ИНФРАКРАСНЫЙ ДАТЧИК СОДЕРЖАНИЯ МЕТАНА В ВОЗДУХЕ Российский патент 2025 года по МПК G01N21/3504 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к инфракрасным датчикам, которые используются в мобильных газоанализаторах для определения концентрации природного газа в воздухе, и предназначенным для определения мест утечки газа из трубопроводов.

Известен инфракрасный датчик содержания газа в воздухе, содержащий блок управления, приёма и обработки данных, электрически связанный с ним блок лазерного излучения, аналитическую кювету, снабженную волоконно-оптическим коллиматором, связанным при помощи оптоволокна с блоком лазерного излучения и детектором оптического сигнала, связанным электрически с блоком управления, при этом вход в аналитическую кювету связан с устройством подачи атмосферного воздуха, а выход из нее сообщен с атмосферой (см. патент ПМ RU 39202 U1, опубл. 20.07.2004).

Недостатком известного датчика является сниженная чувствительность к минимальным концентрациям, низкая скорость обработки данных и слишком малый объём кюветы, через которую невозможно пропустить пробу воздуха для объективного анализа во время движения автолаборатории.

Кроме того, погрешность измерений при перепадах температуры окружающей среды в пределах от -40 до +40 градусов по Цельсию может быть недопустимо высокой.

Известные датчики метана не применимы при проведении измерений в тех случаях, когда датчик используется в составе газоанализаторов, предназначенных для мобильных автолабораторий, используемых для поиска утечек газа на больших площадях при различных погодных условиях, так как главной задачей автолаборатории является не только поиск места утечки, но и анализ большой площади в движении, а так же привязка места утечки к геолокации.

Известно, что метан при утечке из газопровода быстро рассеивается в атмосфере и его концентрация в месте утечки может быть минимальной, иногда соизмеримой с фоном - 2-3 ppm. Так как задачей мобильной автолаборатории является определение координат места утечки метана при движении автолаборатории, то датчик должен обладать:

1. высокой чувствительностью к минимальной концентрации метана (исходя из природного фона метана, нижний порог чувствительности должен быть не хуже 1 ppm),

2. скоростью обработки данных, соизмеримой со скоростью потока воздуха через аналитическую кювету,

3. анализировать большой поток воздуха, пропорциональный скорости движения автолаборатории,

4. Высокой точностью измерений при различных температурах окружающей среды.

Технической проблемой, на решение которой направлен настоящее изобретение, является разработка инфракрасного датчика определения содержания метана в воздухе для использования в составе автолаборатории для поиска утечек газа в движении, путем объезда газопровода на большой площади его расположения при различных погодных условиях.

Технический результат заключается в повышении чувствительности измерения низких концентрации метана до 1 ppm, достижения необходимой для анализа большого потока воздуха скорости обработки данных, возможности анализировать большие объёмы пробы воздуха в непрерывном режиме и при различных погодных условиях.

Проблема решается, а технический результат достигается тем, что инфракрасный датчик содержания метана в воздухе содержит блок управления, приёма и обработки данных, обладающий высокой скоростью обработки данных, электрически связанный с ним блок лазерного излучения, аналитическую кювету, снабженную волоконно-оптическим коллиматором, связанным при помощи оптоволокна с блоком лазерного излучения и детектором оптического сигнала, связанным электрически с блоком управления, при этом вход в аналитическую кювету связан с устройством подачи атмосферного воздуха, а выход из нее сообщен с атмосферой, при этом, согласно изобретению, блок лазерного излучения содержит диодный лазер с распределённой обратной связью с выходом излучения в одномодовое оптоволокно, связанным с волоконно-оптическим коллиматором, а также термоэлемент Пельтье, термически связанный с диодным лазером с возможностью поддержания стабильности излучения лазерного диода в заданном диапазоне длин волн, при этом термоэлемент снабжен встроенным датчиком температуры, определяющим температуру нагрева лазерного диода, а также встроенным фотодиодом, с помощью которого осуществляется обратная связь с диодным лазером для калибровки датчика метана, причем корпус кюветы выполнен теплопроводящим и снабжен закрепленным на нем датчиком температуры окружающей среды, а детектор также закреплен на теплопроводящем корпусе аналитической кюветы и термически связан с датчиком температуры окружающей среды, Внутри кюветы располагается многопроходная зеркальная система, с шестью зеркалами, установленными на стенках корпуса кюветы, два из которых связанны с источником лазерного излучения и детектором аналитического сигнала.

Многопроходная зеркальная система позволяет обеспечить оптический путь лазерного излучения не менее 3 м.

