ДИСТАНЦИОННЫЙ ОБНАРУЖИТЕЛЬ МЕТАНА Российский патент 1995 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к квантовой электронике, к системам исследования и анализа материалов с помощью оптических средств, в частности лазеров инфракрасного диапазона, и может использоваться для контроля загрязнения воздуха метаном в жилых районах, на промышленных предприятиях, в шахтах, а также при поиске полезных ископаемых.

Известны лазерные обнаружители метана на основе Не-Ne-лазеров, работающих в инфракрасном диапазоне [1]. Принцип их действия основан на дифференциальном поглощении метаном длин волн лазерного излучения λ₁=3,3912 мкм и λ₂-3,3922 мкм. Концентрация метана С определяется по разности поглощения этих длин волн. Важнейшей характеристикой таких систем является диапазон измерений. В лазерных обнаружителях метана минимально обнаружимая концентрация определяется в конечном счете флуктуациями мощности лазерного излучения. Система обработки информации таких устройств не позволяет уменьшать воздействие этих флуктуаций, при этом нижняя граница диапазона измерений оказывается ограниченной физическими процессами в лазерах. Верхний предел диапазона измерений определяется концентрацией метана в трассе С₂, при которой затухание излучения на λ₂ оказывается столь высоким, что становится невозможно осуществлять измерения. Однако при этом не анализируется поглощение на λ₁, которое существенно меньше, чем на λ₂. Таким образом потенциальные возможности таких систем из-за неоптимального режима обработки информации используются не полностью.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство [2], состоящее из двух Не-Ne-лазеров с длинами волн λ₁=3,3912 мкм и λ₂=3,3922 мкм, вращающегося диска с отверстиями, системы зеркал, телескопа, усилителя, генератора запуска вращающегося диска, синхронного детектора и самописца. Излучение двух лазеров с длинами волн λ₁ и λ₂ с помощью вращающегося диска попеременно посылается на систему зеркал, которая направляет излучение в исследуемую область. Рассеянное излучение принимается телескопом и фокусируется на фотоприемник, который осуществляет преобразование оптического сигнала в электрический. Последний подается на усилитель, с которого поступает на вход синхронного детектора, на второй вход которого с генератора подается сигнал, синхронный с частотой переключения длин волн. Устройство не содержит элементов, позволяющих зарегистрировать флуктуации мощности лазерного излучения и уменьшить их влияние. Кроме того, в устройстве не анализируется поглощение метаном излучения на λ₁ при С>С₂. Таким образом, диапазон измерений оказывается существенно меньше потенциально достижимого.

С_i(i= 1,2) соответствуют затуханию излучения на λ_i на трассе длиной L в 100 раз и определяются по формуле С=4,6/α_iL, где α_i- коэффициенты ослабления метаном излучения на длине волны λ_i.

Техническим результатом изобретения является увеличение диапазона измеряемых концентраций метана.

Данный технический результат достигается тем, что в дистанционный обнаружитель метана, включающий два Не-Ne-лазера с длинами волн 3,3922 мкм, вращающийся диск с отверстиями, телескоп, фотоприемник, усилитель, введены два зеркала, фотоприемник, два двенадцатиразрядных аналого-цифровых преобразователя (АЦП) и микроЭВМ, запрограммированная на определение концентрации метана С по следующим зависимостям:
при С≅4,6/α₂L C = (ln (V₁/U₁)- -ln(V₂/U₂))/(2L( α₂- α₁))- где V_i, U_i - значения сигналов на АЦП, подключенных к усилителю и фотоприемнику соответственно при освещении топографического рассеивателя излучением с длиной волны λ_i(i= 1,2); α₁= 1,5 атм^-1 см^-1, α₂=9,8 атм^-1 см^-1; L - расстояние до топографического рассеивателя. При С>4,6/ α₂L при отсутствии сигнала V₂, но наличии V₁4,6/α₂L < C < 4,6/α₁L, а при отсутствии как V₁, так и V₂ С≥ 4,6/α₁L.

На чертеже представлена схема дистанционного обнаружителя метана.

Дистанционный обнаружитель метана состоит из Не-Ne-лазера 1 с длиной волны 3,3912 мкм и Не-Ne-лазера 2 с длиной волны 3,3922 мкм, вращающегося диска 3 с отверстиями, зеркал 4,5, фотоприемников 6,7, телескопа 8, усилителя 9, АЦП 10, 11, микроЭВМ 12, запрограммированной на определение концентрации метана С в расширенном диапазоне.

Излучение лазеров 1 и 2 попеременно с помощью вращающегося диска 3 поступает соответственно на зеркала 4 и 5, с помощью которых делится на опорные 13, 14 и зондирующие 15, 16 пучки. Последние, пройдя через исследуемую область пространства, падают на топографический рассеиватель 17. Рассеянное назад излучение собирается телескопом 8 и направляется на расположенный в его фокусе фотоприемник 7, подключенный к входу усилителя 9. Выход усилителя 9 подключен ко входу АЦП 10. Опорные пучки 13, 14 с помощью зеркал 4,5 подаются на фотоприемник 6, подключенный к входу АЦП 11. Выходы АЦП 10,11 подключены к входным цепям микроЭВМ 12.

Обнаружитель работает следующим образом.

