Газоанализатор

Газоанализатор

Реферат

 

Изобретение относится к технике газового анализа и может быть использовано для определения количественного и качественного состава газовых смесей, образуемых в результате жизнедеятельности организмов или выделяемых в процессе работы различных устройств, например карбюраторных двигателей. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей газоанализатора за счет определения качественного состава газовой смеси и повышение точности и чувствительности. В газоанализаторе, содержащем излучающий диод, p - n-переходы которого выполнены идентичными в одном и том же кристалле, фокусирующую оптическую систему по крайней мере с одним элементом, выполненным в виде вогнутого отражателя, в фокусе которого расположен фотоприемник, и электронную схему выделения полезного сигнала, подключенного к фотоприемнику, на поверхность по крайней мере одного из отражателей нанесена дифракционная решетка, и/или газоанализатор содержит дифракционную решетку, в меридиональной плоскости которой на направлениях главных дифракционных максимумов расположен диод и фотоприемник. Диод выполнен в виде линейной матрицы с числом элементов N, определяемых условием а светоизлучающая область каждого из элементов имеет поперечный размер h, который при неперекрывающихся полосах поглощения газов удовлетворяет условию /10 h(dx/d)^-1 , а в остальных случаях определяется из условия где дисперсия решетки или системы; Dl - разрешение решетки или системы; - - наименьшая из полуширин характеристических полос поглощения предполагаемых газов; - полуширина спектра электролюминесценции излучающего диода; H - расстояние между центрами элементов матрицы. Газоанализатор может содержать устройство коррекции величины тока, протекающего через p - n-переходы, подключенное к схеме выделения полезного сигнала, и просвечиваемое диодом эталонное вещество. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к технике 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 карбюраторных двигателей. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей газоанализатора за счет определения качественного состава газовой смеси, а также повышение его точности и чувствительности. На фиг.1 4 изображен предлагаемый газоанализатор, варианты исполнения. Газоанализатор содержит элементы 1 3 линейной матрицы, излучающий диод 4, вогнутую (фиг.1, 2) или плоскую (фиг.3, 4) дифракционную решетку 5, источник 6 питания диода, фотоприемник 7, электронную схему 8 выделения полезного сигнала с индикаторной панелью, вогнутый отражатель 9, вогнутый отражатель 10, на поверхность которого нанесена дифракционная решетка (фиг.4), устройство 11 коррекции величины тока, протекающего через р-n-переходы, эталонное вещество 12. Ход лучей на чертежах обозначен позицией 13. При использовании схемы с двумя отражателями увеличивается оптический путь при неизменных габаритах прибора. Поэтому такой газоанализатор используется при исследовании смесей малой концентрации или газов со слабым поглощением. Газоанализатор работает следующим образом. На элементы 1 3, диода 4 поочередно подаются импульсы тока, которые преобразуются в идентичные по спектральному составу и интенсивности световые импульсы. Световые импульсы проходят через анализируемый газ или газовую смесь и фокусируются дифракционной решеткой 5 (фиг.1, 2), вогнутым отражателем 9 или 10 на фотоприемник. На фотоприемник 7, расположенный, как и диод 4, в меридиональной плоскости решетки 5 (плоскость дифракции совпадает с плоскостью чертежа) на направлениях главных дифракционных максимумов. Из-за линейного расположения элементов матрицы и наличия диспергирующего устройства (решетки) осуществляется дискриминация излучения. В каждый выбранный момент времени на фотоприемник 7 попадает излучение от одного из элементов диода 4, причем излучение имеет длину волны _i где i номер элемента в матрице. Интенсивность излучения _i с длиной волны _i попадающего на фотоприемник 7, определяется местоположением элемента, спектральной зависимостью интенсивности электролюминесценции, дисперсией решетки 5, чувствительностью фотоприемника, т.е. является заданной для конкретной схемы газоанализатора. При наличии газа (концентрация газа х 0) происходит поглощение инфракрасного излучения диода 4 и изменение интенсивности света, попадающего на фотоприемник 7. Это новое состояние фиксируется электронной схемой 8 выделения полезного сигнала в виде набора интенсивностей _i^xo / _i^x=o exp (-dx (_i)), где i номер элемента; d оптический путь излучения; _i ( _i) коэффициент поглощения газа на длине волны _i Далее электронная схема 8 выделения полезного сигнала осуществляет сравнение полученной в газоанализаторе таблицы ln[ _i^x=o / _i^x=o] со справочными таблицами _к ( _i ) где k индекс газа, введенный предварительно в ее память. При выполнении условия = const осуществляется вывод индекса q на индикаторное устройство схемы 8 выделения полезного сигнала. Таким образом, осуществляется качественный анализ газовой смеси, а именно определяется наличие в ней газа q. При наличии многокомпонентных смесей газоанализатор работает аналогичным образом. В газоанализаторе, дополнительно содержащем просвечиваемое диодом 4 эталонное вещество 12 и устройство 11 коррекции величины тока, протекающего через р n-переходы, подключенное к схеме 8 выделения полезного сигнала (фиг. 2) через обратную связь, осуществляется подстройка длины волны излучения диода. При этом электронная схема устанавливает значение тока, при котором 0 Этим достигается совпадение максимума спектра электролюминесценции р-го элемента и минимума полосы пропускания эталонного вещества, что приводит к стабилизации длины волны излучения диода 4 и повышению точности и чувствительности. Введение в оптическую систему дифракционной решетки 5 и/или нанесение на поверхность по крайней мере одного из отражателей 9 или 10 дифракционной решетки 5 позволяет создать условия, при которых спектрально дискриминированное излучение от разных источников фокусируется в одну точку пространства. Этим создается возможность для спектрального анализа излучения и определения оптических параметров газовой среды, необходимых для качественного анализа газа. Выполнение диода 4 в виде линейной матрицы позволяет создать набор пространственно разнесенных источников излучения, что в совокупности с расположением диода и фотоприемника в меридиональной плоскости на направлениях главных дифракционных максимумов дает возможность регистрировать потоки излучения с дискретным набором длин волн, т.е. измерять параметры газовой среды при дискретных (и заранее заданных геометрией оптической системы) длинах волн. Это позволяет проводить оценку формы полосы пропускания среды, тт.е. проводить качественный анализ состава смеси. Применение числа элементов диода 4 больше трех и меньше "/ (d /dx ^. H) обеспечивает получение минимально необходимой информации о форме полосы поглощения газа, т.е. является необходимым при качественном анализе состава газовой смеси. При числе элементов, равном двум (т.е. при двух измерениях ₁^xo/ ₁^x=o, ₂^xo/ ₂^x=o, невозможен качественный анализ, так как невозможно определение характеристик поглощения на длинах волн ₁ и ₂, поскольку число неизвестных при этом равно трем ( (₁ ), ( ₂ ) х концентрация газа). При увеличении числа элементов возрастает точность количественного и качественного анализа. Однако при числе элементов больше "/ (d /dx ^. H) сигнал от крайних элементов не регистрируется системой и не может быть использован для обработки электронной схемой. Это вызвано тем, что интенсивность излучения удаленных от центра диода 4 элементов, попадающая на фотоприемник, убывает по мере увеличения сила элементов. Поэтому использование большого числа элементов нецелесообразно, так как при этом резко увеличивается стоимость диода и газоанализатора. Выполнение светоизлучающей области каждого из элементов с линейным размером h, удовлетворяющим одному из условий /10 h h 2 где дисперсия решетки или системы; ^I- разрешение решетки или системы; наименьшая из полуширин характеристических полос поглощения, обеспечивает, с одной стороны, большую интенсивность сигнала на фотоприемнике, а с другой монохроматичность излучения, попадающего на фотоприемник от каждого элемента. Это обеспечивает возможность анализа состава газа, т. е. при этом достигается наибольшее отношение сигнал-шум при наилучшем разрешении. При выполнении условия /10 h где наименьшая из полуширин характеристических линий поглощения предполагаемых газов, полосы поглощения которых спектрально не перекрываются, излучение, попадающее на фотоприемник от дискретного элемента, с одной стороны, имеет полуширину, меньшую полуширины линии поглощения газа, что обеспечивает реализацию качественного анализа. С другой стороны, интегральная интенсивность при этом достаточно велика, что обеспечивает большое отношение сигнал-шум, необходимое для качественного анализа. При размерах элементов больше ухудшается монохроматичность излучения и уменьшается точность определения коэффициентов поглощения при дискретных значениях длин волн _i т.е. резко снижается возможность проведения качественного состава смеси по дискретной таблице ( _i ) При размерах элементов меньше резко падает интенсивность световых потоков, попадающих на фотоприемник, что в совокупности с сохранением на прежнем уровне монохроматичности излучения создает неопределенность измерений вследствие падения отношения сигнал-шум. В случаях, когда заранее неизвестны компоненты, входящие в состав смеси, размер светоизлучающих областей согласован с разрешением решетки или системы ( ^I) так, чтобы суммарное спектральное разрешение было наименьшим при наибольшем отношении сигнал-шум, что необходимо для прецизионного качественного анализа состава: h 2 Использование устройства коррекции величины тока в совокупности с эталонным веществом позволяет производить коррекцию длины волны диода, что повышает точность. Без них точность падает, так как флуктуирует.

