Волоконно-оптичний газоаналізатор

1. Волоконно-оптичний газоаналізатор, що містить генератор імпульсів, оптично зв'язані два джерела випромінювання, світловоди, оптичний розгалужувач, вхідний світловод, вимірювальну кювету (канал), вихідний світловод, приймач оптичного випромінювання та мікропроцесор, який відрізняється тим, що два джерела випромінювання з'єднані з світловодами розгалужувача, який з'єднаний світловодом з вимірювальною кюветою, причому одне джерело випромінювання з довжиною хвилі, що відповідає спектральній лінії поглинання газу, а друге джерело випромінювання з довжиною хвилі, яка лежить за межами діапазону спектрального поглинання газу, що проходять від джерела випромінювання через вимірювальну кювету (канал) з газом, що аналізується. 2. Волоконно-оптичний газоаналізатор за п. 1, який відрізняється тим, що вимірювання інтенсивності випромінювання на вихідному світловоді здійснюється БІЗПІНом, частота на виході якого пропорційна інтенсивності випромінювання. Винахід відноситься до сфери аналітичного приладобудування і може бути застосований при розробці малогабаритних інфрачервоних газоаналізаторів для вимірювання концентрацій найбільш поширених забруднювачів атмосфери газів (CO, CO2, CH4, NO). Існуючі інфрачервоні оптично-волоконні газоаналізатори [Dakin J.P., Croydon W.F. „Applications of Fibre Optics in Gas Sensing". Review at ECOC/LAN Amsterdam June. - 1988. - 14 р.; Миронов С.А. Волоконно-оптический датчик концентрации метана: расчет основных характеристик / С.А. Миронов // Научно-технический вестник СанктПетербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2007. - Вестник 44. - с. 72-78], які складаються з джерела інфрачервоного випромінювання (що може модулюватися), волоконно-оптичної лінії, в розриві якої знаходиться вимірювальна комірка, через яку прокачується газ, на виході оптичного волокна знаходиться фотоприймач інфрачервоного випромінювання, сигнал з якого надходить на мікропроцесор. Недоліком відомих волоконно-оптичних газоаналізаторів є складна система обробки оптичного сигналу. Відомий волоконно-оптичний газоаналізатор [Пат. 2091764 Российская Федерация, МПК6 G01 N21/61. Волоконно-оптический газоанализатор / Мирумянц CO., Марциновский В.А.; заявитель и патентообладатель Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики". - № 94030252/25; заявлено 1994.08.16; опубл. 1997.09.27.] вибраний в якості прототипу, який складається з імпульсного випромінювача, вхідного оптичного волокна, багатоходової оптичної кювети, що складається з трьох сферичних дзеркал, вихідного оптичного волокна, спектрального інтегрального демультиплексора, блока реєстрації (які містять два приймачі) і обробки інформації. Недоліком даного аналізатора газу є конструкційна складність вимірювальної комірки, її розміри, наявність трьох дзеркал, складність налаштування (та переналаштування) довжини хвилі випромінювання, яке збігається з лінією прозорості газу та (19) UA (11) 90423 (13) (21) a200907060 (22) 06.07.2009 (24) 26.04.2010 (46) 26.04.2010, Бюл.№ 8, 2010 р. (72) ЯРЕМЧУК ВОЛОДИМИР ФЕДОРОВИЧ, СМІШНИЙ СЕРГІЙ МИКОЛАЙОВИЧ, КРАВЧУК НАТАЛІЯ СЕРГІЇВНА (73) ЯРЕМЧУК ВОЛОДИМИР ФЕДОРОВИЧ, СМІШНИЙ СЕРГІЙ МИКОЛАЙОВИЧ, КРАВЧУК НАТАЛІЯ СЕРГІЇВНА (56) Осадчук В.С., Осадчук О.В., Яремчук В.Ф., Кравчук Н.С., Смішний С.М. Волоконно-оптичні перетворювачі газу// Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології.-2009.-№ 2 (18).С.173-179 RU 2091764 C1, 27.09.1997 US 4763009 A, 09.08.1988 DE 4116431 A1, 19.11.1992 US 5001338 A, 19.03.1991 RU 2080586 C1, 27.05.1997 C2 1 3 випромінювання, яке співпадає з лінією поглинання газу, що аналізується. Перераховані недоліки призводять до зменшення точності вимірювання концентрації газу та збільшення енергетичних витрат для функціонування приладу у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання пов'язаних з забрудненням дзеркал. В основу винаходу поставлена задача підвищити чутливість і точність вимірювань, спрощення вимірювальної комірки, налаштування газоаналізатора для визначення заданого газу. Поставлене завдання вирішується тим, що в основу роботи даного винаходу покладено метод диференціального вимірювання концентрації газу. Газоаналізатор складається з двох світловодів, в одному з яких поширюється випромінювання з довжиною хвилі, що відповідає спектральній лінії поглинання газу, а в другому - довжина хвилі випромінювання, яка лежить за межами діапазону спектрального поглинання газу (тобто з лінією прозорості газу), генератора імпульсів, який періодично вмикає світловипромінюючі діоди, випромінювання яких поширюються по світловодам розгалужувача та світловоду, який з'єднаний з вимірювальною кюветою (каналом), пройшовши