Объем аналитической кюветы определяют по формуле

Где - объём кюветы,

- кратность воздухообмена,

- расход воздуха (задаётся вакуумным насосом),

- частота опроса сенсора (0,25 сек или 4 раза в секунду),

- диаметр воздуховода вакуумного насоса,

- диаметр фитинга кюветы газоанализатора,

- коэффициент замедления потока воздуха при прохождении через фильтры (подбирается опытным путём),

= 0,85

Изобретение поясняется при помощи чертежей.

На фиг. 1 показана принципиальная схема датчика;

На фиг. 2 показана схема лазера с распределенной обратной связью;

На фиг. 3 показана система зеркал аналитической кюветы;

На фиг. 4 показан чертеж корпуса аналитической кюветы.

Описываемое устройство содержит блок 1 управления, приёма и обработки данных, электрически связанный с ним блок 2 лазерного излучения, аналитическую кювету 3, имеющую корпус 4 и снабженную волоконно-оптическим коллиматором 5, который связан при помощи одномодового оптоволокна 6 с блоком 2 лазерного излучения, а также снабженную детектором 7 аналитического сигнала, связанным электрически с блоком 1 управления. Вход 8 в аналитическую кювету 3 связан с устройством подачи атмосферного воздуха, а выход 9 из нее сообщен с атмосферой. При этом блок 2 лазерного излучения содержит диодный лазер 10 с распределённой обратной связью с выходом излучения в одномодовое оптоволокно 6, связанным с волоконно-оптическим коллиматором 5, а также термоэлемент 11 Пельтье, термически связанный с диодным лазером 10 с возможностью поддержания стабильности его излучения в заданном диапазоне длин волн, в частности, 1,651 мкм. Термоэлемент 11 снабжен встроенным датчиком температуры (на чертеже не показан), определяющим температуру нагрева лазерного диода, а также встроенным фотодиодом (на чертеже не показан), с помощью которого осуществляется обратная связь с диодным лазером 10 для калибровки датчика метана. Корпус 4 кюветы 3 выполнен теплопроводящим и снабжен закрепленным на нем датчиком 12 температуры окружающей среды, а детектор 7 аналитического сигнала также закреплен на теплопроводящем корпусе 4 аналитической кюветы 3 и термически связан с датчиком 12 температуры окружающей среды.

Блок 1 управления содержит модуль 13 преобразования аналоговых сигналов, модуль 14 ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) и АЦП (аналогово-цифровой преобразователь), и цифровой программный модуль 15.

Для блока управления подбирается процессор, позволяющий производить опрос детектора аналитического сигнала 7 с частотой четыре раза в секунду, что позволяет решить задачу повышения скорости обработки данных.

Блок 2 лазера, генерирует излучение на длине волны 1,651 мкм. В качестве детектора 7 аналитического сигнала для создания оптической пары с диодным лазером 10 используется InGaAs p-i-n фотодиод с детектором активной площадки, пропорциональным сфокусированному излучению лазерного диода и работающий в том же диапазоне волн. Излучение лазера 10 по одномодовому оптоволокну 6 подаётся в аналитическую кювету 3, где проходит расчётный оптический путь для точного определения концентрации метана в пробе воздуха, находящейся в данный момент в кювете 3, и попадает на детектор 7 аналитического сигнала.

Аналоговая информация от детектора 7 аналитического сигнала обрабатывается блоком 1 управления, приема и обработки данных и служит для калибровки прибора и расчёта концентрации метана в пробе воздуха.

Блок 2 лазерного излучения состоит из диодного лазера 10. Используется диодный лазер 10 с распределённой обратной связью с выходом излучения в одномодовое оптоволокно 6. Диодный лазер 10 генерирует излучение в ближнем ИК диапазоне длин волн спектра поглощения метана (1,651 мкм). Мощность излучения диодного лазера не менее 6 мВт.

Использование диодного лазера с оптоволоконным выходом обосновано необходимостью получения стабильного источника излучения, исключающего погрешность на низких уровнях измерения концентрации метана и необходимостью получения непрерывного и стабильного инфракрасного излучения на детекторе аналитического сигнала 7, что решает проблему высокой частоты опроса детектора и обеспечивает высокую точность измерений малых концентраций метана.

Диодный лазер 10 термически связан с термоэлементом 11 Пельтье. С помощью термоэлемента 11 поддерживается стабильность излучения лазерного диода 10 в заданном диапазоне длин волн.

Термоэлемент 11 имеет встроенный датчик температуры, который осуществляет контроль нагрева лазерного диода 10.

