Волоконно-оптичний інфрачервоний газоаналізатор

1. Волоконно-оптичний інфрачервоний газоаналізатор, що містить джерело живлення, оптично зв'язані два джерела випромінювання, світловоди, оптичний розгалужувач, вхідний світловод, вимірювальну кювету (відкритий канал), приймач оптичного випромінювання та мікропроцесор, який відрізняється тим, що два джерела випромінювання з'єднані зі світловодами розгалужувача, який з'єднаний світловодом з вимірювальною кюветою (відкритим каналом) з вбудованим на виході інфрачервоним приймачем випромінювання, спектральна сприйнятливість якого узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання досліджуваного газу, 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 (відкритий канал) з газом, що аналізується, а концентрацію газу визначають із співвідношення: 1 U2 , N ln U1 1 2 l 3 54885 що джерелом інфрачервоного випромінювання є промінювання. напівпровідникове джерело інфрачервоного ви Корисна модель відноситься до сфери аналітичного приладобудування і може бути застосована при розробці малогабаритних інфрачервоних газоаналізаторів для вимірювання концентрацій найбільш поширених забруднювачів атмосфери газів (СО, СО2, СН4, NО), вибухонебезпечних газів (наприклад, С3Н8, С2Н4, C2H2 і ін.), токсичних, агресивних і отруйних газів. Відомий волоконно-оптичний газоаналізатор [Пат. 2091764 Российская Федерация, МПК6 G01N21/61. Волоконно-оптический газоанализатор / Мирумянц C.O., Марциновский В.А.; заявитель и патентообладатель Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики". - № 94030252/25; заявлено 1994.08.16; опубл. 1997.09.27.], який складається з імпульсного випромінювача, вхідного оптичного волокна, багатоходової оптичної кювети, що містить три сферичних дзеркала, 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 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. Газоаналізатор [Пат. 49359 Україна, МПК9 G01N21/17. Сенсор концентрації газу / Яремчук Ф.В., Смішний С.М., Кравчук Н.С; заявники та патентовласники Яремчук Ф.В., Смішний С.М., Кравчук Н.С. - № u200911699; заявл. 16.11.2009; опубл. 26.04.2010, Бюл. №8, 2010 р.], вибраний в якості прототипу, який 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 та одне плоске металеве дзеркало, розміщене у фокусній площині сферичного дзеркала, пройшовши через яку і поширюючись далі по вихідному світловоду двожильного волоконнооптичного кабеля потрапляє на приймач оптичного випромінювання, на виході якого отримуємо пачки імпульсів, частота яких пропорційна інтенсивності світлового потоку, далі сигнали надходять до блоку мікропроцесора (контролера). 4 Недоліком даного сенсора концентрації газу є конструкційна складність вимірювальної комірки, наявність двох металевих дзеркал, при чому плоске дзеркало розміщене у фокусній площині сферичного дзеркала, наявність двожильного волоконнооптичного кабелю, що потребує виведеннявведення випромінювання у вимірювальній кюветі. Перераховані недоліки призводять до збільшення похибки при вимірюванні малих концентрацій газу з заданою точністю і чутливістю, зменшення точності вимірювання концентрації газу та збільшення енергетичних витрат для функціонування приладу у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання пов'язаних з забрудненням дзеркал з часом. В основу корисної моделі поставлена задача підвищити чутливість вимірювань в широкому діапазоні концентрацій газів і точність вимірювань концентрації газів, спростити конструкцію вимірювальної комірки (відкритого каналу), зменшити енергетичні витрати для функціонування приладу. Поставлені завдання вирішуються тим, що в основу роботи даної корисної моделі 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 випромінювання, довжина хвилі якого лежить за межами діапазону спектрального поглинання газу (тобто з лінією прозорості газу), джерела живлення, яке почергово вмикає світловіпромінюючі діоди, випромінювання яких поширюються по світловодам розгалужувача та світловоду, який з'єднаний з вимірювальною кюветою (відкритим каналом) з вбудованим на виході інфрачервоним приймачем випромінювання, спектральна сприйнятливість якого узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання досліджуваного газу, далі сигнали надходять до мікропроцесора. Така схема дозволяє значно спростити сам метод, конструкційно спрощує вимірювальну комірку (відкритий канал), використовує лише одну лінію оптичного зв'язку (не потребує двожильного волоконнооптичного кабелю), зменшує енергетичні витрати для функціонування приладу, зменшує неселективні втрати випромінювання пов'язані з забрудненням оптичних елементів приладу з часом. Оскільки інтенсивність опорної хвилі (лінія прозорості газу) 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 джерело живлення 1, світловипромінюючі діоди 3 та 3', світловоди 2, розгалужувач 4, світловод 5, вимірювальну кювету (відкритий канал) 6, приймач оптичного випромінювання 7, мікропроцесор 8. 