Волоконно-оптичний датчик метану

Реферат: Волоконно-оптичний датчик метану складається джерела лазерного випромінювання, фотоприймачів, процесорного модуля з рідкокристалічним екраном, об'єднаних у складі рефлектометра, первинного розгалужувача, світловода. До складу рефлектометра введено селективний оптичний фільтр, для контролю параметрів газової суміші застосовано такий, що знаходиться безпосередньо у зоні контролю, волоконно-оптичний чутливий елемент, що являє собою основу з кварцового скла, до якої приварено циліндричну оптичну частину, газопроникну мембрану, віддзеркалюючий шар з сапфірового скла, до якого нероз'ємно та коаксіально до циліндричної оптичної частини прикріплено основний світловод. Для передачі та перетворення випромінювання до та від чутливого елемента датчика застосовують виключно основний світловод, вторинні розгалужувачі та оптичні вторинні фільтри. UA 114986 U (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧНИЙ ДАТЧИК МЕТАНУ UA 114986 U UA 114986 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до волоконно-оптичних датчиків метану, які засновано на керуванні оптичними властивостями світловодів. Область застосування - контроль складу та концентрації газу у небезпечних експлуатаційних умовах. Для контролю газового середовища суднових дизелів, що працюють на газі, у танках для зберігання та транспортування газів, у вугільних шахтах [1, 2]. Відомий оптичний датчик метану, який складається з джерела лазерного випромінювання, фотоприймача, дзеркальної мішені, модуля обробки сигналу, процесорного модулю та з рідкокристалічним екраном [3]. Недоліки пристрою, які обумовлені використанням віддалених дзеркальних мішеней: - низька точність локалізації місця витоку газу; - сильна залежність точності вимірювання від стану повітря між джерелом лазерного випромінювання, дзеркальною мішенню та фотоприймачем; - необхідність обробки контактної поверхні дзеркальних мішеней з надзвичайно високою якістю для уникнення створення умов для появи паразитної модуляції; - необхідність наявності складної системи компенсації порушення геометрії лінії зв'язку між джерелом лазерного випромінювання, дзеркальним мішенями та фотоприймачем. Найбільш близьким аналогом за технічною суттю та результатом, що досягається, до корисної моделі, що пропонується, є волоконно-оптичний датчик метану, що складається з джерела лазерного випромінювання, світловода, первинного розгалужувача, системи дзеркал, топографічних віддалених дзеркальних мішеній, двох оптичних фотоприймачів, коліматору, багатопрохідної комірки, пробовідбірника з вхідним фільтром, процесорного модуля з рідкокристалічним екраном [4]. Недоліки пристрою, які обумовлені використанням віддалених дзеркальних мішеней, пробовідбірника та багатопрохідної комірки: - низька точність локалізації місця витоку газу; - сильна залежність точності вимірювання від стану повітря між джерелом лазерного випромінювання, дзеркальною мішенню та фотоприймачем; - необхідність обробки контактної поверхні дзеркальних мішеней та багатопрохідної комірки з надзвичайно високою якістю для уникнення створення умов для появи паразитної модуляції; - необхідність наявності складної системи подачі пробовідбірника до місця максимальної концентрації метану. Задачею корисної моделі є створення волоконно-оптичного датчика метану, у якому реалізована можливість точної локалізації місця та концентрації витоку метану, підвищена захищеність елементів, відсутня залежність від стану довколишнього повітря та одночасно збережені високий рівень чутливості та швидкодія пристроїв відомих типів. Поставлена задача вирішується тим, що волоконно-оптичний датчик метану, що складається джерела лазерного випромінювання, фотоприймачів, процесорного модулю з рідкокристалічним екраном, об'єднаних у складі рефлектометра, первинного розгалужувача, світловода, згідно з корисною моделлю, що до складу рефлектометра введено селективний оптичний фільтр, для контролю параметрів газової суміші застосовано такий, що знаходиться безпосередньо у зоні контролю, волоконно-оптичний чутливий елемент, що являє собою основу з кварцового скла, до якої приварено циліндричну оптичну частину, газопроникну мембрану, віддзеркалюючий шар з сапфірового скла, до якого нероз'ємно та коаксіально до циліндричної оптичної частини прикріплено основний світловод, а для передачі та перетворення випромінювання до та від чутливого елемента датчика застосовується виключно основний світловод, вторинні розгалужувачі та оптичні вторинні фільтри. Технічний ефект досягається завдяки тому, що комбінація оптичних елементів забезпечує: - більш адекватні локалізацію осередків появи метану та перетворення параметрів газового середовища у зміни інформаційного сигналу; компенсацію впливу дестабілізуючих факторів на вимірювальний канал датчика метану; - можливість створення розгалуженої мережі контролю газового середовища в особливих умовах; - підвищення якості функціонування за рахунок використання матеріалів з близьким коефіцієнтом теплового поширення та обрання раціональної схеми модуляції опорного випромінювання. Суть корисної моделі пояснюється кресленням (фіг. 1), де зображено чутливий елемент датчика, що являє собою основу з кварцового скла 1, до якої приварено циліндричну оптичну частину 6, газопроникну мембрану 4, віддзеркалюючий шар з сапфірового скла 2, до якого нероз'ємно та коаксіально до циліндричної оптичної частини прикріплено основний світловод 3. З неробочого кінця порожнина чутливого елемента закрита заглушкою 5. 