PL227186B1 - Sposób detekcji i lokalizacji gazu oraz układ realizujacy ten sposób - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób detekcji i lokalizacji gazu oraz układ realizujący ten sposób, pozwalające na selektywną detekcję i lokalizację przestrzenną gazu w powietrzu, w szczególności w konfiguracji zdalnej. Przedmioty wynalazku mają zastosowanie w wykrywaniu wycieków gazu wraz z określeniem miejsca wycieku. Pozwalają przede wszystkim na detekcję gazów w celach bezpieczeństwa (np. wykrywanie wycieków gazów toksycznych lub wybuchowych), w zastosowaniach przemysłowych (np. wykrywanie wycieków na liniach produkcyjnych, pomiary profili stężenia gazu w gazach wylotowych, także z silników).

W systemach przesyłu i dystrybucji paliw gazowych niezwykle istotnym zagadnieniem jest skuteczne wykrywanie wycieków gazu z sieci i instalacji gazowych, pozwalające zapewnić odpowiedni poziom bezpieczeństwa. W literaturze przedmiotu szczególnym zainteresowaniem cieszą się optyczne metody detekcji i lokalizacji gazu.

Typowy układ do zdalnej detekcji gazu obejmuje nadajnik w postaci źródła laserowego, z którego światło laserowe jest wysyłane w kierunku lustra/retroreflektora lub powierzchni rozpraszającej. W tego typu rozwiązaniu układy wysyłający światło laserowe i zbierający promieniowanie powracające, znajdują się w bliskiej odległości lub stanowią jeden układ nadajnik-odbiornik. Wiązka powracająca może być odbita od lustra lub rozproszona na przeszkodzie (np. ścianach budynków, drzewach itp.). Zwykle na podstawie analizy sygnału powracającego możliwe jest określenie uśrednionego stężenia gazu na odcinku od nadajnika/odbiornika do przeszkody/lustra. Co istotne, w układzie tym detekuje się uśrednione stężenie gazu w wybranym kierunku. Przykładowo, tego typu układ zwróci taki sam wynik w przypadku pomiaru sygnału od stężenia gazu 1 ppmv na odcinku 10 m, co w przypadku stężenia 0,5 ppmv na odcinku 9 m i stężenia gazu 5,5 ppmv na pozostałym odcinku 1 m. W związku z tym układ taki nie pozwala na lokalizację przestrzenną stężenia gazu wzdłuż promienia pomiarowego.

Możliwość lokalizacji gazu występuje w przypadku, gdy światło powracające do układu jest światłem rozpraszanym na cząsteczkach gazu unoszących się w powietrzu. Tego typu układ jest zazwyczaj określany nazwą LIDAR (ang. Light Detection And Ranging). W układzie takim do pomiaru stosuje się krótkie impulsy promieniowania elektromagnetycznego o dużej energii. Światło jest rozpraszane w trakcie propagacji i lokalizacja przestrzenna może być wykonana na podstawie analizy czasu powrotu światła rozproszonego do odbiornika. Dodatkowa informacja spektroskopowa (dotycząca stężenia gazów) może być uzyskana jeżeli układ będzie wykorzystywał światło podczerwone o odpowiedniej długości fali (tzw. Differential Absorption LIDAR). Ponadto układ typu LIDAR może wykorzystywać rozpraszanie Ramana do stwierdzenia obecności gazu w atmosferze. W tym przypadku w układzie wykorzystuje się lasery innego typu, charakteryzujące się emisją na krótszych falach elektromagnetycznych. Powyższe rozwiązania opierające się na układach typu LIDAR, posiadają jednak następujące wady:

- z powodów technicznych układy typu LIDAR zwykle nie mogą prawidłowo pracować na krótkich dystansach (konstrukcja teleskopu oraz dobór jego parametrów maksymalizujące sygnał LIDARowy wpływają negatywnie na poziom rejestrowanego sygnału rozpraszanego z odległości do 50-100 m),

- czułość układów typu LIDAR jest bardzo mała (wynika to z niezwykle niskich poziomów mocy optycznej jaka powraca do odbiornika) i uzyskiwana informacja o stężeniu ma zwykle charakter jakościowy, nie ilościowy,

- układ detekcyjny jest skomplikowany i wielkogabarytowy, gdyż wymaga zazwyczaj wykorzystania dużego teleskopu i bardzo czułego detektora (zwyczajowo detektora lawinowego),

- w przypadku chęci uzyskania informacji o konkretnych gazach w powietrzu konieczna obróbka danych jest niezwykle czasochłonna i skomplikowana ze względu na ogromną liczbę danych do przetworzenia.

