ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ Российский патент 2005 года по МПК G01N21/17 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в качестве средства измерения концентрации газов, преимущественно со спектром поглощения в инфракрасной области (2,5-4 мкм), например углеводородных газов, паров воды и др.

Применение оптических световодов в составе датчиков для измерения состава среды позволяет использовать эти датчики в условиях, где предъявляются повышенные требования к пожаробезопасности, взрывобезопасности и помехозащищенности измерительной системы.

Известен волоконно-оптический датчик концентрации газов [1], содержащий источник излучения, приемники излучения и световод, торец которого выполнен в виде призмы полного внутреннего отражения, на который нанесена многослойная оптическая структура. Одним из слоев многослойной структуры является сорбент, обладающий повышенной поглощающей способностью к исследуемому компоненту среды по отношению к прочим компонентам. Под действием поглощенного газа изменяются оптические характеристики сорбента, в частности коэффициент отражения. Измерение осуществляется за счет сравнения интенсивностей части излучения, отраженной от торца световода, и части, отраженной от поглощающего материала.

Недостатком этого датчика является ограниченная область использования, связанная с низкой селективностью к заданным типам газов, а также сложность изготовления.

Известен волоконно-оптический датчик концентрации кислорода [2], содержащий волоконный световод, на торце которого размещены люминесцентные материалы, люминесцирующие на различных длинах волн, причем интенсивность люминесценции одного из них зависит от концентрации исследуемого компонента среды, а интенсивность другого не зависит. Накачка люминесцентных материалов осуществляется от импульсного источника, излучение от которого направляется по волоконному световоду и возбуждает люминофоры, размещенные на торце световода. Так как материалы люминесцируют на различных длинах волн, в конструкции датчика предусмотрено раздельное детектирование этих излучений. Измерение осуществляется путем сравнения изменения интенсивностей этих излучений друг относительно друга, обусловленного изменением концентрации исследуемого компонента среды, в данном случае кислорода.

Недостатком этого датчика является низкое быстродействие, так как скорость реакции датчика зависит от относительно медленных процессов диффузии исследуемого компонента в люминесцентный материал и химического взаимодействия с этим материалом. Другим существенным недостатком этих типов датчиков является ограниченная область применения, так как известные люминесцентные материалы, обладающие свойством изменять интенсивность люминесценции от концентрации исследуемого компонента, чувствительны лишь к ограниченному набору компонентов, таких как кислород и некоторые другие.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению датчиком [3], использующим метод адсорбционной спектроскопии, является волоконно-оптический датчик, содержащий источник излучения, первый волоконный световод, кювету с анализируемым газом, второй волоконный световод и устройство приема и обработки сигнала. Источник излучения излучает на длине волны, пропускаемой кварцевым световодом и близкой или совпадающей с линией поглощения газа, присутствие которого анализируется.

Недостатком этого датчика является ограниченная область применения, поскольку линий поглощения газов в полосе прозрачности широко применяемых стандартных кварцевых волоконных световодов, технология производства которых в совершенстве отработана, очень мало. Лишь некоторые газы (метан, пропан) имеют в этой области линии поглощения, соответствующие обертонам основных колебательных частот в спектре. В то же время основные линии поглощения углеводородосодержащих сред, соответствующие колебательным уровням основных атомных групп, лежат в области 2000-4000 см^-1, т.е. 2,5-5 мкм.

Другим недостатком этого датчика является низкая чувствительность, так как интенсивность поглощения на линии обертона значительно (на 1-2 порядка) слабее интенсивности поглощения на основной длине волны [4]. Для увеличения чувствительности таких датчиков возникает необходимость в увеличении оптического пути излучения путем значительного удлинения кюветы и/или путем реализации многопроходных моделей.

Кроме того, недостатком этого датчика является также низкое быстродействие, поскольку из-за малой длины волны (обертон основной линии поглощения лежит в области 1,64-1,67 мкм) возрастает негативная роль рассеяния излучения в среде. Так как интенсивность рассеяния пропорциональна 1/λ⁴, где λ - длина волны излучения, с уменьшением длины волны возрастает степень флуктуаций пропускания среды, обусловленная флуктуациями концентрации рассеивающих примесей, таких как пыль, влага и т.д. Влияние рассеяния также усиливается за счет необходимости значительного увеличения оптического пути (длины кюветы) для повышения чувствительности. Для снижения влияния этого фактора прибегают к введению дополнительных приспособлений для защиты кюветы, таких как защитные кожухи, мембраны и т.д., которые снижают быстродействие датчика, так как затрудняют доступ анализируемого газа внутрь кюветы.

