Спектрометр

, р. 6329-633 игетепт 02 Ьу опрЬуз. к облас иборос ся пов вности ти опти роения ышение при однт газоточника ируемой роматор. омп ис анализполих СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Специальное конструсредств аналитической техн(57) Изобретение относитсяческого спектрального прЦелью иобретения являечувствительности и селектновременном измерении квой смеси. Излучениепроходит через кювету длягазовой смеси и поступает Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению.Цель изобретения - повышение чувствительности и селективности при одновременном измерении всех компонент газовой смеси.На фиг.1 показана структурная схема спектрометра; на фиг.2 - наборы выходных щелей; на фиг,3 - то же, п ри не п реры вном изменении расстояний между щелями; на фиг.4 - то же, при изменении расстояний между щелями по закону, соответствующему спирали Архимеда.Спектрометр содержит источник 1, коллиматорную линзу 2, формирующую светоВходная щель полихроматора состоит из щ наборов входных щелей. Каждый из т наборов состоит по крайней мере из двух входных щелей, Каждый набор поочередно размещается в плоскости входной щели полихроматорэ. Расстояние с между входными щелями в каждом наборе равно о = О х хдА, где О - обратная линейная дисперсия полихроматора, дЯ; - спектральный период структуры -й компоненты газовой смеси, Расстояние Ф также может удовлетворять соотношению ( = с 1+ х(9 а, где д- расстояние между входными щелями, соответствующее компоненту газовой смеси с минимальной величиной д 4, а - угол наклона щелей, х - координата в направлении, перпендикулярном дисперсии полихроматорэ. Входные щели могут быть выполнены в виде спиралей Архимеда с общим центром, Устройство позволяет расширить диапазон измеряемых концентраций. 2 з.п.ф-л ы, 4 ил. вой поток, кювету 3 с анализируемой газовой смесью, объектив 4, фокусирующий излучение а плоскость входной щели 5.Щели 5 размещены на кассете 6, установленной на оси тягового двигателя 7. Полихроматор состоит из дифракционной решетки 8 и сканируемой выходной щели 9, установленной на оси привода 10, Система регистрации содержит фотоумножитель 11, усилитель 12, датчик 13 реперной точки, формирователь 14 управляющего сигнала, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 15. микропроцессор 16, дисплей 17, блок 18 питания шагового двигателя и блок 19 управления.Спектрометр работает следующим образом.Излучение от источника 1 проходит через анализируемую газовую смесь, содержащуюся в кювете 3, и преобретает, представляющую собой композицию изструктур анализируемых газов, содержащихся в смеси, Излучение фокусируется навходные щели 5 полихроматора, которыйустановлен на кассете б. В одном из вари антов кассета б представляет собой металлический диск, на котором прорезаны (поодному витку) спирали Архимеда с различным шагом - как положительным, так и отрицательным (фиг,4). Причем длядостижения селективности количество Щелей в кассете должно быть четным. Полученная таким образом система щелейхарактерна тем, что расстояние между щелями д изменяется по линейному законуг 1 = г 11+ а у,где а = тца - постоянная, величина которойопределяется углом а;р - угловая координата кассеты б,На кассете б также имеется реперноеотверстие, от которого начинается отсчетугловой координаты. Кассета б установленана оси шагового двигателя 7, на которойчерез блок 18 поступают периодически отблока 19 цуги импульсов. Каждый цуг импульсов осуществляет поворот кассеты наопределенный угол Ьр, при котором щели 5 кассеты образуют маску с расстояниеммежду щелями б = О дЛ для анализа -гогаза. В этом положении кассета находитсядо прихода следующего цуга импульсов О -обратная линейная дисперсия монохроматора,Прошедшее через щели 5 кассеты б излучение разлагается по спектру с помощьюрешетки 8 и собирается в ее фокальной плоскости, Световой поток от каждой щели 5кассеты б образует в фокальной плоскостирешетки 8 изображение спектра анализируемого газа, При эквидистантном расположении полос поглощения спектрысовпадают по фазе, амплитуды их структурысуммируются и амплитуда полезного сигнала увеличивается в и раз, где и - количествощелей 5, а эффективное значение сигналав / и раз, Если спектры не совпадают пофазе, то и не происходит увеличения полезного сигнала,При сканировании выходной щелью 9 спомощью привода 10 спектра, образованного в фокальной плоскости решетки 8, свыхода фотоумножителя 11 снимается сигнал, близкий к синусоидальному оп ределен разуется в цифровую форму, АЦП 15 управляется сигналами, поступающими с 10 вые сигналы поступают в микропроцессор 16, где они накапливаются в соответствую 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ной частоты (при наличии только одного иэ анализируемых гаэвв в кювете 3), или сигнал, имеющий более сложный спектр(в случае присутствия нескольких газов). Этот сигнал усиливается и поступает на быстродействующий АЦП 15, в котором он преобблока 19 через формирователь 14. Цифрощих