W dziedzinie techniki do zdalnej detekcji gazu intensywnie rozwijana jest metoda foto-akustyczna. W metodzie tej wykorzystywane jest światło o długości fali w pobliżu rezonansu wybranej molekuły. Światło to jest absorbowane przez tę molekułę co prowadzi do lokalnego wzrostu temperatury gazu. Jeżeli światło będzie poddane modulacji (natężenia lub długości fali) to modulacja ta doprowadzi do modulacji lokalnej temperatury gazu i w konsekwencji do lokalnych zmian gęstości powietrza w wyniku dyfuzji fali cieplnej do otoczenia (tzw. efekt akusto-optyczny). Zwykle do detekcji tych zmian gęstości stosuje się czuły mikrofon lub kamerton. Zmiany te mogą być także wykrywane wykorzystując drugi promień światła o innej długości fali, jak przedstawiono w publikacji naukowej M. Owens i in., „A Photothermal Interferometer for Gas-Phase Ammonia Detection,” Anal. Chem. 71,

PL 227 186 B1

1391-1399 (1999). W szczególności zmiany gęstości powietrza mogą być wykryte w układzie wibrometru laserowego (ang. laser Doppler vibrometer).

W publikacji naukowej M.B. Frish, „Current and emerging laser sensors for greenhouse gas sensing and leak detection,” Proc. SPIE Sensing Technology + Applications, vol. 9101, (2014) zaprezentowano zdalny system laserowy do monitoringu wycieku gazów, przy wykorzystaniu spektroskopii absorpcyjnej. Przedstawione w publikacji przykłady systemów dotyczą m.in. systemu umożliwiającego ciągłe monitorowanie wycieku gazu na dystansie do 300 m. Jednakże ujawniony system pozwala jedynie na wykrycie wycieku gazu na drodze optycznej wiązki lasera, bez możliwości dokładnej lokalizacji miejsca wycieku gazu.

Z opisu amerykańskiego patentu US 7486399 B1 znany jest system laserowy do detekcji wycieku gazów w powietrzu, który umożliwia jedynie pomiar średniego stężenia gazu na drodze optycznej wiązki od nadajnika/odbiornika do przeszkody (rozwiązanie podobne do wspomnianego w poprzednim akapicie). Zasada działania opiera się na pomiarze stopnia pochłaniania światła (co pozwala zmierzyć stężenie gazu) oraz czasu przelotu światła rozproszonego (co pozwala wyznaczyć odległość do przeszkody). Jedna z zaprezentowanych w cytowanym patencie koncepcji dotyczy systemu detekcji i lokalizacji gazu, bazującego na typowym układzie do zdalnej detekcji, w którym pojedynczy laser pełni funkcję nadajnika i odbiornika. Analizowany obszar jest skanowany za pomocą wiązki lasera poruszającej się ruchem zygzakowatym. Druga koncepcja zakłada wykorzystanie ruchomego pojazdu wyposażonego w zestaw optyczny do mapowania okolicy pod kątem wycieku gazu w powietrzu, zarówno w płaszczyźnie poziomej, jak i pionowej, a zgromadzone dane mogą być przekazywane bezprzewodowo w celu szybkiej lokalizacji wycieku. Zastosowane rozwiązanie umożliwia określenie średniego stężenia gazu na drodze optycznej wiązki skanującej jednak bez możliwości dokładnej lokalizacji miejsca wycieku gazu (pozwala jedynie na wyznaczenie kierunku występowania wycieku).

W publikacji naukowej S.H. Yonak, D.R. Dowling, „Parametric dependencies for photoacoustic leak localization,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 112, s. 145-155 (2002) ujawniono zdalną detekcję i lokalizację wycieków gazu (heksafluorku siarki) w oparciu o metodę fotoakustyczną. System składał się m.in. z przestrajalnego lasera CO₂ o dł. fali 10,6 μm, lasera He-Ne, sprzęgacza Zn-Se, skanera wiązki laserowej oraz układu 4 mikrofonów (do detekcji sygnału akustycznego). Lokalizacja wycieku sygnału możliwa jest dzięki zastosowaniu 4 mikrofonów i późniejszej obróbce wytwarzanych przez nie sygnałów. Układ ten pozwala jednak na detekcję i lokalizację wycieku gazu tylko w jednej płaszczyźnie co stanowi duże ograniczenie metody (brak możliwości lokalizacji miejsca wycieku), wymaga zastosowaniu skomplikowanego układu obróbki sygnałów z mikrofonów oraz stosunkowo dużego lasera CO2 (brak możliwości miniaturyzacji).