через яку і поширюючись далі по вихідному світловоду потрапляє на приймач оптичного випромінювання, на виході якого отримуємо пачки імпульсів, частота в яких пропорційна інтенсивності світлового потоку, далі сигнали надходять до мікропроцесора. Така схема дозволяє значно спростити сам метод, пристрій не потребує модуляторів, оптичних фільтрів, використовує лише один канал та одну лінію оптичного зв'язку. Оскільки, опорна хвиля (лінія прозорості), її інтенсивність, не залежить від концентрації газу, то частота слідування імпульсів буде функцією концентрації газу. На кресленні (Фіг.1) представлена функціональна схема пристрою, який працює на основі методу диференціального вимірювання концентрації газу. Пристрій містить генератор імпульсів 1, світловипромінюючі діоди 3 та 3', світловоди 2, розгалужувач 4, світловоди 5, вимірювальну кювету (канал) 6, приймач оптичного випромінювання 7, мікропроцесор 8. Газоаналізатор працює наступним чином. Генератор імпульсів 1 періодично вмикає світловипромінюючі діоди 3, 3' з довжинами хвиль відповідно 1 і 2 ( 1 - довжина хвилі випромінювання, що відповідає лінії поглинання газу; 2 опорна довжина хвилі випромінювання, що лежить за межами діапазону спектрального поглинання газу, що аналізується), які поширюються по світловодам 2 та надходять до розгалужувача 4. Після розгалужувача випромінювання через світловод 5 потрапляє у вимірювальну кювету (канал) 6, пройшовши через яку і поширюючись далі по світловоду 5 потрапляє на приймач оптичного випромінювання 7, в нашому випадку - БІЗПІН-прилад, на виході якого ми отримуємо пачки імпульсів, частота яких пропорційна інтенсивності світлового випромінювання ([Кнаб О.Д. БИСПИН - новый тип полупроводникових приборов / О.Д. Кнаб // Электронная промышленость. - 1989. - Вып. 8. - с. 3-8]). 90423 4 Далі з приймача електричні сигнали надходять до мікропроцесора 8, який їх обробляє і видає значення концентрації газу N, яка визначається з основного рівняння для розрахунку концентрації газу методом диференціального поглинання [Chan K. Remote sensing system for near-infrared differential absorption of CH4 gas using low-loss optical fibre link / K. Chan, H. Ito, H. Inaba // Appl. Opt. - 1984. - v. 23, № 19. - P. 3415-3420.]: Pr 2 Pr 1 N 1 2 l Pr 2 (1) де N - парціальний тиск (концентрація) газу в повітряній суміші (N=760 Торр відповідає концентрації С=100%); 1 - довжина хвилі, що відповідає лінії поглинання газу (робоча довжина хвилі); 2 - опорна довжина хвилі, що лежить за межами поглинання; l - довжина вимірювальної кювети (каналу) з газом; Рr( i) (де i=1, 2) - оптична потужність на довжині хвилі i; ( i) - переріз поглинання газу на довжині хвилі i. Наприклад, для метану = ( 1)- ( 2)=2,8·10-3 1 для робочої довжини хвилі 1=1,667 мкм і Торр м 1 =1,4·10-3 для 1=1,332 мкм [Миронов Торр м С.А. Волоконно-оптический датчик концентрации метана: расчет основных характеристик / С.А. Миронов // Научно-технический вестник СанктПетербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2007. - Вестник 44. - c. 72-78]. Мінімальна виявлена концентрація газу (за відсутності флуктуацій сигналу) визначається рівнем шуму приймальної системи Рn і відповідає умові Pr( 2)-Pr( 1)=Рn. В цьому випадку основне рівняння (1) може бути записане у вигляді: Pn Nmin 1 2 l Pr 2 (2) де потужність Рr( 2), що надходить на фотоприймач, розраховується з урахуванням втрат у всіх елементах волоконно-оптичного сенсора. Рr( 2)=const і рівна потужності випромінювання, яке надходить до приймача 7 та при незмінній довжині вимірювального каналу l, виходячи з (2) маємо: Pn Nmin 1 2 C (3) де C=lPr( 2)=const; ( 1) і ( 2) відповідно пропорційні зміні частоти сигналу БІЗПІН-приймача (fi~ ( i)). Підвищення чутливості вимірювання концентрації газів здійснюється шляхом вибору потрібного світловода (тип, довжина). Збільшення точності вимірювання приладу у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, пов'язаних із забрудненням оптичних елементів з часом і спектральної чутливості прий 5 90423 мача випромінювання у відношенні до спектра поглинання досліджуваного газу під дією температури оточуючого середовища досягається за рахунок використання двох довжин хвиль випромінювання. Спрощення приладу відбувається за рахунок використання лише одного вимірювального каналу, відсутністю дзеркал. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 6 Отже, концентрація газу, що аналізується визначається формулою (3). Наявність БІЗПІНприладу та світловодів підвищує надійність, зменшує розміри приладу, спрощує встановлення концентрації газу, що аналізується, і підвищує надійність запропонованого способу. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601