5 54885 6 Газоаналізатор працює наступним чином. ( i) - переріз поглинання газу на довжині хвиДжерело живлення 1 почергово вмикає світлі i. ловипромінюючі діоди 3, 3' з довжинами хвиль Потоки випромінювання з потужністю Pr( 1) і відповідно 1 і 2 ( 1 - довжина хвилі випромінюPr( 2) при попаданні інфрачервоного випромінювання, що відповідає лінії поглинання газу; 2 вання на прилад, який перетворює зміну інтенсивопорна довжина хвилі випромінювання, що лежить ності випромінювання в частоту електричного сигза межами діапазону спектрального поглинання налу [Осадчук B.C. Температурні та оптичні газу, що аналізується), які поширюються по світмікроелектронні частотні перетворювачі. Моногловодам 2 та надходять до розгалужувача 4. Після рафія / B.C. Осадчук, О.В. Осадчук, В.Г. Вербицьрозгалужувача випромінювання через світловод 5 кий. - Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2001. - 195 потрапляє у вимірювальну кювету (відкритий кас.], створюють на його виході, пропорційно до стунал) 6 з вбудованим на виході інфрачервоним пеня ослаблення потоків, зміну частот Δf1 і Δf2, яка приймачем випромінювання, пройшовши через яку в свою чергу пропорційна концентрації газу, що і потрапляє на приймач оптичного випромінювання аналізується. Використовуючи формули (1) отри7, спектральна сприйнятливість якого узгоджена з маємо слідуюче співвідношення: довжиною хвилі власного поглинання досліджува1 f N ln 2 (3) ного газу. Далі з приймача 7 електричні сигнали l f1 1 2 надходять до мікропроцесора 8, який їх обробляє і де N - парціальний тиск (концентрація) газу в видає значення концентрації газу N, яка визначаповітряній суміші (N=760 Торр відповідає концентється з рівняння для розрахунку концентрації газу рації С=100 %); методом диференціального поглинання [Chan К. 1 - довжина хвилі, що відповідає лінії поглиRemote sensing system for near-infrared differential нання газу (робоча довжина хвилі); absorption of CH4 gas using low-loss optical fibre link 2 - опорна довжина хвилі, що лежить за ме/ K. Chan, H. Ito, H. Inaba // Appl. Opt. -1984. - v. 23, жами поглинання; № 19. - pp. 3415-3420.]: l - довжина вимірювальної кювети (відкритого 1 Pr 2 , N ln (1) каналу) з газом; Pr 1 1 2 l Δf1, Δf2 - зміна частот на виході приладу при де N - парціальний тиск (концентрація) газу в попаданні на нього потоку випромінювання з довповітряній суміші (N=760 Торр відповідає концентжиною хвилі і (і=1, 2) відповідно, що пройшов черації С=100 %); рез вимірювальну кювету (відкритий канал) з дов1 - довжина хвилі, що відповідає лінії поглижиною l. нання газу (робоча довжина хвилі); σ( i) - переріз поглинання газу на довжині хви2 - опорна довжина хвилі, що лежить за мелі і. жами поглинання; Використання одночасно двох довжин хвиль l - довжина вимірювальної кювети (відкритого інфрачервоного випромінювання, які відповідають каналу) з газом; лінії поглинання газу 1 та 2, сумісних із спектраPr( i) (де i=1, 2) - потужність оптичного випрольною сприйнятливістю інфрачервоного приймача мінювання на довжині хвилі i прийнята приймавипромінювання, причому 1≠ 2 та [ ( 1)- ( 2)]>0 чем; (тобто ( 1)> ( 2)), дозволяє підвищити чутливість ( i) - переріз поглинання газу на довжині хвита точність вимірювання концентрації газу. лі i. Підвищення чутливості вимірювання концентПотоки випромінювання з потужністю Pr( 1) і рації газів та зменшення енергетичних витрати Pr( 2) при попаданні інфрачервоного випромінюздійснюється шляхом вибору потрібного світлововання на приймач 7 створюють на його виході, да (тип, довжина). пропорційно до ступеня ослаблення потоків, зміну Збільшення точності вимірювання приладу у напруг ΔU1 і ΔU2 відповідно, яка в свою чергу провипадку збільшення неселективних втрат випроміпорційна концентрації газу, що аналізується. Тоді нювання, пов'язаних із забрудненням оптичних рівність (1) матиме вигляд: елементів з часом і спектральної чутливості прий1 U2 мача випромінювання у відношенні до спектра N ln (2) поглинання досліджуваного газу під дією темпераl U1 1 2 тури та тиску оточуючого середовища досягається де N - парціальний тиск (концентрація) газу в за рахунок використання двох довжин хвиль виповітряній суміші (N=760 Торр відповідає концентпромінювання. рації С=100 %); Спрощення приладу відбувається за рахунок 1 - довжина хвилі, що відповідає лінії погливідсутності дзеркал та наявності відкритого кананання газу (робоча довжина хвилі); лу. Використання приладу, який перетворює зміну 2 - опорна довжина хвилі, що лежить за меінтенсивності випромінювання в частоту електричжами поглинання; ного сигналу, підвищує точність вимірювання конl - довжина вимірювальної кювети (відкритого центрації газу, що аналізується, і підвищує надійканалу) з газом; ність запропонованого способу. ΔU1, ΔU2 - зміна напруг при попаданні на Отже, концентрація газу, що аналізується, виприймач потоку випромінювання з довжиною хвилі значається формулою (2) або (3) залежно від виду і (і=1, 2) відповідно, що пройшов через вимірюваприймача або приладу, який перетворює зміну льну кювету (відкритий канал) з довжиною l. інтенсивності випромінювання в частоту електричного сигналу, відповідно. 7 54885 8 Використання напівпровідникового джерела інфрачервоного випромінювання також підвищить інфрачервоного випромінювання в якості джерела надійність запропонованого способу. 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