Problemem technicznym pozostającym do rozwiązania jest zaproponowanie takiego sposobu detekcji i lokalizacji gazu oraz układu realizującego ten sposób, które umożliwią zdalny i selektywny pomiar stężenia gazu wraz z dokładnym określeniem przestrzennym miejsca jego występowania (wspomniane powyżej znane rozwiązania dają jedynie możliwość wyznaczenia kierunku w przestrzeni, bez lokalizacji miejsca). Co więcej, pożądane jest by rozwiązanie to stanowiło konstrukcję kompaktową, możliwą do zamknięcia w pojedynczej wspólnej obudowie, nie wymagającą wykorzystania licznego sprzętu, ani skomplikowanych algorytmów obróbki danych, co pozwoli osiągnąć korzyści ekonomiczne. Nieoczekiwanie wspomniane problemy rozwiązał prezentowany wynalazek.

Pierwszym przedmiotem wynalazku jest sposób detekcji i lokalizacji gazu obejmujący następujące etapy:

a) wiązkę pomiarową, wychodzącą ze źródła pomiarowego, rozdziela się na dwie wiązki w układzie rozdzielającym, przy czym pierwszą wiązkę pomiarową kieruje się na obszar badany, a drugą wiązkę pomiarową kieruje się do przesuwnika częstotliwości,

b) wiązkę wzbudzającą o długości fali dopasowanej do częstotliwości rezonansowej molekuł badanego gazu, wychodzącą ze źródła wzbudzającego, kieruje się na obszar badany,

c) pierwszą wiązkę pomiarową po przejściu przez obszar badany łączy się w układzie łączącym z drugą wiązką pomiarową wychodzącą z przesuwnika częstotliwości i wynikową wiązkę kieruje się na detektor wyposażony w układ elektroniczny do obróbki zebranego przez detektor sygnału, charakteryzujący się tym, że pierwsza wiązka pomiarowa i wiązka wzbudzająca są kierowane na obszar badany niewspółosiowo tak, że przecinają się w obszarze badanym. W korzystnej realizacji wynalazku wiązkę wzbudzającą kieruje się w różne pozycje obszaru badanego przy zachowaniu przecinania się z pierwszą wiązką pomiarową. W jednej z realizacji sposobu według wynalazku pierwsza wiązka pomiarowa po przejściu przez obszar badany może być odbita lub rozproszona zanim zostanie

PL 227 186 B1 połączona z drugą wiązką pomiarową. W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku wiązka wzbudzająca jest modulowana amplitudowo lub częstotliwościowo (w celu wygenerowania sygnału foto-akustycznego). W następnej korzystnej realizacji wynalazku układ elektroniczny zawiera demodulator i/lub filtr pasmowoprzepustowy.

Drugim przedmiotem wynalazku jest układ detekcji i lokalizacji gazu zawierający źródło pomiarowe emitujące wiązkę pomiarową, źródło wzbudzające emitujące wiązkę wzbudzającą, układ rozdzielający, rozdzielający wiązkę pomiarową na pierwszą wiązkę pomiarową kierowaną na obszar badany i drugą wiązkę pomiarową kierowaną na przesuwnik częstotliwości, układ łączący, łączący pierwszą wiązkę pomiarową po przejściu przez obszar badany i drugą wiązkę pomiarową wychodzącą z przesuwnika częstotliwości, detektor, na który padają połączone pierwsza wiązka pomiarowa i druga wiązka pomiarowa oraz układ elektroniczny do obróbki sygnału zarejestrowanego przez detektor, charakteryzujący się tym, że źródło pomiarowe i źródło wzbudzające są umieszczone niewspółosiowo względem siebie tak, że pierwsza wiązka pomiarowa i wiązka wzbudzająca przecinają się w obszarze badanym. W korzystnej realizacji wynalazku źródło wzbudzające posiada regulowaną pozycję względem źródła pomiarowego tak, że wiązka wzbudzająca kierowana jest w różne pozycje obszaru badanego przy zachowaniu przecięcia się z pierwszą wiązką pomiarową. W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku wiązka wzbudzająca jest modulowana amplitudowo lub częstotliwościowo. W następnej korzystnej realizacji wynalazku układ elektroniczny zawiera demodulator i/lub filtr pasmowoprzepustowy. W korzystnej realizacji wynalazku źródło pomiarowe i/lub źródło wzbudzające stanowi laser, korzystnie półprzewodnikowy. W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku transmisja wiązek świetlnych poza obszarem badanym, łączenie i rozdzielanie ich, odbywają się w technologii światłowodowej.

