ЛАЗЕРНЫЙ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗА Российский патент 2022 года по МПК G01N21/00 

Область техники

[1] Заявленные изобретение и способ могут применяться в отраслях обрабатывающей промышленности, таких как машиностроение и электроэнергетика для контроля качества технологических процессов, неразрушающего контроля герметичности оборудования, мониторинга концентрации газов в воздухе рабочей зоны для охраны труда персонала, а также для контроля за количеством выбросов парниковых газов в атмосферу.

Уровень техники

[2] Газоанализатор - прибор, предназначенный для измерения концентрации одного измеряемого компонента или группы измеряемых компонентов в газовой смеси. В отличие от хроматографов, в которых происходит разделение газовой смеси на компоненты, в газоанализаторах на чувствительный элемент воздействует вся газовая смесь.

[3] К классу газоанализаторов относятся не только газоанализаторы, но и такие технические средства, как индикаторы, сигнализаторы и течеискатели, обеспечивающие соответственно индикацию наличия определенного газового компонента, сигнализацию о превышении некоторой пороговой концентрации и определение негерметичных мест конструкций, заполненных теми или иными газовыми смесями. В большинстве промышленных газоанализаторов используются косвенные методы измерения, основанные на использовании определенного физико-химического свойства измеряемого компонента газовой смеси, которое отличается от свойств других неизмеряемых компонентов. Чем больше отличие физико-химического свойства измеряемого компонента газовой смеси, тем точнее можно определить искомую концентрацию измеряемого компонента. От выбора этого физико-химического свойства зависит метод газового анализа. Заявленные изобретение и способ используются в оптических абсорбционных газоанализаторах, использующих оптико-акустический метод измерений, основанный на способности газов поглощать излучение определенной длины волны. В качестве источников излучения могут быть использованы лампы, нагретые источники тепла, лазеры. Применение лазеров в отличие от других источников излучения позволяет получить узкий спектр излучения, использующегося для обнаружения газов, и тем самым повысить чувствительность измерений.

[4] Принцип действия оптико-акустического преобразователя основан на поглощении определенных длин волн излучения газом, заключенным в замкнутый объем. При поглощении излучения газ нагревается, при этом его давление повышается. При прерывании потока излучения с некоторой частотой газ будет периодически нагреваться, и охлаждаться, в результате чего возникают колебания температуры и давления. Возникающие колебания давления воспринимаются чувствительным элементом газоанализатора, и далее полученный сигнал обрабатывается микропроцессорным устройством.

[5] Известно решение (RU 90905 U1; опубл. 20.01.2010; МПК: G01N 21/00), включающее в себя в том числе лазер с модуляцией мощности излучения, две оптико-акустические ячейки, через которые проходит лазерное излучение, снабженные микрофонами, смонтированными на боковых стенках ячеек, устройство для обработки сигналов от микрофонов, к которому подключены микрофоны ячеек, причем одна ячейка выполнена нерезонансной и заполнена анализируемым газом с известной концентрацией, вторая ячейка выполнена резонансной и в ней находится анализируемый газ с измеряемой концентрацией.

[6] К недостаткам данного устройства можно отнести невозможность измерения высоких концентраций анализируемого газа, за счет того, что в устройстве применена резонансная ячейка, обеспечивающая измерение низких и сверхнизких концентраций (0,1 - 100 ppm).

[7] Известно другое решение (RU 199702 U1; опубл. 15.09.2020; МПК: G01N 27/00), состоящее из в том числе двух независимых открытых акустических резонаторов, выполненных в форме прямых трубок круглого сечения, расположенных параллельно друг другу и соединенных по торцам входной и выходной буферными полостями, причем акустические резонаторы выполнены цилиндрической формы диаметром D₁ и длиной L₁ и разделены перегородкой толщиной t, на боковых стенках в середине каждого акустического резонатора смонтированы микрофоны, в середине одного из акустических резонаторов напротив микрофона смонтирован звуковой излучатель, входная и выходная буферные полости выполнены идентичными цилиндрической формы диаметром D₂ и длиной L₂, концы акустических резонаторов сообщены с буферными полостями, причем диаметр буферных полостей составляет D₂ ≥ (2D₁ + t), где D₂ - диаметр буферных полостей; D₁ - диаметр акустических резонаторов; t - толщина перегородки, разделяющей буферные полости; длина буферных полостей L₂ составляет (1-1,5) × D₁, торцы буферных полостей закрыты прозрачными окнами, а на боковых стенках буферных полостей смонтированы устройства для ввода/вывода анализируемого газа.

[8] Приведенное устройство способно производить измерение низких концентраций целевого газа, однако измерение высокой концентрации не реализовано.

[9] Наиболее близким к заявляемому изобретению можно считать решение (RU 2748054 C1; опубл. 19.05.2021; МПК: G01N 21/00). В патенте описано устройство, содержащее воздушный насос, последовательно установленные лазер с модуляцией мощности излучения, газонаполненную оптико-акустическую ячейку с постоянной концентрацией газа-маркера, через которую проходит лазерное излучение, резонансный оптико-акустический детектор (ОАД) и контроллер, газонаполненная оптико-акустическая ячейка и ОАД снабжены микрофонами, соединенными с контроллером, причем газоанализатор снабжен дополнительным резонансным ОАД с малой оптической длиной ~0,5…1 мм, установленным между газонаполненной оптико-акустической ячейкой и основным ОАД, дополнительный ОАД снабжен по меньшей мере одним микрофоном, основной и дополнительный ОАД соединены воздуховодом таким образом, чтобы на вход дополнительного ОАД поступала проба анализируемого воздуха, а выход дополнительного ОАД был соединен со входом основного ОАД, выход основного ОАД соединен с воздушным насосом, причем напор насоса обеспечивает скорость прокачки воздуха, при которой режим течения анализируемого газа через оптико-акустические детекторы является ламинарным.

