ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗА Российский патент 1995 года по МПК G01N21/85 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для определения рода газа и измерения его концентрации.

Известен двухволновый измеритель концентрации кислорода в твердых образцах, в котором использовались два полупроводниковых лазера, работающих на разных длинах волн, с применением модуляции тока накачки на разных частотах, коллимирующая и фокусирующая линзы, фотоприемник и аппаратура обработки, настроенная на соответствующие частоты [1]
Однако чувствительность, а следовательно, и точность измерений данным измерителем ограничивались взаимной нестабильностью мощности излучения полупроводниковых лазеров.

Наиболее близким к изобретению по назначению и совокупности признаков является волоконно-оптический датчик, содержащий лазер с модулятором, оптический соединитель, приемный и передающий волоконные световоды, коллимирующую и фокусирующую линзы, кювету для газа с входным и выходным окнами, светофильтр, фотоприемник, усилитель и регистрирующее устройство [2]
Однако из-за последовательного во времени анализа точность измерений ограничивается нестабильностью мощности излучения лазера. Кроме того, возможное попадание на рабочие оптические поверхности частичек пыли или других мешающих объектов может привести к ложным результатам измерений.

Технический результат изобретения высокая точность и надежность измерений концентрации газа.

Технический результат достигается тем, что в волоконно-оптический датчик концентрации газа, содержащий основной измерительный канал, включающий лазер с подключенным к его входу модулятором, последовательно установленные и оптически сопряженные оптический соединитель, передающий волоконный световод, коллимирующую линзу, кювету для газа с входным и выходным окнами, фокусирующую линзу, приемный волоконный световод, оптический соединитель, фотоприемник, выход которого электрически соединен со входом усилителя, и индикатор, согласно изобретению на входе и выходе кюветы введены соответственно первый и второй дополнительные каналы, каждый из которых включает последовательно установленные и оптически сопряженные лазер с подключенным к его входу модулятором, работающим на частоте, отличающейся от частоты модулятора основного измерительного канала, оптический соединитель, передающий волоконный световод, коллимирующую и фокусирующую линзы, приемный волоконный световод, оптический соединитель и фотоприемник, выходы фотоприемников первого и второго дополнительных каналов электрически соединены с входом общего для дополнительных каналов усилителя, к выходам усилителя основного измерительного канала и усилителя, общего для дополнительных каналов, подсоединены идентично параллельные электрические цепи, каждая из которых состоит из двух фильтров частотной селекции, входы которых соединены с общим для них выходом соответствующего усилителя, и двух аналого-цифровых преобразователей, вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего фильтра частотной селекции, выходы аналого-цифровых преобразователей подсоединены к четырем входам вычислительного устройства, выход которого подключен к входу индикатора.

Фокусирующая линза, входное окно кюветы и коллимирующая линза первого дополнительного канала, а также фокусирующая линза, выходное окно кюветы и коллимирующая линза второго дополнительного канала могут быть установлены на оптических осях, перпендикулярных продольной оси кюветы, а входное и выходное окна кюветы, выполненные в виде светоделительных пластин, установлены под углом 45^о относительно этой оси.

Объемы между коллимирующей линзой основного измерительного канала, входным окном кюветы и фокусирующей линзой первого дополнительного канала, а также между коллимирующей линзой второго дополнительного канала, выходным окном кюветы и фокусирующей линзой основного измерительного канала могут быть выполнены в виде герметичных отсеков.

Предлагаемое изобретение обеспечивает увеличение точности измерений, так как введение в конструкцию датчика первого дополнительного канала позволяет исключить влияние взаимной нестабильности мощности излучения лазеров и реализует возможность одновременности измерений на двух длинах волн.

Предлагаемое изобретение позволяет также увеличить надежность измерений, так как введением в конструкцию датчика первого и второго дополнительного каналов обеспечивается контроль состояния рабочих поверхностей окон кюветы.

На чертеже представлена структурная схема волоконно-оптического датчика концентрации газа.