Zasadniczą zaletą proponowanego rozwiązania jest możliwość jednoczesnej selektywnej detekcji gazu oraz jego lokalizacji przestrzennej, także w konfiguracji zdalnej. Lokalizacja gazu jest możliwa gdyż sygnał foto-akustyczny powstający na drodze promienia wzbudzającego detekowany jest wyłącznie w miejscu, w którym ten promień przecina się z pierwszą wiązka pomiarowa. Przedmiotowy sposób oraz układ detekcji i lokalizacji gazu wykorzystują ograniczoną liczbę elementów składowych przez co uproszczeniu uległa budowa całego układu i możliwe stało się zamknięcie przedmiotowego układu w pojedynczej wspólnej obudowie. Dodatkowo prezentowane rozwiązanie nie wymaga wykorzystania skomplikowanych i bardzo drogich systemów detekcyjnych, takich jak detektory lawinowe. Nie ma też konieczności przeprowadzenia skomplikowanej obróbki danych, tak jak ma to miejsce w układach typu LIDAR, gdyż sygnał z detektora poddawany jest jedynie demodulacji i filtracji. Z praktyczengo punktu widzenia (konieczność zapewnienia przecięcia się wiązki pomiarowej i wzbudzającej) proponowane rozwiązanie może być stosowane dla odległości do 100 m.

Przykładowe realizacje wynalazku zaprezentowano na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy układu detekcji i lokalizacji gazu według wynalazku, fig. 2 przedstawia schemat ideowy jednej realizacji układu detekcji i lokalizacji gazu według wynalazku, fig. 3 przedstawia wykres sygnału rejestrowanego przez detektor w funkcji długości fali wokół linii rezonansowej dla CO2, fig. 4 przedstawia wykres sygnału rejestrowanego przez detektor w funkcji pozycji wiązki wzbudzającej dla CO2, natomiast fig. 5 przedstawia schematyczną ilustrację sposobu detekcji i lokalizacji gazu.

P r z y k ł a d 1

Na fig. 1 przedstawiono schemat blokowy układu detekcji i lokalizacji gazu według wynalazku, prezentujący ogólną koncepcję pomiarową. W proponowanym układzie wykorzystywana jest wiązka światła wzbudzającego 4, nazywana dalej wiązką wzbudzającą, o długości fali w pobliżu rezonansu wybranej molekuły gazowej. Wiązka wzbudzająca 4 emitowana jest ze źródła wzbudzenia 3, którym w szczególności może być źródło laserowe, z modulacją (natężenia światła lub długości fali) na częstotliwości f (która może wynosić od kilkudziesięciu Hz do kilkudziesięciu kHz). W miejscu w przestrzeni, w którym wiązka wzbudzająca 4 jest absorbowana przez molekułę gazu występuje lokalny wzrost temperatury gazu i w konsekwencji zmianie ulega gęstość powietrza. Zmiany te można wykryć wykorzystując drugą wiązkę światła pomiarowego 2, zwaną dalej wiązką pomiarową, o innej długości fali od wiązki wzbudzającej 4, emitowaną przez źródło pomiarowe 1. W szczególności zmiany gęstości powietrza mogą być wykryte w układzie wibrometru laserowego (ang. laser Doppler vibrometer), na jaki składają się np. dwie płytki światłodzielące 7a i 7b oraz dwa lustra 8a i 8b, a także przesuwnik częstotliwości 9 przesuwający częstotliwość fali świetlnej wiązki pomiarowej 2 o określoną wartość Ω.