[10] Недостатки данного изобретения состоят в том, что измерение концентрации газа сопряжено с наличием высокой погрешности, связанной с шумами, возникающими из-за отсутствия центрирования резонансной ячейки и зависящей от длины дополнительного резонансного ОАД.

[11] Недостатком всех упомянутых приборов является пониженная точность или невозможность измерения концентрации газов при высоком ее значении.

Сущность изобретения

[12] Задачей настоящего изобретения является создание эффективного лазерного оптико-акустического газоанализатора, способного с большой точностью определять величину концентрации целевых газов в широком динамическом диапазоне, а также разработка способа, поддерживающего заявляемую эффективность.

[13] Данная задача решается за счет достижения заявляемым изобретением технического результата, заключающегося в повышении эффективности детектирования целевого газа при упрощении конструкции прибора.

[14] Повышенная эффективность обеспечивается в частности расширением динамического диапазона измерений концентрации благодаря использованию дополнительной оптико-акустической ячейки заданного размера, так и за счет повышенной точности самого процесса измерения, обусловленного центрированием дополнительной оптико-акустической ячейки относительно оптической оси, снижающим переотражения акустических волн. Кроме того, поставленный результат в том числе достигается посредством выполнения дополнительной оптико-акустической ячейки цилиндрической, снижающей число отражений акустического сигнала, и посредством снижения влияния шумов с помощью акустического фильтра.

[15] Лазерный оптико-акустический газоанализатор содержит по крайней мере один лазер, плату управления и оптико-акустический детектор, включающий точку входа пробы по крайней мере одного целевого газа, как минимум одну опорную оптико-акустическую ячейку, как минимум одну дополнительную оптико-акустическую ячейку, как минимум одну основную оптико-акустическую ячейку, точку выхода пробы газа и ограничен с двух сторон неподвижными ограничителями.

[16] В стенках каждой упомянутой ячейки установлен по крайней мере один акустический приемник, а основная оптико-акустическая ячейка при этом включает не менее двух буферных полостей, оптические окна, активный и вспомогательный акустические каналы. В стенках каждого из каналов установлен по крайней мере один упомянутый приемник и в стенках одного из них дополнительно установлен по крайней мере один акустический источник. Упомянутые приемники и источник соединены с платой управления. Лазерное излучение проходит через оптико-акустический детектор, содержащий последовательно расположенные на оптической оси оптико-акустического детектора опорную оптико-акустическую ячейку, дополнительную оптико-акустическую ячейку, основную оптико-акустическую ячейку. Устройство отличается от аналогов тем, что между основной оптико-акустической ячейкой и дополнительной установлен акустический фильтр, а дополнительная оптико-акустическая ячейка выполнена центросимметричной относительно оптической оси оптико-акустического детектора.

[17] Под термином «лазер» понимается источник когерентного монохроматического электромагнитного излучения. В частности, это могут быть лазеры с различными активными средами, рабочими режимами, мощностями, с селекцией длин волн и другие. В основе работы газоанализатора лежит свойство различных веществ поглощать определенные длин волн излучения. Длина волны излучения является ключевым параметром, непосредственно определяющим способность детектирования того или иного газа с помощью оптических абсорбционных методов измерений. За счет свойств лазера обеспечивается излучение электромагнитной волны с крайне малым разбросом значений ее длины и с малым углом расходимости излучения. Выбор значения длины волны излучения лазера позволяет производить измерения концентрации нескольких целевых газов.

[18] Оптико-акустический детектор является основным рабочим элементом изобретения. В него подается проба по крайней мере одного целевого газа, на которую воздействует излучение по крайней мере одного лазера. По результатам измерений и обработки сигналов, полученных с оптико-акустического детектора, проводится расчет концентрации газа. Оптико-акустический детектор содержит точку входа пробы газа, как минимум одну опорную оптико-акустическую ячейку, как минимум одну дополнительную оптико-акустическую ячейку, как минимум одну основную оптико-акустическую ячейку, точку выхода пробы газа и ограничен с двух сторон неподвижными ограничителями. Точка входа газа служит для подачи целевого газа в оптико-акустический детектор, а точка выхода - для его удаления. Они могут быть выполнены в виде штуцеров, клапанов, переходников и другим образом. Неподвижные ограничители служат для ограничения детектора в заданном объеме и обеспечивают надежное соединение детектора с другими частями газоанализатора, в том числе с лазером, исключая тем самым смещение луча лазера относительно продольной оси детектора и способствуя повышению эффективности детектирования целевого газа. Они могут быть выполнены в виде фланцев или иначе. Кроме того, оптико-акустический детектор дополнительно может быть соединен с насосом, обеспечивающим перемещению газовой пробы через него. Это приводит к повышению эффективности детектирования за счет определения концентрации целевого газа в режиме реального времени. Дополнительно оптико-акустический детектор может быть соединен с воздушным фильтром, защищающим оптические элементы газоанализатора от твердых и жидких частиц аэрозоля, присутствующих в пробе газа, что повышает эффективность детектирования целевого газа за счет предотвращения попадания инородных частиц в область детектирования. Также точка выхода газа может быть соединена с глушителем, уменьшающим взаимное влияние акустических помех, возникающих в основной и дополнительной оптико-акустических ячейках и связанных с работой насоса.

