селективности и чувствительности метода, в частности, из-за измерения излучения во всем рабочем спектральном диапазоне, в результате чего искажается сигнал от тех областей спектра, в которых происходит наложение спектральных составляющих от линий поглощения анализируемого газа, например, метана и от "посторонних" (фоновых, не измеряемых) газов, например, воды. Также этому устройству присущи ограничения метода газокорреляционной радиометрии - практическая применимость для измерения только веществ с небольшим молекулярным весом, имеющих линейчатый спектр поглощения, например, метана.

В предполагаемом изобретении решается задача увеличения чувствительности и селективности измерений количества химических веществ, содержащихся в газовой среде, а также расширение области использования применительно к веществам с более высоким молекулярным весом.

Для достижения этого технического результата в устройство, имеющее газокорреляционный фильтр с одной или несколькими газовыми кюветами, в некоторых из которых содержатся, а в других не содержатся газы с измеряемыми химическими веществами (корреляционные газы), оптический модулятор, фотоприемник и вычислительный блок, дополнительно вводят источник монохроматического излучения с изменяющейся по временному закону длиной волны, оптический разветвитель, решающий блок эталонного сравнения и вспомогательные фотоприемники; часть излучения с источника монохроматического излучения с изменяющейся по временному закону длиной волны через оптический разветвитель направляют на оптический модулятор, а с оптического модулятора - в измеряемую газовую среду и далее в фотоприемник, сигнал с которого подают в вычислительный блок; другую часть излучения с оптического разветвителя направляют в газокорреляционный фильтр; прошедшее через газокорреляционный фильтр излучение направляют на вспомогательные фотоприемники, сигнал с которых подают на решающий блок эталонного сравнения для управления оптическим модулятором и вычислительным блоком так, что на фотоприемник попадает излучение только от спектральных линий или полос поглощения измеряемых химических веществ, отфильтровывая сигналы от части спектра излучения в тех спектральных линиях и полосах, которые совпадают со спектральными линиями и полосами поглощения посторонних (фоновых, не измеряемых) газов.

Признаки, отличающие предлагаемое устройство от наиболее близкого к нему известного по патенту США №5,128,797 (прототип), характеризуют наличие источника монохроматического излучения с изменяющейся по временному закону длиной волны, оптического разветвителя, решающего блока эталонного сравнения и вспомогательных фотоприемников; а также связей между ними - часть излучения с источника монохроматического излучения с изменяющейся по временному закону длиной волны через оптический разветвитель направляют на оптический модулятор, а с оптического модулятора - в измеряемую газовую среду и далее в фотоприемник, сигнал с которого подают в вычислительный блок; другую часть излучения с оптического разветвителя направляют в газокорреляционный фильтр; прошедшее через газокорреляционный фильтр излучение направляют на вспомогательные фотоприемники и решающий блок эталонного сравнения для управления оптическим модулятором и вычислительным блоком. При этом излучение, прошедшее через газовую среду и частично поглощенное измеряемым химическим веществом непосредственно поглощается в фотоприемнике, минуя газокорреляционный фильтр. Последний служит лишь для цифрового управления оптическим модулятором и вычислительным блоком, не внося собственную погрешность в сигнал фотоприемника так, что на фотоприемник попадает излучение только от спектральных линий или полос поглощения измеряемых химических веществ, отфильтровывая сигналы от части спектра излучения в тех спектральных линиях и полосах, которые совпадают со спектральными линиями и полосами поглощения посторонних (фоновых, не измеряемых) газов. При таком использовании газокорреляционного фильтра им обеспечивается только фиксация текущего значения длины волны в спектре для начала и окончания операции сравнения решающим блоком эталонного сравнения, а, собственно, измерение с более высокой чувствительностью и точностью осуществляется фотоприемником, так как сигнал с газокорреляционого фильтра есть эффект второго порядка от уровня поглощения. Кроме того, в данном предполагаемом изобретении, в отличие от прототипа, вообще исключаются спектральные линии и полосы, совпадающие с аналогичными у посторонних газов. Оптический разветвитель позволяет подавать идентичное (с точностью до постоянного множителя) во времени и пространстве излучение как в фотоприемник, измеряющий поглощение излучения измеряемым веществом, так и в газокорреляционный фильтр. Это исключает спектральные и другие погрешности, а следовательно, обеспечивает высокую селективность. В результате - достигается увеличение чувствительности и селективности измерений количества химических веществ, содержащихся в газовой среде, а также позволяет измерять химические вещества с более высоким молекулярным весом.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства, где 1 - источник монохроматического излучения с изменяющейся по временному закону длиной волны, например полупроводниковый лазерный диод с перестраиваемой длиной волны в диапазоне (1000-3000) нм, 2 - оптический разветвитель, например полупрозрачное зеркало, 3 - оптический модулятор (ключевой элемент «открыт/закрыт»), например на основе оптических поляризаторов, 4 - газовая среда с измеряемым химическим веществом, например метаном, 5 - фотоприемник, например фотосопротивление с фокусирующими на нем излучение элементами, 6 - вычислительный блок, например на основе микроконтроллера с усилителем и аналого-цифровым преобразователем, 7 - газокорреляционный фильтр с газовыми кюветами, в некоторых из которых содержатся, а в других не содержатся газы с измеряемыми химическими веществами (корреляционные газы, например метан), 8 - вспомогательные фотоприемники, например аналогичные фотоприемнику 5, 9 - решающий блок эталонного сравнения, например на основе электронных компараторов уровней сигналов.

