RU2786790C1 - Laser optoacoustic gas analyser and method for measuring the gas concentration - Google Patents
Laser optoacoustic gas analyser and method for measuring the gas concentration Download PDFInfo
- Publication number
- RU2786790C1 RU2786790C1 RU2021134953A RU2021134953A RU2786790C1 RU 2786790 C1 RU2786790 C1 RU 2786790C1 RU 2021134953 A RU2021134953 A RU 2021134953A RU 2021134953 A RU2021134953 A RU 2021134953A RU 2786790 C1 RU2786790 C1 RU 2786790C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- acoustic
- gas
- cell
- optoacoustic
- sample
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical Effects 0.000 claims abstract description 43
- 230000000977 initiatory Effects 0.000 claims abstract description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 4
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 3
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 abstract description 121
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 210000002421 Cell Wall Anatomy 0.000 abstract description 3
- 238000010895 photoacoustic effect Methods 0.000 abstract description 2
- 239000006117 anti-reflective coating Substances 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 195
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 36
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 14
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 7
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 230000005534 acoustic noise Effects 0.000 description 5
- SFZCNBIFKDRMGX-UHFFFAOYSA-N Sulfur hexafluoride Chemical compound FS(F)(F)(F)(F)F SFZCNBIFKDRMGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 230000003584 silencer Effects 0.000 description 4
- 229960000909 sulfur hexafluoride Drugs 0.000 description 4
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 3
- 239000008263 liquid aerosol Substances 0.000 description 3
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 3
- 239000008275 solid aerosol Substances 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 2
- 230000000644 propagated Effects 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 230000011664 signaling Effects 0.000 description 2
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 2
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000001427 coherent Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 description 1
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000003550 marker Substances 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
[1] Заявленные изобретение и способ могут применяться в отраслях обрабатывающей промышленности, таких как машиностроение и электроэнергетика для контроля качества технологических процессов, неразрушающего контроля герметичности оборудования, мониторинга концентрации газов в воздухе рабочей зоны для охраны труда персонала, а также для контроля за количеством выбросов парниковых газов в атмосферу.[1] The claimed invention and method can be used in manufacturing industries such as mechanical engineering and electric power industry to control the quality of technological processes, non-destructive testing of equipment tightness, monitoring the concentration of gases in the air of the working area for labor protection of personnel, as well as to control the amount of greenhouse gas emissions. gases to the atmosphere.
Уровень техникиState of the art
[2] Газоанализатор - прибор, предназначенный для измерения концентрации одного измеряемого компонента или группы измеряемых компонентов в газовой смеси. В отличие от хроматографов, в которых происходит разделение газовой смеси на компоненты, в газоанализаторах на чувствительный элемент воздействует вся газовая смесь.[2] A gas analyzer is a device designed to measure the concentration of one measurable component or a group of measurable components in a gas mixture. Unlike chromatographs, in which the gas mixture is separated into components, in gas analyzers the entire gas mixture acts on the sensitive element.
[3] К классу газоанализаторов относятся не только газоанализаторы, но и такие технические средства, как индикаторы, сигнализаторы и течеискатели, обеспечивающие соответственно индикацию наличия определенного газового компонента, сигнализацию о превышении некоторой пороговой концентрации и определение негерметичных мест конструкций, заполненных теми или иными газовыми смесями. В большинстве промышленных газоанализаторов используются косвенные методы измерения, основанные на использовании определенного физико-химического свойства измеряемого компонента газовой смеси, которое отличается от свойств других неизмеряемых компонентов. Чем больше отличие физико-химического свойства измеряемого компонента газовой смеси, тем точнее можно определить искомую концентрацию измеряемого компонента. От выбора этого физико-химического свойства зависит метод газового анализа. Заявленные изобретение и способ используются в оптических абсорбционных газоанализаторах, использующих оптико-акустический метод измерений, основанный на способности газов поглощать излучение определенной длины волны. В качестве источников излучения могут быть использованы лампы, нагретые источники тепла, лазеры. Применение лазеров в отличие от других источников излучения позволяет получить узкий спектр излучения, использующегося для обнаружения газов, и тем самым повысить чувствительность измерений.[3] The class of gas analyzers includes not only gas analyzers, but also such technical means as indicators, signaling devices and leak detectors, which provide, respectively, indication of the presence of a certain gas component, signaling that a certain threshold concentration has been exceeded, and determining leaks in structures filled with certain gas mixtures . In most industrial gas analyzers, indirect measurement methods are used, based on the use of a certain physico-chemical property of the measured component of the gas mixture, which differs from the properties of other unmeasured components. The greater the difference in the physicochemical properties of the measured component of the gas mixture, the more accurately it is possible to determine the desired concentration of the measured component. The method of gas analysis depends on the choice of this physico-chemical property. The claimed invention and method are used in optical absorption gas analyzers using an optical-acoustic measurement method based on the ability of gases to absorb radiation of a certain wavelength. Lamps, heated heat sources, lasers can be used as radiation sources. The use of lasers, unlike other radiation sources, makes it possible to obtain a narrow spectrum of radiation used to detect gases, and thereby increase the sensitivity of measurements.
[4] Принцип действия оптико-акустического преобразователя основан на поглощении определенных длин волн излучения газом, заключенным в замкнутый объем. При поглощении излучения газ нагревается, при этом его давление повышается. При прерывании потока излучения с некоторой частотой газ будет периодически нагреваться, и охлаждаться, в результате чего возникают колебания температуры и давления. Возникающие колебания давления воспринимаются чувствительным элементом газоанализатора, и далее полученный сигнал обрабатывается микропроцессорным устройством.[4] The principle of operation of an optical-acoustic transducer is based on the absorption of certain wavelengths of radiation by a gas enclosed in a closed volume. When radiation is absorbed, the gas heats up, and its pressure rises. When the radiation flow is interrupted at a certain frequency, the gas will periodically heat up and cool down, resulting in temperature and pressure fluctuations. The resulting pressure fluctuations are perceived by the sensitive element of the gas analyzer, and then the received signal is processed by a microprocessor device.
[5] Известно решение (RU 90905 U1; опубл. 20.01.2010; МПК: G01N 21/00), включающее в себя в том числе лазер с модуляцией мощности излучения, две оптико-акустические ячейки, через которые проходит лазерное излучение, снабженные микрофонами, смонтированными на боковых стенках ячеек, устройство для обработки сигналов от микрофонов, к которому подключены микрофоны ячеек, причем одна ячейка выполнена нерезонансной и заполнена анализируемым газом с известной концентрацией, вторая ячейка выполнена резонансной и в ней находится анализируемый газ с измеряемой концентрацией.[5] A solution is known (RU 90905 U1; publ. 20.01.2010; IPC: G01N 21/00), which includes, among other things, a laser with radiation power modulation, two optoacoustic cells through which laser radiation passes, equipped with microphones , mounted on the side walls of the cells, a device for processing signals from microphones, to which the microphones of the cells are connected, and one cell is made non-resonant and filled with an analyzed gas with a known concentration, the second cell is made resonant and it contains an analyzed gas with a measured concentration.
