Автоматичний інфрачервоний газоаналізатор

Винахід відноситься до сфери газового аналізу і може бути застосований при розробці інфрачервоних газоаналізаторів для виміру концентрацій газів в викидах транспортних засобів (автомобілів, літаків, тепловозів, морських і річних кораблів), промислових підприємств, енергетичних установок. Існуючий інфрачервоний газоаналізатор (В.П.Тхоржевский "Автоматический анализ газов и жидкостей на химических предприятиях", Химия, 1976г., стр.108-112) який складається з джерела інфрачервоного випромінювання, яке модулюється (переривається) обтюратором, вимірювальних каналів - робочого і порівняльного з довжиною поглинання L, приймача інфрачервоного випромінювання. У відомому газоаналізаторі реалізується принцип поглинання електромагнітного випромінювання в інфрачервоній частині спектра, який описується законом Ламберта-Бера: (1) F 0 = F1e -l cL де, F 0 - початкова інтенсивність інфрачервоного випромінювання; F 1 - інтенсивність випромінювання після проходження через шар газу товщиною L; L – товщина шар у; с - концентрація газу; l - коефіцієнт поглинання. З цього виразу видно, що чим більше довжина L, тим більша чутливість і точність газоаналізатора. Збільшення L дозволяє розширити діапазон вимірювальних концентрацій. Однак збільшення довжини вимірювальних каналів (кювет) приводить до суттєвого зростання габаритів і ваги приладу. Тому, як правило, довжина кювети - L є фіксованою, але при цьому газоаналізатор має низьку чутливість і точність вимірів малих (фонових) концентрацій газів. Знаний також інфрачервоний газоаналізатор (Д.О. Горелик, Б.Б. Сахаров "Оптико-акустический эффект в физико-химических измерениях", издательство "Стандарт", Москва, 1969, стр.28-30), який складається з джерела і приймача інфрачервоного випромінювання і розміщеними між ними обтюратором і двома кюветами - робочою і порівняльною. Недоліком цього газоаналізатора є фіксована, незмінна довжина кювет і відповідно неможливість виміру широких концентрацій газів, низька чутливість і точність вимірів. Відомий газоаналізатор, що складається з джерела і приймача інфрачервоного випромінювання та розміщеними між ними обтюратором і двома кюветами - робочою і порівняльною, пристроєм обробки вимірювальної інформації, вихідним фіксуючим приладом. Недоліком його є фіксована довжина вимірювальної і опорної кювети, що не дозволяє проводити виміри малих значень концентрацій газів з заданою точністю і чутливістю. Задачею теперішнього винаходу є підвищення чутли вості і точності виміру концентрацій газів в широкому діапазоні. Поставлена задача вирішується тим, що в автоматичному інфрачервоному газоаналізаторі, що складається з джерела і приймача інфрачервоного випромінювання, останній з'єднаний з вихідним реєструючим пристроєм, вимірювальних кювет з вхідним і вихідним газовими патрубками, вхідним і вихідним прозорими вікнами, джерело інфрачервоного випромінювання розташовано в напівсферичному дзеркалі, на оптичній осі якого послідовно розміщені вимірювальна кювета і обтюратор, останній з'єднаний з електродвигуном, джерело і приймач інфрачервоного випромінювання з інтерференційним фільтром розташовані в одному корпусі з вихідним і вхідним прозорими вікнами - відповідно навпроти джерела і приймача інфрачервоного випромінювання, в корпусі також вмонтовано електропідігрівач з'єднаний з термодатчиком, що установлений на корпусі, в обтюраторі навпроти оптичної осі потоку інфрачервоного випромінювання по колу зроблено внутрішній прямокутний виріз з кутом вирізу кожної грані 45° до поверхні обтюратора, причому грані вирізу мають дзеркальну поверхню. На Фіг.1 наведена функціональна схема автоматичного інфрачервоного газоаналізатора. Джерело інфрачервоного випромінювання 1, розташоване в напівсферичному дзеркалі 2. Джерело 1 і приймач інфрачервоного випромінювання 3 з нанесеним на нього інтерференційним