Przesuwnikiem częstotliwości 9 może być modulator akusto-optyczny dla którego Ω wynosi od kilku MHz do kilku GHz. Układ wibrometru może być zbudowany w innej konfiguracji (np. interferometr Michelsona) i może wykorzystywać inne elementy (w szczególności elementy światłowodowe). Na wyjPL 227 186 B1 ściu interferometru (tzn. za płytką 7b) dwa promienie są skupiane na detektorze 5, którego pasmo elektryczne pozwala na detekcję sygnału heterodynowego na częstotliwości Ω. Wyjście detektora 5 jest podłączone do odpowiedniego układu elektronicznego 6, w którym sygnał heterodynowy jest poddawany demodulacji częstotliwości wokół częstotliwości Ω oraz dalszej obróbce sygnału. Obróbka sygnału może polegać na odfiltrowaniu z sygnału po demodulacji składowej o częstotliwości f lub wielokrotności f. Ponieważ sygnał spektroskopowy może pojawić się w układzie jedynie gdy wiązka pomiarowa 2 i wiązka wzbudzająca 4 pokrywają się ze sobą, zmiana pozycji wiązki wzbudzającej 4 - na fig. 1 przedstawiona jako obrót w jednej płaszczyźnie - zapewnia zdolność określenia miejsca w przestrzeni, z którego pochodzi sygnał pomiarowy. Takie miejsca zostały schematycznie przedstawione na fig. 1 i oznaczone literami a-d.

W sposobie według wynalazku detekcja polega więc na zmianie położenia wiązki wzbudzającej 4 i jednoczesnej detekcji sygnału z wiązki pomiarowej 2 przez detektor 5 i układ elektroniczny 6. Wzajemne położenie źródła pomiarowego 1 i źródła wzbudzającego 3 oraz znajomość kierunków rozchodzenia się wiązki pomiarowej 2 (pierwszej wiązki pomiarowej) i wiązki wzbudzającej 4 pozwala wyznaczyć na podstawie prostych zależności geometrycznych miejsce w przestrzeni, z którego pochodzi wykrywany sygnał.

P r z y k ł a d 2

Na fig. 2 przedstawiono schemat ideowy jednej z możliwych realizacji układu detekcji i lokalizacji gazu według wynalazku. Układ ten przeznaczony był do detekcji dwutlenku węgla CO2. W przedstawionym układzie źródłem wzbudzającym 3 jest laser wzbudzający (generujący sygnał fotoakustyczny), w postaci lasera półprzewodnikowego typu DFB pracującego na długości fali 2003 nm (długość fali pokrywająca się z linią absorpcyjną CO2. Wiązka wzbudzająca 4 z lasera wzbudzającego 3 posiadała modulowaną długość fali, poprzez sinusoidalną modulację prądu za pomocą generatora funkcyjnego 13 (częstotliwość modulacji fm = 400 Hz. Moc wyjściowa lasera wzbudzającego 3 wynosiła 2 mW, a wyjście realizowane było poprzez światłowód ze złączką światłowodową FC/APC. Na wyjściu lasera wzbudzającego 3 podłączony był wzmacniacz światłowodowy 14 (TDFA, ang. Thuliumdoped fiber amplifier) o mocy wyjściowej do 5 W, przy czym w przeprowadzonych pomiarach stosowano moc do około 650 mW. Na wyjściu wzmacniacza światłowodowego 14 umieszczono kolimator światłowodowy 12c, za którym skolimowana wiązka wzbudzającą 4 posiadała średnicę około 3 mm. Pozycja wiązki wzbudzającej 4, a tym samym miejsce przecięcia z wiązką pomiarową 2, była zmieniania poprzez przesuwanie całego kolimatora 12c, co przedstawiono schematycznie na fig. 2 za pomocą przerywanej strzałki (położenia 4a/4b/4c). Źródło pomiarowe 1, nazywane dalej laserem pomiarowym, czyli odpowiedzialne za pomiar zmian gęstości powietrza w wyniku powstania fali akustycznej, stanowi laser półprzewodnikowy typu DFB pracujący na długości fali 1550 nm o mocy wyjściowej około 20 mW. Na wyjściu lasera pomiarowego 1 umieszczono sprzęgacz światłowodowy 10a rozdzielający sygnał optyczny na dwa kierunki. Pierwszym była część pomiarowa zawierająca dwa kolimatory 12a i 12b umieszczone w odległości około 30 cm; przy czym średnica wiązki wyjściowej wynosiła około 3 mm. W drugim ramieniu umieszczony został przesuwnik częstotliwości 9 (modulator akustooptyczny, AOM). Oba ramiona łączyły się za sobą za pomocą drugiego sprzęgacza światłowodowego 10b. Następnie sygnał optyczny był skupiany na szybkim detektorze 5 (pasmo >1GHz). W przedstawionym układzie próbką pomiarową był czysty dwutlenek węgla CO2 umieszczony w szklanej komórce 11 o średnicy ok. 2,54 cm umieszczonej wertykalnie względem kierunku rozchodzenia się wiązek światła. Ciśnienie gazu w komórce wynosiło 740 Torr. Układ został ustawiony w sposób, który gwarantował możliwość przecięcia się wiązki wzbudzającej i rozdzielonej pierwszej wiązki pomiarowej wewnątrz komórki z gazem 11, poprzez przesunięcie kolimatora 12c zgodnie ze schematem na fig. 2 oraz fig. 5. Sygnał wyjściowy z detektora (sygnał heterodynowy na częstotliwości 200 MHz) był podłączony na wejście układu elektronicznego 6 w postaci analizatora widma elektrycznego składającego się m.in. z demodulatora częstotliwości oraz filtru pasmowoprzepustowego. Sygnał był demodulowany, a następnie analizowany za pomocą właściwego oprogramowania w celu detekcji amplitudy jedynie składowej na częstotliwości 2xfm = 800 Hz. Sygnał otrzymany na wyjściu filtru pasmowoprzepustowego był sygnałem użytecznym, wyrażonym w jednostkach względnych.