1 UA 114986 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 При появі між основним світловодом і оточуючою його циліндричною оптичною частиною газового середовища, у основному світловоді відбувається порушення умов повного внутрішнього відбивання світла, яке виникає як відклик на тунельне перекачування випромінювання у циліндричну оптичну частину. Показник переломлення циліндричної оптичної частини підібрано таким чином, щоб забезпечити максимальне перекачування оптичного випромінювання з основного світловода при контакті чутливого елемента з метаном, який надходить у порожнину датчику крізь газопроникну мембрану. Порушення умов повного відбивання світла у основному світловоді находить своє відображення у зміні величини інтенсивності світлового випромінювання, яке відбивається від віддзеркалюючого шару. Випромінювання повертається крізь оптичний фільтр до демультиплексора, де відбувається розподіл за довжинами хвиль [5, 6]. Перелік фігур креслення. Фіг. 1. Чутливий елемент волоконно-оптичного датчику метану: 1 - основа, 2 віддзеркалюючий шар, 3 - основний світловод; 4 - газопроникна мембрана; 5 - заглушка; 6 циліндрична оптична частина. Фіг. 2. Схема волоконно-оптичного датчику метану: 7 - рефлектометр; 8 - джерело лазерного випромінювання; 9 - селективний оптичний фільтр; 10 - фотоприймач; 11 процесорний блок з рідкокристалічним екраном; 12 - первинний розгалужувач; 13 мультиплексор/демультиплексор; 14 - вторинний розгалужувач; 15 - оптичний фільтр; 16 чутливий елемент. Відомості, які підтверджують можливість здійснення корисної моделі. Для здійснення корисної моделі застосовано комбінацію чутливого елемента, волоконного світловода та рефлектометра (фіг. 2). У режимі першої калібровки, тобто у відсутності газового середовища, відмінного від атмосферного повітря, випромінювання у рефлектометрі генерується випромінюванням, яке крізь первинний розгалужувач надходить до мультиплексора. У мультиплексорі відбувається розподіл випромінювання на набор з довжинами хвиль, які незначно відрізняються від основної довжини хвилі. Випромінювання, що надходить від мультиплексора, має кількість довжин хвиль, що відповідає кількості чутливих елементів на вимірювальному тракті датчика. Крізь вторинні розгалужувачі та оптичні фільтри випромінювання надходить до кожного чутливого елемента. У чутливих елементах відбувається зменшення інтенсивності оптичного випромінювання, що проходить скрізь нього, яке обумовлене тільки впливом затухання у матеріалі світловода. Інтенсивність випромінювання, що повертається до рефлектометра, фіксується процесорним блок і запам'ятовується як перша поправка. У режимі другої калібровки відбуваються ті ж самі процеси, але в умовах забруднення контрольованого повітря. Надходження бруду до чутливого елемента фільтрується газопроникною мембраною. Під зануренні у контрольоване газове середовище чутливого елемента відбувається перекачування оптичного випромінювання з основного світловода у циліндричну оптичну частину, тобто відбувається оптичний тунельний ефект. Після цього змінене за інтенсивністю випромінювання відбивається від віддзеркалюючого шару та крізь відповідну гілку розгалужувача надходить до демультиплексора. В рефлектометрі за допомогою селективного фільтра відбувається постійний покроковий контроль інтенсивності випромінювання, що надходить від усіх чутливих елементів. Інтенсивність зареєстрованої частки світла буде пропорційна величині вимірюваного параметра газового середовища, а величина довжини хвилі, на якій буде зареєстрована максимальна величина інтенсивності світла, буде відповідати відстані до місця появи метанової газової сполуки. Подальша обробка випромінювання, що надходить з демультиплексора, дозволить отримати електричний сигнал, який буде пропорційний величині концентрації контрольованого газового середовища. Джерела інформації: 1. Аш. Ж. Датчики измерительных систем: в 2 книгах. Кн. 2. Пер. с франц. - Μ.: Мир, 1992. 424 с. 2. Удд. Э. Волоконно-оптические датчики. - Μ.: Техносфера, 2008. - 520 с. 3. Патент US №7075653, 2006. 4. Патент РФ № 137373, МПК 7, G01J 3/00. Дистанционный датчик метана /Заявители: Бень А.В., Алексеев К.О., Орлов А.Е., Борейшо Α.Α., Чугреев А.В., Васильев Д.Н., Борейшо А.С. Патентообладатель ООО "Научно-производственное предприятие "Лазерные системы". - № 2013126009. 2 UA 114986 U 5 5. Деклараційний патент України № 78611, МПК (2011) G01M 11/02 (2006.1). Волоконнооптичний газоаналізатор /Заявники та володарі патенту: Сандлер, А.К., Цюпко, Ю.М. - Заявл. 18.09.2012. //Опубл. 25.03.2013, бюл. № 6. 6. Деклараційний патент України № 109930, МПК (2016.01), G01L 11/02 (2006.01), H04R 1/44 (2006.01), G01M 11/00, G02B 6/00. Волоконно-оптичний інваріантний гідрофон /Заявники та володарі патенту: Сандлер, А.К., Цюпко, Ю.М. - Заявл. 04.07.2016. //Опубл. 12.09.2016, бюл. № 17/2016. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 Волоконно-оптичний датчик метану, що складається джерела лазерного випромінювання, фотоприймачів, процесорного модуля з рідкокристалічним екраном, об'єднаних у складі рефлектометра, первинного розгалужувача, світловода, який відрізняється тим, що до складу рефлектометра введено селективний оптичний фільтр, для контролю параметрів газової суміші застосовано такий, що знаходиться безпосередньо у зоні контролю, волоконно-оптичний чутливий елемент, що являє собою основу з кварцового скла, до якої приварено циліндричну оптичну частину, газопроникну мембрану, віддзеркалюючий шар з сапфірового скла, до якого нероз'ємно та коаксіально до циліндричної оптичної частини прикріплено основний світловод, а для передачі та перетворення випромінювання до та від чутливого елемента датчика застосовується виключно основний світловод, вторинні розгалужувачі та оптичні вторинні фільтри. 3 UA 114986 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4