Мобильный лидарный газоанализатор Российский патент 2023 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для одновременного дистанционного контроля концентраций метана, углекислого газа и водяного пара в атмосфере.

Известно устройство измерения концентрации газообразных веществ (RU 2598694 C2, 2016) для дистанционного измерения концентрации газов, в том числе метана в нефтяной, газовой промышленности, в электроэнергетике.

Недостатком устройства является локальный анализ газа в кювете в режиме пробоотбора, что непригодно для измерения концентраций газа в полевых условиях в труднодоступных районах местности. В устройстве используется одномодовый волоконный кабель длиной не менее 25 км для переноса излучения диодного лазера к объекту исследования (место утечки метана в трубопроводе) и при обрыве волокна приведет к неработоспособности устройства, а добавление дополнительных аналитических каналов с оптической кюветой через волоконные разветвители, направленных на решение проблемы обрыва основного волоконно-оптического канала, усложнит устройство.

Известна лидарная система на основе перестраиваемого диодного лазера (Wagner G.A., Plusquellic D.F. Ground-based, integrated path differential absorption LIDAR measurement of CO₂, CH₄, and H₂O near 1.6 mum // Appl. Opt. 2016. V. 55. P. 6292–6310) для ночных измерений концентраций CO₂, CH₄, и H₂O.

Недостатком устройства является использование одного источника излучения и необходимость перестройки информативных длин волн источника излучения на линию поглощения только одного исследуемого целевого газа (CH₄ или CO₂) с одновременным захватом линии поглощения H₂O, находящейся на крыле линии поглощения целевого газа, т.е. осуществляется одновременное зондирование только двух из трех газов (CH₄ и H₂O или CO₂ и H₂O).

Известен дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор с длиной волны излучения в области 1,6 мкм (RU 2694461 C1) для дистанционного измерения концентрации газообразных веществ (пропана, аммиака, метана), и определения местонахождения и интенсивности утечек из магистральных трубопроводов.

Недостатком устройства является работа в режиме детектирования только одного целевого газа с обнаружительной способностью 100 ppm для метана, существенно превышающей фоновую концентрацию, работа устройства направлена на определение утечек трубопроводов с малых трасс зондирования, использование реперной кюветы и перестраиваемый диодный лазер, имеет ограничения по весу и энергопотреблению вследствие возможности размещения устройства на беспилотном летательном аппарате, что в целом оказывает влияние на общую производительность созданного устройства и вводит ограничения по полезной нагрузке.

Известен дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор (RU 2714527 C1, 2020), который содержит блоки диодных лазеров для анализа автомобильных выхлопных газов: CH₄, CO, CO₂, NO.

К недостаткам устройства можно отнести низкую оптическую мощность лазерных диодов, ограничивающую возможность измерения целевых газов на протяжённых трассах и функционирование лазерных блоков только в непрерывном режиме генерации с низким временным разрешением.

Известна компактная система на основе перестраиваемого диодного лазера для измерения метана (Yang H., Bu X., Song Y., Shen Y. Methane concentration measurement method in rain and fog coexisting weather based on TDLAS // Measurement. 2022. 112091) с минимально обнаружимым порогом концентрации 1,97 ppm.

Недостатком устройства является режим детектирования только одного целевого газа и неопределенность спектрального положения линии генерации лазерного источника при проведении измерений, приводящая к снижению точности восстановления концентрации измеряемого газа.

Известен двухканальный лидар ближнего ИК-диапазона (RU 201025 U1, 2020), который позволяет восстанавливать из полученных лидарных сигналов интегральные значения концентраций атмосферных газов вдоль трассы зондирования с целью коррекции пространственно-разрешенных профилей концентраций газов, восстановленных с применением основного канала регистрации.

Недостатком устройства является его стационарное исполнение и возможность восстанавливать концентрации максимум двух газов в пределах одного спектрального диапазона.

В качестве прототипа выбрано устройство (RU 216578 U1, 2023), предназначенное для восстановления профилей концентраций метана в атмосфере, включающее в себя расположенные на общей платформе и оптически связанные лазер, три плоских зеркала, цветное стекло, плоскопараллельную пластину, плосковыпуклую линзу, измеритель энергии, внеосевой зеркальный коллиматор, телескоп, плоское зеркало, узкополосный фильтр, фотодетектор.