[19] Опорная оптико-акустическая ячейка служит для определения концентрации целевого газа. Она представляет собой ограниченный объем, прозрачный для лазерного излучения с определенной длиной волны, герметичный и заполненный определенным газом или смесью газов известной концентрации. Кроме того, она содержит по крайней мере один акустический приемник, сообщенный с платой управления, сигнал с которого используется при расчете концентрации целевого газа. Сигнал акустического приемника опорной оптико-акустической ячейки формируется на основе изменения давления, индуцированного прохождением лазерного излучения через ячейку.

[20] Дополнительная оптико-акустическая ячейка предназначена для детектирования высокой (более 100 ppm) концентрации целевого газа с помощью расположенного внутри нее по крайней мере одного акустического приемника, тем самым обеспечивая повышение эффективности детектирования за счет расширения динамического диапазона измерения концентрации. Особенностью упомянутой ячейки является ее центросимметричность относительно оптической оси оптико-акустического детектора. Такое конструктивное исполнение снижает интенсивность шумов, вызванных переотражением акустических волн дополнительной оптико-акустической ячейки, дополнительно повышая эффективность детектирования газа. В предпочтительном варианте выполнения детектора точки входа и выхода пробы расположены с одной стороны оптико-акустического детектора. Такое решение упрощает конструкцию газоанализатора и позволяет эффективно производить измерение высоких концентраций целевого газа за счет подачи газа в дополнительную ячейку вместе с измерением низких концентраций целевого газа за счет развязки через акустический фильтр. Также возможно конструктивное исполнение дополнительной оптико-акустической ячейки с длиной по оптической оси меньшей 0,5 мм. Данное решение подкрепляется экспериментальным подбором оптимальных параметров ячейки, в ходе которого было выявлено, что наиболее значащим фактором, влияющим на изменение показаний ячейки при изменении длины волны лазерного излучения, является ее оптическая толщина - оптический путь луча лазера внутри самой ячейки. Уменьшение длины способствует уменьшению разброса показаний значения концентрации, вызванного возможной нестабильностью длины волны лазерного излучения.

[21] Основная оптико-акустическая ячейка предназначена для детектирования низкой (до 100 ppm) концентрации целевого газа. Она включает в себя не менее двух буферных полостей, оптические окна, а также активный и вспомогательный акустические каналы, причем в стенках каждого из них установлено по крайней мере по одному упомянутому приемнику и в стенках одного из акустических каналов дополнительно установлен по крайней мере один акустический источник. Лазерное излучение проходит через последовательно расположенные на оптической оси оптико-акустического детектора опорную оптико-акустическую ячейку, дополнительную оптико-акустическую ячейку, основную оптико-акустическую ячейку. Оптические окна, установленные в перечисленных ячейках, обеспечивают возможность введения модулированного лазерного излучения во внутренний объем ячеек, тем самым обеспечивается формирование оптико-акустического эффекта. Активный канал основной оптико-акустической ячейки, центрированный относительно оптической оси детектора, совместно с буферными полостями и вспомогательным каналом обеспечивают возникновение стоячей акустической волны за счет оптико-акустического эффекта, одновременно обеспечивая усиление полезного сигнала и подавление акустических шумов. Буферные полости служат для перенаправления стоячей акустической волны и замыкании ее в полости упомянутых каналов. Акустический излучатель, расположенный в одном из каналов, используется для определения резонансной частоты газоанализатора, на основе которой подбирается частота повторения импульсов лазерного излучения. Отличительной особенностью выполнения основной оптико-акустической ячейки и дополнительной оптико-акустической ячейки является наличие акустического фильтра, снижающего акустический шум, вызванный соединением дополнительной и основной ячеек, за счет чего повышается эффективность детектирования газа, в частности, расчета высокой и низкой концентраций целевого газа. В предпочтительном варианте исполнения активный канал основной оптико-акустической ячейки центрирован относительно продольной оси симметрии оптико-акустического детектора. Такое выполнение снижает влияние шумов, вызванных переотражением акустических волн в самом материале детектора, что повышает точность и эффективность детектирования газа. Дополнительно к упомянутому центрированию активного канала возможно размещение на внешних торцевых стенках каждой буферной полости оптических окон, центрированных относительно активного акустического канала. Дополнительно оптические окна могут быть выполнены с просветляющим покрытием по крайней мере для среднего инфракрасного (ИК) диапазона длин волн (3 - 50 мкм), обеспечивая тем самым пропускание этого вида ИК излучения и устраняя прочие источники возбуждения молекул, связанные с поглощением излучения с другими длинами волн, повышая тем самым эффективность детектирования целевого газа. Кроме того, опорная оптико-акустическая ячейка, дополнительная оптико-акустическая ячейка и основная оптико-акустическую ячейка могут быть расположены на оптической оси оптико-акустического детектора последовательно на одной прямой. Такое расположение позволяет не включать в оптическую систему отражатели излучения, исключая тем самым рассеяние лазерного луча, связанное с отражением от отражателей, и повышая эффективность детектирования газа за счет уменьшения рассеяния излучения и связанного с ним переотражения от стенок ячеек. Также в качестве упомянутого приемника акустического сигнала может выступать микрофон, вмонтированный в стенки любой заданной ячейки. Такое выполнение обеспечивает возможность применения серийно выпускаемых, недорогих по цене, но достаточно чувствительных компактных микрофонов. Также в качестве упомянутого источника акустического сигнала может выступать динамик, вмонтированный в стенки любого из акустических каналов основной оптико-акустической ячейки. Такое выполнение обеспечивает возможность оперативного определения резонансной частоты основной оптико-акустической ячейки.

