Волоконно-оптичний сенсор газу

1. Волоконно-оптичний газоаналізатор, що містить генератор імпульсів, оптично зв'язані два джерела випромінювання, світловоди, оптичний C2 1 3 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 випромінювання, яке співпадає з лінією поглинання газу, що аналізується. Перераховані недоліки призводять до зменшення точності вимірювання концентрації газу та збільшення енергетичних витрат для функціонування прилада 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 газоанлізатора 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 двожильному волоконно-оптичному кабелю, який з'єднаний з вимірювальною кюветою (каналом), яка містить одне сферичне металеве дзеркало, пройшовши через яку і поширюючись далі по вихідному світловоду двожильного волоконно-оптичному кабелю потрапляє на приймач оптичного випромінювання, на виході якого отримуємо пачки імпульсів, частота в яких пропорційна інтенсивності світлового потоку, далі сигнали надходять до блоку мікропроцесора (контролера). Така схема дозволяє значно спростити сам метод, пристрій не потребує модуляторів, оптичних фільтрів, використовує лише один канал із вбудованим металевим сферичним дзеркалом 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.) 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, двожильний волоконно-оптичний кабель 5, вимірювальну кювету (канал) 6, сферичне металеве дзеркало 7, приймач оптичного випромінювання 8, мікропроцесор (контролер) 9. 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 90429 4 розгалужувача випромінювання через один із світловодів (вхідний) двожильного кабелю 5 потрапляє в вимірювальну кювету (канал) 6. Оскільки апертура випромінювання, що виходить з волокна, збігається з апертурою вхідного і вихідного випромінювання ходової кювети, то оптичне випромінювання, пройшовши заздалегідь встановлену в кюветі довжину оптичного шляху, фокусується металевим дзеркалом 7 на торець другого (вихідного) оптичного волокна двожильного волоконного кабелю, який перебуває в одній з вхідним волокном площині, поширюючись далі по вихідному світловоду волоконного кабелю потрапляє на приймач оптичного випромінювання 8, наприклад 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]). Далі з приймача електричні сигнали надходять до блоку мікропроцесора (контролера) 9, який їх обробляє і видає значення концентрації газу N, яка визначається з основного рівняння для розрахунку концентрації газу методом диференціального поглинання [Chan К. 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]: N Pr 2 1 Pr 1 2 l Pr 2 (1) де Ν - парціальний тиск (концентрація) газу в повітряній суміші (N=760Торр відповідає концентрації С=100%); 1 - довжина хвилі, що відповідає лінії поглинання газу (робоча довжина хвилі); 2 - опорна довжина хвилі, що лежить за межами поглинання; І - 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 3 2,8 10 для робочої 1 2 Topp м довжини хвилі і 1=1,667мкм 1 3 1 4 10 , для 1=1,332мкм [Миронов Topp 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. - С. 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: 5 Nmin 90429 Pn 2 l Pr 1 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: Nmin Pn 1 2 C (3) де С=ІРr( 2)=const; ( 1) і ( 2) відповідно пропорційні зміні частоти сигналу БІЗПІН-приймача ( ( 1)~fi)). Підвищення чутливості вимірювання концентрації газів здійснюється шляхом вибору потрібного волоконно-оптичного кабелю (тип, довжина). Збільшення точності вимірювання приладу у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, пов'язаних із забрудненням оптичних елементів з часом і спектральної чутливості приймача випромінювання у відношенні до спектра поглинання досліджуваного газу під дією темпера Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 6 тури оточуючого середовища досягається за рахунок використання двох довжин хвиль випромінювання. Спрощення приладу відбувається за рахунок використання лише одного вимірювального каналу, одного металевого сферичного дзеркала, яке не зміщує хід променя та не впливає на характеристики оптичного випромінювання [Ландсберг Г.С. Оптика: [учеб. пособие для вузов] / Григорий Самуилович Ландсберг .- [6-е изд., стереот.]. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 848с.]. Отже, концентрація газу, що аналізується визначається формулою (3). Така схема дозволяє значно спростити сам метод, а пристрій не потребує модуляторів, оптичних фільтрів і використовує лише один канал, одне сферичне металеве дзеркало та одну лінію оптичного зв'язку. Більш того, оскільки, опорна хвиля, її інтенсивність, не залежить від концентрації газу (наприклад, метану), то в даному випадку частота слідування імпульсів буде лише функцією концентрації газу. Запропонований волоконно-оптичний прилад може бути використаний як дистанційний аналізатор газу. Наявність БІЗПІН-приладу 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