Техническая задача данного изобретения состоит в расширении области применения датчиков на все типы углеводородных газов, в том числе и в сжиженном состоянии, а также увеличение быстродействия и чувствительности датчика.

Указанная задача решается тем, что в волоконно-оптический датчик газа, содержащий источник оптического излучения, первый волоконный световод, кювету для исследуемой среды, устройство приема и обработки информационного сигнала, введен преобразователь частоты оптического излучения, расположенный между первым волоконным световодом и кюветой для исследуемой среды, приемник оптического излучения на выходе этой кюветы и устройство передачи информационного сигнала, вход которого соединен с выходом приемника оптического излучения.

Преобразователь частоты оптического излучения может быть выполнен из люминесцентного материала.

Преобразователь частоты оптического излучения может быть также выполнен в виде светодиода с подключенным к его входу питания оптоэлектронным преобразователем, оптический вход которого связан с выходом первого волоконного световода, а электрический выход дополнительно соединен с входами питания приемника оптического излучения и устройства передачи информационного сигнала.

В одном из вариантов устройство передачи информационного сигнала содержит модулятор, вход которого является входом этого устройства, и передатчик радиосигнала, вход которого соединен с выходом модулятора, к выходу передатчика подключена антенна, а устройство приема и обработки информационного сигнала содержит на входе приемник радиосигналов.

В другом варианте устройство передачи информационного сигнала содержит модулятор, вход которого является входом этого устройства, электрооптический преобразователь, электрический вход которого соединен с выходом модулятора, и второй волоконный световод, вход которого связан с оптическим выходом электрооптического преобразователя, при этом устройство для приема и обработки информационного сигнала содержит фотоприемник, оптический вход которого связан с выходом второго волоконного световода.

Сущность изобретения поясняется следующими иллюстрациями:

на фиг.1 показана блок-схема устройства согласно заявленному изобретению с преобразователем частоты;

на фиг.2 показан пример выполнения преобразователя частоты на основе люминесцентного материала, расположенного на торце волокна;

на фиг.3 показан пример выполнения преобразователя частоты на основе светодиода, питаемого от оптоэлектронного преобразователя и устройства передачи сигнала на основе радиоканала;

на фиг.4 показан пример выполнения датчика с устройством передачи информационного сигнала на основе электрооптического преобразователя и волоконного световода;

на фиг.5 приведен спектр пропускания волоконного световода и характерный спектр поглощения углеводородных газов (на примере метана);

на фиг.6 приведен спектр излучения люминофора на основе InGaAs(Sb) различного состава и спектр возбуждения этого люминофора [6].

Предложенное устройство содержит источник 1 (фиг.1) оптического излучения, первый волоконный световод 2, преобразователь 3 частоты оптического излучения, кювету 4 для исследуемой среды, приемник 5 оптического излучения на выходе кюветы 4, устройство 6 передачи информационного сигнала и устройство 7 приема и обработки этого сигнала. В качестве источника 1 может быть использован светодиод или лазер, длина волны λ₁ излучения которого находится в полосе прозрачности волоконного световода 2. Преобразователь 3 частоты оптического излучения может быть выполнен на основе люминесцентного материала. Пример конструктивного выполнения такого преобразователя показан на фиг.2. Люминесцентный материал 8 закреплен на торце волоконного световода 2, который размещен во втулке 9. Торец 10 этой втулки 9 имеет вогнутую поверхность, близкую к сферической, на которую может быть нанесен отражающий материал. Он выполняет роль рефлектора излучения люминесцентного материала 8. Торец световода 2 с закрепленным на нем люминесцентным материалом 8 размещен в фокусе этого рефлектора, что позволяет сколлимировать излучение люминофора на входе в кювету 4. Люминесцентный материал 8 выбирается таким образом, чтобы длина волны возбуждения его люминесценции соответствовала длине волны λ₁ излучения источника 1, а длина волны λ₂ люминесценции совпадала с основной линией поглощения анализируемого газа.

