СИСТЕМА И СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ Российский патент 2020 года по МПК G01N21/3504 

Введение

Настоящее изобретение относится к системе и способу лазерного детектирования, например, к системе и способу для анализа газов на основе лазерной абсорбционной спектроскопии.

Предпосылки изобретения

Увеличивается необходимость в устройствах для непрерывного мониторинга выбросов для мониторинга загрязнения промышленного производства в различных производственных объектах, например, на электростанциях, предприятиях перерабатывающей промышленности и на предприятиях коммерческого судоходства. Эта необходимость возникает, например, для улучшений эффективности по соображениям здоровья и безопасности и по требованиям законодательства. Может являться желательным получение измерений в диапазоне выбрасываемых соединений, например: диоксида серы, оксидов азота, монооксида углерода, диоксида углерода, метана, воды и кислорода.

Известные системы для анализа газов являются чувствительными к отдельным соединениям или к небольшому числу соединений. Для охвата множества соединений с использованием известных систем может являться необходимой установка нескольких различных устройств для непрерывного мониторинга выбросов, что может быть неэффективным, сложным и занимать значительное количество пространства.

Краткое изложение сущности изобретения

Первый аспект изобретения относится к лазерной системе детектирования, содержащей: множество лазеров, причем каждый лазер выполнен с возможностью выдачи соответствующего пучка лазерного излучения для возбуждения одного или более различных соединений; кювету для образца для содержания некоторого объема образца газа; по меньшей мере одно направляющее устройство, выполненное с возможностью направления пучков лазерного излучения в кювету для образца, причем по меньшей мере одно направляющее устройство выполнено с возможностью направления пучков лазерного излучения по общему оптическому пути в кювету для образца, и детекторный прибор для детектирования выходного излучения из кюветы.

Упомянутое по меньшей мере одно направляющее устройство может содержать множество оптических компонентов, выполненных так, что для каждого пучка лазерного излучения соответствующий по меньшей мере один из оптических компонентов выполнен с возможностью направления упомянутого пучка лазерного излучения по общему оптическому пути.

Упомянутое множество оптических компонентов может быть расположено практически на прямой линии.

Упомянутое множество оптических компонентов может быть расположено так, что на общем оптическом пути пучки лазерного излучения могут перекрываться на по меньшей мере 90% их диаметров, необязательно, на по меньшей мере 50% их диаметров, необязательно, на по меньшей мере 20% их диаметров, необязательно, на по меньшей мере 10% их диаметров. Пучки лазерного излучения могут содержать инфракрасное излучение или видимое излучение, или излучение любой другой подходящей длины волны, или из любой подходящей части спектра электромагнитного излучения.

Каждый из лазеров может быть выполнен так, что в процессе работы каждый из лазеров посылает свой пучок лазерного излучения к соответствующему ему по меньшей мере одному из оптических компонентов в направлении, практически перпендикулярном упомянутой прямой линии. По меньшей мере один, необязательно, каждый, из лазеров может содержать квантовый каскадный лазер.

По меньшей мере один из оптических компонентов может содержать плоский или неклинообразный оптический компонент, необязательно, каждый из оптических компонентов может содержать соответствующий плоский или неклинообразный оптический компонент.

Упомянутое множество оптических компонентов может содержать по меньшей мере одно зеркало, необязательно, по меньшей мере одно частично отражающее зеркало и/или по меньшей мере одно дихроическое зеркало.

Каждый из оптических компонентов может иметь толщину в диапазоне от 0,1 мм до 1 мм.

Оптические компоненты могут быть расположены последовательно и могут быть выполнены так, что в процессе работы каждый оптический компонент направляет пучок лазерного излучения от соответствующего ему лазера для присоединения к упомянутому общему оптическому пути и/или направляет пучок(пучки) лазерного излучения или обеспечивает их прохождение от предшествующих оптических компонентов в последовательности по упомянутому общему оптического пути.

По меньшей мере один, необязательно, каждый, из оптических компонентов может являться по меньшей мере частично отражающим и по меньшей мере частично пропускающим.

По меньшей мере одно направляющее устройство может содержать направляющую оптику между последним из упомянутого множества оптических компонентов и кюветой для образца и выполнено с возможностью направления пучков лазерного излучения в оптическую кювету.

Детекторный прибор может содержать множество детекторов, причем каждый детектор выполнен с возможностью детектирования излучения соответствующей длины волны или диапазона длины волны.

Система может дополнительно содержать:

контроллер выполненный с возможностью управления работой упомянутого множества лазеров так, что пучки лазерного излучения представляют собой импульсные пучки лазерного излучения, чередующиеся по времени.

Контроллеру моет быть выполнен с возможностью синхронизации работы детекторного прибора и лазеров, получая посредством этого серии сигналов детектирования, причем каждый сигнал детектирования связан с соответствующим одним из лазеров.

Контроллер может быть выполнен с возможностью управления работой лазеров так, что каждый пучок лазерного излучения пульсирует с частотой в диапазоне от 1 кГц до 200 кГц, необязательно, в диапазоне от 10 кГц до 100 кГц, и/или причем контроллер выполнен с возможностью управления лазерами так, что каждый пучок лазерного излучения пульсирует с длительностями импульсов в диапазоне от 100 нс до 5000 нс.

Система дополнительно может содержать ресурс для обработки, предусмотренный для определения количества NOx на основании детектированных выходных излучений.