[6] К недостаткам данного устройства можно отнести невозможность измерения высоких концентраций анализируемого газа, за счет того, что в устройстве применена резонансная ячейка, обеспечивающая измерение низких и сверхнизких концентраций (0,1 - 100 ppm).[6] The disadvantages of this device include the impossibility of measuring high concentrations of the analyzed gas, due to the fact that the device uses a resonant cell that provides measurement of low and ultra-low concentrations (0.1 - 100 ppm).
[7] Известно другое решение (RU 199702 U1; опубл. 15.09.2020; МПК: G01N 27/00), состоящее из в том числе двух независимых открытых акустических резонаторов, выполненных в форме прямых трубок круглого сечения, расположенных параллельно друг другу и соединенных по торцам входной и выходной буферными полостями, причем акустические резонаторы выполнены цилиндрической формы диаметром D1 и длиной L1 и разделены перегородкой толщиной t, на боковых стенках в середине каждого акустического резонатора смонтированы микрофоны, в середине одного из акустических резонаторов напротив микрофона смонтирован звуковой излучатель, входная и выходная буферные полости выполнены идентичными цилиндрической формы диаметром D2 и длиной L2, концы акустических резонаторов сообщены с буферными полостями, причем диаметр буферных полостей составляет D2 ≥ (2D1 + t), где D2 - диаметр буферных полостей; D1 - диаметр акустических резонаторов; t - толщина перегородки, разделяющей буферные полости; длина буферных полостей L2 составляет (1-1,5) × D1, торцы буферных полостей закрыты прозрачными окнами, а на боковых стенках буферных полостей смонтированы устройства для ввода/вывода анализируемого газа.[7] Another solution is known (RU 199702 U1; publ. 09/15/2020; IPC: G01N 27/00), consisting of, among other things, two independent open acoustic resonators made in the form of straight tubes of circular cross section, located parallel to each other and connected along the ends of the input and output buffer cavities, and the acoustic resonators are made of a cylindrical shape with a diameter D 1 and a length L 1 and are separated by a partition of thickness t, microphones are mounted on the side walls in the middle of each acoustic resonator, a sound emitter is mounted in the middle of one of the acoustic resonators opposite the microphone, the input and output buffer cavities are made identical to the cylindrical shape with a diameter D 2 and a length L 2 , the ends of the acoustic resonators communicate with the buffer cavities, and the diameter of the buffer cavities is D 2 ≥ (2D 1 + t), where D 2 is the diameter of the buffer cavities; D 1 - diameter of acoustic resonators; t is the thickness of the partition separating the buffer cavities; the length of the buffer cavities L 2 is (1-1.5) × D 1 , the ends of the buffer cavities are closed with transparent windows, and devices for input/output of the analyzed gas are mounted on the side walls of the buffer cavities.
[8] Приведенное устройство способно производить измерение низких концентраций целевого газа, однако измерение высокой концентрации не реализовано.[8] The above device is capable of measuring low concentrations of the target gas, but the measurement of high concentrations is not implemented.
[9] Наиболее близким к заявляемому изобретению можно считать решение (RU 2748054 C1; опубл. 19.05.2021; МПК: G01N 21/00). В патенте описано устройство, содержащее воздушный насос, последовательно установленные лазер с модуляцией мощности излучения, газонаполненную оптико-акустическую ячейку с постоянной концентрацией газа-маркера, через которую проходит лазерное излучение, резонансный оптико-акустический детектор (ОАД) и контроллер, газонаполненная оптико-акустическая ячейка и ОАД снабжены микрофонами, соединенными с контроллером, причем газоанализатор снабжен дополнительным резонансным ОАД с малой оптической длиной ~0,5…1 мм, установленным между газонаполненной оптико-акустической ячейкой и основным ОАД, дополнительный ОАД снабжен по меньшей мере одним микрофоном, основной и дополнительный ОАД соединены воздуховодом таким образом, чтобы на вход дополнительного ОАД поступала проба анализируемого воздуха, а выход дополнительного ОАД был соединен со входом основного ОАД, выход основного ОАД соединен с воздушным насосом, причем напор насоса обеспечивает скорость прокачки воздуха, при которой режим течения анализируемого газа через оптико-акустические детекторы является ламинарным.[9] The closest to the claimed invention can be considered the solution (RU 2748054 C1; publ. 05/19/2021; IPC: G01N 21/00). The patent describes a device containing an air pump, a laser with radiation power modulation installed in series, a gas-filled opto-acoustic cell with a constant concentration of marker gas through which laser radiation passes, a resonant opto-acoustic detector (ROD) and a controller, a gas-filled opto-acoustic the cell and the OMA are equipped with microphones connected to the controller, and the gas analyzer is equipped with an additional resonant OMA with a small optical length of ~0.5...1 mm installed between the gas-filled optoacoustic cell and the main OMA, the additional OMA is equipped with at least one microphone, the main additional AMA are connected by an air duct in such a way that a sample of the analyzed air enters the inlet of the additional AMA, and the output of the additional AMA is connected to the inlet of the main AMA, the output of the main AMA is connected to an air pump, and the pump head provides an air pumping speed lyzed gas through optical-acoustic detectors is laminar.
[10] Недостатки данного изобретения состоят в том, что измерение концентрации газа сопряжено с наличием высокой погрешности, связанной с шумами, возникающими из-за отсутствия центрирования резонансной ячейки и зависящей от длины дополнительного резонансного ОАД.[10] The disadvantages of this invention are that the measurement of gas concentration is associated with a high error associated with noise arising from the lack of centering of the resonant cell and depending on the length of the additional resonant OMA.
[11] Недостатком всех упомянутых приборов является пониженная точность или невозможность измерения концентрации газов при высоком ее значении.[11] The disadvantage of all the mentioned devices is the reduced accuracy or the impossibility of measuring the concentration of gases at its high value.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
[12] Задачей настоящего изобретения является создание эффективного лазерного оптико-акустического газоанализатора, способного с большой точностью определять величину концентрации целевых газов в широком динамическом диапазоне, а также разработка способа, поддерживающего заявляемую эффективность.[12] The objective of the present invention is to create an efficient laser optical-acoustic gas analyzer capable of determining the concentration of target gases with high accuracy in a wide dynamic range, as well as to develop a method that maintains the claimed efficiency.
[13] Данная задача решается за счет достижения заявляемым изобретением технического результата, заключающегося в повышении эффективности детектирования целевого газа при упрощении конструкции прибора.[13] This problem is solved by achieving the technical result claimed by the invention, which consists in increasing the efficiency of detection of the target gas while simplifying the design of the device.
[14] Повышенная эффективность обеспечивается в частности расширением динамического диапазона измерений концентрации благодаря использованию дополнительной оптико-акустической ячейки заданного размера, так и за счет повышенной точности самого процесса измерения, обусловленного центрированием дополнительной оптико-акустической ячейки относительно оптической оси, снижающим переотражения акустических волн. Кроме того, поставленный результат в том числе достигается посредством выполнения дополнительной оптико-акустической ячейки цилиндрической, снижающей число отражений акустического сигнала, и посредством снижения влияния шумов с помощью акустического фильтра.[14] Increased efficiency is provided, in particular, by expanding the dynamic range of concentration measurements due to the use of an additional optoacoustic cell of a given size, and due to the increased accuracy of the measurement process itself, due to the centering of the additional optoacoustic cell relative to the optical axis, which reduces re-reflections of acoustic waves. In addition, the set result is achieved, among other things, by making an additional optoacoustic cylindrical cell, which reduces the number of reflections of the acoustic signal, and by reducing the effect of noise using an acoustic filter.