Вариант датчика, приведенный на фиг.3, содержит преобразователь 3 частоты оптического излучения на основе оптоэлектронного преобразователя 11 и светодиода 12, питаемого от этого преобразователя 11, от которого могут быть запитаны также и другие элементы (5, 6) электронных узлов датчика. При этом выход первого волоконного световода 2 соединен с оптическим входом преобразователя 11, электрический выход которого подключен к светодиоду 12. Приемник 5 оптического излучения может быть выполнен на основе инфракрасного фоторезистора, питание которого осуществляется от оптоэлектронного преобразователя 11. На этом же рисунке приведен пример выполнения устройства 6 передачи информационного сигнала на основе радиопередатчика. Оно содержит модулятор 13 и радиопередатчик 14, при этом выход приемника 5 оптического излучения связан с входом модулятора 13, а выход модулятора 13 соединен со входом радиопередатчика 14, к выходу которого подключена передающая антенна 15. Устройство 7 приема и обработки информационного сигнала в данном варианте содержит при этом приемную антенну 16, подключенную к приемнику 17 радиосигнала, выход которого соединен с входом блока 18 обработки сигнала.

На фиг.4 показан пример выполнения датчика с устройством 6 передачи информационного сигнала посредством оптического излучения. В этом варианте устройство 6 содержит модулятор 13 и электрооптический преобразователь 19, при этом выход приемника 5 оптического излучения связан с входом модулятора 13, а выход последнего соединен с входом электрооптического преобразователя 19. Устройство 7 приема и обработки информационного сигнала в данном варианте содержит фотоприемник 20 и блок 18 обработки этого сигнала. Оптический выход электрооптического преобразователя 19 связан с оптическим входом фотоприемника 20 вторым волоконным световодом 21. Электрооптический преобразователь может быть выполнен на основе светодиода или полупроводникового лазера с длиной волны излучения, соответствующей полосе прозрачности второго волоконного световода 21. В описанном варианте питание блоков 5 и 6 осуществляется от автономных источников (батареек, аккумуляторов и др.).

Заявленное устройство работает следующим образом. Излучение от источника оптического излучения 1 (фиг.1) с длиной волны λ₁, соответствующей полосе прозрачности первого волоконного световода 2, поступает по этому световоду на преобразователь частоты 3, который преобразует излучение с длиной волны λ₁ в излучение с длиной волны λ₂, соответствующей линии поглощения анализируемого газа, находящегося в кювете 4. Излучение с длиной волны λ₂ проходит через исследуемый газ, и его интенсивность регистрируется приемником излучения 5, установленным на выходе кюветы 4. Информацию о концентрации исследуемого газа несет интенсивность излучения, прошедшего через кювету 4. Выходной сигнал с приемника 5 поступает на устройство 6 передачи информационного сигнала, которое затем передает информацию на блок 7 приема и обработки. В блоке 7 осуществляется сопоставление измеренной интенсивности излучения со значением интенсивности, соответствующей концентрации исследуемого газа.

При выполнении преобразователя частоты на основе люминесцентного материала (фиг.2) излучение от источника 1 с длиной волны λ₁, соответствующей полосе возбуждения люминесценции люминофора 8, поступает через первый волоконный световод 2 на этот люминофор. В качестве люминесцентного материала может быть применен, например, полупроводниковый материал на основе InGaAs(Sb), спектр излучения которого лежит в области 2,7-3,5 мкм, а спектр возбуждения люминесценции соответствует полосе прозрачности кварцевых волоконных световодов. В качестве люминесцентных материалов, которые могут быть использованы в датчике согласно заявленному изобретению, могут быть применены диэлектрические кристаллы, активированные ионами Ho³⁺ [4], а также кристаллы на центрах окраски [5]. Все эти материалы люминесцируют (в зависимости от состава) в диапазоне 2,7-3,5 мкм и эффективно возбуждаются излучением полупроводниковых лазеров с длиной волны излучения в полосе прозрачности волоконных световодов.