На чертеже показаны основной измерительный канал, включающий лазер 1 с подключенным к его входу модулятором 2, последовательно установленные и оптически сопряженные оптический соединитель 3, передающий волоконный световод 4, коллимирующую линзу 5, кювету 6 для газа с входным 7 и выходным 8 окнами, фокусирующую линзу 9, приемный волоконный световод 10, оптический соединитель 11, фотоприемник 12, выход которого электрически соединен с входом усилителя 13, первый и второй дополнительные каналы, каждый из которых включает последовательно установленные и оптически сопряженные соответственно лазеры 14 и 15 с подключенным к их электрическим входам модулятором 16, оптические соединители 17 и 18, передающие световоды 19 и 20, коллимирующие линзы 21 и 22, фокусирующие линзы 23 и 24, приемные волоконные световоды 25 и 26, оптические соединители 27 и 28, фотоприемники 29 и 30, выходы фотоприемников 29 и 30 соединены с входом общего для дополнительных каналов усилителя 31. Выходные электрические цепи первого и второго дополнительных каналов содержат фильтры 32 и 33 частотной селекции, входы которых соединены с общим для них выходом усилителя 31, и аналого-цифровые преобразователи 34 и 35, входы которых соединены соответственно с выходами фильтров 32 и 33 частотной селекции. Выходные электрические цепи основного измерительного канала содержат фильтры 36 и 37 частотной селекции, выходы которых соединены с общим для них входом усилителя 13, и аналого-цифровые преобразователи 38 и 39, входы которых соединены соответственно с выходами фильтров 36 и 37 частотной селекции, выходы аналого-цифровых преобразователей 38, 39, 34 и 35 подключены соответственно к входам 1-4 вычислительного устройства 40, выход которого соединен с входом индикатора 41. Кювета 6 для газа содержит герметичные отсеки 42 и 43.

В качестве лазера 1 может быть применен, например, полупроводниковый лазер, работающий на длине волны, соответствующей линии поглощения исследуемого газа. В качестве лазеров 14 и 15 могут быть применены также полупроводниковые лазеры, работающие на длине волны вне линии поглощения исследуемого газа. В качестве передающего и приемного волоконных световодов могут быть использованы многомодовые волоконные световоды, выбираемые по принципу минимума потерь на длине волны, соответствующей линии поглощения газа. В качестве оптических элементов, перечисленных выше, могут быть использованы элементы модульного типа, применяемые в волоконно-оптических системах связи. В качестве фотоприемника могут быть использованы кремниевые или германиевые лавинные фотодиоды, например, типа ФДЛ-118, ФДЛ-119 и т.п. В качестве аналого-цифровых преобразователей и вычислительного устройства может быть применена стандартная вычислительная техника, например К 572 ПВ1, персональные компьютеры и т.п.

Волоконно-оптический датчик концентрации газа в режиме "измерение" работает следующим образом.

