RU2528129C1

RU2528129C1 - Gas analyser

Info

Publication number: RU2528129C1
Application number: RU2013118051/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Иванович Фесенко; Илья Григорьевич Проценко; Юрий Анатольевич Брусенцов; Иван Сергеевич Филатов
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2014-09-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: gas analyser comprises an emitting diode made of two p-n junctions placed in a single housing and a radiation detector, placed in a cell which is divided by a radiation-transparent partition wall of sapphire glass into two compartments. One compartment is intended for the analysed gas mixture and the other for accommodating the radiation source and detector. End walls of the cell are in the form of spherical mirrors, and the output of the radiation detector is connected to a measurement circuit which comprises an amplifier, the input of which is connected to the output of the radiation detector and the output is connected to the input of a resonance amplifier, synchronous detectors, inputs of which are connected to outputs of the resonance amplifier and control inputs are connected to the third output of the power supply unit of the radiation source, the first two outputs of which are connected to the radiation source, as well as a recording apparatus. The circuit also includes two storage units, an analogue voltage divider and a logarithmic amplifier. The storage units are connected to inputs of the analogue voltage divider and outputs of the synchronous detectors, respectively, and the output of the divider is connected to the input of the logarithmic amplifier, the output of which is connected to the input of the recording apparatus.

EFFECT: high measurement accuracy.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано для определения концентрации газообразных веществ.The invention relates to the field of analytical instrumentation and can be used to determine the concentration of gaseous substances.

Известен многокомпонентный анализатор веществ, содержащий оптически связанный источник излучения, спектральный модулятор, кювету, фокусирующую систему, блок приемника излучения, блок синхронизации, блоки накопителей, блок обработки, включающий по меньшей мере два вычитающих элемента, делители аналоговых сигналов, а также блок вторичной обработки (Авт. свид. РФ №1674621, МПК G01N 21/61, 1995).A multicomponent analyzer of substances is known that contains an optically coupled radiation source, a spectral modulator, a cuvette, a focusing system, a radiation receiver unit, a synchronization unit, storage units, a processing unit that includes at least two subtractive elements, analog signal dividers, and a secondary processing unit ( Authorized certificate of the Russian Federation No. 1674621, IPC G01N 21/61, 1995).

Недостатком данного устройства является пониженная точность измерения, обусловленная наличием, по меньшей мере, двух подобных вычитающих устройств с изменяющимися случайно во времени характеристиками без осуществления компенсации возникающих погрешностей.The disadvantage of this device is the reduced measurement accuracy due to the presence of at least two such subtracting devices with randomly changing characteristics over time without compensation for errors.

Известен также газоанализатор, наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому изобретению, содержащий оптически связанные излучающий диод, выполненный из двух p-n переходов, размещенных в едином корпусе, и приемник излучения, расположенные в кювете, разделенной прозрачной для излучения перегородкой из сапфирового стекла на два отсека, один из которых предназначен для исследуемой газовой смеси, а во втором расположены источник и приемник излучения, при этом торцовые стенки кюветы выполнены в виде сферических зеркал, а также электронную схему выделения полезного сигнала, подключенную к выходу приемника излучения и содержащую усилитель, вход которого связан с выходом приемника излучения, а выход - с входом резонансного усилителя, синхронные детекторы, входы которых связаны с выходами резонансного усилителя, а управляющие входы - с третьим выходом блока питания источника излучения, первые два выхода которого связаны с источником излучения, логарифмические усилители, входы которых последовательно связаны с выходами синхронных детекторов, а выходы - со схемой вычитания, которая через масштабирующий усилитель, управляющий вход которого связан со схемой коррекции нуля, соединена со входом регистрирующего прибора (Авт.свид. СССР №1188600, МПК G01N 21/61, Бюл. №40 от 20.10.85).A gas analyzer is also known that is closest in technical essence to the proposed invention, containing an optically coupled emitting diode made of two pn junctions located in a single housing, and a radiation receiver located in a cuvette, divided by a radiation-resistant sapphire glass partition into two compartments, one of which is intended for the gas mixture under study, and in the second there is a radiation source and receiver, while the end walls of the cell are made in the form of spherical mirrors, as well as a useful signal selection electronic circuit connected to the output of the radiation receiver and containing an amplifier, the input of which is connected to the output of the radiation receiver, and the output is connected to the input of the resonant amplifier, synchronous detectors, the inputs of which are connected to the outputs of the resonant amplifier, and the control inputs are connected to the third output of the unit power supply of the radiation source, the first two outputs of which are connected to the radiation source, logarithmic amplifiers, the inputs of which are connected in series with the outputs of synchronous detectors, and the outputs are connected to the circuit Tanya, which through a scaling amplifier, the control input of which is connected to the correction circuit ground, is coupled to the input of the recording device (Avt.svid. USSR No. 1188600, IPC G01N 21/61, Bull. No. 40 dated 10.20.85).