При выполнении преобразователя частоты на основе инфракрасного светодиода (фиг.3) излучение от источника 1 через световод 2 поступает на оптоэлектронный преобразователь 11, который преобразует оптическое излучение в электрический ток, питающий светодиод 12, который излучает на длине волны, соответствующей линии поглощения анализируемого газа [7]. Оптоэлектронный преобразователь может быть выполнен, например, на основе нескольких последовательно соединенных кремниевых фотодиодов, подключенных к входу повышающего преобразователя напряжения, например МАХ1674, МАХ1676 и др. Излучение, прошедшее через кювету 4 с анализируемым газом, поступает на приемник 5. Интенсивность этого излучения связана с концентрацией анализируемого газа. Поскольку сопротивление фоторезистора в приемнике 5 зависит от интенсивности падающего на него излучения, выходной сигнал фотоприемника 5 оказывается зависящим от концентрации анализируемого газа. Сигнал с выхода фотоприемника 5 поступает на вход модулятора 13, формирующий импульсный сигнал, временные параметры которого несут информацию об интенсивности принятого приемником 5 излучения. С выхода модулятора 13 сигнал поступает на передатчик 14 радиосигнала, с выхода которого импульсно-модулированный радиосигнал передается через эфир и поступает на вход приемника 17 радиосигнала. В блоке 18 происходит демодуляция сигнала и осуществляется пересчет значения интенсивности исходного сигнала в значение концентрации анализируемого газа. При наличии оптоэлектронного преобразователя 11 электропитание приемника 5 и устройства передачи информационного сигнала 6 может осуществляться от этого преобразователя.

Устройство, показанное на фиг.4, работает, как описано выше, за исключением того, что сигнал с модулятора 13 поступает на вход электрооптического преобразователя 19. Электрооптический преобразователь 19 формирует импульсный оптический сигнал с временными характеристиками, соответствующими параметрам электрического сигнала, поступающего с модулятора 13. Оптический сигнал по второму волоконному световоду 21 поступает на фотоприемник 20 и преобразуется в электрический сигнал, который поступает на вход блока 18, работающий так, как описано выше.

Расширение области применения предложенного датчика поясняется фиг.5, где приведены спектр пропускания кварцевых световодов (а) и характерный спектр поглощения углеводородных газов (б). Как видно из фиг.5, основные линии поглощения углеводородов лежат вне полосы прозрачности световодов, что и ограничивает область применения прототипа. Следует также отметить, что только несколько углеводородных газов, таких как метан (CH₄), этилен (C₂H₄) и пропан (С₃Н₈), имеют обертона линий поглощения в полосе прозрачности световодов и, следовательно, только ими и ограничивается область применения прототипа. В то же время в предложенном датчике оптическое излучение с длиной волны λ₁ от источника 1, прошедшее через первый волоконный световод 2, преобразуется преобразователем 3 в излучение с длиной волны λ₂, соответствующей линии поглощения анализируемого вещества. Расширение области применения датчика при этом достигается за счет того, что анализируемый спектр поглощения не ограничивается полосой прозрачности волоконного световода. Для анализа содержания в исследуемой атмосфере углеводородов можно в качестве люминофора использовать In_0.94Ga_0.06As_0.94Sb_0.06, выращенный на подложке InAs с промежуточным слоем n-InAs_0.74Sb_0.09P_0.17 [6]. На фиг.6 показан спектр пропускания (в) и люминесценции (г) этого материала, пригодного для применения в предложенном датчике. Для этого материала спектр люминесценции лежит в области 3,3 мкм, соответствующей полосе поглощения углеводородных газов, а эффективное возбуждение люминесценции осуществляется полупроводниковым излучателем с длиной волны 0,87 мкм, которая проходит через волоконный световод с низкими потерями.

Повышение чувствительности предложенного датчика обусловлено тем, что интенсивность поглощения анализируемых газов на основной линии поглощения на 1-2 порядка больше, чем в области 1.6-1.7 мкм [6], которая ранее использовалась в датчиках подобного типа.

Кроме этого, увеличение длины волны излучения, на которой производится анализ, позволяет снизить влияние рассеяния и, следовательно, улучшить точностные характеристики датчика, поскольку двукратное увеличение длины волны приводит к подавлению влияния рассеяния в 16 раз.

Положительный эффект проявляется также в виде увеличения быстродействия. Последнее достигается тем, что при значительном подавлении влияния рассеяния допустимо использование открытых (незащищенных) кювет; вследствие чего скорость проникновения газа в кювету не ограничивается никакими защитными материалами и приспособлениями.

Таким образом, в результате заявленного технического решения реализуется расширение области применения датчика, поскольку рассмотренный волоконно-оптический датчик может использоваться для анализа концентрации углеводородов, линии поглощения которых в полосе прозрачности стандартных оптических световодов отсутствуют. Датчик может также применяться для анализа жидких углеводородных сред или их паров, для определения чистоты бензина, дизельного топлива и масел различных марок и модификаций, а также других углеводородов и углеводородных соединений. Повышение чувствительности датчика достигнуто за счет подавления влияния рассеяния и использования мощных линий спектра поглощения углеводородов.

