ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 1997 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к технике аналитического и измерительного приборостроения для обнаружения и определения концентрации газов и может быть использовано в угольной, химической, нефтеперерабатывающей, газовой и других отраслях промышленности.

Известен волоконно-оптический метанометр [1] содержащий источник излучения, оптическое волокно, кювету, интерференционный фильтр и приемник излучения.

Известен также выбранный в качестве прототипа газоанализатор [2] содержащий оптически связанный излучатель, входное и выходное оптическое волокна, два объектива, многоходовую кювету, состоящую из зеркал с разведенными входом и выходом по обе стороны зеркала-коллектива, блок регистрации и обработки информации.

Недостатками газоанализатора-прототипа и метанометра являются значительные энергетические потери, аберрационные искажения, затрудняющие ввод излучения в оптическое волокна, оптические системы содержат электромеханический модулятор светового потока, электромеханическую прокачку исследуемого газа, электромеханическое изменение длины волны излучения с помощью качающегося интерференционного фильтра, либо сканирующего резонатора Фабри-Перо, осложняющие их применение во взрывоопасных средах, например в угольных шахтах. Кроме того, длины оптических путей контрольного и рабочего каналов различаются либо длиной оптического пути, либо по времени прохождения излучения, поэтому при длительных непрерывных измерениях возникают трудности для получения воспроизводимых результатов из-за нестабильности источника излучения и необходимости дополнительной настройки обоих каналов в процессе измерения. Не отвечают современным требованиям как по оперативности получаемой информации, так и по погрешностям измерений.

Целью изобретения является
создание волоконно-оптического взрыво-безопасного газоанализатора для дистанционного определения содержания одного или нескольких газовых компонентов в атмосфере производственных цехов, нефте- и газоперекачивающих станций, угольных шахт и в других исследуемых объектах;
повышение точности и оперативности определения концентрации газа за счет устранения зависимости отношения сравниваемых контрольного и рабочего сигналов от случайных изменений интенсивности излучения источника при длительных непрерывных измерениях, либо понижения уровня контрольного сигнала в результате длительной эксплуатации прибора в сильно запыленных средах и частичного ухудшения отражающих и пропускающих характеристик оптических элементов кюветы.

Цель достигается тем, что в волоконно-оптический газоанализатор, содержащий последовательно установленные и оптически связанные излучатель, входное оптическое волокно, многоходовую оптическую кювету, состоящую из трех сферических зеркал, выходное оптическое волокно, блок регистрации и обработки информации, дополнительно между выходным оптическим волокном и блоком регистрации установлен спектральный интегральный демультиплексор, при этом в кювете на двойном фокусном расстоянии от двух зеркал-объективов находится зеркало-коллектив, на продолжении сферы которого с одной стороны установлены торцы входного и выходного оптических волокон в непосредственной близости к зеркалу, оба зеркала-объектива установлены с возможностью совместного поворота относительно центра кривизны зеркала-коллектива в общей меридиональной плоскости всех зеркал, а излучатель выполнен импульсным.

На чертеже показана блок-схема предлагаемого газоанализатора.

Газоанализатор содержит импульсный излучатель 1 со спектральной полосой излучения, перекрывающей линии поглощения и прозрачности исследуемого газа, входное оптическое волокно 2, многоходовую оптическую кювету, состоящую из трех сферических зеркал 3,4,5 выходное оптическое волокно 6, блок регистрации и обработки информации 7, спектральный интегральный демультиплексор 8.

Предлагаемый газоанализатор работает следующим образом. Излучение спектральной шириной Δλ от излучателя 1 с частотой импульсов, согласованной с блоком регистрации и обработки информации, вводится в оптическое волокно 2, другой торец которого установлен на двойном фокусном расстоянии от зеркала 3 многоходовой кюветы на продолжении поверхности зеркала 4 на расстоянии 200 мкм от его края. Поскольку апертура выходящего из волокна излучения совпадает с апертурой входного и выходного излучения многоходовой кюветы, то оптическое излучение Dl, пройдя заранее установленную в кювете длину оптического пути, фокусируется на торец выходного оптического волокна 6, установленного на расстоянии 200 мкм от середины торца волокна 2 в одной с ним плоскости. Излучение, прошедшее через кювету с исследуемым газом, по выходному волокну 6 поступает в спектральный интегральный демультиплексор 8, на выходе которого излучение шириной по 10-15 ангстрем формируется (для одного газа) на два приемника, один из которых регистрирует излучение, совпадающее с линией прозрачности газа l_k, а другой излучение, совпадающее с линией поглощения газа λ_p.