[15] Лазерный оптико-акустический газоанализатор содержит по крайней мере один лазер, плату управления и оптико-акустический детектор, включающий точку входа пробы по крайней мере одного целевого газа, как минимум одну опорную оптико-акустическую ячейку, как минимум одну дополнительную оптико-акустическую ячейку, как минимум одну основную оптико-акустическую ячейку, точку выхода пробы газа и ограничен с двух сторон неподвижными ограничителями.[15] A laser optical-acoustic gas analyzer contains at least one laser, a control board and an optical-acoustic detector, including a sample entry point of at least one target gas, at least one reference optical-acoustic cell, at least one additional optical-acoustic a cell, at least one main optoacoustic cell, a gas sample exit point and is limited on both sides by fixed limiters.
[16] В стенках каждой упомянутой ячейки установлен по крайней мере один акустический приемник, а основная оптико-акустическая ячейка при этом включает не менее двух буферных полостей, оптические окна, активный и вспомогательный акустические каналы. В стенках каждого из каналов установлен по крайней мере один упомянутый приемник и в стенках одного из них дополнительно установлен по крайней мере один акустический источник. Упомянутые приемники и источник соединены с платой управления. Лазерное излучение проходит через оптико-акустический детектор, содержащий последовательно расположенные на оптической оси оптико-акустического детектора опорную оптико-акустическую ячейку, дополнительную оптико-акустическую ячейку, основную оптико-акустическую ячейку. Устройство отличается от аналогов тем, что между основной оптико-акустической ячейкой и дополнительной установлен акустический фильтр, а дополнительная оптико-акустическая ячейка выполнена центросимметричной относительно оптической оси оптико-акустического детектора.[16] At least one acoustic receiver is installed in the walls of each mentioned cell, and the main optoacoustic cell includes at least two buffer cavities, optical windows, active and auxiliary acoustic channels. At least one said receiver is installed in the walls of each of the channels, and at least one acoustic source is additionally installed in the walls of one of them. Said receivers and source are connected to the control board. Laser radiation passes through an opto-acoustic detector containing a reference opto-acoustic cell, an additional opto-acoustic cell, and a main opto-acoustic cell arranged in series on the optical axis of the opto-acoustic detector. The device differs from analogues in that an acoustic filter is installed between the main optoacoustic cell and the additional one, and the additional optoacoustic cell is centrosymmetric with respect to the optical axis of the optoacoustic detector.
[17] Под термином «лазер» понимается источник когерентного монохроматического электромагнитного излучения. В частности, это могут быть лазеры с различными активными средами, рабочими режимами, мощностями, с селекцией длин волн и другие. В основе работы газоанализатора лежит свойство различных веществ поглощать определенные длин волн излучения. Длина волны излучения является ключевым параметром, непосредственно определяющим способность детектирования того или иного газа с помощью оптических абсорбционных методов измерений. За счет свойств лазера обеспечивается излучение электромагнитной волны с крайне малым разбросом значений ее длины и с малым углом расходимости излучения. Выбор значения длины волны излучения лазера позволяет производить измерения концентрации нескольких целевых газов.[17] The term “laser” refers to a source of coherent monochromatic electromagnetic radiation. In particular, these can be lasers with different active media, operating modes, powers, wavelength selection, and others. The operation of the gas analyzer is based on the property of various substances to absorb certain wavelengths of radiation. The radiation wavelength is a key parameter that directly determines the ability to detect a particular gas using optical absorption measurement methods. Due to the properties of the laser, the radiation of an electromagnetic wave is ensured with an extremely small spread in the values of its length and with a small angle of radiation divergence. Selecting the laser wavelength value allows measurements of the concentration of several target gases.
[18] Оптико-акустический детектор является основным рабочим элементом изобретения. В него подается проба по крайней мере одного целевого газа, на которую воздействует излучение по крайней мере одного лазера. По результатам измерений и обработки сигналов, полученных с оптико-акустического детектора, проводится расчет концентрации газа. Оптико-акустический детектор содержит точку входа пробы газа, как минимум одну опорную оптико-акустическую ячейку, как минимум одну дополнительную оптико-акустическую ячейку, как минимум одну основную оптико-акустическую ячейку, точку выхода пробы газа и ограничен с двух сторон неподвижными ограничителями. Точка входа газа служит для подачи целевого газа в оптико-акустический детектор, а точка выхода - для его удаления. Они могут быть выполнены в виде штуцеров, клапанов, переходников и другим образом. Неподвижные ограничители служат для ограничения детектора в заданном объеме и обеспечивают надежное соединение детектора с другими частями газоанализатора, в том числе с лазером, исключая тем самым смещение луча лазера относительно продольной оси детектора и способствуя повышению эффективности детектирования целевого газа. Они могут быть выполнены в виде фланцев или иначе. Кроме того, оптико-акустический детектор дополнительно может быть соединен с насосом, обеспечивающим перемещению газовой пробы через него. Это приводит к повышению эффективности детектирования за счет определения концентрации целевого газа в режиме реального времени. Дополнительно оптико-акустический детектор может быть соединен с воздушным фильтром, защищающим оптические элементы газоанализатора от твердых и жидких частиц аэрозоля, присутствующих в пробе газа, что повышает эффективность детектирования целевого газа за счет предотвращения попадания инородных частиц в область детектирования. Также точка выхода газа может быть соединена с глушителем, уменьшающим взаимное влияние акустических помех, возникающих в основной и дополнительной оптико-акустических ячейках и связанных с работой насоса.[18] Opto-acoustic detector is the main working element of the invention. It is supplied with a sample of at least one target gas, which is affected by radiation from at least one laser. According to the results of measurements and processing of signals received from the optical-acoustic detector, the gas concentration is calculated. The opto-acoustic detector contains a gas sample entry point, at least one reference opto-acoustic cell, at least one additional opto-acoustic cell, at least one main opto-acoustic cell, a gas sample exit point and is limited on both sides by fixed limiters. The gas entry point is used to supply the target gas to the optoacoustic detector, and the exit point is used to remove it. They can be made in the form of fittings, valves, adapters and in other ways. Fixed limiters serve to limit the detector in a given volume and provide a reliable connection of the detector to other parts of the gas analyzer, including the laser, thereby eliminating the displacement of the laser beam relative to the longitudinal axis of the detector and increasing the efficiency of target gas detection. They can be made in the form of flanges or otherwise. In addition, the optical-acoustic detector can additionally be connected to a pump that ensures the movement of the gas sample through it. This leads to an increase in detection efficiency by determining the concentration of the target gas in real time. Additionally, the optical-acoustic detector can be connected to an air filter that protects the optical elements of the gas analyzer from solid and liquid aerosol particles present in the gas sample, which increases the efficiency of target gas detection by preventing foreign particles from entering the detection area. Also, the gas outlet point can be connected to a silencer, which reduces the mutual influence of acoustic interference that occurs in the main and additional optoacoustic cells and is associated with the operation of the pump.