В исходном состоянии лазер 15 и фотоприемник 30 обесточены. Излучение лазера 1, работающего на длине волны λ_г, совпадающий с центром линии поглощения исследуемого газа, модулируют модулятором 2 на частоте f₁. Одновременно излучение лазера 14, работающего на длине волны λ_о, лежащей вне области поглощения исследуемого газа, модулируют модулятором 16 на частоте f₂. Модулированные излучения лазеров 1 и 14 через соответственно оптические соединители 3 и 17, передающие волоконные световоды 4 и 19 попадают на коллимирующие линзы 5 и 21, которые формируют параллельные пучки света. Далее он попадает на входное окно 7, где делится на два потока с одинаковыми интенсивностями. Часть его (в которой присутствует излучение на длинах волн λ_г и λ_о) следует по пути основного измерительного канала, пройдя входное окно 7, если свет падает на него в направлении от линзы 5, либо отразившись от окна 7, если свет падает на него в направлении от линзы 21, и затем вдоль оси кюветы 6 через выходное окно 8, фокусирующую линзу 9, приемный волоконный световод 10 и оптический соединитель 11 попадает на фотоприемник 12. Другая часть (в которой также присутствует излучение на длинах волн λ_г и λ_о) следует по пути первого дополнительного канала, пройдя входное окно 7, если свет падает на него в направлении от линзы 21, либо отразившись от окна 7, если свет падает на него со стороны линзы 5, и затем через фокусирующую линзу 23, приемный волоконный световод 25 и оптический соединитель 27 попадает на фотоприемник 29. С выходов фотоприемников 12 и 29 электрические сигналы поступают соответственно на усилители 13 и 31, в полосе пропускания которых лежат частоты f₁ и f₂. Для основного измерительного канала сигналы с выхода усилителя 13 поступают на фильтры 36 и 37 частотной селекции, которые выделяют сигналы на частотах f₁ и f₂. Затем сигналы, оцифрованные в аналого-цифровых преобразователях 38 и 39, поступают на входы 1 и 2 вычислительного устройства 40. Для первого дополнительного канала сигналы с выхода усилителя 31 поступают на фильтры 32 и 33 частотной селекции, которые также выделяют сигналы соответственно на частотах f₁ и f₂. Затем сигналы, оцифрованные в аналого-цифровых преобразователях 34 и 35, поступают на входы 3 и 4 вычислительного устройства 40. В вычислительное устройство 40 производят определение концентрации С исследуемого газа в соответствии с алгоритмом
C где u₁ и u₂ напряжения на входах соответственно 1 и 2 вычислительного устройства 40, пропорциональные мощностям излучений на длинах волн соответственно λ_г и λ_о, на выходе из кюветы 6; u₀₁ и u₀₂ напряжения на входах соответственно 3 и 4 устройства 40, пропорциональные мощностям излучений на длинах волн λ_г и λ_о, на входе кюветы 6, α_λг коэффициент поглощения исследуемого газа; L длина кюветы 6. Результаты измерений считываются с индикатора 41.

Волоконно-оптический датчик концентрации газа в режиме контроля рабочей поверхности входного окна 7 кюветы 6, соприкасающейся с объемом исследуемого газа, работает следующим образом.

В исходном состоянии лазер 15, фотоприемники 12 и 30 обесточены. Излучение лазера 1, модулированное модулятором 2 на частоте f₁, и излучение лазера 14, модулированное модулятором 16 на частоте f₂, через соответственно оптические соединители 3 и 17, передающие волоконные световоды 4 и 19, коллимирующие линзы 5 и 21 попадают на входное окно 7. Излучение лазера 1, пройдя затем герметичный отсек 42 и отразившись от окна 7, через линзу 23, приемный волоконный световод 25 и оптический соединитель 27 попадает на фотоприемник 29. Излучение лазера 14, пройдя через окно 7, через те же оптические элементы 23, 25 и 27, также попадает на фотоприемник 29. Наружную поверхность окна 7 кюветы 6 можно считать "эталонно" чистой, так как она находится в герметичном отсеке 42.

Поэтому мощность отраженного от ее поверхности излучения будет оставаться неизменной во времени. Внутренняя поверхность окна 7, соприкасающаяся с объемом исследуемого газа, может подвергаться загрязнению и, следовательно, мощность прошедшего через окно 7 света может уменьшаться со временем. Таким образом, при равенстве мощностей излучений, падающих на поверхности окна 7, и при их незагрязненности вычислительное устройство 40, определяющее логарифм отношения напряжений сигналов, поступающих на входы 3 и 4, будет давать нулевой результат, фиксируемый индикатором 41. Показания, отличающиеся от нулевого, будет свидетельствовать о загрязнении внутренней поверхности окна 7.

Волоконно-оптический датчик концентрации газа в режиме контроля рабочей поверхности выходного окна 8 кюветы 6, соприкасающейся с объемом исследуемого газа, работает следующим образом.