W przedstawionym układzie możliwe było rejestrowanie sygnałów w dwóch trybach. Pierwszym jest tryb pełnego skanowania linii absorpcyjnej, w którym prąd lasera wzbudzającego 3, poza modulacją, jest dodatkowo modyfikowany wolnozmiennym przebiegiem piłokształtnym. W prezentowanym przykładzie realizacji stosowano sygnał o częstotliwości 20 mHz. Takie skanowanie umożliwiło rejestrację pełnego widma linii absorpcyjnej. Drugim trybem był tzw. tryb „line-locked” (na ustalonej linii),

PL 227 186 B1 w którym długość fali lasera wzbudzającego 4 była dostrajania do środka linii absorpcyjnej badanej molekuły gazowej. W układzie takim rejestrowano jedynie sygnał pochodzący ze środka rezonansu, który jest proporcjonalny m.in. do absorbancji (pozwala to uniknąć czasochłonnego skanowania pełnej linii absorpcyjnej i może być z powodzeniem stosowane, gdy rejestrowany sygnał nie posiada tła).

Fig. 3 przedstawia sygnały w trybie skanowania pełnej linii dla wiązki wzbudzającej 4 w położeniu 4a i 4b z fig. 2 (przecięcie się dwóch wiązek poza i wewnątrz komórki z gazem 11). Zastosowano następujące parametry pomiarowe: akwizycja 25 ms/punkt, rejestracja co 300 ms, skan przez linię: 20 mHz uśrednione 20 skanów (efektywnie: 500 ms/punkt pomiarowy). Na fig. 3 sygnał z gazem oznacza sygnał zarejestrowany na przecięciu dwóch wiązek, rozdzielonej pierwszej wiązki pomiarowej i wiązki 4, wewnątrz komórki z CO2 11, natomiast sygnał bez gazu oznacza sygnał zarejestrowany na przecięciu dwóch wiązek, rozdzielonej pierwszej wiązki pomiarowej i wiązki 4, poza komórką z CO2 11. Literą A oznaczono amplitudę sygnału na środku linii rezonansowej gazu i jest ona proporcjonalna do stężenia gazu. Ponieważ sygnał pozbawiony jest tła (sygnał „bez gazu” ma zerową amplitudę) możliwy jest pomiar, w którym długość fali lasera wzbudzającego 3 jest dostrojona do środka rezonansu CO2 i rejestracji podlega tylko amplituda A. Przykład takiego pomiaru przedstawiono na fig. 4, gdzie przy pomiarze stosowano następujące parametry: sygnał w trybie „line-locked”, kolimator 12c wiązki wzbudzającej 4 stopniowo przesuwany z pozycji 4a do 4c (efektywnie: 25 ms/punkt pomiarowy), jak przedstawiono bardziej szczegółowo na fig. 5. Na wykresie tym obserwowany jest wzrost amplitudy rejestrowanego sygnału w pozycji odpowiadającej pozycji komórki z badanym gazem 11. Potwierdzono zatem możliwość detekcji i lokalizacji przestrzennej gazu w układzie według wynalazku. Co więcej, układ ten ogranicza liczbę elementów składowych i korzysta z powszechnie stosowanych i dobrze opracowanych elementów optycznych i optoelektronicznych, znanych z technologii światłowodowej. Umiejscowienie w bliskiej odległości lasera wzbudzającego 3 i lasera pomiarowego 1 pozwala na integrację układu w jednej obudowie, co pozwala na utworzenie kompaktowego urządzenia realizującego przedmiotowy sposób.