[19] Опорная оптико-акустическая ячейка служит для определения концентрации целевого газа. Она представляет собой ограниченный объем, прозрачный для лазерного излучения с определенной длиной волны, герметичный и заполненный определенным газом или смесью газов известной концентрации. Кроме того, она содержит по крайней мере один акустический приемник, сообщенный с платой управления, сигнал с которого используется при расчете концентрации целевого газа. Сигнал акустического приемника опорной оптико-акустической ячейки формируется на основе изменения давления, индуцированного прохождением лазерного излучения через ячейку.[19] The reference optical-acoustic cell is used to determine the concentration of the target gas. It is a limited volume, transparent to laser radiation with a certain wavelength, sealed and filled with a certain gas or mixture of gases of known concentration. In addition, it contains at least one acoustic receiver communicated with the control board, the signal from which is used to calculate the concentration of the target gas. The signal of the acoustic receiver of the reference optical-acoustic cell is formed on the basis of the pressure change induced by the passage of laser radiation through the cell.
[20] Дополнительная оптико-акустическая ячейка предназначена для детектирования высокой (более 100 ppm) концентрации целевого газа с помощью расположенного внутри нее по крайней мере одного акустического приемника, тем самым обеспечивая повышение эффективности детектирования за счет расширения динамического диапазона измерения концентрации. Особенностью упомянутой ячейки является ее центросимметричность относительно оптической оси оптико-акустического детектора. Такое конструктивное исполнение снижает интенсивность шумов, вызванных переотражением акустических волн дополнительной оптико-акустической ячейки, дополнительно повышая эффективность детектирования газа. В предпочтительном варианте выполнения детектора точки входа и выхода пробы расположены с одной стороны оптико-акустического детектора. Такое решение упрощает конструкцию газоанализатора и позволяет эффективно производить измерение высоких концентраций целевого газа за счет подачи газа в дополнительную ячейку вместе с измерением низких концентраций целевого газа за счет развязки через акустический фильтр. Также возможно конструктивное исполнение дополнительной оптико-акустической ячейки с длиной по оптической оси меньшей 0,5 мм. Данное решение подкрепляется экспериментальным подбором оптимальных параметров ячейки, в ходе которого было выявлено, что наиболее значащим фактором, влияющим на изменение показаний ячейки при изменении длины волны лазерного излучения, является ее оптическая толщина - оптический путь луча лазера внутри самой ячейки. Уменьшение длины способствует уменьшению разброса показаний значения концентрации, вызванного возможной нестабильностью длины волны лазерного излучения.[20] An additional optical-acoustic cell is designed to detect a high (more than 100 ppm) concentration of a target gas using at least one acoustic receiver located inside it, thereby providing an increase in the detection efficiency by expanding the dynamic range of concentration measurement. A feature of the said cell is its centrosymmetry with respect to the optical axis of the optical-acoustic detector. This design reduces the intensity of noise caused by re-reflection of acoustic waves of the additional optical-acoustic cell, further increasing the efficiency of gas detection. In the preferred embodiment of the detector, the sample entry and exit points are located on one side of the optoacoustic detector. This solution simplifies the design of the gas analyzer and makes it possible to effectively measure high concentrations of the target gas by supplying gas to an additional cell, together with the measurement of low concentrations of the target gas due to decoupling through an acoustic filter. It is also possible to design an additional optoacoustic cell with a length along the optical axis of less than 0.5 mm. This decision is supported by the experimental selection of the optimal parameters of the cell, during which it was found that the most significant factor affecting the change in the readings of the cell with a change in the wavelength of laser radiation is its optical thickness - the optical path of the laser beam inside the cell itself. Reducing the length helps to reduce the scatter in the readings of the concentration value caused by the possible instability of the laser wavelength.
[21] Основная оптико-акустическая ячейка предназначена для детектирования низкой (до 100 ppm) концентрации целевого газа. Она включает в себя не менее двух буферных полостей, оптические окна, а также активный и вспомогательный акустические каналы, причем в стенках каждого из них установлено по крайней мере по одному упомянутому приемнику и в стенках одного из акустических каналов дополнительно установлен по крайней мере один акустический источник. Лазерное излучение проходит через последовательно расположенные на оптической оси оптико-акустического детектора опорную оптико-акустическую ячейку, дополнительную оптико-акустическую ячейку, основную оптико-акустическую ячейку. Оптические окна, установленные в перечисленных ячейках, обеспечивают возможность введения модулированного лазерного излучения во внутренний объем ячеек, тем самым обеспечивается формирование оптико-акустического эффекта. Активный канал основной оптико-акустической ячейки, центрированный относительно оптической оси детектора, совместно с буферными полостями и вспомогательным каналом обеспечивают возникновение стоячей акустической волны за счет оптико-акустического эффекта, одновременно обеспечивая усиление полезного сигнала и подавление акустических шумов. Буферные полости служат для перенаправления стоячей акустической волны и замыкании ее в полости упомянутых каналов. Акустический излучатель, расположенный в одном из каналов, используется для определения резонансной частоты газоанализатора, на основе которой подбирается частота повторения импульсов лазерного излучения. Отличительной особенностью выполнения основной оптико-акустической ячейки и дополнительной оптико-акустической ячейки является наличие акустического фильтра, снижающего акустический шум, вызванный соединением дополнительной и основной ячеек, за счет чего повышается эффективность детектирования газа, в частности, расчета высокой и низкой концентраций целевого газа. В предпочтительном варианте исполнения активный канал основной оптико-акустической ячейки центрирован относительно продольной оси симметрии оптико-акустического детектора. Такое выполнение снижает влияние шумов, вызванных переотражением акустических волн в самом материале детектора, что повышает точность и эффективность детектирования газа. Дополнительно к упомянутому центрированию активного канала возможно размещение на внешних торцевых стенках каждой буферной полости оптических окон, центрированных относительно активного акустического канала. Дополнительно оптические окна могут быть выполнены с просветляющим покрытием по крайней мере для среднего инфракрасного (ИК) диапазона длин волн (3 - 50 мкм), обеспечивая тем самым пропускание этого вида ИК излучения и устраняя прочие источники возбуждения молекул, связанные с поглощением излучения с другими длинами волн, повышая тем самым эффективность детектирования целевого газа. Кроме того, опорная оптико-акустическая ячейка, дополнительная оптико-акустическая ячейка и основная оптико-акустическую ячейка могут быть расположены на оптической оси оптико-акустического детектора последовательно на одной прямой. Такое расположение позволяет не включать в оптическую систему отражатели излучения, исключая тем самым рассеяние лазерного луча, связанное с отражением от отражателей, и повышая эффективность детектирования газа за счет уменьшения рассеяния излучения и связанного с ним переотражения от стенок ячеек. Также в качестве упомянутого приемника акустического сигнала может выступать микрофон, вмонтированный в стенки любой заданной ячейки. Такое выполнение обеспечивает возможность применения серийно выпускаемых, недорогих по цене, но достаточно чувствительных компактных микрофонов. Также в качестве упомянутого источника акустического сигнала может выступать динамик, вмонтированный в стенки любого из акустических каналов основной оптико-акустической ячейки. Такое выполнение обеспечивает возможность оперативного определения резонансной частоты основной оптико-акустической ячейки.