Упомянутое множество соединений может содержать по меньшей мере одно из: NO, NO₂, H₂O, CO, CO₂, CH₄, SO₂, NH₃, C₂H₂ и O₂.

Каждый из упомянутого множества лазеров может быть выполнен с возможностью выдачи инфракрасного лазерного излучения.

Каждый из лазеров может быть выполнен с возможностью выдачи пучка лазерного излучения соответствующей отличающейся длиной волны или диапазона длин волн.

По меньшей мере один, необязательно, каждый, из диапазонов длин волн может быть выбран из следующих диапазонов: 5,2632-5,2356 мкм; 6,1538-6,1162 мкм; 4,4742-4,4743 мкм; 7,4627-7,4349 мкм; 0,7605-0,7599 мкм и 10,0-10,2 мкм.

Детекторный прибор может быть расположен с противоположной стороны кюветы для образца по отношению к упомянутому множеству лазеров и упомянутому по меньшей мере одному направляющему устройству.

Система дополнительно может содержать узел подачи газа, выполненный с возможностью подачи образца, необязательно, удаленного образца газа, в кювету для образца.

Кювета для образца может содержать по меньшей мере одно из кюветы Эррио, многоходовой кюветы.

Система может представлять собой систему для непрерывного мониторинга выбросов.

Дополнительный аспект изобретения, который может быть представлен независимо, относится к способу детектирования множества различных соединений, включающему выдачу множества пучков лазерного излучения, причем каждый предназначен для возбуждения одного или более различных соединений из упомянутых соединений, направление пучков лазерного излучения по общему оптическому пути в кювету для образца, предназначенную для содержания некоторого объема образца газа, и детектирование выходного излучения из кюветы.

Признаки одного аспекта можно использовать в качестве признаков в другом аспекте в любой подходящей комбинации. Например, признаки способа можно использовать в качестве признаков системы или наоборот.

Краткое описание чертежей

Различные аспекты изобретения в настоящее время описаны только в качестве примера и применительно к сопутствующим чертежам, из которых:

Фигура 1 является схематическим представлением системы лазерной спектроскопии;

Фигура 2 представляет собой схематический вид лазерного модуля системы лазерной спектроскопии; и

Фигура 3 представляет собой перспективный вид корпуса системы лазерной спектроскопии;

Подробное описание чертежей

Фигура 1 является схематическим представлением системы лазерной спектроскопии для анализа газа, собранного в кювете для образца 10 сенсорного прибора 12. Система содержит лазерный модуль 14, оптически связанный с сенсорным прибором 12. Система также включает контроллер 16, электронным, электрическим или иным образом соединенный с лазерным модулем 14 и сенсорным прибором 12. Лазерный модуль 14 содержит множество лазеров 18 и по меньшей мере одно направляющее устройство в форме множества оптических компонентов 20, выполненных с возможностью направления пучков лазерного излучения от лазеров по общему оптическому пути в кювету для образца 10, как более подробно описано ниже применительно к фигуре 2.

В дополнение к кювете для образца 10 сенсорный прибор 12 включает также направляющие оптические компоненты 22 и детекторный прибор 24, содержащий множество детекторов. Детекторы выполнены с возможностью детектирования излучения из кюветы для образца. Излучение может представлять собой инфракрасное или видимое излучение, или излучение любой другой подходящей длины волны, или из любой подходящей части спектра электромагнитного излучения. Контроллер 16 содержит управляющий модуль 26 и сигнальный процессор 28. Управляющий модуль 26 выполнен с возможностью управления действием лазеров, и сигнальный процессор 28 выполнен с возможностью обработки сигналов, полученных от детекторного прибора 24. Контроллер 16 может находиться в форме, например, подходящим образом запрограммированного PC или другого компьютера, или может содержать предназначенные для этого электронные схемы или другое аппаратное обеспечение, например, один или более ASIC или FPGA, или любую подходящую смесь аппаратного обеспечения и программного обеспечения. Управляющий модуль 26 и модуль обработки могут быть представлены в форме отдельных, различных компонентов в некоторых вариантах осуществления, например, отдельных ресурсов для обработки, вместо представления внутри одного и того же контроллерного компонента, как показано на фигуре 1.

Кювета для образца 10 имеет оптическое входное отверстие и оптическое выходное отверстие. Кювета для образца 10 может, например, представлять собой кювету Эррио или любой другой подходящий тип кюветы для образца. Кювета для образца 10 с фигуры 1 определяет объем, в котором образец газа можно вводить и собирать. Газ может содержать одно или более различных представляющих интерес соединений. Показатель присутствия этих соединений в газе, собранном в кювете для образца 10, можно определять посредством пропускания излучения от лазеров 18 через кювету для образца 10. Если излучение лежит в диапазоне длины волны, который соответствует спектру поглощения или линиям поглощения представляющего интерес соединения, тогда любое поглощение излучения по мере его прохождения через кювету может быть обусловлено присутствием представляющего интерес соединения в образце. Уровень поглощения после определения можно использовать для определения физического свойства представляющего интерес соединения в образце, например, концентрации. Поскольку различные соединения имеют спектры поглощения при различной длине волны, излучение различной длины волны подают в кювету для образца 10.