Обратная связь осуществляется с помощью встроенного фотодиода. Обратная связь необходима для калибровки датчика метана и настройки «дрейфа нуля». Аналоговый сигнал от встроенного диода 11 является показателем нулевой концентрации метана в пробе воздуха.

Аналитическая кювета 3 с расчётной длиной оптического пути содержит внутри волоконно-оптический коллиматор 5, который фокусирует излучение лазерного диода 11 и направляет его через многопроходную зеркальную систему фиг. 3 на детектор 7 аналитического сигнала.

Необходимый объём аналитической кюветы газоанализатора для размещения внутри оптических элементов позволяет увеличить оптический путь, при этом кратность воздухообмена внутри кюветы зависящая от технических требований и данных автолаборатории позволяет привязать результаты измерения к геолокации движущегося объекта - автолаборатории с газоанализатором.

Для расчета объема аналитической кюветы применяется следующая формула, полученная в результате экспериментальных данных.

Где - объём аналитической кюветы,

- кратность воздухообмена,

- расход воздуха (задаётся вакуумным насосом),

- частота опроса сенсора (0,25 сек или 4 раза в секунду),

- диаметр воздуховода вакуумного насоса,

- диаметр фитинга аналитической кюветы газоанализатора,

- коэффициент замедления потока воздуха при прохождении через фильтры (подбирается опытным путём),

= 0,85.

При использовании следующих параметров определяют объем аналитической кюветы. = 30 л/мин - 500000 мм³/сек = 4= 8 мм = 5 мм

В соответствии с примером расчета объем аналитической кюветы составляет от 90.000 мм³ до 92.000 мм³.

Для точной привязки измерений датчика к геолокации автолаборатории необходима высокая чувствительность датчика на уровне нормального фона метана (1,8 ppm). Т.е. нижний порог срабатывания датчика должен быть не хуже 1 ppm. Такие характеристики датчиков построенных на физических принципах анализа инфракрасного излучения достигаются за счёт увеличения длины оптического пути инфракрасного излучения, который выявляют экспериментально и должен составлять не менее 3 м.

Теоретический расчет оптимальной длины оптического пути аналитической кюветы был сделан для газов на основе спектральных характеристики и коэффициентов поглощения газов и его компонентов в ближней инфракрасной области.

Метан в ИК области в спектре образуют полосы поглощения, а для получения максимальной информации с минимальной ошибкой измерения (2% от полного диапазона измерений) необходимо подобрать оптимальную длину оптического пути кюветы таким образом, чтобы значения коэффициентов поглощения метана укладывались в интервале поглощения.

На практике длину пути аналитической кюветы выявляют экспериментально. Если значения спектральных коэффициентов поглощения измеряемых газов лежат в середине оптимального интервала, то длина оптического пути кюветы выбрана верно. Если значения спектральных коэффициентов поглощения измеряемых газов выходят за пределы оптимального интервала, то проверяют соответствие измерений с кюветами меньшей или большей длины оптического пути.

Для расчета длины оптического пути были проведены расчеты с использованием закона Бугера - Ламберта - Бера (https://istina.msu.ru/media/courses/course /32b/e8f/7482859/Spetspraktikum_Elektronnyie_spektryi_teoriya.pdf; https://cyberleninka.ru/article /n/raschet- optimalnoy-dliny-opticheskogo-puti-protochnoy-kyuvety-v-informatsionno-izmeritelnoy-spektrometricheskoy-sisteme/viewer) Таким образом, определен теоретический расчет оптимальной длины оптического пути аналитической кюветы, который показал хорошую сходимость теоретических и экспериментальных результатов исследования газа на наличие метана в диапазоне 0-500 ppm. Наиболее оптимальная длина оптического пути составляет не менее 3 м. В данном случае ошибка измерений будет составлять 2% от максимально измеряемого диапазона, что позволит идентифицировать компоненты, определить состав газа на наличие метана по спектральным коэффициентам поглощения компонентов газа в режиме реального времени.

Внутри аналитической кюветы 3 расположена многопроходовая зеркальная система, представленная на фиг. 3, которая состоит из шести плоских зеркал (фиг. 3). Зеркала I, II, III, IV установлены на стенках корпуса 4 аналитической кюветы 3 и обеспечивают многократное отражение луча.

Зеркала V и VI установлены у источника оптического излучения и детектора 7 аналитического сигнала, соответственно, для обеспечения поворота луча. Покрытие зеркал может быть золотое, серебряное или алюминиевое в зависимости от требуемого показателя отражения для длины волны 1,65 мкм.

На фиг. 4 представлен чертеж аналитической кюветы - вид сверху.