[22] Плата управления служит для регистрации сигналов, полученных от приемников акустического сигнала, их обработки, например, аналоговой, цифровой или обеих, а также передачу управляющих сигналов на лазер. Дополнительно может быть реализована передача управляющих сигналов на насос при его наличии. Кроме того, оптико-акустический газоанализатор дополнительно может содержать устройство отображения измеренной концентрации, например, дисплей, связанное с платой управления. На нем может быть отражена полезная с точки зрения функциональности газоанализатора информация, в частности, рассчитанная концентрация целевого газа в ppm или других величинах. Наличие устройства отображения позволяет оценить результаты работы газоанализатора и скорректировать параметры работы газоанализатора, что повышает эффективность детектирования целевого газа.

[23] Способ измерения концентрации газа состоит в подаче пробы по крайней мере одного целевого газа через точку входа пробы газа, затем осуществляют передвижение пробы газа в газоанализаторе, после чего обеспечивают последовательное распространение лазерного излучения через опорную оптико-акустическую ячейку, дополнительную оптико-акустическую ячейку и основную оптико-акустическую ячейку, затем обеспечивают инициацию акустической волны в анализируемой пробе газа, после чего детектируют изменение давления в анализируемой пробе газа, далее осуществляют обработку полученных сигналов с помощью платы управления, затем рассчитывают концентрацию целевого газа и обеспечивают выход пробы газа. Подача пробы целевого газа может осуществляться с помощью естественного движения частиц газа в заданном объеме или с помощью внешней или внутренней, относительно газоанализатора, вентиляции по каналам, линиям подачи и другим магистралям. Передвижение пробы газа также может быть диффузионным либо обусловленным внешними газовыми потоками. В предпочтительном варианте движение пробы происходит с помощью насоса. Это приводит к повышению эффективности детектирования за счет определения концентрации целевого газа в режиме реального времени и возможности контроля скорости движения газовой пробы. Движение пробы газа может быть организовано как последовательное прохождение пробой точки входа пробы газа, дополнительной оптико-акустической ячейки, акустического фильтра, основной оптико-акустической ячейку и точки выхода пробы газа. Такое выполнение обеспечивает последовательное определение концентрации целевого газа в ячейках вместе с акустической фильтрацией сигнала, снижающей акустический шум, вызванный соединением дополнительной и основной ячеек, за счет чего повышается эффективность детектирования газа, в частности, расчета высокой и низкой концентраций целевого газа. Дополнительно к такой реализации движения пробы газа может быть организовано прохождение пробы через воздушный фильтр под действием насоса, расположенного после точки выхода газа. Такая организация движения газа способствует дополнительному повышению эффективности детектирования пробы за счет защиты оптических элементов газоанализатора от твердых и жидких частиц аэрозоля, присутствующих в пробе газа, посредством воздушного фильтра вместе с повышением пропускания газа через газоанализатор в единицу времени. Также точка выхода газа может быть соединена с глушителем, уменьшающим взаимное влияние акустических помех, возникающих в основной и дополнительной оптико-акустических ячейках и связанных с работой насоса. Инициация акустической волны происходит из-за взаимодействия лазерного излучения с пробой газа. Излучение поглощается пробой с последующим изменением ее давления, детектируемого акустическими приемниками устройства. Дополнительно инициация акустической волны в анализируемой пробе газа может происходить с помощью как лазерного излучения, так и акустического источника. При этом перед измерением концентрации акустический источник формирует сигнал, принимаемый приемниками основной оптико-акустической ячейки, на основании которого определяется резонансная частота детектора и, как следствие, частота лазерного излучения, воздействующего на пробу и создающего акустическую волну. Такая реализация инициации волны повышает эффективность детектирования ввиду точной настройки режима работы лазера на конфигурацию измерительной системы газоанализатора. Обработка полученных приемниками сигналов может быть аналоговой, цифровой или обоих видов, при этом предпочтительным является преобразование Фурье полученного сигнала. Данная методика позволяет относительно просто определить резонансную частоту детектора, что повышает эффективность детектирования за счет установки частоты повторения следования импульсов лазерного излучения с учетом полученной величины резонансной частоты основной оптико-акустической ячейки. Дополнительно может быть реализован вывод полученной информации в цифровом виде на устройство отображения измеренной концентрации газоанализатора. Это позволяет оценить результаты работы газоанализатора и скорректировать параметры системы, что повышает эффективность детектирования целевого газа. Также имеется возможность передачи полученных цифровых данных в персональный компьютер для последующей обработки и хранения. Такой шаг позволяет дополнительно увеличить эффективность детектирования газа за счет анализа полученных данных и настройки системы газоанализатора.