Фигура 2 представляет собой более подробный схематический вид части лазерного модуля 14 системы лазерной спектроскопии, показанной на фигуре 1. Оптические компоненты 20 содержат набор частично отражающих зеркал 32 и дихроическое зеркало 34. Частично отражающие зеркала 32 содержат первое зеркало 36, второе зеркало 38, третье зеркало 40, четвертое зеркало 42 и пятое зеркало 44. Лазеры 18 содержат первый лазер 46, второй лазер 48, третий лазер 50, четвертый лазер 52, пятый лазер 54 и шестой лазер 56. Частично отражающие зеркала 32 и дихроическое зеркало 34 выполнены с возможностью направления пучков лазерного излучения от лазеров 18 по общему оптическому пути до точки 58. Дополнительные управляющие оптические компоненты для управления объединенным пучком лазерного излучения 30 от точки 58 по общему оптическому пути в кювету для образца 10 включены в систему, но не показаны на фигуре 2. Каждый из лазеров 46, 48, 50, 52, 54, 56 имеет соответствующее зеркало 36, 38, 40, 42, 44, 34. Частично отражающие зеркала 32 и дихроическое зеркало 34 расположены по прямой линии. Каждое зеркало повернуто по отношению к этой прямой линии под углом 45. Прямая линия задает направление распространения от первого зеркала 36 до дихроического зеркала 34 и затем до точки 58. Объединенный пучок 30 лазерного излучения распространяется вдоль направления распространения.

Можно использовать любые подходящие частично отражающие зеркала. В варианте осуществления с фигуры 2 каждое из частично отражающих зеркал содержит покрытые BaF₂ или CaF₂ инфракрасные окна, имеющие оптическое покрытие, нанесенное для управления широкополосным отражением передней поверхности. Любые другие подходящие материалы можно использовать в альтернативных вариантах осуществления. В варианте осуществления с фигуры 2 используют два покрытия, 80:20 (80% пропускания, 20% отражения) и 50:50 (50% пропускания, 50% отражения). Это может позволить регулирование множества мощностей лазеров, чтобы приводить выходную мощность в соответствие с согласованным значением для каждого лазера (в пределах практических ограничений). Больше или меньше покрытий можно использовать в альтернативных вариантах осуществления. Покрытия частично отражающих зеркал с фигуры 2 выполнены так, чтобы являться широкополосными, так что любое изменение их ответа на изменение длины волны, в частности, около представляющей интерес длины волны, уменьшено или минимизировано.

Можно использовать любые подходящие дихроические зеркала. В варианте осуществления с фигуры 2 дихроическое зеркало содержит покрытое BaF₂ инфракрасное окно, имеющее оптическое покрытие, нанесенное, чтобы вызвать отражение излучения с длиной волны ниже указанной длины волны и пропускание излучения с длиной волны выше указанной длины волны. Любые другие подходящие материалы можно использовать в альтернативных вариантах осуществления. В варианте осуществления с фигуры 2 покрытие является таким, чтобы отражать излучение с длиной волны ниже 1 мкм и пропускать излучение с длиной волны выше 1 мкм.

В других вариантах осуществления другие подходящие типы зеркала или оптических устройств можно использовать вместо частично отражающих зеркал и дихроического зеркала. Например, в некоторых вариантах осуществления зеркало, отличное от дихроического зеркала или частично отражающего зеркала, можно использовать в положении дихроического зеркала 34, например, в положении последнего зеркала перед точкой 58. Такое зеркало можно использовать в последнем положении для введения большей мощности в кювету. Это может возможным, поскольку или если последнее положение не имеет никаких дополнительных лазеров позади него, так что никаким лазерам нет необходимости проходить через последнее положение. В альтернативных вариантах осуществления можно использовать любые подходящие число и комбинацию частично отражающих зеркал и дихроических зеркал.

Каждое из частично отражающих зеркал 32 выполнено с возможностью частичного отражения и частичного пропускания излучения, падающего на них. Свойства отражения и пропускания зеркала выбирают так, чтобы направлять пучки лазерного излучения от лазеров 18 по общему оптическому пути. В варианте осуществления с фигуры 2 каждое из частично отражающих зеркал 32 отражает 20% падающего излучения и пропускает 80% падающего излучения от соответствующего одного из лазеров 18. Частично отражающие зеркала 32 могут иметь различные свойства отражения и пропускания в альтернативных вариантах осуществления. Дихроическое зеркало 34 определяют посредством диапазона длины волны отражения, и выполняют с возможностью отражения излучения, имеющего длину волны в диапазоне длины волны отражения, и пропускания излучения с длиной волны вне диапазона длины волны отражения. Диапазон длины волны отражения дихроического зеркала 34 выбирают так, чтобы он соответствовал диапазону длины волны шестого лазера 56, так чтобы излучение от шестого лазера 56 отражалось, и излучение от первого до пятого лазеров пропускалось. Зеркала представляют собой плоские или неклинообразные оптические компоненты. Преимущественно, это позволяет системе работать перпендикулярным образом. Например, система имеет такое геометрическое расположение, что направление распространения от первого зеркала 36 до дихроического зеркала 34 является практически перпендикулярным выходу пучков лазерного излучения из лазеров 18.