Недостатком данного устройства является также пониженная точность измерения, обусловленная наличием двух подобных логарифмирующих устройств с изменяющимися случайно во времени характеристиками без осуществления компенсации возникающих погрешностей с последующим применением вычитающего устройства.The disadvantage of this device is also the reduced accuracy of the measurement, due to the presence of two such logarithmic devices with randomly changing characteristics over time without compensating for errors that occur with the subsequent use of a subtracting device.

Техническая сущность предлагаемого изобретения состоит в исключении из измерительной схемы двух подобных логарифмирующих устройств с целью повышения точности измерения при сохранении линейного выходного сигнала.The technical essence of the invention consists in the exclusion from the measuring circuit of two such logarithmic devices in order to increase the accuracy of the measurement while maintaining a linear output signal.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности измерения.The technical result of the invention is to improve the accuracy of measurement.

Технический результат достигается тем, что газоанализатор, содержащий оптически связанные излучающий диод, выполненный из двух p-n переходов, размещенных в едином корпусе, и приемник излучения, расположенные в кювете, разделенной прозрачной для излучения перегородкой из сапфирового стекла на два отсека, один из которых предназначен для исследуемой газовой смеси, а во втором расположены источник и приемник излучения, при этом торцовые стенки кюветы выполнены в виде сферических зеркал, а также электронную схему выделения полезного сигнала, подключенную к выходу приемника излучения и содержащую усилитель, вход которого связан с выходом приемника излучения, а выход - с входом резонансного усилителя, синхронные детекторы, входы которых связаны с выходами резонансного усилителя, а управляющие входы - с третьим выходом блока питания источника излучения, первые два выхода которого, связаны с источником излучения, а также регистрирующий прибор, дополнительно снабжен двумя блоками памяти, аналоговым делителем напряжения, логарифмирующим усилителем, при этом блоки памяти подключены к входам аналогового делителя напряжения и выходам синхронных детекторов соответственно, а выход делителя связан с входом логарифмирующего усилителя, выход которого подключен к входу регистрирующего прибора.The technical result is achieved by the fact that a gas analyzer containing an optically coupled emitting diode made of two pn junctions located in a single housing and a radiation receiver located in a cuvette, divided by a radiation-friendly sapphire glass partition into two compartments, one of which is designed for of the studied gas mixture, and in the second there is a radiation source and receiver, while the end walls of the cell are made in the form of spherical mirrors, as well as an electronic circuit for extracting the useful signal connected to the output of the radiation receiver and containing an amplifier, the input of which is connected to the output of the radiation receiver, and the output - to the input of the resonant amplifier, synchronous detectors, the inputs of which are connected to the outputs of the resonant amplifier, and the control inputs - to the third output of the radiation source power supply, the first whose two outputs are connected to the radiation source, as well as the recording device, is additionally equipped with two memory blocks, an analog voltage divider, a logarithmic amplifier, while the memory blocks are connected enes to the inputs of an analog divider and voltage outputs of the synchronous detectors, respectively, and a divider output connected to the input of a logarithmic amplifier whose output is connected to the input of the recording device.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства.Figure 1 presents the structural diagram of the proposed device.