[21] The main optoacoustic cell is designed to detect low (up to 100 ppm) target gas concentrations. It includes at least two buffer cavities, optical windows, as well as active and auxiliary acoustic channels, and at least one of the mentioned receivers is installed in the walls of each of them and at least one acoustic source is additionally installed in the walls of one of the acoustic channels. . Laser radiation passes through a reference optoacoustic cell, an additional optoacoustic cell, and a main optoacoustic cell arranged in series on the optical axis of the optoacoustic detector. Optical windows installed in the listed cells provide the possibility of introducing modulated laser radiation into the internal volume of the cells, thereby ensuring the formation of an optical-acoustic effect. The active channel of the main optoacoustic cell, centered relative to the optical axis of the detector, together with the buffer cavities and the auxiliary channel, provide the appearance of a standing acoustic wave due to the optoacoustic effect, while amplifying the useful signal and suppressing acoustic noise. Buffer cavities serve to redirect a standing acoustic wave and close it in the cavity of the mentioned channels. An acoustic emitter located in one of the channels is used to determine the resonant frequency of the gas analyzer, on the basis of which the repetition frequency of laser radiation pulses is selected. A distinctive feature of the implementation of the main opto-acoustic cell and the additional opto-acoustic cell is the presence of an acoustic filter that reduces the acoustic noise caused by the connection of the additional and main cells, thereby increasing the efficiency of gas detection, in particular, the calculation of high and low concentrations of the target gas. In the preferred embodiment, the active channel of the main opto-acoustic cell is centered relative to the longitudinal axis of symmetry of the opto-acoustic detector. This implementation reduces the effect of noise caused by re-reflection of acoustic waves in the detector material itself, which increases the accuracy and efficiency of gas detection. In addition to the mentioned centering of the active channel, it is possible to place optical windows on the outer end walls of each buffer cavity, centered relative to the active acoustic channel. Additionally, optical windows can be made with an antireflection coating for at least the mid-infrared (IR) wavelength range (3 - 50 μm), thereby ensuring the transmission of this type of IR radiation and eliminating other sources of excitation of molecules associated with the absorption of radiation with other wavelengths waves, thereby increasing the detection efficiency of the target gas. In addition, the reference opto-acoustic cell, the additional opto-acoustic cell and the main opto-acoustic cell can be located sequentially on the optical axis of the opto-acoustic detector on one straight line. Such an arrangement makes it possible not to include radiation reflectors in the optical system, thereby excluding the scattering of the laser beam associated with reflection from reflectors, and increasing the efficiency of gas detection by reducing radiation scattering and the associated re-reflection from the cell walls. Also, a microphone built into the walls of any given cell can act as the mentioned acoustic signal receiver. This implementation provides the possibility of using commercially available, inexpensive, but sufficiently sensitive compact microphones. Also, a speaker mounted in the walls of any of the acoustic channels of the main optoacoustic cell can act as the mentioned source of the acoustic signal. This implementation provides the ability to quickly determine the resonant frequency of the main opto-acoustic cell.
[22] Плата управления служит для регистрации сигналов, полученных от приемников акустического сигнала, их обработки, например, аналоговой, цифровой или обеих, а также передачу управляющих сигналов на лазер. Дополнительно может быть реализована передача управляющих сигналов на насос при его наличии. Кроме того, оптико-акустический газоанализатор дополнительно может содержать устройство отображения измеренной концентрации, например, дисплей, связанное с платой управления. На нем может быть отражена полезная с точки зрения функциональности газоанализатора информация, в частности, рассчитанная концентрация целевого газа в ppm или других величинах. Наличие устройства отображения позволяет оценить результаты работы газоанализатора и скорректировать параметры работы газоанализатора, что повышает эффективность детектирования целевого газа.[22] The control board is used to register the signals received from the acoustic signal receivers, process them, for example, analog, digital or both, as well as transmit control signals to the laser. Additionally, the transmission of control signals to the pump, if available, can be implemented. In addition, the optoacoustic gas analyzer may additionally contain a measured concentration display device, for example, a display connected to the control board. It may contain useful information from the point of view of the functionality of the gas analyzer, in particular, the calculated concentration of the target gas in ppm or other values. The presence of a display device allows you to evaluate the results of the gas analyzer and adjust the parameters of the gas analyzer, which increases the efficiency of detection of the target gas.
[23] Способ измерения концентрации газа состоит в подаче пробы по крайней мере одного целевого газа через точку входа пробы газа, затем осуществляют передвижение пробы газа в газоанализаторе, после чего обеспечивают последовательное распространение лазерного излучения через опорную оптико-акустическую ячейку, дополнительную оптико-акустическую ячейку и основную оптико-акустическую ячейку, затем обеспечивают инициацию акустической волны в анализируемой пробе газа, после чего детектируют изменение давления в анализируемой пробе газа, далее осуществляют обработку полученных сигналов с помощью платы управления, затем рассчитывают концентрацию целевого газа и обеспечивают выход пробы газа. Подача пробы целевого газа может осуществляться с помощью естественного движения частиц газа в заданном объеме или с помощью внешней или внутренней, относительно газоанализатора, вентиляции по каналам, линиям подачи и другим магистралям. Передвижение пробы газа также может быть диффузионным либо обусловленным внешними газовыми потоками. В предпочтительном варианте движение пробы происходит с помощью насоса. Это приводит к повышению эффективности детектирования за счет определения концентрации целевого газа в режиме реального времени и возможности контроля скорости движения газовой пробы. Движение пробы газа может быть организовано как последовательное прохождение пробой точки входа пробы газа, дополнительной оптико-акустической ячейки, акустического фильтра, основной оптико-акустической ячейку и точки выхода пробы газа. Такое выполнение обеспечивает последовательное определение концентрации целевого газа в ячейках вместе с акустической фильтрацией сигнала, снижающей акустический шум, вызванный соединением дополнительной и основной ячеек, за счет чего повышается эффективность детектирования газа, в частности, расчета высокой и низкой концентраций целевого газа. Дополнительно к такой реализации движения пробы газа может быть организовано прохождение пробы через воздушный фильтр под действием насоса, расположенного после точки выхода газа. Такая организация движения газа способствует дополнительному повышению эффективности детектирования пробы за счет защиты оптических элементов газоанализатора от твердых и жидких частиц аэрозоля, присутствующих в пробе газа, посредством воздушного фильтра вместе с повышением пропускания газа через газоанализатор в единицу времени. Также точка выхода газа может быть соединена с глушителем, уменьшающим взаимное влияние акустических помех, возникающих в основной и дополнительной оптико-акустических ячейках и связанных с работой насоса. Инициация акустической волны происходит из-за взаимодействия лазерного излучения с пробой газа. Излучение поглощается пробой с последующим изменением ее давления, детектируемого акустическими приемниками устройства. Дополнительно инициация акустической волны в анализируемой пробе газа может происходить с помощью как лазерного излучения, так и акустического источника. При этом перед измерением концентрации акустический источник формирует сигнал, принимаемый приемниками основной оптико-акустической