Другим преимуществом использования плоских или неклинообразных оптических компонентов в вариантах осуществления является то, что направление пучков лазерного излучения на общий оптический путь может являться практически независимым от длины волны, например, так что любые эффекты дисторсии или другие артефакты, вызванные оптическими компонентами, могут являться практически независимыми от длины волны. Однако использование зеркал может вызывать подвергание полученного оптического сигнала эффектам полос интерференции. Эти эффекты можно уменьшать посредством выбора измерений, в частности, толщины, оптических компонентов для контроля области свободной дисперсии системы. Область свободной дисперсии является мерой различия длины волны между двумя последовательными максимумами или минимумами. Как правило, подходящая толщина оптических компонентов составляет менее 1 мм. Этот выбор обеспечивает в худшем случае область свободной дисперсии 4 см^-1 или более. Посредством контроля области свободной дисперсии, частоту, при которой возникают краевые эффекты, можно сдвигать так, чтобы не происходило совмещения и/или помех применительно к измерению соединений в кювете для образца 10.

Область свободной дисперсии этого диапазона обеспечивает спектральное окно, сходное по ширине со спектральным окном, покрываемым полным сканированием лазерного луча. Ожидаемым эффектом является искривление фона лазерного импульса. Этот фон можно легко удалять с использованием алгоритмов подбора спектров в качестве части обработки сигналов. Дополнительных краевых эффектов избегают в направляющих оптических компонентах 22 в сенсорном приборе 12 и в оптике, используемой для направления излучения в кювету для образца 10, посредством использования неплоских или клинообразных оптических компонентов.

Каждый лазер на фигуре 2 имеет соответствующее зеркало, принадлежащее к набору из пяти частично отражающих зеркал 32 и одному дихроическому зеркалу 34. В процессе работы пучок лазерного излучения от первого лазера 46 проходит к первому зеркалу 36 и затем от первого зеркала 36 до точки 58. Первое зеркало 36 повернуто так, что пучок лазерного излучения от первого лазера 46 отражается под правильным углом от первого зеркала 36. Подобным образом, каждый из второго - пятого лазеров имеет соответствующий оптический путь, определенный посредством второго - пятого зеркал. Шестой оптический путь определен таким же образом от шестого лазера 56 до дихроического зеркала 34 и до точки 58. Все из этих зеркал расположены с поворотом на такой же угол, что и первое зеркало 36, так что каждый из оптических путей отклоняется под правильным углом в точке его пересечения с соответствующим ему зеркалом.

Зеркала расположены так, что пучки лазерного излучения от лазеров 46, 48, 50, 52, 54, 56 проходят по общему оптическому пути до кюветы 10 через точку 58 после отражения от соответствующих им оптических компонентов 36, 38, 40, 42, 44, 34. Общий оптический путь может, например, иметь один конец на первом зеркале 36 и второй конец на входном отверстии 84 в кювету для образца 10 и может простираться через точку 58, и, будучи направленным для прохождения по общему оптическому пути, оптические пути от каждого соответствующего лазера присоединяются к общему оптическому пути. Таким образом, оптические пути от каждого лазера могут значительно перекрываться.

В процессе работы лазеры 18 управляются управляющим модулем 26 или другим управляющим компонентом в других вариантах осуществления, для последовательного образования импульсов. Последовательность может быть следующей. Первый лазер 46 выдает первый импульс, который направляется в точку 58 оптическим компонентом и проходит далее в кювету для образца 10. Затем второй лазер 48 выдает второй импульс, который направляется в точку 58 посредством оптических компонентов и проходит далее в кювету для образца 10. За этим следует, в свою очередь, третий импульс, выданный третьим лазером 50, который направляется в точку 58 посредством оптических компонентов и проходит далее в кювету для образца 10, четвертый импульс, выданный четвертым лазером 52, который направляется в точку 58 посредством оптических компонентов и проходит далее в кювету для образца 10, пятый импульс, выданный пятым лазером 54, который направляется в точку 58 посредством оптических компонентов и проходит далее в кювету для образца 10, и шестой импульс, выданный шестым лазером 56, который направляется в точку 58 посредством оптических компонентов и проходит далее в кювету для образца 10. После шестого импульса эта последовательность повторяется. Импульсные пучки от каждого из лазеров являются чередующимися и/или не перекрывающимися по времени и распространяются по общему пути к кювете для образца 10

После вышеуказанной последовательности первый импульс падает на первое зеркало 36 и отражается от него, а затем пропускается через второе, третье, четвертое, пятое и дихроическое зеркало 34 до точки 58, и продолжает движение до кюветы для образца 10 и детекторного прибора 24. Затем, второй импульс падает на второе зеркало 38 и отражается от него, и затем пропускается через третье, четвертое, пятое и дихроическое зеркало 34 до точки 58, и далее до кюветы для образца 10 и детекторного прибора 24. Затем, третий импульс падает на третье зеркало 40 и отражается от него, и затем пропускается через четвертое, пятое и дихроическое зеркало 34 до точки 58, и далее до кюветы для образца 10 и детекторного прибора 24. Затем, четвертый импульс падает на четвертое зеркало 42 и отражается от него, и затем пропускается через пятое зеркало 44 и дихроическое зеркало 34 до точки 58, и далее до кюветы для образца 10 и детекторного прибора 24. Затем, пятый импульс падает на пятое зеркало 44 и отражается от него, и затем пропускается через дихроическое зеркало 34 до точки 58, и далее до кюветы для образца 10 и детекторного прибора 24. Последним импульсом в последовательности является шестой импульс, и этот импульс падает на дихроическое зеркало 34 и отражается от него до точки 58 и далее до кюветы для образца 10 и детекторного прибора 24. Затем последовательность импульсов повторяется.