Газоанализатор содержит источник излучения 1, кювету 2, приемник излучения 3, сферические зеркала 4 и 5, электронную схему выделения полезного сигнала 6, включающую усилитель 7, резонансный усилитель 8, синхронные детекторы (например, селектируемые пиковые детекторы) 9 и 10, блоки памяти (например, запоминающие емкости) 11 и 12, блок аналогового делителя напряжения (например, аналоговый интегральный перемножитель) 13, логарифмирующий усилитель 14, регистрирующий прибор 15, а также блок питания источника излучения 16.The gas analyzer contains a radiation source 1, a cuvette 2, a radiation receiver 3, spherical mirrors 4 and 5, an electronic signal extraction circuit 6, including an amplifier 7, a resonant amplifier 8, synchronous detectors (for example, selectable peak detectors) 9 and 10, memory blocks ( for example, storage capacities) 11 and 12, an analog voltage divider unit (for example, an analog integrated multiplier) 13, a logarithmic amplifier 14, a recording device 15, and also a radiation source power supply 16.

Назначение вновь введенных элементов: блоков памяти 11 и 12, блока аналогового делителя напряжения 13 - понятно из их названия.The purpose of the newly introduced elements: memory blocks 11 and 12, block analog voltage divider 13 - is clear from their name.

Оптически связанный источник излучения 1, входы которого соединены с выходами блока питания источника излучения 16, представляет собой излучающий диод, выполненный из двух p-n переходов, размещенных в едином корпусе, и приемник излучения 3, расположенные в кювете 2, разделенной прозрачной для излучения перегородкой из сапфирового стекла на два отсека, один из которых предназначен для исследуемой газовой смеси, а во втором расположены источник 1 и приемник излучения 3. Торцовые стенки кюветы 2 выполнены в виде сферических зеркал 4 и 5, при этом источник излучения 1 расположен в фокусе зеркала 4, а приемник излучения - в фокусе зеркала 5. К выходу приемника излучения 3 подключена электронная схема выделения полезного сигнала 6, содержащая усилитель 7, вход которого связан с выходом приемника излучения, а выход - с входом резонансного усилителя 8, выходы которого соединены с входами синхронных детекторов 9 и 10, при этом их управляющие входы соединены с третьим выходом источника питания 16. Выходы синхронных детекторов 9 и 10 через блоки памяти 11 и 12 связаны с входами блока аналогового делителя напряжения 13, выход которого в свою очередь связан с входом логарифмирующего усилителя 14, выход которого подключен к входу регистрирующего прибора 15.An optically coupled radiation source 1, the inputs of which are connected to the outputs of the power supply unit of the radiation source 16, is a radiating diode made of two pn junctions located in a single housing and a radiation receiver 3 located in a cuvette 2 separated by a sapphire transparent partition for radiation glass into two compartments, one of which is designed for the gas mixture under study, and in the second there are a source 1 and a radiation receiver 3. The end walls of the cell 2 are made in the form of spherical mirrors 4 and 5, while the radiation point 1 is located in the focus of the mirror 4, and the radiation receiver is in the focus of the mirror 5. An output circuit of the useful signal 6 is connected to the output of the radiation detector 3, it contains an amplifier 7 whose input is connected to the output of the radiation receiver and the output to the input of the resonant amplifier 8, the outputs of which are connected to the inputs of synchronous detectors 9 and 10, while their control inputs are connected to the third output of the power source 16. The outputs of the synchronous detectors 9 and 10 through memory blocks 11 and 12 are connected to the inputs of the analog divide I stress 13, whose output is in turn connected to the input of logarithmic amplifier 14, whose output is connected to the input of the recording device 15.

Газоанализатор работает следующим образом.The gas analyzer operates as follows.