Описание чертежей

[24] Объект притязаний по настоящей заявке описан по пунктам и четко заявлен в формуле изобретения. Упомянутые выше задачи, признаки и преимущества изобретения очевидны из нижеследующего подробного описания, в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых показано:

[25] На Фиг. 1 показана структурная схема лазерного оптико-акустического газоанализатора

[26] На Фиг. 2 показан один из вариантов взаимного расположения измерительных ячеек

[27] На Фиг. 3 показан еще один из вариантов взаимного расположения измерительных ячеек

[28] На Фиг. 4 показан еще один из вариантов взаимного расположения измерительных ячеек

[29] На Фиг. 5 показана блок-схема, изображающая способ измерения концентрации газа

[30] На Фиг. 6 показана схема движения газовой пробы в газоанализаторе.

Подробное описание изобретения

[31] В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.

[32] Кроме того, из приведенного изложения ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, очевидны для квалифицированных в предметной области специалистов.

[33] На Фиг. 1 показана структурная схема лазерного оптико-акустического газоанализатора. Лазерный оптико-акустический газоанализатор содержит один лазер 101, оптико-акустический детектор 102, включающий точку входа пробы 103 по крайней мере одного целевого газа, как минимум одну опорную оптико-акустическую ячейку 104, как минимум одну дополнительную оптико-акустическую ячейку 105, как минимум одну основную оптико-акустическую ячейку 106, точку выхода пробы газа 107 и плату управления 108 и ограничен с двух сторон неподвижными ограничителями 109. В стенках каждой упомянутой ячейки установлен по крайней мере один акустический приемник 110, а основная оптико-акустическая ячейка 106 при этом включает не менее двух буферных полостей 111, оптические окна 120, активный 112 и вспомогательный 113 акустические каналы. В стенках каждого из каналов установлен по крайней мере один упомянутый приемник 110 и в стенках вспомогательного канала 113 дополнительно установлен по крайней мере один акустический источник 114. Упомянутые приемники 110 и источник 114 соединены с платой управления 108. Лазерное излучение проходит через оптико-акустический детектор 102, содержащий последовательно расположенные на оптической оси оптико-акустического детектора 102 опорную оптико-акустическую ячейку 104, дополнительную оптико-акустическую ячейку 105, основную оптико-акустическую ячейку 106. В предпочтительной реализации газоанализатора к нему дополнительно подключены насос 116 для закачки пробы и устройство отображения измеренной концентрации 117 для отображения в том числе рассчитанной концентрации целевого газа в единицах ppm. Наличие насоса 116 обеспечивает передвижение газовой пробы через систему, что приводит к повышению эффективности детектирования за счет большего пропускания газа через систему в единицу времени, в то время, как устройство отображения 117, например, дисплей, позволяет оценить результаты работы газоанализатора и скорректировать параметры системы, например, чувствительность акустических приемников 110 или частоту лазерного излучения, что также повышает эффективность детектирования целевого газа. Дополнительно оптико-акустический детектор соединен с воздушным фильтром 118, защищающим оптические элементы газоанализатора от твердых и жидких частиц аэрозоля, присутствующих в пробе газа, что повышает эффективность детектирования целевого газа за счет предотвращения попадания инородных частиц в область детектирования. Также точка выхода газа соединена с глушителем 119, уменьшающим взаимное влияние акустических помех, возникающих в основной и дополнительной оптико-акустических ячейках и связанных с работой насоса.

[34] В представленной реализации точки входа 103 и выхода 107 газа выполнены в виде штуцеров, в то время, как неподвижные ограничители 109 выполнены в виде фланцев. Кроме того, дополнительная ячейка 105 выполнена центросимметричной относительно оптической оси оптико-акустического детектора. Такое выполнение снижает интенсивность шумов, вызванных переотражением акустических волн внутри ячейки 105, дополнительно повышая эффективность детектирования газа. В раскрытом варианте выполнения детектора 102 точки входа 103 и выхода 107 пробы расположены с одной стороны оптико-акустического детектора. Такое решение упрощает конструкцию газоанализатора и позволяет эффективно производить измерение высоких концентраций целевого газа за счет подачи газа в дополнительную ячейку 105 вместе с измерением низких концентраций целевого газа за счет развязки через акустический фильтр 115. Дополнительная оптико-акустическая ячейка 105 имеет длину по оптической оси меньшую 0,5 мм. Данное решение подкрепляется экспериментальным подбором оптимальных параметров ячейки, в ходе которого было выявлено, что наиболее значащим фактором, влияющим на изменение показаний ячейки при изменении длины волны лазерного излучения, является ее оптическая длина. Уменьшение длины способствует уменьшению разброса значений концентрации, вызванного возможной нестабильностью длины волны лазерного излучения.

[35] Также в представленной реализации газоанализатора основная оптико-акустическая 106 и дополнительная 105 ячейки соединены акустическим фильтром 115, снижающим акустический шум, вызванный соединением дополнительной 105 и основной 106 ячеек и движением газа через них, за счет чего повышается эффективность детектирования газа, в частности, расчета высокой и низкой концентраций целевого газа. Дополнительно в раскрытом варианте исполнения газоанализатора активный канал 112 основной оптико-акустической ячейки 106 центрирован относительно продольной оси симметрии оптико-акустического детектора 102. Такое выполнение снижает влияние шумов, вызванных переотражением акустических волн в самом материале детектора 102, что повышает точность и эффективность детектирования газа. Дополнительно к упомянутому центрированию оптические окна 120 расположены на внешних торцевых стенках каждой буферной полости 111 и центрированы относительно активного акустического канала 112. Также в качестве упомянутых приемников акустического сигнала 110 в каждой ячейке выступают микрофоны, вмонтированные в стенки любой заданной ячейки. Такое выполнение обеспечивает компактные размеры и достаточную чувствительность технического решения. Также в качестве упомянутого источника акустического сигнала выступает динамик 114, вмонтированный в стенки одного из акустических каналов основной ячейки. Такое выполнение обеспечивает достаточный уровень акустического сигнала для надежного определения резонансной частоты основной оптико-акустической ячейки 106. В представленной реализации упомянутые микрофоны и динамик в основной оптико-акустической ячейке 106 расположены вблизи по крайней мере одной из точек экстремума рабочей акустической волны. Такое расположение позволяет эффективно определить резонансную частоту детектора, обеспечивая тем самым эффективность детектирования целевого газа.