Claims (10)

1. Sposób detekcji i lokalizacji gazu obejmujący następujące etapy:

a) wiązkę pomiarową (2), wychodzącą ze źródła pomiarowego (1), rozdziela się na dwie wiązki w układzie rozdzielającym (7a, 10a), przy czym pierwszą wiązkę pomiarową kieruje się na obszar badany (11), a drugą wiązkę pomiarową kieruje się do przesuwnika częstotliwości (9),

b) wiązkę wzbudzającą (4), o długości fali dopasowanej do częstotliwości rezonansowej molekuł badanego gazu, wychodzącą ze źródła wzbudzającego (3), kieruje się na obszar badany (11),

c) pierwszą wiązkę pomiarową po przejściu przez obszar badany (11) łączy się w układzie łączącym (7b, 10b) z drugą wiązką pomiarową wychodzącą z przesuwnika częstotliwości (9) i wynikową wiązkę kieruje się na detektor (5) wyposażony w układ elektroniczny (6) do obróbki zebranego przez detektor (5) sygnału, znamienny tym, że pierwsza wiązka pomiarowa i wiązka wzbudzająca (4) są kierowane na obszar badany (11) niewspółosiowo tak, że przecinają się w obszarze badanym (11).

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wiązkę wzbudzającą (4) kieruje się w różne pozycje obszaru badanego (11) przy zachowaniu przecinania się z pierwszą wiązką pomiarową.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że wiązka wzbudzająca (4) jest modulowana amplitudowo lub częstotliwościowo.

4. Sposób według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 3, znamienny tym, że układ elektroniczny (6) zawiera demodulator i/lub filtr pasmowoprzepustowy.

5. Układ detekcji i lokalizacji gazu zawierający źródło pomiarowe (1) emitujące wiązkę pomiarową (2), źródło wzbudzające (3) emitujące wiązkę wzbudzającą (4), układ rozdzielający (7a, 10a), rozdzielający wiązkę pomiarową (2) na pierwszą wiązkę pomiarową kierowaną na obszar badany (11) i drugą wiązkę pomiarową kierowaną na przesuwnik częstotliwości (9), układ łączący (7b, 10b), łączący pierwszą wiązkę pomiarową po przejściu przez obszar badany (11) i drugą wiązkę pomiarową wychodzącą z przesuwnika częstotliwości (9), detektor (5), na

PL 227 186 B1 który padają połączone pierwsza wiązka pomiarowa i druga wiązka pomiarowa oraz układ elektroniczny (6) do obróbki sygnału zarejestrowanego przez detektor (5), znamienny tym, że źródło pomiarowe (1) i źródło wzbudzające (3) są umieszczone niewspółosiowo względem siebie tak, że pierwsza wiązka pomiarowa i wiązka wzbudzająca (4) przecinają się w obszarze badanym (11).

6. Układ według zastrz. 5, znamienny tym, że źródło wzbudzające (3) posiada regulowaną pozycję względem źródła pomiarowego (1) tak, że wiązka wzbudzająca (4) kierowana jest w różne pozycje (4a, 4b, 4c) obszaru badanego (11) przy zachowaniu przecięcia się z pierwszą wiązką pomiarową.

7. Układ według zastrz. 5 albo 6, znamienny tym, że wiązka wzbudzająca (4) jest modulowana amplitudowo lub częstotliwościowo.

8. Układ według któregokolwiek z zastrz. od 5 do 7, znamienny tym, że układ elektroniczny (6) zawiera demodulator i/lub filtr pasmowoprzepustowy.

9. Układ według któregokolwiek z zastrz. od 5 do 8, znamienny tym, że źródło pomiarowe (1) i/lub źródło wzbudzające (3) stanowi laser, korzystnie laser półprzewodnikowy.

10. Układ według któregokolwiek z zastrz. od 5 do 9, znamienny tym, że transmisja wiązek świetlnych poza obszarem badanym (11) oraz ich rozdzielanie i łączenie, realizowane jest w technologii światłowodowej.