От блока питания 16 поочередно подается питание на эталонный и рабочий p-n переходы источника излучения 1, излучающие на одной и той же длине волны, соответствующей полосе поглощения анализируемого газообразного вещества. Излучение эталонного p-n перехода источника 1 проходит через отсек кюветы 2 без анализируемого газообразного вещества, отражается от сферического зеркала 5 и попадает на приемник излучения 3. Излучение рабочего p-n перехода источника 1 попадает во второй отсек кюветы 2, заполненный газообразным веществом, где, претерпевая поглощение, отражается от сферического зеркала 4 и поступает на приемник излучения 3. Потоки излучения, поступающие на приемник 3, пропорциональны пропусканию измерительного канала при излучении рабочего p-n перехода, а также пропусканию сравнительного канала при излучении эталонного p-n перехода источника излучения 1. Выходной сигнал с приемника излучения 3 поступает на вход усилителя 7, расположенного в схеме выделения полезного сигнала 6, выход которого последовательно соединен с входом резонансного усилителя 8. С выходов резонансного усилителя сигналы поступают на входы синхронных детекторов 9 и 10, при этом на их управляющие входы поступает сигнал с третьего выхода блока питания источника излучения 16. С выходов синхронных детекторов 9 и 10, сигнал через подключенные блоки памяти 11 и 12 поступает на входы аналогового делителя напряжения 13, выполненного, например, с использованием интегрального перемножителя (аналоговые интегральные перемножители реализуются не только для воспроизведения операции перемножения, но и обратной ей - деления, при этом перемножитель используется как элемент отрицательной обратной связи операционного усилителя. Пример: интегральная микросхема 140MAI), при этом выход делителя напряжения 13 последовательно соединен с входом логарифмирующего устройства 14, с выхода которого сигнал поступает на вход регистрирующего прибора 15.From the power supply 16, power is supplied alternately to the reference and working pn junctions of the radiation source 1, emitting at the same wavelength corresponding to the absorption band of the analyzed gaseous substance. The radiation from the reference pn junction of the source 1 passes through the compartment of the cell 2 without the analyzed gaseous substance, is reflected from the spherical mirror 5, and enters the radiation receiver 3. The radiation from the working pn junction of the source 1 enters the second compartment of the cell 2 filled with gaseous material, where, undergoing absorption, is reflected from the spherical mirror 4 and enters the radiation receiver 3. The radiation fluxes arriving at the receiver 3 are proportional to the transmission of the measuring channel when the working pn junction is emitted, and transmitting the comparative channel when the reference pn junction of the radiation source is emitted 1. The output signal from the radiation receiver 3 is input to an amplifier 7 located in the extraction circuit of the useful signal 6, the output of which is connected in series with the input of the resonant amplifier 8. From the outputs of the resonant amplifier, the signals are fed to the inputs synchronous detectors 9 and 10, while their control inputs receive a signal from the third output of the power supply of the radiation source 16. From the outputs of synchronous detectors 9 and 10, the signal through These memory blocks 11 and 12 are fed to the inputs of an analog voltage divider 13, made, for example, using an integral multiplier (analog integral multipliers are implemented not only to reproduce the multiplication operation, but also its inverse division, while the multiplier is used as an element of negative feedback operational amplifier. Example: integrated circuit 140MAI), while the output of the voltage divider 13 is connected in series with the input of the logarithmic device 14, from the output of which the signal is fed to the input of the recording device 15.

Предлагаемая конструкция газоанализатора позволяет повысить точность измерения концентрации газообразных веществ по сравнению с прототипом за счет исключения из измерительной схемы двух подобных логарифмирующих устройств, погрешности преобразования которых случайно изменяются во времени независимо друг от друга, при сохранении линейного выходного сигнала.The proposed design of the gas analyzer allows to increase the accuracy of measuring the concentration of gaseous substances in comparison with the prototype due to the exclusion from the measuring circuit of two similar logarithmic devices, the conversion errors of which randomly change in time independently from each other, while maintaining a linear output signal.

Claims

A gas analyzer containing an optically coupled emitting diode made of two pn junctions located in a single housing and a radiation detector located in a cuvette, divided by a sapphire crystal partition transparent for radiation, into two compartments, one of which is for the gas mixture under study, and the second is the source and receiver of radiation, while the end walls of the cell are made in the form of spherical mirrors, as well as an electronic circuit for extracting the useful signal connected to the output of the radiation receiver and containing an amplifier, the input of which is connected to the output of the radiation receiver, and the output - to the input of the resonant amplifier, synchronous detectors, the inputs of which are connected to the outputs of the resonant amplifier, and the control inputs - to the third output of the radiation source power supply, the first two outputs of which are connected with a radiation source, as well as a recording device, characterized in that it is additionally equipped with two memory blocks, an analog voltage divider, a logarithmic amplifier, while the memory blocks are connected to the analog inputs ovogo voltage divider and the outputs of the synchronous detectors, respectively, and an output divider connected to the input of a logarithmic amplifier whose output is connected to the input of the recording device.