ячейки, на основании которого определяется резонансная частота детектора и, как следствие, частота лазерного излучения, воздействующего на пробу и создающего акустическую волну. Такая реализация инициации волны повышает эффективность детектирования ввиду точной настройки режима работы лазера на конфигурацию измерительной системы газоанализатора. Обработка полученных приемниками сигналов может быть аналоговой, цифровой или обоих видов, при этом предпочтительным является преобразование Фурье полученного сигнала. Данная методика позволяет относительно просто определить резонансную частоту детектора, что повышает эффективность детектирования за счет установки частоты повторения следования импульсов лазерного излучения с учетом полученной величины резонансной частоты основной оптико-акустической ячейки. Дополнительно может быть реализован вывод полученной информации в цифровом виде на устройство отображения измеренной концентрации газоанализатора. Это позволяет оценить результаты работы газоанализатора и скорректировать параметры системы, что повышает эффективность детектирования целевого газа. Также имеется возможность передачи полученных цифровых данных в персональный компьютер для последующей обработки и хранения. Такой шаг позволяет дополнительно увеличить эффективность детектирования газа за счет анализа полученных данных и настройки системы газоанализатора.[23] A method for measuring gas concentration consists in supplying a sample of at least one target gas through the entry point of the gas sample, then moving the gas sample in the gas analyzer, after which the laser radiation is sequentially propagated through the reference optoacoustic cell, an additional optoacoustic cell and the main opto-acoustic cell, then they provide the initiation of an acoustic wave in the analyzed gas sample, after which the pressure change in the analyzed gas sample is detected, then the received signals are processed using the control board, then the concentration of the target gas is calculated and the gas sample is provided. The supply of a sample of the target gas can be carried out using the natural movement of gas particles in a given volume or using external or internal, relative to the gas analyzer, ventilation through channels, supply lines and other lines. The movement of a gas sample can also be diffusion or due to external gas flows. In the preferred embodiment, the movement of the sample occurs with the help of a pump. This leads to an increase in detection efficiency due to real-time determination of the target gas concentration and the ability to control the speed of the gas sample. The movement of a gas sample can be organized as a sequential passage of the sample through the entry point of the gas sample, an additional optoacoustic cell, an acoustic filter, the main optoacoustic cell, and the exit point of the gas sample. This implementation provides a consistent determination of the concentration of the target gas in the cells, together with acoustic filtering of the signal, which reduces the acoustic noise caused by the connection of the additional and main cells, thereby increasing the efficiency of gas detection, in particular, the calculation of high and low concentrations of the target gas. In addition to such an implementation of the movement of the gas sample, the passage of the sample through the air filter under the action of a pump located after the gas outlet point can be organized. Such an organization of gas movement contributes to an additional increase in the efficiency of sample detection by protecting the optical elements of the gas analyzer from solid and liquid aerosol particles present in the gas sample by means of an air filter, along with an increase in gas transmission through the gas analyzer per unit time. Also, the gas outlet point can be connected to a silencer, which reduces the mutual influence of acoustic interference that occurs in the main and additional optoacoustic cells and is associated with the operation of the pump. The initiation of an acoustic wave occurs due to the interaction of laser radiation with a gas sample. The radiation is absorbed by the breakdown followed by a change in its pressure, which is detected by the acoustic receivers of the device. Additionally, the initiation of an acoustic wave in the analyzed gas sample can occur using both laser radiation and an acoustic source. In this case, before measuring the concentration, the acoustic source generates a signal received by the receivers of the main optoacoustic cell, on the basis of which the resonant frequency of the detector is determined and, as a result, the frequency of the laser radiation that acts on the sample and creates an acoustic wave. Such an implementation of wave initiation increases the detection efficiency due to fine tuning of the laser operation mode to the configuration of the gas analyzer measuring system. The processing of the signals received by the receivers may be analog, digital, or both, with the Fourier transform of the received signal being preferred. This technique makes it relatively easy to determine the resonant frequency of the detector, which increases the detection efficiency by setting the repetition rate of laser radiation pulses, taking into account the obtained resonant frequency of the main optoacoustic cell. Additionally, the output of the received information in digital form to the device for displaying the measured concentration of the gas analyzer can be implemented. This allows you to evaluate the results of the gas analyzer and correct the system parameters, which increases the efficiency of target gas detection. It is also possible to transfer the received digital data to a personal computer for further processing and storage. This step makes it possible to further increase the efficiency of gas detection by analyzing the obtained data and adjusting the gas analyzer system.
Описание чертежейDescription of drawings
[24] Объект притязаний по настоящей заявке описан по пунктам и четко заявлен в формуле изобретения. Упомянутые выше задачи, признаки и преимущества изобретения очевидны из нижеследующего подробного описания, в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых показано:[24] The subject matter of this application is described point by point and clearly stated in the claims. The objects, features and advantages of the invention mentioned above will be apparent from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings, which show:
[25] На Фиг. 1 показана структурная схема лазерного оптико-акустического газоанализатора[25] FIG. 1 shows a block diagram of a laser optical-acoustic gas analyzer
[26] На Фиг. 2 показан один из вариантов взаимного расположения измерительных ячеек[26] FIG. 2 shows one of the options for the relative position of the measuring cells
[27] На Фиг. 3 показан еще один из вариантов взаимного расположения измерительных ячеек[27] FIG. 3 shows another of the options for the relative position of the measuring cells
[28] На Фиг. 4 показан еще один из вариантов взаимного расположения измерительных ячеек[28] FIG. 4 shows another of the options for the relative position of the measuring cells
[29] На Фиг. 5 показана блок-схема, изображающая способ измерения концентрации газа[29] FIG. 5 is a flowchart showing a method for measuring gas concentration
[30] На Фиг. 6 показана схема движения газовой пробы в газоанализаторе.[30] FIG. 6 shows a diagram of the movement of a gas sample in a gas analyzer.
Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention
[31] В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.[31] In the following detailed description of the implementation of the invention, numerous implementation details are provided to provide a clear understanding of the present invention. However, one skilled in the art will appreciate how the present invention can be used with or without these implementation details. In other cases, well-known methods, procedures, and components are not described in detail so as not to unduly obscure the features of the present invention.
[32] Кроме того, из приведенного изложения ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, очевидны для квалифицированных в предметной области специалистов.[32] In addition, from the foregoing it is clear that the invention is not limited to the above implementation. Numerous possible modifications, alterations, variations, and substitutions that retain the spirit and form of the present invention will be apparent to those skilled in the art.