Расстояние между отражающими поверхностями зеркал II и IV равно 63 мм. Расстояние между отражающими поверхностями зеркал I и III равно 14 мм.

Осью системы считают ось Z, выходящую из центра зеркала II.

Данные из таблицы 1 даны относительно данной оси системы.

Зеркало V находится на одной оси с входным отверстием для коллиматора. Расчетное расстояние по оси Z между отражающими поверхностями зеркал IV и V равно 1,4 мм.

Расчетное расстояние по оси Z между отражающими поверхностями зеркал IV и VI равно 0,8 мм. Данное расстояние, а также поворот зеркала VI, может изменяться в зависимости от итога юстировки системы. Зеркала должны быть закреплены таким образом, чтобы не прерывать ход лучей.

Таблица 1 - Расположение зеркал

№ зеркал Поворот по оси Х, град Поворот по оси Y, град Смещение по оси Х, мм Смещение по оси У, мм V -0,2 48 -0,4 -6,5 VI -45 -55 3,8 4,7

Общая ошибка зеркальной поверхности должна быть не более N = 0,5.

Многопроходная зеркальная система собирается на ультрафиолетовый клей и крепится к внутренним стенкам аналитической кюветы.

Таблица 2 - Основные параметры многопроходов системы

Параметр Значение Диаметр излучения после выхода из коллиматора 0,45 мм Длина волны излучения 1,65 мкм Диаметр волокна 50 мкм Диаметр детектора 16,6 мм Оптический путь луча внутри кюветы 3,5 м

В данном случае ошибка измерений будет составлять 2% от максимально измеряемого диапазона, что позволит идентифицировать компоненты, определить состав пробы воздуха на наличие метана по спектральным коэффициентам поглощения компонентов пробы воздуха в режиме реального времени.

Алгоритм работы инфракрасного датчика содержания метана в воздухе:

Диодный лазер 10 по команде цифрового программного модуля 15 и модуля ЦАП, АЦП 14 генерирует последовательность коротких импульсов на длине волны, совпадающей с линией поглощения метана.

Импульсы тока накачки лазера имеют форму трапеции - это позволяет дополнительно проводить сканирование излучения в области центра линии поглощения, захватывая весь контур линии и обеспечивая тем самым высокую точность измерений.

С помощью информации, поступающей от детектора сигнала 7 аналитического сигнала и датчика температуры 12, производится настройка прибора, а именно выведение диодного лазера 10 в заданный диапазон излучения.

Настройка прибора происходит за счёт изменения нагрева термоэлемента 11 Пельтье, на котором расположен лазерный диод.

Блок 1 управления, приёма и обработки данных анализирует аналоговую информацию от датчика 12 температуры окружающей среды, который в свою очередь термически связан с детектором 7 аналитического сигнала. Термическая связь осуществляется за счёт того, что датчик 12 температуры и детектор 7 аналитического сигнала крепятся на теплопроводящем корпусе 1 аналитической кюветы 3. Сигналы, поступающие от датчика температуры 12 и детектора аналитического сигнала 7, обрабатываются блоком управления 1 по алгоритму, позволяющему за счёт корректировки вычислений сохранить заданную точность измерений.

Таким образом, минимизируется погрешность измерений при различных погодных условиях окружающей среды и достигается цель стабильной работы датчика при изменениях температуры пробы воздуха в диапазоне от -40 до +40 градусов.

Через аналитическую кювету 3 проходит проба воздуха и за счёт высокой теплопроводности материала корпуса 1, удаётся осуществить привязку измерений концентрации метана к температуре окружающей среды. Это, в свою очередь, позволяет сохранить высокую точность измерений в широком диапазоне температур.

Аналоговая информация от датчиков преобразуется в модуле 13 преобразования аналоговых сигналов. Обрабатывается в модуле ЦАП, АЦП и в виде цифровых данных поступает в цифровой программный модуль 15.

Алгоритм работы программного обеспечения цифрового программного модуля 15 анализирует информацию о температуре окружающей среды, информацию от термоэлемента 11 Пельтье о нагреве лазерного диода и вырабатывает сигналы для регулировки нагрева диодного лазера 10, а также высчитывает поправки для расчёта концентрации метана с учётом данных сигналов.

Выходное излучение диодного лазера 10 фокусируется коллиматором 5 и, пройдя расчётный оптический путь, попадает на сенсор детектора 7 аналитического сигнала, усиливается, оцифровывается и в виде данных поступает в цифровой программный модуль 15. Программный модуль 15, согласно заложенному алгоритму, с учётом поправок от других датчиков, производит вычисления концентрации метана в пробе воздуха.