[36] На Фиг. 2, 3 и 4 представлены возможные варианты взаимного расположения измерительных ячеек. В раскрытом варианте реализации газоанализатора опорная оптико-акустическая ячейка 104, дополнительная оптико-акустическая ячейка 105 и основная оптико-акустическую ячейка 106 расположены на оптической оси оптико-акустического детектора последовательно на одной прямой. Такое расположение позволяет не включать в оптическую систему отражатели 201 и делители 202 излучения, исключая тем самым рассеяние лазерного луча, и повышая эффективность детектирования газа за счет уменьшения рассеяния излучения и связанного с ним переотражения от стенок ячеек.

[37] В представленном варианте выполнения газоанализатора параметры системы настроены на детектирование гексафторида серы. Для этого лазерное излучение имеет длину волны близкую к 10,6 мкм и соответствующую максимальному значению коэффициента поглощения гексафторида серы, а оптические окна 120 выполнены с просветляющим покрытием по крайней мере для среднего инфракрасного (ИК) диапазона длин волн (3 - 50 мкм), обеспечивая тем самым пропускание этого вида ИК излучения и устраняя прочие источники возбуждения молекул, связанные с поглощением излучения с другими длинами волн, повышая тем самым эффективность детектирования гексафторида серы.

[38] На Фиг. 5 показана блок-схема, иллюстрирующая один из способов измерения концентрации газа. Согласно нему, сначала производят подачу пробы по крайней мере одного целевого газа через точку входа пробы газа 103, затем осуществляют передвижение пробы газа в газоанализаторе, после чего обеспечивают последовательное распространение лазерного излучения через опорную оптико-акустическую ячейку 104, дополнительную оптико-акустическую ячейку 105 и основную оптико-акустическую ячейку 106, затем обеспечивают инициацию акустической волны в анализируемой пробе газа, после чего детектируют изменение давления в анализируемой пробе газа, далее осуществляют обработку полученных сигналов с помощью платы управления 108, затем рассчитывают концентрацию целевого газа и обеспечивают выход пробы газа. Подача пробы может осуществляться с помощью естественного движения частиц газа в заданном объеме или с помощью внешней или внутренней относительно газоанализатора вентиляции по каналам, линиям подачи и другим магистралям. Передвижение пробы газа также может быть диффузионным либо обусловленным внешними газовыми потоками. В предпочтительном варианте движение пробы происходит с помощью насоса 116. Это приводит к повышению эффективности детектирования за счет определения концентрации целевого газа в режиме реального времени и возможности контроля скорости движения газовой пробы. Движение пробы газа в данном варианте может быть организовано как последовательное прохождение пробой точки входа пробы газа 103, дополнительной оптико-акустической ячейки 105, акустического фильтра 115, основной оптико-акустической ячейку 106 и точки выхода пробы газа 107. Такое выполнение обеспечивает последовательное определение концентрации целевого газа в ячейках вместе с акустической фильтрацией сигнала, снижающей акустический шум, вызванный соединением дополнительной и основной ячеек, за счет чего повышается эффективность детектирования газа, в частности, расчета высокой и низкой концентраций целевого газа. В текущей реализации движения пробы газа дополнительно к упомянутому способу организовано прохождение пробы через воздушный фильтр 118 под действием насоса 116, расположенного после точки выхода газа 107. Такая организация движения газа способствует дополнительному повышению эффективности детектирования пробы за счет защиты оптических элементов газоанализатора от твердых и жидких частиц аэрозоля, присутствующих в пробе газа, посредством воздушного фильтра 118 вместе с повышением пропускания газа через газоанализатор в единицу времени. Также точка выхода газа 107 соединена с глушителем 119, уменьшающим взаимное влияние акустических помех, возникающих в основной и дополнительно оптико-акустических ячейках и связанных с работой насоса. Организация движения пробы газа через газоанализатор схематично показана на Фиг. 6. В раскрытом варианте способа инициация акустической волны в анализируемой пробе газа может происходить с помощью лазерного излучения и акустического источника 114. При этом перед измерением концентрации акустический источник 114 подает сигнал, принимаемый приемниками 110, на основании которого определяется резонансная частота детектора 102 и, как следствие, частота лазерного излучения, воздействующего на пробу и создающего упомянутую волну. Частота излучения устанавливается таким образом, чтобы она была кратной резонансной частоте детектора 102. Такая реализация инициации волны повышает эффективность детектирования ввиду точной настройки лазера 101 на конфигурацию системы. Обработка полученных приемниками 110 сигналов может быть аналоговой, цифровой или обеих видов, при этом в предпочтительном варианте используется преобразование Фурье полученного сигнала. Данная методика позволяет относительно просто определить резонансную частоту детектора 102, что повышает эффективность детектирования за счет калибровки лазера 101 с учетом полученной величины частоты. Дополнительно в представленном варианте реализован вывод полученной информации в цифровом виде на OLED дисплей 117 газоанализатора. Это позволяет оценить результаты работы газоанализатора и скорректировать параметры системы, например, чувствительность акустических приемников 110 или частоту лазерного излучения, что повышает эффективность детектирования целевого газа. Также имеется возможность передачи полученных цифровых данных в персональный компьютер для последующей обработки и хранения. Такой шаг позволяет дополнительно увеличить эффективность детектирования газа за счет анализа полученных данных и настройки системы газоанализатора.