[33] На Фиг. 1 показана структурная схема лазерного оптико-акустического газоанализатора. Лазерный оптико-акустический газоанализатор содержит один лазер 101, оптико-акустический детектор 102, включающий точку входа пробы 103 по крайней мере одного целевого газа, как минимум одну опорную оптико-акустическую ячейку 104, как минимум одну дополнительную оптико-акустическую ячейку 105, как минимум одну основную оптико-акустическую ячейку 106, точку выхода пробы газа 107 и плату управления 108 и ограничен с двух сторон неподвижными ограничителями 109. В стенках каждой упомянутой ячейки установлен по крайней мере один акустический приемник 110, а основная оптико-акустическая ячейка 106 при этом включает не менее двух буферных полостей 111, оптические окна 120, активный 112 и вспомогательный 113 акустические каналы. В стенках каждого из каналов установлен по крайней мере один упомянутый приемник 110 и в стенках вспомогательного канала 113 дополнительно установлен по крайней мере один акустический источник 114. Упомянутые приемники 110 и источник 114 соединены с платой управления 108. Лазерное излучение проходит через оптико-акустический детектор 102, содержащий последовательно расположенные на оптической оси оптико-акустического детектора 102 опорную оптико-акустическую ячейку 104, дополнительную оптико-акустическую ячейку 105, основную оптико-акустическую ячейку 106. В предпочтительной реализации газоанализатора к нему дополнительно подключены насос 116 для закачки пробы и устройство отображения измеренной концентрации 117 для отображения в том числе рассчитанной концентрации целевого газа в единицах ppm. Наличие насоса 116 обеспечивает передвижение газовой пробы через систему, что приводит к повышению эффективности детектирования за счет большего пропускания газа через систему в единицу времени, в то время, как устройство отображения 117, например, дисплей, позволяет оценить результаты работы газоанализатора и скорректировать параметры системы, например, чувствительность акустических приемников 110 или частоту лазерного излучения, что также повышает эффективность детектирования целевого газа. Дополнительно оптико-акустический детектор соединен с воздушным фильтром 118, защищающим оптические элементы газоанализатора от твердых и жидких частиц аэрозоля, присутствующих в пробе газа, что повышает эффективность детектирования целевого газа за счет предотвращения попадания инородных частиц в область детектирования. Также точка выхода газа соединена с глушителем 119, уменьшающим взаимное влияние акустических помех, возникающих в основной и дополнительной оптико-акустических ячейках и связанных с работой насоса.[33] FIG. 1 shows a block diagram of a laser optical-acoustic gas analyzer. The laser optoacoustic gas analyzer contains one
[34] В представленной реализации точки входа 103 и выхода 107 газа выполнены в виде штуцеров, в то время, как неподвижные ограничители 109 выполнены в виде фланцев. Кроме того, дополнительная ячейка 105 выполнена центросимметричной относительно оптической оси оптико-акустического детектора. Такое выполнение снижает интенсивность шумов, вызванных переотражением акустических волн внутри ячейки 105, дополнительно повышая эффективность детектирования газа. В раскрытом варианте выполнения детектора 102 точки входа 103 и выхода 107 пробы расположены с одной стороны оптико-акустического детектора. Такое решение упрощает конструкцию газоанализатора и позволяет эффективно производить измерение высоких концентраций целевого газа за счет подачи газа в дополнительную ячейку 105 вместе с измерением низких концентраций целевого газа за счет развязки через акустический фильтр 115. Дополнительная оптико-акустическая ячейка 105 имеет длину по оптической оси меньшую 0,5 мм. Данное решение подкрепляется экспериментальным подбором оптимальных параметров ячейки, в ходе которого было выявлено, что наиболее значащим фактором, влияющим на изменение показаний ячейки при изменении длины волны лазерного излучения, является ее оптическая длина. Уменьшение длины способствует уменьшению разброса значений концентрации, вызванного возможной нестабильностью длины волны лазерного излучения.[34] In the embodiment shown, the
[35] Также в представленной реализации газоанализатора основная оптико-акустическая 106 и дополнительная 105 ячейки соединены акустическим фильтром 115, снижающим акустический шум, вызванный соединением дополнительной 105 и основной 106 ячеек и движением газа через них, за счет чего повышается эффективность детектирования газа, в частности, расчета высокой и низкой концентраций целевого газа. Дополнительно в раскрытом варианте исполнения газоанализатора активный канал 112 основной оптико-акустической ячейки 106 центрирован относительно продольной оси симметрии оптико-акустического детектора 102. Такое выполнение снижает влияние шумов, вызванных переотражением акустических волн в самом материале детектора 102, что повышает точность и эффективность детектирования газа. Дополнительно к упомянутому центрированию оптические окна 120 расположены на внешних торцевых стенках каждой буферной полости 111 и центрированы относительно активного акустического канала 112. Также в качестве упомянутых приемников акустического сигнала 110 в каждой ячейке выступают микрофоны, вмонтированные в стенки любой заданной ячейки. Такое выполнение обеспечивает компактные размеры и достаточную чувствительность технического решения. Также в качестве упомянутого источника акустического сигнала выступает динамик 114, вмонтированный в стенки одного из акустических каналов основной ячейки. Такое выполнение обеспечивает достаточный уровень акустического сигнала для надежного определения резонансной частоты основной оптико-акустической ячейки 106. В представленной реализации упомянутые микрофоны и динамик в основной оптико-акустической ячейке 106 расположены вблизи по крайней мере одной из точек экстремума рабочей акустической волны. Такое расположение позволяет эффективно определить резонансную частоту детектора, обеспечивая тем самым эффективность детектирования целевого газа.[35] Also in the presented implementation of the gas analyzer, the
[36] На Фиг. 2, 3 и 4 представлены возможные варианты взаимного расположения измерительных ячеек. В раскрытом варианте реализации газоанализатора опорная оптико-акустическая ячейка 104, дополнительная оптико-акустическая ячейка 105 и основная оптико-акустическую ячейка 106 расположены на оптической оси оптико-акустического детектора последовательно на одной прямой. Такое расположение позволяет не включать в оптическую систему отражатели 201 и делители 202 излучения, исключая тем самым рассеяние лазерного луча, и повышая эффективность детектирования газа за счет уменьшения рассеяния излучения и связанного с ним переотражения от стенок ячеек.[36] FIG. 2, 3 and 4 show possible options for the relative position of the measuring cells. In the disclosed embodiment of the gas analyzer, the reference opto-
[37] В представленном варианте выполнения газоанализатора параметры системы настроены на детектирование гексафторида серы. Для этого лазерное излучение имеет длину волны близкую к 10,6 мкм и соответствующую максимальному значению коэффициента поглощения гексафторида серы, а оптические окна 120 выполнены с просветляющим покрытием по крайней мере для среднего инфракрасного (ИК) диапазона длин волн (3 - 50 мкм), обеспечивая тем самым пропускание этого вида ИК излучения и устраняя прочие источники возбуждения молекул, связанные с поглощением излучения с другими длинами волн, повышая тем самым эффективность детектирования гексафторида серы.[37] In the present embodiment of the gas analyzer, the system parameters are set to detect sulfur hexafluoride. To do this, the laser radiation has a wavelength close to 10.6 µm and corresponds to the maximum value of the absorption coefficient of sulfur hexafluoride, and the