фільтром 4 розташовані в корпусі 5. В корпусі 5 навпроти джерела 1 і приймача 3 зроблені прозорі вихідне 6 і вхідне 7 вікна для проходження інфрачервоного випромінювання. На одній оптичній осі з джерелом випромінювання 1 послідовно розміщені вимірювальна кювета 8, з прозорими вхідним 9 і вихідним 10 вікнами та обтюратором 11. Обтюратор 11 з'єднаний з електродвигуном 12. В корпусі 4 вмонтовано електропідігрівач 13, який з'єднаний з термодатчиком 14. В обтюраторі 11 (Фіг.1) по колу зроблено внутрішній прямокутний виріз 15 розташований навпроти оптичної осі потоку інфрачервоного випромінювання. Грані 15 вирізу розташовані під кутом 45° до поверхні обтюратора. Грані 15 мають дзеркальну поверхню. Газоаналізатор працює таким чином. Інфрачервоне випромінювання від джерела 1 формується напівсферичним дзеркалом 2 в горизонтальний потік випромінювання - F 0 . Цей потік з корпусу 5 через прозоре вихідне вікно 6 і прозоре вхідне вікно 7 попадає на вимірювальну кювету 8. Через вхідні і вихідні газові патрубки кювети 8 прокачується аналізований газ з концентрацією Сі. Потік інфрачервоного випромінювання F 0 проходить через кювету 8 і частково поглинається, в залежності від концентрації Сі (ступінь залежності описана виразом (1). На виході вимірювальної кювети 8 матимемо потік F 1 . Цей потік пройшовши через вихідне прозоре вікно 10 попадає на одну з граней вирізу 15 в обтюраторі 11. Далі потік F 1 віддзеркалюється від цієї грані і попадає на іншу грань, віддзеркалюється від неї і в зворотному напрямку знову пройшовши через прозоре вікно 10 попадає на вимірювальну кювету 8, прозоре вікно 9, прозоре вхідне вікно 7 і далі через інтерференційний фільтр 4 на приймач інфрачервоного випромінювання 3. Обтюратор 11 фактично виконує дві функції, першу традиційну, за рахунок вирізу 16 в дисковій формі модуляція потоку F 1 інфрачервоного випромінювання. Друга - нова функція, полягає в віддзеркалені потоку F 1 в зворотному напрямку за рахунок дзеркальних граней вирізу 15. Таким чином, обтюратор є модулятором і віддзеркалювачем одночасно. За рахунок цього інфрачервоний потік F 1 , ще раз пройде через довжину L вимірювальної кювети 8. На виході кювети 8 матимемо потік F 2 за обтюратора, що обертається за допомогою електродвигуна 12, здійснюється рахунок повторного поглинання потоку F 1 в кюветі 8 на зворотному ході потоку F 1 . Інфрачервоний потік F 2 сприймається приймачем 4 інфрачервоного випромінювання, яке пропорційне концентрації газу С і, сигнал з приймача 4 фіксується реєструючим пристроєм 17. Джерело 1 і приймач 3 інфрачервоного випромінювання знаходяться в одному конструктивному корпусі 5. Термостабілізація корпуса 5 досягається, як за рахунок самого джерела 1, так і зовнішнього електропідігрівача 13, який керується від термодатчика 14. Таким чином досягається стабільність випромінювання і температурних режимів, як для джерела 1 так і приймача 3 інфрачервоного випромінювання, що дозволяє досягти стабільності нульових показів на рівні 0,01%. Потік від джерела 1 інфрачервоного випромінювання фокусується на обтюратор 11 який використовується в якості відбиваючого дзеркала, що забезпечує подвійний хід інфрачервоного потоку. Таким чином фактично довжина L вимірювальної кювети 8 подвоєна без реального збільшення довжини кювети, габаритів і ваги всього приладу. За рахунок об'єднання в одному корпусі 5 джерела 1 і приймача інфрачервоного випромінювання 3, а також використання обтюратора 11, як відбиваючого дзеркала суттєво підви щені метрологічні показники приладу: - зросла чутливість газоаналізатора за рахунок оптичного збільшення довжини вимірювальної кювети і можливість виміру значень концентрації газів на рівні 0,001об.%; - розширились діапазони вимірів; - підвищилась точність вимірів за рахунок стабілізації нульових показів; - зменшилась кількість калібровок газоаналізатора нульовим газом.