Импульсы распространяются через кювету для образца 10 до сенсорного прибора 12. Направляющие оптические компоненты 22 в сенсорном приборе 12 направляют излучение (происходящее из первого - пятого лазеров) из кюветы к первому детектору, являющемуся чувствительным к излучению от первого - пятого лазеров. Таким образом, в этом варианте осуществления один из детекторов является чувствительным к излучению от более чем одного из лазеров. Направляющие оптические компоненты 22 в сенсорном приборе 12 направляют излучение (происходящее из шестого лазера) из кюветы ко второму детектору, являющемуся чувствительным к излучению от шестого лазера 56. Направляющие оптические компоненты 22 включают второе дихроическое зеркало для направления излучения от шестого лазера 56 к второму детектору и для направления излучения от первого - пятого лазеров к первому детектору. Оптические свойства второго дихроического зеркала могут совпадать со свойствами дихроического зеркала 34 из лазерного модуля 14. Направляющие оптические компоненты 22 включают отдельные внеосевые параболические зеркала для фокусировки двух различных линий излучения на двух детекторах. Управляющий модуль синхронизирует действие лазеров и первого и второго детекторов, так что каждый из сигналов детектирования соответствует излучению, принятому от соответствующего одного из лазеров.

Лазеры 18 с фигуры 1 представляют собой полупроводниковые диодные лазеры, выполненные с возможностью выдавать излучение в пределах поддиапазона длин волн. Лазеры могут представлять собой квантовые каскадные лазеры, например, импульсные квантовые каскадные лазеры с линейной частотной модуляцией, хотя любые другие подходящие типы лазеров можно использовать в альтернативных вариантах осуществления. Лазеры могут, например, выдавать пучки диаметром 2-3 мм или любого другого подходящего размера.

Поддиапазоны длин волн могут находиться в инфракрасном спектре. Диапазоны длин волн выбирают для соответствия измерению одного или более соединений. В совокупности устройство может предоставлять множество диапазонов длин волн излучения и объединяет, например, видимое, ближнее инфракрасное и/или среднее инфракрасное излучение для получения преимуществ наиболее подходящей длины волны для каждого соединения. В таблице 1 показан пример осуществления диапазонов длин волн для лазеров 18, соответствующий диапазон волновых чисел и соответствующее соединение, детектируемое посредством излучения в этом диапазоне длины волны:

Лазер Диапазон длин волн (мкм) Диапазон волновых чисел (см^-1) Детектируемые соединения 1 5,2632-5,2356 1900-1910 Оксид азота (NO), вода (H₂O) 2 6,1538-6,1162 1625-1635 Диоксид азота (NO₂) 3 4,4742-4,4743 2225-2235 Монооксид углерода (CO), диоксид углерода (CO₂) 4 7,4627-7,4349 1340-1345 Метан (CH₄), диоксид серы (SO₂) 5 10,0-10,2 980-1000 Аммиак (NH₃), ацетилен (C₂H₂) 6 0,7605-0,7599 13150-13160 Кислород (O₂)

Таблица 1

Тщательный подбор диапазонов длин волн лазеров позволяет проводить множественные измерения на длине волны лазера. Как можно видеть в таблице 1, диапазоны длин волн первых пяти лазеров имеют одинаковый порядок величины. Однако, диапазон длины волны шестого лазера для детектирования кислорода на порядок меньше. Первый и второй детекторы выбирают для детектирования излучения в диапазоне длин волн первого - пятого лазера, или в диапазоне длины волны шестого лазера, соответственно.

Управляющий модуль 26 выполнен с возможностью посылать один или более электронных управляющих сигналов к лазерам 18. В ответ на электронные управляющие сигналы лазеры 18 выдают объединенный пучок 30 лазерного излучения. Управляющий сигнал действует для последовательного получения импульсов лазеров 18. Иными словами, управляющий сигнал действует для задействования каждого из лазеров 18 в такой последовательности, что в интервале времени замера только излучение от одного лазера подается к оптическим компонентам 20. Оптические компоненты 20 выполнены с возможностью направления излучения от каждого лазера по оптическому пути лазера, чтобы следовать общему пути до кюветы для образца 10. Таким образом, управляющий модуль 26 управляет лазерным модулем 14 для получения объединенного пучка лазерного излучения 30 и подачи объединенного пучка лазерного излучения 30 в кювету для образца 10.

Частоту переключения между лазерами выбирают для обеспечения надежного измерения в сенсорном приборе 12. В частности, время, потраченное импульсом излучения на прохождение своего оптического пути в кювете для образца, зависит от физических свойств импульса и измерений кюветы для образца 10. Если излучение от более чем одного лазера падает на кювету для образца 10 в течение интервала времени замера, тогда может возникать интерференция, приводящая к ненадежному измерению. Таким образом, длиной импульсов и частотой последующих лазерных импульсов управляют и выбирают с учетом времени, потраченного излучением на прохождение своего оптического пути в кювете для образца, чтобы убедиться, что излучение только от одного лазера присутствует внутри кюветы для образца 10 в течение интервала времени замера. Подходящая длительность импульсов для импульсов от лазеров 18 может составлять между 100 наносекунд и 5000 наносекунд. Частота последовательных импульсов может составлять вплоть до 100 кГц в некоторых вариантах осуществления.