каналах и обрабатываются по определенному алгоритму, Концентрация анализируемых газов индицируется на дисплее 17. Для поиска исходного положения кассеты б служит датчик 13. Между блоком 19 имикропроцессором 16 идет обмен информацией о начале и окончании выполнения той или иной команды, поступающей с микропроцессора 16,Требование, чтобы расстояние Ф между щелями в каждом фиксированном положении было равно б = О д Л вытекает иэ определения линейной дисперсии полихроматора О = сИ/гй, где г 1 - расстояние в спектре между излучениями с весьма близкими длинами волн Ли Л+ б Л, который наблюдается в плоскости выходной щели полихроматора,Действительно, плоскости входной и выходной щелей в соответствии с принципом взаимности эквивалентны. Поэтому, если в плоскости входной щели 5 полихроматора установить набор щелей с расстоянием между щелями, равным Ф, то в плоскости его вьходной щели 9 сформируется их изображение (в случае монохроматического источника излучения). Причем расстояние между изображениями щелей в наборе по шкале длин волн О Л= Ой. Если б выбрать таким образом, чтобы гЛ= д Л ( д Л - период струк-. туры 1-го анализируемого газа), то в случае освещения щелей 5 набора монохроматическим источником 2 света и присутствия в кювете 3-го анализируемого газа, в плоскости выходной щели 9 полихроматора наблюдаются спектры 1-го газа (от каждой щели маски, накладывающиеся друг на друга с совпадающей по фазе структурой), т.е. в этом случае амплитуда полезного сигнала увеличивается в и раэ, где и - количество щелей в наборе.В случае изменения расстояния между щелями 5 кассеты 6 по линейному закону б= = о 1+ ах (фиг.3) величина а =Л с 3/Ьх = сца .Если э - ширина входных щелей 5 кассеты б и сканируемой выходной щели 9 (обычно эти ширины выбираются равными), й - высота входной щели 5, то каналы второй щели кассеты относительно первой наугол а приводят к уменьшению расстояния между изображениями щелей на величину Л= И 9(х . Максимальная амплитуда полезного сигнала может быть получена при ширине щелей 5, равной в = 0,5 б. С другой 5 стороны, для того, чтобы изображения щелей 5 кассеты 6 в плоскости выходной щели 9 не перекрывались, необходимо в данном случае чтобы Л3. Подставляя значения Л, получают иэ/19 а . 10Таким образом, введение в предлагаемый спектрометр, предназначенный для одновременного анализа многих газовых компонентов, наборов входных щелей указанной конструкции, движущихся с по мощью привода по определенной программе, повышает селективность анализа, его чувствительность, Это, в свою очередь, позволяет расширить диапазон измеряемых концентраций, уменьшить по грешность измерений.Формула изобретения1. Спектрометр, содержащий оптически связанные источник излучения, конденсорную систему, кювету для анализируемой га зовой смеси, полихроматор, снабженный входной щелью и выходной щелью, установленной с возможностью сканирования по спектру, и приемник излучения, а также систему регистрации, соединенную с прием ником излучения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения чувствительности и селективности при одновременном измерении всех компонент газовой смеси, он содержит по крайней мере одну дополни тельную входную щель, составляющую с входной щелью первый набор входных щелей, а такжет - 1 наборов дополнительньх входных щелей, содержащих в каждом на- . боре по крайней мере две входных щели, 40 где е - количество анализируемых компонент газовой смеси, каждый из гп наборов входных щелей установлен с возможностью поочередного размещения в плоскости входной щели пол ихроматора, при этом рас стояние с между входными щелями в каждом наборе удовлетворяет соотношениюб = ОдМгде О - обратная линейная дисперсия полихроматора;дА - спектральный период структуры-йкомпоненты газовой смеси.2. Спектрометр по п,1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что расстояние б между входнымищелями удовлетворяет соотношениюс = о + х 9где с - расстояние между входными щелями, соответствующее компоненту газовойсмеси с минимальной величиной;а - угол наклона входных щелей однаотносительно другой;х - координата в направлении, перпендикулярном дисперсии полихроматора,при этом высота 1 каждой входной щелиудовлетворяет соотношениюЬ (т 9 агде э - ширина выходной щели, а ширинакаждого набора входных щелей удовлетворяет соотношению12 бп 1,где бп - максимальное расстояние междувходными щелями, соответствующее а-мукомпоненту газовой смеси.3. Спектрометр по п,1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что входные щели выполнены в видеспиралей Архимеда с общим центром, расстояния б между входными щелями удовлетворяют соотношениюс=с+ руа,где р - угловая координата спирали Архимеда, при этом высота Ь каждого наборавходной щелей удовлетворяет соотношениюЬ (т 9 а а ширина каждой входной щели удовлетворяет соотношению2 бв.,Касар 13 Тираж 426 ПоИПИ Государственного комитета по изобретениям113035. Москва, Ж, Раушская наб За нт", г. У ьский комбинат П водстве а