Формула изобретения

1. Газоанализатор, содержащий излучающий диод, p-n-переходы которого выполнены идентичными в одном и том же кристалле, фокусирующую оптическую систему по крайней мере с одним элементом, выполненным в виде вогнутого отражателя, в фокусе которого расположен фотоприемник, и электронную схему выделения полезного сигнала, подключенную к фотоприемнику, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей газоанализатора за счет определения качественного состава газовой смеси, на поверхности по крайней мере одного из отражателей нанесена дифракционная решетка и/или газоанализатор содержит дифракционную решетку, в меридиональной плоскости которой на направлениях главных дифракционных максимумов расположены диод и фотоприемник, причем диод выполнен в виде линейной матрицы с числом элементов N, определяемым условием а светоизлучающая область каждого из элементов имеет поперечный размер h, который при неперекрывающихся спектрально полосах поглощения газов удовлетворяет условию а в остальных случаях определяется из условия где дисперсия решетки или системы; Dl разрешение решетки или системы; наименьшая из полуширин характеристических полос поглощения предполагаемых газов; Dl полуширина спектров электролюминесценции излучающего диода; H расстояние между центрами элементов матрицы. 2. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, он содержит устройство коррекции величины тока, протекающего через n-p-переходы, подключенное к схеме выделения полезного сигнала, и просвечиваемое диодом эталонное вещество.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

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: 14-2002

Извещение опубликовано: 20.05.2002