Источники информации

1. US 5708735. Fiber Optic Device for sensing the presence of a gas. D.Benson et all., Intel. G 01 N 21/01, Publ. 13/01/1998.

2. US 4861727 Luminescent oxygen sensor based on a lantanide complex. Hauenstein et al., Int.cl. G 01 N 33/00, Publ. 29/08/1989.

3. Remote sensing system for near-infrared differential absorption of CH₄ gas using low-loss optical fiber link. Applied Optics, Vol. 23 Issue 19 Page 3415 (October, 1984) Kinpui Chan, Hiromasa Ito, Humio Inaba.

4. Зверев Г.М., Голяев Ю.Д. Лазеры на кристаллах и их применение. -М.: Рикел, Радио и связь, 1994.

5. Губин М.А., Киреев А.Н., Ковальчук Е.В., Тюриков Д.А. Двухмодовый лазер на центрах окраски с диодной накачкой и внутрирезонаторной метановой поглощающей ячейкой. Квантовая электроника, т.29, №3 (330), с.189 -282.

6. Н.В.Зотова, С.А.Карандашев, Б.А.Матвеев, М.А.Ременный, Н.М.Стусь, Г.Н.Талалакин, В.В.Шустов. Инфракрасные светодиоды с оптическим возбуждением на основе InGaAs(Sb), ФТП, 2001, том 35, выпуск 3.

7. М.Айдаралиев, Н.В.Зотова, С.А.Карандашев, Б.А.Матвеев, М.А.Ременный, Н.М.Стусь, Г.Н.Талалакин. Мощные лазеры (lambda=3.3 мкм) на основе двойных гетероструктур InGaAsSb(Gd) / InAsSbP, ФТП, 2001, том 35, выпуск 10.

8. А.А.Kosterev, R.F.Curl, F.K.Tittel, C.Gmachl, F.Capasso, D.L.Sivco, J.N.Baillargeon, A.L.Hutchinson, and A.Y.Cho. "Methane concentration and isotopic composition measurements with a mid-infrared quantum cascade laser," Optics Letters, 24 (1999), 1762-1764.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в средствах измерения концентрации газов, например, со спектром поглощения в инфракрасной области (2,5-4 мкм), например углеводородных газов, паров воды и др. Волоконно-оптический датчик концентрации газа содержит источник оптического излучения, первый волоконный световод, кювету для исследуемой среды, устройство приема и обработки информационного сигнала, преобразователь частоты оптического излучения, который расположен между первым волоконным световодом и кюветой для исследуемой среды, приемник оптического излучения на выходе этой кюветы и устройство передачи информационного сигнала, вход которого соединен с выходом приемника оптического излучения. Преобразователь частоты оптического излучения может быть выполнен из люминесцентного материала, а также в виде светодиода с подключенным к его входу питания оптоэлектронным преобразователем. Технический результат - расширение области применения датчиков, увеличение быстродействия и чувствительности датчика. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Волоконно-оптический датчик концентрации газов, содержащий источник оптического излучения, первый волоконный световод, кювету для исследуемой среды, устройство приема и обработки информационного сигнала, отличающийся тем, что он содержит преобразователь частоты оптического излучения, расположенный между первым волоконным световодом и кюветой для исследуемой среды, приемник оптического излучения на выходе этой кюветы и устройство передачи информационного сигнала, вход которого соединен с выходом приемника оптического излучения.2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что преобразователь частоты оптического излучения выполнен из люминесцентного материала.3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что преобразователь частоты оптического излучения выполнен в виде светодиода с подключенным к его входу питания оптоэлектронным преобразователем, оптический вход которого связан с выходом световода, а электрический выход дополнительно соединен с входами питания приемника оптического излучения и устройства передачи информационного сигнала.4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что устройство передачи информационного сигнала содержит модулятор, вход которого является входом этого устройства, передатчик радиосигнала, вход которого соединен с выходом модулятора, при этом к выходу передатчика подключена антенна, а устройство приема и обработки информационного сигнала содержит на входе приемник радиосигналов.5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что устройство передачи информационного сигнала содержит модулятор, вход которого является входом этого устройства, и электрооптический преобразователь, электрический вход которого соединен с выходом модулятора, а оптический выход связан через второй волоконный световод с входом устройства для приема и обработки информационного сигнала, при этом устройство для приема и обработки информационного сигнала содержит фотоприемник, оптический вход которого связан с выходом второго волоконного световода.