Конструкции элементов 1-9 по отдельности известны для различных технических устройств и не являются предметом данного изобретения. Вспомогательные фильтрующие и фокусирующие излучение оптические элементы, например линзы, которые применяются в оптических приборах для фокусировки излучения, светофильтры и аналогичные им, также не являются объектами данного изобретения. В простейшем случае (при менее жестких требованиях к параметрам устройства) оптические модулятор и разветвитель могут отсутствовать, тогда их функцию реализуют оставшиеся элементы. Например, при достаточно широкой диаграмме направленности источника часть его бокового излучения может попадать в газокорреляционный фильтр непосредственно, тогда не требуется оптический разветвитель, а погрешности измерений из-за угловой неоднородности излучения и других причин минимизированы калибровкой по эталону. На фиг.2 представлены временные диаграммы, схематично (упрощенно) иллюстрирующие процессы в предлагаемом устройстве. На фиг.2а показана временная зависимость длины волны излучения λ(t) для частного случая линейной функции в рабочем диапазоне; на фиг.2b - зависимость (гипотетическая) поглощения излучения измеряемого химического вещества (α) и фона (β) в функции от длины волны изучения в текущем времени; на фиг.2с - отклик решающего блока эталонного сравнения на достижение уровня поглощения в газокорреляционном фильтре при сравнении с эталонным уровнем (см. штрихпунктирную прямую на фиг.2b) для измеряемого химического вещества (α) и фона (β); на фиг.2d - управляющий сигнал, подаваемый на оптический модулятор и вычислительный блок; на фиг.2е - вспомогательные сигналы, создаваемые решающим блоком эталонного сравнения, подаваемые на вычислительный блок.

Изобретение работает следующим образом.