Сигнальный процессор 28 обрабатывает сигналы детектирования от детекторов для определения концентраций и/или относительных количеств различных исследуемых соединений или для определения любых других требуемых свойств. В сигнальном процессоре 28 используют любые известные способы обработки для определения концентраций, относительных количеств или других свойств.

Можно предусмотреть также устройство для калибровки. Пример устройства для калибровки включает камеру и механизм для регулировки зеркала. Камеру располагают в точке 58 или около нее для пересечения требуемого направления распространения объединенного пучка лазерного излучения 30. Требуемое направление распространения является таким, что объединенный пучок 30 лазерного излучения при нормальном функционировании будет входить в кювету для образца 10 через общий оптический путь. Во время этапа калибровки пробные пучки получают посредством лазеров 18 и пробные пучки направляют посредством оптических компонентов 20 в камеру. Камера детектирует положение пробных пучков, падающих на нее, относительно требуемого направления распространения. Механизм для регулировки зеркала регулирует положение, в частности, расположение под наклоном, относительно направления распространения, частично отражающих зеркал 32 и дихроического зеркала 34, чтобы в основном выставлять оптические пути лазеров 18 с требуемым направлением распространения и в основном выставлять оптические пути друг с другом. Например, оптические пути в основном выставляют с погрешностью 1,1°. Этап калибровки повторяют для каждого из лазеров 18.

Фигура 3 представляет собой перспективный вид корпуса системы лазерной спектроскопии. Корпус имеет верхнюю секцию 60 и нижнюю секцию 62. Верхняя секция 60 имеет съемную крышку 64, которую закрепляют в закрытом положении посредством первого и второго расцепляющего механизма 66. Кювета для образца 10 находится в верхней секции 60 корпуса. Узел подачи газа в форме трубки для подачи образца 68 подает газ в кювету для образца. Трубка для возврата образца 70 обеспечивает выход газа из кюветы для образца. Вентиляцию кюветы для образца обеспечивают посредством вентиляционного отверстия 72 в верхней секции 60. Нижняя секция 62 имеет дисплей пользовательского ввода для локального оператора 74 и дисплей для управления продувкой 76. В варианте осуществления из фигуры 3 дисплей пользовательского ввода предназначен для взаимодействия с анализатором и визуальной связи с измерениями и статусом. Некоторое техническое обслуживание обеспечивают посредством дисплея пользовательского ввода в этом варианте осуществления, однако его основной целью является связь между измеряемыми значениями и статусом.

Дисплей для управления продувкой 76 из варианта осуществления с фигуры 3 используют для управления продувкой внутреннего пространства воздухом. Это может являться требованием для установки оборудования в опасной зоне, когда необходимо предпринимать шаги для предотвращения пожарной опасности. В этом случае продувка воздухом, управляемая посредством дисплея для управления продувкой 76, обеспечивает, например, постоянно обеспечивает, внутреннее пространство или корпус системы свежим воздухом для предотвращения образования взрывоопасной среды.

К нижней секции 62 присоединена также разводка из трех труб 78. Разводка обеспечивает разрывы электрической цепи, позволяющие посылать питание и управляющие сигналы в систему и позволяющие передавать данные из системы. Передаваемые данные могут, например, находиться в форме цифровых сигналов, сигналов цифрового здравоохранения, аналоговых сигналов, например, сигналов 4-20 мА, показывающих измеренные уровни газов, в форме более сложных протоколов, таких как Modbus, или в любом другом подходящем формате. Расположение, описанное выше, обеспечивает компактную систему. В некоторых вариантах осуществления корпус может иметь длину около 550 см, верхняя секция может иметь высоту около 200 см, и нижняя секция может иметь высоту около 370 см.

Трубка для подачи образца 68 и трубка для возврата образца 70 обеспечивает путь с проточным соединением через кювету для образца. Образец газа можно собирать в удаленном расположении и можно доставлять через трубку для подачи образца 68 в кювету для образца, подлежащую измерению. Затем образец газа можно выпускать из кюветы для образца через трубку для возврата образца 70. Совместно, трубка для подачи образца 68 и трубка для возврата образца 70 позволяют осуществлять удаленное управление устройством, в отличие от восприятия выбросов в месте нахождения. Любой другой подходящий узел подачи газа можно использовать в альтернативных вариантах осуществления.

Блок системы обработки образцов (SHS) (не показан) может быть предусмотрен для управления давлением газа в кювете для образца 10. Можно использовать любой подходящий SHS блок или другое устройство для управления давлением, которые могут содержать или не содержать насос или могут приводиться им в действие и могут содержать или не содержать другие компоненты для управления давлением, такие как узел клапанов. В варианте осуществления из фигуры 3, блок SHS включает аспиратор вместо насоса, хотя насос или другие устройства или компоненты для управления давлением можно использовать в других вариантах осуществления.

Кроме того, корпус содержит по меньшей мере один поглощающий компонент для поглощения излучения лазера, не направленного по общему пути в кювету для образца 10. Упомянутый по меньшей мере один поглощающий компонент может содержать дополнительные оптические компоненты, например, клиновидные оптические компоненты.

Любую подходящую кювету для образца можно использовать в качестве кюветы для образца 10. В варианте осуществления с фигур 1-3 кювету Эррио используют в качестве кюветы для образца. Можно использовать любую подходящую кювету Эррио или любую подходящую многоходовую кювету для абсорбционной спектроскопии, или например, любую другую кювету, которая выполнена для обеспечения взаимодействия между пучком(пучками) лазерного излучения и образцом газа, например, посредством отражения пучка лазерного излучения между поверхностями камеры, содержащей газ.