Блок регистрации и обработки информации 7 регистрирует отношение сигналов от излучений, дошедших до приемников в линиях поглощения и прозрачности газа, сравнивает с градуировочными данными и информацию о концентрации исследуемого газа выдает в удобном для потребителя виде.

Отметим здесь также некоторые характерные особенности предложенного газоанализатора:
газоанализатор безопасен для работы в атмосфере производственных помещений, содержащих взрывоопасные газы, так как излучатель и приемно-регистрирующая система, потребляющие электроэнергию, находятся на значительном расстоянии и за пределами анализируемой атмосферы производственного помещения;
длины оптического пути рабочего и контрольного каналов идентичны и применение импульсного излучателя с частотой импульсов, согласованной с приемом и регистрацией отношения рабочего и контрольного сигналов, позволяет исключить из схемы газоанализатора электромеханический модулятор светового потока и создать систему регистрации и обработки информации, практически нечувствительную к случайным и систематическим погрешностям, связанным с излучателем и частичным ухудшением коэффициента отражения зеркал при длительной эксплуатации;
непосредственная стыковка входного и выходного волоконного кабеля с многоходовой кюветой без промежуточных оптических окон и объектов, а также замена алюминиевых покрытий зеркал на диэлектрические покрытия с коэффициентом отражения 99,5% позволили значительно уменьшить габариты многоходовой кюветы с одновременным увеличением длины оптического пути, уменьшить аберрации и энергетические потери при многократных отражениях. Так, реализованная кювета размером 10 см и весом около 1,5 кг позволяет изменять оптический путь от 0,2 до 5 м и измерять любые концентрации газов от 0 до 100% При этом, например, при 30-кратном отражении энергетические потери для линии прозрачности газа контрольного канала составят не более 15%
Таким образом, предложенный волоконно-оптический прибор для дистанционного анализа газов позволяет регистрировать одновременно концентрацию нескольких газовых компонент, полосы поглощения и прозрачности которых расположены вблизи друг от друга и в пределах полосы излучения излучателя.

В частном случае, например, предложенный газоанализатор может быть использован для обнаружения взрывоопасной концентрации метана в угольных шахтах на длине волны поглощения 1,665 мкм. Расчеты показывают, что использование в схеме газоанализатора кварцевого демультиплексора и кварцевых волокон с потерями пропускаемой энергии не более 0,6 дБ на км дают возможность регистрировать метан на дальностях (по длине волоконного кабеля) до 5 км и более.

Для регистрации других газов, имеющих полосы поглощения в диапазоне спектральной прозрачности кварца, демультиплексор на выходе должен иметь излучение, соответствующее линиям поглощения и прозрачности этих газов. Заменив кварцевые волокна и демультиплексор на изготовленные из других инфракрасных материалов, например из ХСП, предложенная схема прибора позволит расширить диапазон спектра до 10 мкм для регистрации газов, имеющих полосы поглощения в этом диапазоне.

Использование: изобретение относится к технике аналитического и измерительного приборостроения для обнаружения и определения концентрации газов и может быть использовано в угольной, химической, нефтеперерабатывающей, газовой и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: устройство содержит последовательно установленные и оптически связанные излучатель, входное оптическое волокно, многоходовую кювету, состоящую из трех сферических зеркал, выходное оптическое волокно, блок регистрации и обработки информации. Между выходным оптическим волокном и блоком регистрации установлен спектральный интегральный демультиплексор, а на продолжении сферы зеркала-коллектива в непосредственной близости от его края с одной стороны установлены торцы входного и выходного оптических волокон, оба зеркала-объектива установлены с возможностью совместного поворота относительно центра кривизны зеркала-коллектива в общей меридиональной плоскости всех зеркал. 1 ил.

Волоконно-оптический газоанализатор, содержащий последовательно установленные и оптически связанные излучатель, входное оптическое волокно, многоходовую кювету, состоящую из трех сферических зеркал, два из которых являются зеркалами объектива кювета, расположенными на двойном фокусном расстоянии от третьего зеркала-коллектива, выходное оптическое волокно, блок регистрации и обработки информации, отличающийся тем, что дополнительно между выходным оптическим волокном и блоком регистрации установлен спектральный интегральный демультиплексор, при этом на продолжении сферы зеркала-коллектива в непосредственной близости от его края с одной стороны установлены торцы входного и выходного оптических волокон, оба зеркала-объектива кюветы установлены с возможностью совместного поворота относительно центра кривизны зеркала-коллектива в общей меридиональной плоскости всех зеркал, а излучатель выполнен импульсным.