Волоконно-оптичний перетворювач концентрації газу

1. Волоконно-оптичний перетворювач концентрації газу, що містить приймачі інфрачервоного випромінювання, довжина хвилі випромінювання яких узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, що аналізується, джерело інфрачервоного випромінювання з довжиною хвилі, що відповідає спектральній лінії поглинання газу, випромінювання якого поширюється по світловодах розгалужувача і створює потоки, які проходять через один робочий канал, в якому розміщена вимірювальна кювета (відкритий канал), та через другий робочий канал, яким є волоконно-оптична лінія з малими втратами енергії випромінювання, який відрізняється тим, що в одному робочому полі розміщують вимірювальну кювету (відкритий канал) з вбудованим на виході інфрачервоним приймачем випромінювання, спектральна сприйнятливість якого узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання досліджуваного газу, а в другому - волоконно-оптичну лінію зв'язку з приймачем інфрачервоного випромінювання, втратами енергії випромінювання в якій можна знехтувати, причому через вимірювальну кювету прокачують газ, що аналізується, а концентрацію газу визначають із співвідношення: 1 U1 Cx1 ln ; 1 U2 1 де Сх1 - концентрація газу, що аналізується; U 2 UA 1 3 52345 4 Відомий спосіб аналізу газів інфрачервоним випромінювання, джерелом інфрачервоного виметодом [Патент України №80638, кл. G01N21/61, промінювання є напівпровідникове джерело інфG01N21/01, 10.10.2007] вибраний в якості проторачервоного випромінювання з довжиною хвилі, типу, в якому шляхом вимірювання приймачами що відповідає спектральній лінії поглинання газу, а інфрачервоного випромінювання, з попередньо концентрація газу визначається із співвідношення: нанесеними на них інтерференційними фільтрами, 1 U1 Cx1 ln ; довжина хвилі пропускання яких узгоджена з довU2 11 жиною хвилі власного поглинання газу, що аналіСх1 - концентрація газу, що аналізується; зується, різниці інтенсивності потоків, що прохо1 - коефіцієнт поглинання газу, що аналізудять від джерела інфрачервоного випромінювання через два робочих канали і за їхньою зміною виміється, який залежить від ступеня узгодження спекряного випромінювання визначають концентрацію трів поглинання газу, спектральної характеристики газу, вимірювальні кювети виготовлені з різною джерела інфрачервоного випромінювання і спектдовжиною, розміщені в незалежних робочих канаральної чутливості приймача інфрачервоного вилах, причому через вимірювальні кювети прокачупромінювання; ють газ, що аналізується, газ прокачують через 1 - довжина вимірювальної кювети (відкритовимірювальні кювети почергово, синхронно з виміго каналу); рюванням різниці поглинання інтенсивності виU1, U2 - зміна напруги при попаданні на фопромінювання відповідного каналу, вимірювання топриймач потоку випромінювання, що пройшов різниці поглинання інтенсивності випромінювання через вимірювальну кювету (відкритий канал) і на виході вимірювальних кювет відбувається приймачами інфрачервоного випромінювання за опорний канал з довжинами 1,  2 відповідно. рахунок їх електричної модуляції. Вимірювання концентрації газів в широкому Недоліком даного способу є наявність двох діапазоні з заданою точністю і чутливістю, досягавимірювальних кювет, почергове прокачування ється за рахунок того, що газ прокачується через газу, необхідність електричної модуляції випромівимірювальну кювету з вбудованим на виході інфнювання, наявність дзеркала, великі розміри прирачервоним приймачем випромінювання, спектрастрою і порівняно слабкий ступінь обробки інфорльна сприйнятливість якого узгоджена з довжиною мації. хвилі власного поглинання досліджуваного газу, В основу корисної моделі поставлено задачу яка знаходиться в одному з робочих плечей, друге створити волоконно-оптичний перетворювач конплече являє собою волоконно-оптичну лінію зв'язцентрації газів з заданою точністю і чутливістю в ку з приймачем інфрачервоного