Специалисту в данной области понятно, что возможны изменения описанных вариантов осуществления без отклонения от объема заявленного изобретения. Например, в то время как обсуждается, что управляющий модуль в контроллере используют для получения последовательных импульсов на выходе из лазеров, обеспечивая получение объединенного пучка, можно использовать также другие конструкции контроллеров. Одной из альтернатив является узел механического оптического переключения, которое физически управляет излучением лазера так, что только один лазер подает излучение к оптическим компонентам на протяжении данного интервала времени. В качестве другого примера описанные лазеры представляют собой полупроводниковые диодные лазеры, действующие на некотором диапазоне длины волны. Однако лазеры могут представлять собой любой подходящий источник излучения, способный обеспечивать походящие длин волн излучения. Кроме того, лазеры могут иметь одну длину волны. Другим примером модификации является замена внеосевых параболических зеркал на любую подходящую конструкцию для фокусировки. Соответственно, приведенное выше описание конкретных вариантов осуществления сделано только в качестве примера, а не с целью ограничения. Специалисту в данной области понятно, что можно выполнять незначительные модификации без значительных изменений описанных операций.

Изобретение относится к системе и способу лазерного детектирования, например к системе и способу для анализа газов на основе лазерной абсорбционной спектроскопии. Заявленная лазерная система детектирования содержит: множество лазеров (18), причем каждый лазер выполнен с возможностью выдачи соответствующего пучка лазерного излучения для поглощения одним или более различными соединениями, причем упомянутое множество лазеров (18) выполнено с возможностью выдачи множества пучков лазерного излучения; кювету (10) для образца для содержания некоторого объема образца газа; по меньшей мере одно направляющее устройство, выполненное с возможностью направления пучков лазерного излучения в кювету (10) для образца, причем упомянутое по меньшей мере одно направляющее устройство выполнено с возможностью направления пучков лазерного излучения по общему оптическому пути в кювету (10) для образца, и детекторный прибор (24) для детектирования выходного излучения из кюветы. При этом упомянутое по меньшей мере одно направляющее устройство содержит множество оптических компонентов (20), расположенных так, что для каждого пучка лазерного излучения соответствующий по меньшей мере один из оптических компонентов выполнен с возможностью направления упомянутого пучка лазерного излучения по общему оптическому пути. Причем упомянутое множество оптических компонентов (20) расположены последовательно практически по прямой линии и выполнены так, что в процессе работы каждый оптический компонент направляет пучок лазерного излучения от соответствующего ему лазера в том же самом направлении распространения по упомянутой прямой линии для присоединения к упомянутому общему оптическому пути. По меньшей мере один оптический компонент из упомянутого множества оптических компонентов (20) направляет или обеспечивает прохождение одного или более пучка(ов) лазерного излучения из упомянутого множества пучков лазерного излучения от предшествующего(их) оптического(их) компонента(ов) в последовательности в том же самом направлении распространения по упомянутой прямой линии. Лазерная система детектирования дополнительно содержит контроллер (26), выполненный с возможностью управления упомянутым множеством лазеров (18), чтобы возбуждать пульсацию по меньшей мере одного из упомянутого множества лазеров (18). Технический результат – улучшение устройств непрерывного мониторинга выбросов для мониторинга загрязнения промышленного производства в различных производственных объектах с одновременным упрощением конструкции. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

1. Лазерная система детектирования, содержащая:

множество лазеров (18), причем каждый лазер выполнен с возможностью выдачи соответствующего пучка лазерного излучения для поглощения одним или более различными соединениями, причем упомянутое множество лазеров (18) выполнено с возможностью выдачи множества пучков лазерного излучения;

кювету (10) для образца для содержания некоторого объема образца газа;

по меньшей мере одно направляющее устройство, выполненное с возможностью направления пучков лазерного излучения в кювету (10) для образца, причем упомянутое по меньшей мере одно направляющее устройство выполнено с возможностью направления пучков лазерного излучения по общему оптическому пути в кювету (10) для образца, и

детекторный прибор (24) для детектирования выходного излучения из кюветы,

при этом упомянутое по меньшей мере одно направляющее устройство содержит множество оптических компонентов (20), расположенных так, что для каждого пучка лазерного излучения соответствующий по меньшей мере один из оптических компонентов выполнен с возможностью направления упомянутого пучка лазерного излучения по общему оптическому пути, и

при этом упомянутое множество оптических компонентов (20) расположены последовательно практически по прямой линии и выполнены так, что в процессе работы каждый оптический компонент направляет пучок лазерного излучения от соответствующего ему лазера в том же самом направлении распространения по упомянутой прямой линии для присоединения к упомянутому общему оптическому пути, и

при этом по меньшей мере один оптический компонент из упомянутого множества оптических компонентов (20) направляет или обеспечивает прохождение одного или более пучка(ов) лазерного излучения из упомянутого множества пучков лазерного излучения от предшествующего(их) оптического(их) компонента(ов) в последовательности в том же самом направлении распространения по упомянутой прямой линии, и

при этом лазерная система детектирования дополнительно содержит контроллер (26), выполненный с возможностью управления упомянутым множеством лазеров (18), чтобы возбуждать пульсацию по меньшей мере одного из упомянутого множества лазеров (18).