Лазер генерирует импульсное излучение на двух информативных для газоанализа атмосферы длинах волн. Лазерный пучок отражается от первого плоского зеркала и проходит сквозь цветное стекло, предназначенное для снижения уровня выходного сигнала. После этого лазерный пучок отражается от второго плоского зеркала и проходит сквозь плоскопараллельную пластину, при этом часть энергии пучка отражается в направлении плосковыпуклой линзы, фокусирующей излучение на фоточувствительной площадке измерителя энергии. Лазерный пучок с помощью третьего плоского зеркала направляется во внеосевой зеркальный коллиматор, после прохождения которого отправляется в атмосферу. Часть лазерного излучения рассеивается по мере прохождения по атмосфере в направлении телескопа Кассегрена. Собранное телескопом излучение отводится плоским зеркалом на узкополосный фильтр после чего регистрируется фотодетектором с чувствительностью, которая позволяет регистрировать пространственно разрешенные лидарные сигналы. Из соотношения лидарных сигналов, регистрируемых фотодетектором производится восстановление профилей концентрации целевого газа.

К недостаткам устройства следует отнести работу в узком спектральном интервале в режиме детектирования только одной газовой компоненты.

Указанный недостаток можно устранить путём ввода в устройство дополнительных независимых друг от друга откалиброванных лидарных каналов с одновременной генерацией лазерного излучения в- и вне- линии поглощения целевого газа для одновременного детектирования трех целевых газов (метан, углекислый газ и водяной пар).

Технической задачей, решаемой изобретением, является обеспечение режима одновременной регистрации лидарных сигналов для восстановления концентраций трех газов.

Техническая задача решается за счет введения на общую платформу дополнительных параллельных каналов, позволяющих устройству работать в режиме одновременной регистрации лидарных сигналов для восстановления концентраций трех газов.

Как видно из фиг. 1, мобильный лидарный газоанализатор для одновременного дистанционного контроля концентраций метана, углекислого газа и водяного пара в атмосфере, включающий жестко связанные между собой и расположенные на общей платформе (21) лазер (1), три плоских зеркала (2), первое из которых закреплено за лазером под углом 45 градусов и предназначено для направления по оптической оси излучения через цветное стекло (3), второе из которых закреплено за цветным стеклом под углом 45 градусов для направления по оптической оси излучения на плоскопараллельную пластину (4), установленную под углом 45 градусов и предназначенную для отклонения части излучения на плосковыпуклую линзу (5) с последующей фокусировкой пучка на чувствительной площадке измерителя энергии (6) для регистрации опорного сигнала, третье зеркало закреплено за плоскопараллельной пластиной под углом 45 градусов для направления излучения на внеосевой зеркальный коллиматор (7), первый приемный телескоп (8), на оптической оси которого расположены плоское зеркало, первый телескоп предназначенный для сбора обратно рассеянного из атмосферы излучения, плоское зеркало (9), установленное за телескопом под углом 45 градусов и предназначенное для перенаправления излучения через узкополосный фильтр (10) на площадку фотодетектора (11), пару откалиброванных лазерных диодов, объединенных в единый блок (12), второй телескоп (13), предназначенный для сбора обратно рассеянного из атмосферы излучения, плоское зеркало (14), установленное под углом 45 градусов, и предназначенное для направления излучения через коллимирующую линзу (15) на дихроичное зеркало (16), разделяющее излучение на два канала для перенаправления через два узкополосных фильтра (17) и две фокусирующие линзы (18) на площадки двух фотодетекторов (19), блок обработки и отображения информации (20).

Принцип работы предлагаемого устройства состоит в следующем. Лазер 1 генерирует импульсное излучение на двух информативных для газоанализа атмосферы длинах волн. Лазерный пучок отражается от первого плоского зеркала 2 и проходит сквозь цветное стекло 3, предназначенное для снижения уровня выходного сигнала. После этого лазерный пучок отражается от второго плоского зеркала 2 и проходит сквозь плоскопараллельную пластину 4, при этом часть энергии пучка отражается в направлении плосковыпуклой линзы 5, фокусирующей излучение на фоточувствительной площадке измерителя энергии 6. Лазерный пучок с помощью третьего плоского зеркала 2 направляется во внеосевой зеркальный коллиматор 7, после прохождения которого отправляется в атмосферу. Часть лазерного излучения рассеивается по мере прохождения по атмосфере в направлении первого телескопа 8. Собранное первым телескопом 8 излучение отводится плоским зеркалом 9 на узкополосный фильтр 10 после чего регистрируется фотодетектором 11 с чувствительностью, которая позволяет регистрировать пространственно разрешенные лидарные сигналы. Лазерные диоды, объединенные в единый блок 12, генерируют непрерывное излучение на двух парах информативных для газоанализа атмосферы длинах волн, и отправляют его в атмосферу. Часть лазерного излучения рассеивается по мере прохождения по атмосфере в направлении второго телескопа 13. Собранное вторым телескопом 13 излучение отводится плоским зеркалом 14 на коллимирующую линзу 15 и направляется на дихроичное зеркало 16, которое отражает часть излучения и направляет через узкополосный фильтр 17 и фокусирующую линзу 18 к первому фотодетектору 19. Излучение, прошедшее через дихроичное зеркало 16, направляется через узкополосный фильтр 17 и фокусирующую линзу 18 ко второму фотодетектору 19. Электрические сигналы с фотодетекторов 11, 19 передаются в блок обработки и отображения информации 20. Из соотношения лидарных сигналов, регистрируемых фотодетектором 11 производится восстановление профилей концентрации целевого газа (метана). Из соотношения лидарных сигналов, регистрируемых фотодетекторами 19 для каждого канала, производится восстановление интегральных значений концентраций целевых газов (углекислый газ, водяной пар).