Достаточно интенсивный импульсный или непрерывный источник монохроматического излучения с изменяющейся во времени длиной волны излучения 1, см. фиг.1, создает поток излучения (света) со спектром, охватывающим рабочий диапазон длин волн устройства. Длина волны λ во времени t изменяется в рабочем диапазоне по линейному, как на фиг.2а, или по нелинейному закону. Излучение от него, пропущенное оптическими разветвителем 2, см. фиг.1, и модулятором 3, проходит через газовую среду (искусственную или естественную атмосферу) 4, в которой содержатся измеряемое химическое вещества, например, молекулы метана. Вспомогательные оптические элементы, например линзы на входе приемной части устройства, не показанные на фиг.1, фокусируют излучение и пропускают его часть в рабочем диапазоне спектра, например с использованием светофильтров, на фотоприемник 5, см. фиг.1. Часть фотонов излучения поглощается и рассеивается измеряемым веществом, другая часть - "посторонними" веществами газовой среды, например парами воды. Картина процессов также усложняется из-за влияния других факторов (рассеяния на флуктуациях плотности газа, переизлучения поглощенных фотонов и т.д.). Так как спектр поглощения/испускания индивидуален для каждого вещества, то, выделяя из излучения, попадающего в устройство, часть излучения (с соответствующим молекулам этого вещества спектром) можно определить количество молекул этого вещества в выделенном столбе газовой среды. Условно спектральные линии и полосы поглощения измеряемого химического вещества (α) и фона (β) показаны на фиг.2b. Для существенного ослабления влияния посторонних молекул газовой среды оптический модулятор пропускает излучение только тех длин волн, которые интенсивно поглощаются исследуемым веществом и почти не поглощаются парами или газами посторонних веществ и фоном. Это выполняют газокорреляционный фильтр 7, см. фиг.1, в которые ответвляется часть излучения оптическим разветвителем 2, см. фиг.1. Он состоит из газовых кювет, содержащих корреляционные (такие же, как и измеряемые) газы, например метан, при определенном давлении (элементом сравнения служит такая же пустая, не содержащая корреляционных газов, кювета, см. фиг.1). Если, например, какая-либо спектральная линия измеряемого газа частично или полностью перекрывается со спектральной линией "посторонних" молекул вещества газовой среды, то, как в прототипе, это может привести к искажению выходного информационного сигнала (соответственно, к уменьшению селективности и чувствительности). Для устранения этого эффекта в предлагаемом устройстве из всего рабочего спектрального диапазона отфильтровываются такие спектральные линии или полосы. При изменении длины волны излучения, см. фиг.2, происходит зависящее от времени селективное поглощение излучения парами анализируемого вещества в области его спектральных линий и полос поглощения, см., например, фиг.2b (α), a посторонних веществ и фона - фиг.2b (β). В решающем блоке 9 производится сравнение уровня сигнала с вспомогательных фотоприемников 8 с эталонным уровнем h₀, см. фиг.2b, - при достижении эталонного уровня решающий блок 9 подает сигналы управления V (α и β), см. фиг.2с и d, на открывание (а затем на закрывание) оптического модулятора (ключа) 3 и на вычислительный блок 6, производящий обработку, например интегрирование, сигнала с фотоприемника 5. Аналогично, см. фиг.2е, могут быть получены опорные сигналы для определения исходного уровня излучения источника (γ) и поглощение фона (δ), необходимого для определения в вычислительном блоке обработки сигнала абсолютной величины поглощения измеряемым химическим веществом, а следовательно, его содержания (концентрации) в газовой среде. Для измерения содержания нескольких анализируемых газов (измеряемых химических веществ) в газовую кювету 7, см. фиг.1, вводятся все соответствующие корреляционные газы или используются несколько параллельно действующих газовых кювет с ними, например, когда эти газы реагируют друг с другом. Обработка сигналов в рабочем спектральном диапазоне с учетом отфильтрованных спектральных линий и полос вычислительным блоком может быть произведена известными методами.

Предполагаемое изобретение позволяет в значительной степени исключить влияние внешней среды (температуры и давления), нестабильности напряжений питания и помех (шумов) и дестабилизирующих факторов, а также отфильтровать "плохие" спектральные линии или полосы, ухудшающие селективность и чувствительность устройства, а также применить для измерения содержания в газовой среде веществ с более высоким молекулярным весом.

Устройство для измерения количества химических веществ, содержащихся в газовой среде, имеющее газокорреляционный фильтр с одной или несколькими газовыми кюветами, в некоторых из которых содержатся, а в других не содержатся газы с измеряемыми химическими веществами (корреляционные газы), оптический модулятор, фотоприемник и вычислительный блок, отличающееся тем, что в него дополнительно вводят источник монохроматического излучения с изменяющейся по временному закону длиной волны, оптический разветвитель, решающий блок эталонного сравнения и вспомогательные фотоприемники; часть излучения с источника монохроматического излучения с изменяющейся по временному закону длиной волны через оптический разветвитель направляют на оптический модулятор, а с оптического модулятора - в измеряемую газовую среду и далее в фотоприемник, сигнал с которого подают в вычислительный блок; другую часть излучения с оптического разветвителя направляют в газокорреляционный фильтр; прошедшее через газокорреляционный фильтр излучение направляют на вспомогательные фотоприемники, сигнал с которых подают на решающий блок эталонного сравнения для управления оптическим модулятором и вычислительным блоком так, что на фотоприемник попадает излучение только от спектральных линий или полос поглощения измеряемых химических веществ, отфильтровывая сигналы от части спектра излучения в тех спектральных линиях и полосах, которые совпадают со спектральными линиями и полосами поглощения посторонних (фоновых, не измеряемых) газов.