[39] В представленной реализации лазерный оптико-акустический газоанализатор работает следующим образом. Через точку входа пробы газа 103 в закрепленный неподвижными ограничителями 109 оптико-акустический детектор 102 подается проба газа, предварительно прошедшая фильтрацию в воздушном фильтре 118. Ее движение организовано как последовательное прохождение пробой воздушного фильтра 118, точки входа пробы газа 103, дополнительной оптико-акустической ячейки 105, акустического фильтра 115, основной оптико-акустической ячейки 106, точки выхода пробы газа 107, глушителя 119 и насоса 116 с помощью самого насоса 116. По команде от управляющей платы 108 происходит формирование акустического сигнала из акустического источника 114, выполненного в виде динамика и расположенного в дополнительном канале 113 основной оптико-акустической ячейки 106. Сигнал в виде изменения давления принимается на акустических приемниках 110, выполненных в виде микрофонов. Полученный сигнал принимается управляющей платой 108 и подвергается преобразованию Фурье, откуда вычисляется резонансная частота оптико-акустического детектора. Далее с помощью управляюшего сигнала от платы 108 происходит установка частоты следования импульсов лазера 101, настроенного на излучение длины волны около 10,6 мкм таким образом, чтобы она была кратной вычисленной резонансной частоте. По команде управляющей платы 108 в систему подается лазерное излучение. Оно последовательно проходит через оптико-акустический детектор 102, содержащий последовательно расположенные на оптической оси на одной прямой опорную оптико-акустическую ячейку 104, дополнительную оптико-акустическую ячейку 105, имеющую длину по оптической оси менее 0,5 мм и выполненную центросимметричной относительно оптической оси оптико-акустического детектора 102, и активный канал 112 основной оптико-акустической ячейки 106, центрированный относительно продольной оси симметрии оптико-акустического детектора 102. Лазерное излучение, попадая через центрированные, относительно активного акустического канала 112 и оптически прозрачные оптические окна 120 с просветляющим покрытием для среднего инфракрасного диапазона длин волн, расположенные на внешних торцевых стенках каждой буферной полости 111, обеспечивает инициацию акустической волны в анализируемой пробе за счет колебаний давления, образующих стоячую волну, внутри каналов 112 и 113. Акустические приемники 110 внутри активного 112 и вспомогательного 113 канала, расположенные вблизи одной из точек экстремума рабочей акустической волны, а также приемники 110, установленные в опорной 104 и дополнительной 105 ячейках, фиксируют изменение давления и передают сигналы на управляющую плату 108. В ней происходит преобразование полученного сигнала и расчет концентрации целевого газа. Рассчитанное значение по команде платы 108 выводится на OLED дисплей 117 в единицах ppm или иных. Затем с помощью насоса 116 проба газа выходит из детектора 102 через точку выхода 107, расположенную вместе с точкой входа 103 с одной стороны оптико-акустического детектора, и проходит через глушитель 119 в насос 116. Дополнительно может быть обеспечена возможность передачи полученных цифровых данных об измерениях в персональный компьютер для последующей обработки и хранения.

[40] Таким образом, упомянутые элементы напрямую влияют на технический результат, заключающийся в повышении эффективности детектирования целевого газа при упрощении конструкции прибора. Настоящее изобретение может быть использовано в качестве лазерного течеискателя для обнаружения утечек гексафторида серы (элегаза, SF₆).

[41] В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки запрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов соответствующей области техники.