За счёт этого сохраняется высокая точность измерений (независимо от объёма воздушной пробы, пропускаемой через аналитическую кювету датчика) и, кроме того, объём аналитической кюветы может быть рассчитан в зависимости от технического задания для автолаборатории по поиску утечек метана на газопроводах.

Многопроходная зеркальная система, позволяющая обеспечить оптический путь лазерного излучения не менее 3 м, необходима для точного определения концентрации метана в пробе воздуха, находящейся в данный момент в аналитической кювете.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к инфракрасным датчикам, использующимся в газоанализаторах, и предназначено для определения мест утечки метана из газопровода с помощью движущейся по маршруту расположения газопровода автолаборатории. Инфракрасный датчик содержания метана в воздухе содержит блок управления, приёма и обработки данных, электрически связанный с ним блок лазерного излучения, аналитическую кювету, снабженную волоконно-оптическим коллиматором, связанным при помощи оптоволокна с блоком лазерного излучения и детектором оптического сигнала, связанным электрически с блоком управления. Вход в аналитическую кювету связан с устройством подачи атмосферного воздуха, а выход из нее сообщен с атмосферой. Блок лазерного излучения содержит диодный лазер с распределённой обратной связью с выходом излучения в одномодовое оптоволокно, связанным с волоконно-оптическим коллиматором, а также термоэлемент Пельтье, термически связанный с диодным лазером с возможностью поддержания стабильности излучения лазерного диода в заданном диапазоне длин волн. Термоэлемент снабжен встроенным датчиком температуры, определяющим температуру нагрева лазерного диода, а также встроенным фотодиодом, с помощью которого осуществляется обратная связь с диодным лазером для калибровки датчика метана. Корпус аналитической кюветы выполнен теплопроводящим и снабжен закрепленным на нем датчиком температуры окружающей среды. Детектор также закреплен на теплопроводящем корпусе аналитической кюветы и термически связан с датчиком температуры окружающей среды. Внутри кюветы располагается многопроходная зеркальная система с шестью зеркалами, установленными на стенках корпуса кюветы, с двумя зеркалами, оптически связанными с источником лазерного излучения и детектором аналитического сигнала, позволяющая обеспечить оптический путь лазерного излучения не менее 3 м. Техническим результатом является повышение чувствительности к малым концентрациям метана в воздухе при значительных объёмах пробы атмосферного воздуха при различных температурных условиях окружающей среды. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

1. Инфракрасный датчик содержания метана в воздухе, содержащий блок управления, приёма и обработки данных, электрически связанный с ним блок лазерного излучения, аналитическую кювету, снабженную волоконно-оптическим коллиматором, связанным при помощи оптоволокна с блоком лазерного излучения и детектором оптического сигнала, связанным электрически с блоком управления, при этом вход в аналитическую кювету связан с устройством подачи атмосферного воздуха, а выход из нее сообщен с атмосферой, отличающийся тем, что блок лазерного излучения содержит диодный лазер с распределённой обратной связью с выходом излучения в одномодовое оптоволокно, связанным с волоконно-оптическим коллиматором, а также термоэлемент Пельтье, термически связанный с диодным лазером с возможностью поддержания стабильности излучения лазерного диода в заданном диапазоне длин волн, при этом термоэлемент снабжен встроенным датчиком температуры, определяющим температуру нагрева лазерного диода, а также встроенным фотодиодом, с помощью которого осуществляется обратная связь с диодным лазером для калибровки датчика метана, причем корпус аналитической кюветы выполнен теплопроводящим и снабжен закрепленным на нем датчиком температуры окружающей среды, детектор также закреплен на теплопроводящем корпусе аналитической кюветы и термически связан с датчиком температуры окружающей среды, при этом внутри кюветы располагается многопроходная зеркальная система с шестью зеркалами, установленными на стенках корпуса кюветы, с двумя зеркалами, оптически связанными с источником лазерного излучения и детектором аналитического сигнала, позволяющая обеспечить оптический путь лазерного излучения не менее 3 м.

2. Инфракрасный датчик содержания метана в воздухе по п.1, отличающийся тем, что объем аналитической кюветы определяют по формуле:

где: V - объём кюветы,

k - кратность воздухообмена,

L - расход воздуха (задаётся вакуумным насосом),

n - частота опроса сенсора (0,25 сек или 4 раза в секунду),

- диаметр воздуховода вакуумного насоса,

- диаметр фитинга кюветы газоанализатора,

- коэффициент замедления потока воздуха при прохождении через фильтры (подбирается опытным путём), = 0,85.