Мобильный лидарный газоанализатор предназначен для одновременного дистанционного контроля концентраций метана, углекислого газа и водяного пара в атмосфере. Технический результат заключается в обеспечении режима одновременной регистрации лидарных сигналов для восстановления концентраций трех газов. Технический результат достигается за счет введения дополнительных параллельных каналов, позволяющих устройству работать в режиме одновременной регистрации сигналов для восстановления профилей концентрации метана и интегральных значений концентраций углекислого газа и водяного пара. 1 ил.

Мобильный лидарный газоанализатор, включающий жестко связанные между собой и расположенные на общей платформе лазер, на оптической оси которого размещены цветное стекло, три плоских зеркала, установленные под углом 45 градусов, первое из которых закреплено за лазером, предназначено для направления по оптической оси излучения через цветное стекло, второе зеркало закреплено за цветным стеклом для направления по оптической оси излучения на плоскопараллельную пластину, предназначенную для отклонения части излучения на плосковыпуклую линзу с последующей фокусировкой пучка на чувствительной площадке измерителя энергии, третье зеркало закреплено за плоскопараллельной пластиной для направления излучения на внеосевой зеркальный коллиматор, первый приемный телескоп, на оптической оси которого расположены плоское зеркало, установленное под углом 45 градусов, предназначенное для перенаправления излучения через узкополосный фильтр на фотодетектор, блок обработки и отображения информации, и отличающийся тем, что на общую платформу добавлены два дополнительных параллельных канала, состоящих из пары откалиброванных лазерных диодов для одновременной генерации лазерного излучения в и вне линии поглощения целевого газа, объединенных в единый блок и направляющих излучение в атмосферу, второго приемного телескопа, на оптической оси которого расположено плоское зеркало, установленное под углом 45 градусов, предназначенное для направления излучения через коллимирующую линзу на дихроичное зеркало, разделяющее излучение на два канала для перенаправления через два узкополосных фильтра и две фокусирующие линзы на площадки двух фотодетекторов Мобильный лидарный газоанализатор, включающий жестко связанные между собой и расположенные на общей платформе лазер, на оптической оси которого размещены цветное стекло, три плоских зеркала, установленные под углом 45 градусов, первое из которых закреплено за лазером, предназначено для направления по оптической оси излучения через цветное стекло, второе зеркало закреплено за цветным стеклом, для направления по оптической оси излучения на плоскопараллельную пластину, предназначенную для отклонения части излучения на плосковыпуклую линзу с последующей фокусировкой пучка на чувствительной площадке измерителя энергии, третье зеркало закреплено за плоскопараллельной пластиной для направления излучения на внеосевой зеркальный коллиматор, первый приемный телескоп, на оптической оси которого расположены плоское зеркало, установленное под углом 45 градусов, предназначенное для перенаправления излучения через узкополосный фильтр на фотодетектор, блок обработки и отображения информации, и отличающийся тем, что на общую платформу добавлены два дополнительных параллельных канала, состоящих из пары откалиброванных лазерных диодов для одновременной генерации лазерного излучения в и вне линии поглощения целевого газа, объединенных в единый блок и направляющих излучение в атмосферу, второго приемного телескопа, на оптической оси которого расположено плоское зеркало, установленное под углом 45 градусов, предназначенное для направления излучения через коллимирующую линзу на дихроичное зеркало, разделяющее излучение на два канала для перенаправления через два узкополосных фильтра и две фокусирующие линзы на площадки двух фотодетекторов.