2. Система по п.1, причем каждый из лазеров расположен так, что в процессе работы каждый из лазеров посылает свой пучок лазерного излучения к соответствующему ему по меньшей мере одному из оптических компонентов в направлении, практически перпендикулярном упомянутой прямой линии.

3. Система по любому из пп.1, 2, причем по меньшей мере один из оптических компонентов содержит плоский или неклинообразный оптический компонент.

4. Система по любому из пп.1-3, причем упомянутое множество оптических компонентов содержит по меньшей мере одно частично отражающее зеркало и/или по меньшей мере одно дихроическое зеркало.

5. Система по любому из пп.1-4, причем каждый из оптических компонентов имеет толщину в диапазоне от 0,1 мм до 1 мм.

6. Система по любому из пп.2-5, причем каждый из оптических компонентов является по меньшей мере частично отражающим и по меньшей мере частично пропускающим.

7. Система по любому из пп.2-6, причем упомянутое по меньшей мере одно направляющее устройство содержит направляющую оптику между последним из упомянутого множества оптических компонентов и кюветой для образца и выполнено с возможностью направления пучков лазерного излучения в оптическую кювету.

8. Система по любому из предшествующих пунктов, причем детекторный прибор содержит множество детекторов, причем каждый детектор выполнен с возможностью детектирования излучения соответствующей длины волны или диапазона длин волн.

9. Система по любому из предшествующих пунктов, причем контроллер выполнен с возможностью управления работой упомянутого множества лазеров так, что пучки лазерного излучения представляют собой импульсные пучки лазерного излучения, чередующиеся по времени.

10. Система по п.9, причем контроллер выполнен с возможностью синхронизации работы детекторного прибора и лазеров, с получением серии сигналов детектирования, причем каждый сигнал детектирования связан с соответствующим из лазеров.

11. Система по п.9 или 10, причем контроллер выполнен с возможностью управления работой лазеров так, что каждый пучок лазерного излучения пульсирует с частотой в диапазоне от 1 кГц до 200 кГц, необязательно, в диапазоне от 10 кГц до 100 кГц, и/или причем контроллер выполнен с возможностью управления лазерами так, что каждый пучок лазерного излучения пульсирует с длительностями импульсов в диапазоне от 100 нс до 5000 нс.

12. Система по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащая ресурс для обработки, выполненный с возможностью определения количества NOx на основании детектированных выходных излучений.

13. Система по любому из предшествующих пунктов, причем упомянутые соединения включают по меньшей мере одно из: NO, NO₂, H₂O, CO, CO₂, CH₄, SO₂, NH₃, C₂H₂ и O₂.

14. Система по любому из предшествующих пунктов, причем каждый из упомянутого множества лазеров выполнен с возможностью выдачи инфракрасного лазерного излучения.

15. Система по любому из предшествующих пунктов, причем каждый из лазеров выполнен с возможностью выдачи пучка лазерного излучения соответствующей отличающейся длины волны или диапазона длин волн.

16. Система по п.15, причем по меньшей мере один из диапазонов длин волн выбран из следующих диапазонов: 5,2632-5,2356 мкм; 6,1538-6,1162 мкм; 4,4742-4,4743 мкм; 7,4627-7,4349 мкм; 0,7605-0,7599 мкм и 10,0-10,2 мкм.

17. Система по любому из предшествующих пунктов, причем детекторный прибор расположен с противоположной стороны кюветы для образца по отношению к упомянутому множеству лазеров и упомянутому по меньшей мере одному направляющему устройству.

18. Система по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащая узел подачи газа, выполненный с возможностью подачи удаленного образца газа в кювету для образца.

19. Система по любому из предшествующих пунктов, причем кювета для образца содержит кювету Эррио.

20. Система по любому из предшествующих пунктов, причем система представляет собой систему для непрерывного мониторинга выбросов.

21. Способ детектирования множества различных соединений, включающий выдачу множества пучков лазерного излучения с использованием множества лазеров (18), причем каждый пучок предназначен для поглощения одним или более различными соединениями из упомянутого множества различных соединений, направление посредством по меньшей мере одного направляющего устройства пучков лазерного излучения по общему оптическому пути в кювету (10) для образца, предназначенную для содержания некоторого объема образца газа, и детектирование выходного излучения из кюветы,

при этом упомянутое по меньшей мере одно направляющее устройство содержит множество оптических компонентов (20), расположенных так, что для каждого пучка лазерного излучения соответствующий по меньшей мере один из оптических компонентов выполнен с возможностью направления упомянутого пучка лазерного излучения по общему оптическому пути, и

при этом упомянутое множество оптических компонентов (20) расположены последовательно практически по прямой линии и выполнены так, что в процессе работы каждый оптический компонент направляет пучок лазерного излучения от соответствующего ему лазера в том же самом направлении распространения по упомянутой прямой линии для присоединения к упомянутому общему оптическому пути, и

при этом по меньшей мере один оптический компонент из упомянутого множества оптических компонентов (20) направляет или обеспечивает прохождение одного или более пучка(ов) лазерного излучения из упомянутого множества пучков лазерного излучения от предшествующего(их) оптического(их) компонента(ов) в последовательности в том же самом направлении распространения по упомянутой прямой линии, и

при этом выдача упомянутым множеством лазеров (18) содержит возбуждение пульсации по меньшей мере одного из упомянутого множества лазеров (18).