В исходном состоянии фотоприемник 29, лазеры 1 и 14 обесточены. Излучение лазера 15, модулированное модулятором 16 на частоте f₂ через оптический соединитель 18, передающий волоконный световод 20, коллимирующую линзу 22 и герметичный отсек 43 попадает на выходное окно 8. Часть его, отразившись от "эталонно" чистой поверхности, через фокусирующую линзу 9, приемный волоконный световод 10 и оптический соединитель 11 попадает на фотоприемник 12. Затем электрический сигнал с его выхода, усиленный усилителем 13, через фильтр частотной селекции 37 и аналого-цифровой преобразователь 39 попадает на вход 2 вычислительного устройства 40. Другая часть излучения, пройдя через окно 8, фокусирующую линзу 24, приемный световод 26 и оптический соединитель 28, попадает на фотоприемник 30. Электрический сигнал с выхода фотоприемника 30, усиленный усилителем 31, через фильтр частотной селекции 33 и аналого-цифровой преобразователь 35 попадает на вход 4 вычислительного устройства 40. При незагрязненности поверхностей окна 8 вычислительное устройство 40, определяющее отношения напряжений сигналов, поступающих на входы 2 и 4, будет давать нулевой результат, фиксируемый индикатором 41. Показания индикатора 41, отличающиеся от нулевого, будут свидетельствовать о загрязнении внутренней поверхности окна 8 кюветы 6.

Использование: в измерительной технике для определения рода газа и измерения его концентрации. Сущность изобретения: в датчик, содержащий измерительный канал, на входе и выходе кюветы введены соответственно первый и второй дополнительные каналы, каждый из которых включает последовательно установленные и оптически сопряженные лазер с подключенным к его входу модулятором, работающим на частоте, отличающийся от частоты модулятора основного измерительного канала, оптический соединитель, передающий световод, коллимирующую и фокусирующую линзы, приемный волоконный световод, оптический соединитель и фотоприемник, выходы фотоприемников первого и второго дополнительных каналов электрически соединены с входом общего для дополнительных каналов усилителя, к выходам усилителя основного измерительного канала и усилителя, общего для дополнительных каналов, присоединены идентичные параллельные электрические цепи, каждая из которых состоит из двух фильтров частотной селекции, выходы которых соединены с общим для них выходом соответствующего усилителя, а двух аналого-цифровых преобразователей, вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего фильтра частотной селекции, выходы аналого-цифровых преобразователей подсоединены к четырем входам вычислительного устройства, выход которого подключен к входу индикатора. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗА, содержащий основной измерительный канал, включающий лазер с подключенным к его входу модулятором, последовательно установленные и оптически сопряженные оптический соединитель, передающий волоконный световод, коллимирующую линзу, кювету для газа с входным и выходным окнами, фокусирующую линзу, приемный волоконный световод, оптический соединитель, фотоприемник, выход которого электрически соединен со входом усилителя, и индикатор, отличающийся тем, что в него введены установленные на входе и выходе кюветы соответственно первый и второй дополнительные каналы, каждый из которых включает последовательно установленные и оптически сопряженные лазер с подключенным к его входу модулятором, работающим на частоте, отличающейся от чатоты модулятора основного измерительного канала, оптический соединитель, передающий волоконный световод, коллимирующую и фокусирующую линзы, приемный волоконный световод, оптический соединитель и фотоприемник, выходы фотоприемников первого и второго дополнительных каналов электрически соединены с входом общего для дополнительных каналов усилителя, к выходам усилителя основного измерительного канала и усилителя, общего для дополнительных каналов, присоединены идентичные параллельные электрические цепи, каждая из которых состоит из двух фильтров частотной селекции, входы которых соединены с общим для них выходом соответствующего усилителя, и двух аналого-цифровых преобразователей, вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего фильтра частотной селекции, выходы аналого-цифровых преобразователей подсоединены к четырем входам вычислительного устройства, выход которого подключен к входу индикатора. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что фокусирующая линза, входное окно кюветы и коллимирующая линза первого дополнительного канала, а также фокусирующая линза, выходное окно кюветы и коллимирующая линза второго дополнительного канала установлены на оптических осях, перпендикулярных продольной оси кюветы, а входное и выходное окна кюветы, выполненные в виде светоделительных пластин, установлены под углом 45^o относительно этой оси. 3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что объемы между коллимирующей линзой основного измерительного канала, входным окном кюветы и фокусирующей линзой первого дополнительного канала, а также между коллимирующей линзой второго дополнительного канала, выходным окном кюветы и фокусирующей линзой основного измерительного канала выполнены в виде герметичных отсеков.