випромінювання, широкому діапазоні концентрацій газів, зменшити втратами енергії випромінювання в якій можна розміри і спростити конструкцію приладу, та підзнехтувати в процесі обробки напруги з виходів вищити надійність роботи. приймачів інфрачервоного випромінювання. ВідсуПоставлені завдання вирішуються тим, що в тність дзеркала, інтерференційних фільтрів та основу роботи даного винаходу покладено метод блоку електричної модуляції, зменшення розмірів оптично-абсорбційного вимірювання концентрації приладу, а також можливість роботи з відкритим газу. Волоконно-оптичний перетворювач концентканалом вимірювання суттєво збільшує надійність, рації газу складається з приймачів інфрачервоного забезпечує універсальність даного волоконновипромінювання, спектральна сприйнятливість оптичного перетворювача концентрації газу. яких узгоджена з довжиною хвилі власного поглиНа кресленні наведена функціональна схема нання газу, джерела інфрачервоного випромінюреалізації даного волоконно-оптичного перетвовання з довжиною хвилі, що відповідає спектральрювача концентрації газу. ній лінії поглинання газу, випромінювання якого Запропонований волоконно-оптичний перетпоширюється по світловодам розгалужувала І ворювач концентрації газу працює наступним чистворює потоки, які проходять через робочий і ном. опорний канали, в робочому каналі розміщено Джерело 1 інфрачервоного випромінювання з вимірювальну кювету (відкритий канал) з вбудовадовжиною хвилі, що відповідає спектральній лінії ним на виході інфрачервоним приймачем випроміпоглинання газу, створює потік випромінювання нювання, спектральна сприйнятливість якого узгоФ0, який надходить на світловод 2, оптичний розджена з довжиною хвилі власного поглинання галужувач 3, світловод 4 та вимірювальну кювету досліджуваного газу, в опорному каналі розміщено 5 (відкритий канал), довжини яких відповідно  2 і світловод з приймачем інфрачервоного випромі 1. Потік Ф0 інфрачервоного випромінювання, нювання, спектральна сприйнятливість якого узгопройшовши через вимірювальну кювету 5 (відкриджена з довжиною хвилі власного поглинання дотий канал) і опорний канал 4 з довжинами  1,  2 сліджуваного газу, і за зміною вихідних напруг на відповідно, ослаблюється до величини потоків Ф1 i приймачах інфрачервоного випромінювання виФ2, які попадають на приймачі 6 інфрачервоного значають концентрацію газу, згідно з винаходом випромінювання, спектральна сприйнятливість вимірювальна кювета, через яку прокачують газ, яких узгоджена з довжиною хвилі власного поглищо аналізується, або відкритий канал встановлюнання досліджуваного газу, один з яких вбудовається в одне з плеч світловідної лінії, другий канал ний у вимірювальну кювету 5 (відкритий канал). - світловод, в якому втрати енергії випромінюванЕлектричний сигнал з виходу приймачів 6 інфраня прямують до нуля, вимірювання різниці погличервоного випромінювання попадає на реєструюнання інтенсивності випромінювання на виході чий пристрій 7, з якого надходять дані на блок обканалів відбувається приймачами інфрачервоного 5 52345 6 робки інформації 8. Величина ослабленого потоку ральної чутливості приймача інфрачервоного вивипромінювання Фi, що пройшов через вимірювапромінювання; льну кювету (відкритий канал) 5 може бути визна 1 - довжина вимірювальної кювети (відкриточена за законом Бугера-Ламберта-Бера: го каналу); U1, U2 - зміна напруги при попаданні на (1) Ф1=Ф0 e 1Cx1 1 , фотоприймач потоку випромінювання, що пройде Ф0 - величина потоку інфрачервоного вишов через вимірювальну кювету (відкритий канал) промінювання на вході вимірювальної кювети (віді опорний канал з довжинами  1,  2 відповідно. критий канал) 5; У випадку використання приладів, які перетвоФ1 - величина потоку інфрачервоного випромірюють зміну інтенсивності випромінювання в часнювання на виході вимірювальної кювети (відкритоту електричного сигналу [Осадчук B.C. Температий канал) 5; турні та оптичні мікроелектронні частотні 1 - коефіцієнт поглинання газу, що аналізуперетворювачі. Монографія / B.C. Осадчук, О.