Лазерный оптико-акустический газоанализатор и способ измерения концентрации газа предназначены для измерения концентрации одного или нескольких компонентов в газовой смеси посредством оптико-акустического эффекта. Заявленный лазерный оптико-акустический газоанализатор содержит лазер, плату управления, оптико-акустический детектор, воздушный фильтр, насос и дисплей для вывода рассчитанной концентрации. Оптико-акустический детектор содержит точку входа пробы газа, опорную оптико-акустическую ячейку, дополнительную оптико-акустическую ячейку, основную оптико-акустическую ячейку и точку выхода пробы газа и ограничен с двух сторон неподвижными ограничителями. Лазерное излучение проходит через расположенные последовательно на одной прямой ячейки. В стенках ячеек установлены микрофоны, детектирующие изменение давления. Основная оптико-акустическая ячейка при этом содержит две буферные полости, оптические окна с просветляющим покрытием, активный и вспомогательный акустические каналы. В стенках каналов установлены микрофоны и динамики для формирования акустического сигнала. Динамики и микрофоны соединены с платой управления. Устройство отличается от аналогов тем, что между основной и дополнительной ячейками установлен акустический фильтр, а дополнительная оптико-акустическая ячейка выполнена центросимметричной относительно оптической оси оптико-акустического детектора. Для расчета концентрации газа подают пробу газа через точку входа пробы, затем осуществляют передвижение пробы с помощью насоса через воздушный фильтр, точку входа, дополнительную оптико-акустическую ячейку, акустический фильтр, основную оптико-акустическую ячейку, точку выхода пробы и насос, затем обеспечивают последовательное распространение лазерного излучения через ячейки, далее обеспечивают инициацию акустической волны в пробе, после чего детектируют изменение давления в пробе, затем осуществляют Фурье обработку сигналов посредством платы управления, далее рассчитывают концентрацию целевого газа, затем выводят информацию на дисплей и обеспечивают выход пробы. Технический результат - повышение эффективности детектирования целевого газа при упрощении конструкции газоанализатора. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Лазерный оптико-акустический газоанализатор, содержащий по крайней мере один лазер, плату управления и оптико-акустический детектор, включающий точку входа пробы по крайней мере одного целевого газа, как минимум одну опорную оптико-акустическую ячейку, как минимум одну дополнительную оптико-акустическую ячейку, как минимум одну основную оптико-акустическую ячейку, точку выхода пробы газа и ограниченный с двух сторон неподвижными ограничителями, при этом в стенках каждой ячейки установлен по крайней мере один акустический приемник, а основная оптико-акустическая ячейка включает не менее двух буферных полостей, оптические окна, активный и вспомогательный акустические каналы, причем в стенках каждого из них установлен по крайней мере один упомянутый приемник и в стенках одного из акустических каналов дополнительно установлен по крайней мере один акустический источник, причем приемники и источник соединены с платой управления, при этом лазерное излучение проходит через оптико-акустический детектор, содержащий последовательно расположенные на оптической оси оптико-акустического детектора опорную оптико-акустическую ячейку, дополнительную оптико-акустическую ячейку, основную оптико-акустическую ячейку, отличающийся тем, что между основной и дополнительной оптико-акустической ячейками установлен акустический фильтр, а дополнительная оптико-акустическая ячейка выполнена центросимметричной относительно оптической оси оптико-акустического детектора.

2. Лазерный оптико-акустический газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что точки входа и выхода пробы целевого газа расположены с одной стороны оптико-акустического детектора.

3. Лазерный оптико-акустический газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что активный канал основной оптико-акустической ячейки центрирован относительно продольной оси симметрии оптико-акустического детектора.

4. Лазерный оптико-акустический газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что оптические окна выполнены из оптически прозрачного материала с просветляющим покрытием по крайней мере для среднего инфракрасного диапазона длин волн.

5. Лазерный оптико-акустический газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что опорная оптико-акустическая ячейка, дополнительная оптико-акустическая ячейка и основная оптико-акустическую ячейка расположены на оптической оси оптико-акустического детектора последовательно на одной прямой.

6. Лазерный оптико-акустический газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что дополнительная оптико-акустическая ячейка имеет длину по оптической оси менее 0,5 мм.

7. Лазерный оптико-акустический газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что приемник акустического сигнала выполнен в виде микрофона.

8. Лазерный оптико-акустический газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что источник акустического сигнала выполнен в виде динамика.

9. Лазерный оптико-акустический газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что газоанализатор дополнительно содержит насос.

10. Лазерный оптико-акустический газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что газоанализатор дополнительно содержит устройство отображения измеренной концентрации целевого газа.

11. Лазерный оптико-акустический газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что газоанализатор дополнительно содержит воздушный фильтр.

12. Способ измерения концентрации газа, при котором:

- подают пробу по крайней мере одного целевого газа через точку входа пробы газа,

- осуществляют передвижение пробы газа в газоанализаторе,

- обеспечивают последовательное распространение лазерного излучения через опорную оптико-акустическую ячейку, дополнительную оптико-акустическую ячейку и основную оптико-акустическую ячейку,

- обеспечивают инициацию акустической волны в анализируемой пробе газа,

- детектируют изменение давления в анализируемой пробе газа,

- осуществляют обработку полученных сигналов с помощью платы управления,

- рассчитывают концентрацию целевого газа,

- обеспечивают выход пробы газа.

13. Способ измерения концентрации газа по п.12, отличающийся тем, что пробу газа последовательно пропускают через точку входа пробы газа, дополнительную оптико-акустическую ячейку, акустический фильтр, основную оптико-акустическую ячейку, точку выхода пробы газа.

14. Способ измерения концентрации газа по п.13, отличающийся тем, что пробу газа пропускают через воздушный фильтр перед входом в точку входа пробы газа, а после выхода из точки выхода пробы газа проходит через насос.

15. Способ измерения концентрации газа по п.12, отличающийся тем, что движение пробы газа осуществляют с помощью насоса.

16. Способ измерения концентрации газа по п.12, отличающийся тем, что инициацию акустической волны в анализируемой пробе газа производят с помощью лазерного излучения и акустического источника.

17. Способ измерения концентрации газа по п.12, отличающийся тем, что полученный сигнал обрабатывают с помощью преобразования Фурье.

18. Способ измерения концентрации газа по 12, отличающийся тем, что дополнительно обеспечивают вывод полученной информации в цифровом виде на устройство отображения измеренной концентрации целевого газа газоанализатора.

19. Способ измерения концентрации газа по п.12, отличающийся тем, что дополнительно обеспечивают возможность передачи полученных цифровых данных в персональный компьютер для последующей обработки и хранения.