Зондирующие пучки 15, 16 с длинами волн λ₁ и λ₂, попеременно проходя через исследуемую область пространства, по-разному поглощаются метаном, в результате чего рассеянное назад топографическим рассеивателем 17 излучение на этих длинах волн оказывается ослабленным по-разному. Собранное телескопом 8 это излучение преобразуется с помощью фотоприемника 7 в электрический сигнал, а затем после усиления на усилителе 9 преобразуется с помощью АЦП 10 в цифровой код. Значения сигнала V_i на АЦП 10 описываются формулой (1). Опорные пучки 15, 16, преобразованные в электрический сигнал фотоприемником 6, оцифровываются с помощью АЦП 11. Значения сигнала U_i на АЦП 11 описываются формулой (2).

V_i=A(P_i+ δP_i)exp(-2 α_iCL); (1)
U_i=B(P_i+ δP_i), i=1,2, (2) где i поочередно принимает значения 1 и 2;
Р_i - значение средней мощности лазерного излучения на длине волны λ_i;
δР_i - соответствующая флуктуация мощности на λ_i;
А, В - коэффициенты преобразования оптического сигнала в электрический;
α _i - коэффициенты ослабления метаном излучения на длине волны λ_i(α₁= 1,5 атм^-1 см^-1, α₂=9,8 атм^-1см^-1;
L - длина трассы зондирования;
С - концентрация метана.

Сигналы с АЦП 10, 11 считываются микроЭВМ 12, которая определяет концентрацию метана С по следующей зависимости для малых концентраций метана С≅С₂:
C =
(3)
При этом в результате цифровой нормировки V₁/U₁ и V₂/U₂ значение С оказывается независимым от флуктуаций мощности δP_i, которые не бывают меньше 0,5%. Точность деления в формуле (3) определяется разрядностью АЦП. Для 12-разрядного АЦП она составляет 0,024%, что недостижимо при выполнении деления аналоговым способом, точность которого не превышает 0,5%. При L=10 м, δР_i= 0,5% нижняя граница диапазона измерений концентрации метана в соответствии с формулой (1) не ниже 0,25 ppm. В результате нормировки сигнала оказывается возможным понизить ее до 0,012 ppm. Таким образом применение 12-разрядного АЦП и микроЭВМ, запрограммированной на определение С по формуле (3), позволяет в результате нормировки сигнала уменьшить нижнюю границу диапазона измерений в 20 раз.

Для высоких концентраций метана С>С₂ осуществляется оценка С по поглощению λ₁. Поскольку α₂ превышает α₁ в 6,5 раза верхняя граница диапазона измерений С₁ в этом случае больше С₂ также в 6,5 раза. При отсутствии сигнала V₂, но наличии V1 микроЭВМ выдает сигнал, что С₂<С<С₁, при отсутствии как V₁, так и V₂ - что С≥С₁. В прототипе верхняя граница диапазона измерений концентрации метана С₂=230 ppm на трассе длиной 10 м. В предлагаемом устройстве С₁ на той же трассе составляет 1500 ppm.

Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критериям существенного отличия, так как благодаря наличию новых признаков устройство приобретает новое свойство, а именно расширение диапазона измерений.

Использование: в квантовой электроние в системах исследования и анализа материалов с помощью оптических средств, в частности лазеров инфракрасного диапазона. Сущность изобретения: в дистанционный обнаружитель метана введены два зеркала, дополнительный фотоприемник, усилитель, два аналого-цифровых преобразователя и микро ЭВМ, запрограммированные на определение концентрации метана по определенным эмпирическим зависимостям. 1 ил.

ДИСТАНЦИОННЫЙ ОБНАРУЖИТЕЛЬ МЕТАНА, включающий два параллельно установленных гелий-неоновых лазера с длинами волн λ₁= 3,3912 мкм и λ₂= 3,3922 мкм соответственно, оптически сопряженные с ними и последовательно расположенные вращающийся прерыватель излучения, телескоп, находящийся в его фокусе фотоприемник, подключенный к нему усилитель, при этом телескоп оптически сопряжен с топографическим рассеивателем, отличающийся тем, что в него дополнительно введены два зеркала, дополнительный фотоприемник, два 12-разрядных аналого-цифровых преобразователя, микроЭВМ, при этом дополнительный фотоприемник с помощью двух зеркал оптически соединен с лазерами, выходы усилителя и дополнительного фотоприемника подключены к входам аналого-цифровых преобразователей, а выходы последних соединены с входными цепями микроЭВМ, запрограммированной на определение концентрации C метана по следующим зависимостям:
при
C = [ln(ν₁/u₁)-lnν₂/u₂]/[2L(α₂-α₁)],
где ν₁ и u₁ -значения сигналов на аналого-цифровых преобразовтелях, подключенных к усилителю и фотоприемнику соответственно при освещении топографического рассеивателя излучением с длиной волны λ_i, где i = 1,2;
α₁= 1,5 атм^-1см^-1 ;
α₂= 9,8 атм^-1см^-1 ;
L - расстояние до топографического рассеивателя,
при C > 4,6/α₂L , отсутствии сигнала ν₂ и наличии ν₁
4,6/α₂L < C ≅ 4,6/α₂L ,
а при отсутствии как ν₁, так и ν₂
C > 4,6/α₁L .