В. ється і залежить від ступеня узгодження спектрів Осадчук, В.Г. Вербицький. - Вінниця: УНГОЕРпоглинання газу, спектральної характеристики СУМ-Вінниця, 2001. - 195с] потоки випромінюванджерела інфрачервоного випромінювання і спектня Ф1 і Ф2 при попаданні інфрачервоного випроміральної чутливості приймача інфрачервоного винювання відповідно на приймачі, створюють на їх промінювання; виходах, пропорційно до ступеня ослаблення поСх1 - концентрація газу, що аналізується; токів, різницю частот f1 і f2, яка в свою чергу  1 - довжина вимірювальної кювети (відкритопропорційна концентрації газу, що аналізується. го каналу) 5. Приймаючи до уваги (1) і (2) і враховуючи, що Величина ослабленого потоку випромінюванкоефіцієнт затухання для кварцових сівтловодів ня Ф2, що пройшов через світловод 4 може бути прямує до нуля (2 10-4дБ/м), отримаємо співвідновизначена за законом Бугера-Ламберта-Бера: шення: Cx 2  2 , (2) (5) 2 f1=kФ1, Ф2=Ф0 e (6) де Ф0 - величина потоку інфрачервоного випроміf2= kФ2 нювання на вході світловода 4; де f1, f2 - зміна частоти на виходах прилаФ2 - величина потоку інфрачервоного випромідів при попаданні на них потоку випромінювання, нювання на виході світловода 4; що пройшов через вимірювальну кювету (відкри2 - коефіцієнт поглинання світловода; тий канал) і опорний канал з довжинами  1,  2  2 - довжина світловода 4. відповідно. Потоки випромінювання Ф1 і Ф2 при попаданні Ф1, 2 - величина світлового потоку; інфрачервоного випромінювання відповідно на k - коефіцієнт пропорційності перетворення приймачі 6 створюють на їх виходах, пропорційно зміни інтенсивності випромінювання в частоту до ступеня ослаблення потоків, різницю напруги електричного сигналу. U1 і U2, яка в свою чергу пропорційна конценВикористовуючи формули (1) і (3), а також (5) і трації газу, що аналізується. (6) отримаємо слідуюче співвідношення: Приймаючи до уваги, що втрати в світловоді C  порядку 0,14 дБ/км на частотах власного поглиf1 k 1 0e 1 x 1 1 нання газу [Мидвентер Д.Э. Волоконные световоf2 k 2 0 ды для передачи информации. - М: Радио и связь, або 1983. -336 с] рівняння (2) матиме вигляд: f1 Ф2 = Ф0 (3) e 1Cx1 1 , Використовуючи формули (1) і (3) отримано f2 наступне співвідношення: або C x1 1 1 f 1 0e ln 1 e 1Cx1 1 1Cx11 , f2 2 0 Отримаємо: або 1 f U1 Cx1 1 Cx1 ln 1 , (7) e 1 f2 U2 11 де Сx1 - концентрація газу, що аналізується; або 1 - коефіцієнт поглинання газу, що аналізуU1 ln 1Cx11. ється, який залежить від ступеня узгодження спекU2 трів поглинання газу, спектральної характеристики Отримаємо: джерела інфрачервоного випромінювання і спект1 U1 ральної чутливості приймача інфрачервоного виCx1 ln , (4) U2 промінювання; 11  1 - довжина вимірювальної кювети (відкритоде Сх1 - концентрація газу, що аналізується; го каналу); - коефіцієнт поглинання газу, що аналізу1 f1, f2 - зміна частоти на виходах приладів ється, який залежить від ступеня узгодження спекпри попаданні на них потоку випромінювання, що трів поглинання газу, спектральної характеристики пройшов через вимірювальну кювету (відкритий джерела інфрачервоного випромінювання і спект 7 52345 8 приладу, а також можливість роботи з відкритим канал) і опорний канал з довжинами  1,  2 відпоканалом вимірювання спрощує конструкцію привідно). ладу та суттєво збільшує надійність вимірювання Отже, концентрація газу, що аналізується, виконцентрації газу. Наявність світловодів, а також значається формулою (4) або (7) залежно від виприладів, які перетворюють зміну інтенсивності дів фотоприймачів, які використані у волоконновипромінювання в частоту електричного сигналу, оптичному перетворювачі концентрації газу. Відсупідвищує точність вимірювання концентрації газу, тність дзеркала, інтерференційних фільтрів та що аналізується. блоку електричної модуляції, зменшення розмірів Комп’ютерна верстка В. Мацело 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