[38] На Фиг. 5 показана блок-схема, иллюстрирующая один из способов измерения концентрации газа. Согласно нему, сначала производят подачу пробы по крайней мере одного целевого газа через точку входа пробы газа 103, затем осуществляют передвижение пробы газа в газоанализаторе, после чего обеспечивают последовательное распространение лазерного излучения через опорную оптико-акустическую ячейку 104, дополнительную оптико-акустическую ячейку 105 и основную оптико-акустическую ячейку 106, затем обеспечивают инициацию акустической волны в анализируемой пробе газа, после чего детектируют изменение давления в анализируемой пробе газа, далее осуществляют обработку полученных сигналов с помощью платы управления 108, затем рассчитывают концентрацию целевого газа и обеспечивают выход пробы газа. Подача пробы может осуществляться с помощью естественного движения частиц газа в заданном объеме или с помощью внешней или внутренней относительно газоанализатора вентиляции по каналам, линиям подачи и другим магистралям. Передвижение пробы газа также может быть диффузионным либо обусловленным внешними газовыми потоками. В предпочтительном варианте движение пробы происходит с помощью насоса 116. Это приводит к повышению эффективности детектирования за счет определения концентрации целевого газа в режиме реального времени и возможности контроля скорости движения газовой пробы. Движение пробы газа в данном варианте может быть организовано как последовательное прохождение пробой точки входа пробы газа 103, дополнительной оптико-акустической ячейки 105, акустического фильтра 115, основной оптико-акустической ячейку 106 и точки выхода пробы газа 107. Такое выполнение обеспечивает последовательное определение концентрации целевого газа в ячейках вместе с акустической фильтрацией сигнала, снижающей акустический шум, вызванный соединением дополнительной и основной ячеек, за счет чего повышается эффективность детектирования газа, в частности, расчета высокой и низкой концентраций целевого газа. В текущей реализации движения пробы газа дополнительно к упомянутому способу организовано прохождение пробы через воздушный фильтр 118 под действием насоса 116, расположенного после точки выхода газа 107. Такая организация движения газа способствует дополнительному повышению эффективности детектирования пробы за счет защиты оптических элементов газоанализатора от твердых и жидких частиц аэрозоля, присутствующих в пробе газа, посредством воздушного фильтра 118 вместе с повышением пропускания газа через газоанализатор в единицу времени. Также точка выхода газа 107 соединена с глушителем 119, уменьшающим взаимное влияние акустических помех, возникающих в основной и дополнительно оптико-акустических ячейках и связанных с работой насоса. Организация движения пробы газа через газоанализатор схематично показана на Фиг. 6. В раскрытом варианте способа инициация акустической волны в анализируемой пробе газа может происходить с помощью лазерного излучения и акустического источника 114. При этом перед измерением концентрации акустический источник 114 подает сигнал, принимаемый приемниками 110, на основании которого определяется резонансная частота детектора 102 и, как следствие, частота лазерного излучения, воздействующего на пробу и создающего упомянутую волну. Частота излучения устанавливается таким образом, чтобы она была кратной резонансной частоте детектора 102. Такая реализация инициации волны повышает эффективность детектирования ввиду точной настройки лазера 101 на конфигурацию системы. Обработка полученных приемниками 110 сигналов может быть аналоговой, цифровой или обеих видов, при этом в предпочтительном варианте используется преобразование Фурье полученного сигнала. Данная методика позволяет относительно просто определить резонансную частоту детектора 102, что повышает эффективность детектирования за счет калибровки лазера 101 с учетом полученной величины частоты. Дополнительно в представленном варианте реализован вывод полученной информации в цифровом виде на OLED дисплей 117 газоанализатора. Это позволяет оценить результаты работы газоанализатора и скорректировать параметры системы, например, чувствительность акустических приемников 110 или частоту лазерного излучения, что повышает эффективность детектирования целевого газа. Также имеется возможность передачи полученных цифровых данных в персональный компьютер для последующей обработки и хранения. Такой шаг позволяет дополнительно увеличить эффективность детектирования газа за счет анализа полученных данных и настройки системы газоанализатора.[38] FIG. 5 is a block diagram illustrating one method for measuring gas concentration. According to it, first, a sample of at least one target gas is supplied through the entry point of the
[39] В представленной реализации лазерный оптико-акустический газоанализатор работает следующим образом. Через точку входа пробы газа 103 в закрепленный неподвижными ограничителями 109 оптико-акустический детектор 102 подается проба газа, предварительно прошедшая фильтрацию в воздушном фильтре 118. Ее движение организовано как последовательное прохождение пробой воздушного фильтра 118, точки входа пробы газа 103, дополнительной оптико-акустической ячейки 105, акустического фильтра 115, основной оптико-акустической ячейки 106, точки выхода пробы газа 107, глушителя 119 и насоса 116 с помощью самого насоса 116. По команде от управляющей платы 108 происходит формирование акустического сигнала из акустического источника 114, выполненного в виде динамика и расположенного в дополнительном канале 113 основной оптико-акустической ячейки 106. Сигнал в виде изменения давления принимается на акустических приемниках 110, выполненных в виде микрофонов. Полученный сигнал принимается управляющей платой 108 и подвергается преобразованию Фурье, откуда вычисляется резонансная частота оптико-акустического детектора. Далее с помощью управляюшего сигнала от платы 108 происходит установка частоты следования импульсов лазера 101, настроенного на излучение длины волны около 10,6 мкм таким образом, чтобы она была кратной вычисленной резонансной частоте. По команде управляющей платы 108 в систему подается лазерное излучение. Оно последовательно проходит через оптико-акустический детектор 102, содержащий последовательно расположенные на оптической оси на одной прямой опорную оптико-акустическую ячейку 104, дополнительную оптико-акустическую ячейку 105, имеющую длину по оптической оси менее 0,5 мм и выполненную центросимметричной относительно оптической оси оптико-акустического детектора 102, и активный канал 112 основной оптико-акустической ячейки 106, центрированный относительно продольной оси симметрии оптико-акустического детектора 102. Лазерное излучение, попадая через центрированные, относительно активного акустического канала 112 и оптически прозрачные оптические окна 120 с просветляющим покрытием для среднего инфракрасного диапазона длин волн, расположенные на внешних торцевых стенках каждой буферной полости 111, обеспечивает инициацию акустической волны в анализируемой пробе за счет колебаний давления, образующих стоячую волну, внутри каналов 112 и 113. Акустические приемники 110 внутри активного 112 и вспомогательного 113 канала, расположенные вблизи одной из точек экстремума рабочей акустической волны, а также приемники 110, установленные в опорной 104 и дополнительной 105 ячейках, фиксируют изменение давления и передают сигналы на управляющую плату 108. В ней происходит преобразование полученного сигнала и расчет концентрации целевого газа. Рассчитанное значение по команде платы 108 выводится на OLED дисплей 117 в единицах ppm или иных. Затем с помощью насоса 116 проба газа выходит из детектора 102 через точку выхода 107, расположенную вместе с точкой входа 103 с одной стороны оптико-акустического детектора, и проходит через глушитель 119 в насос 116. Дополнительно может быть обеспечена возможность передачи полученных цифровых данных об измерениях в персональный компьютер для последующей обработки и хранения.[39] In the presented implementation, the laser optoacoustic gas analyzer operates as follows. Through the entry point of the
[40] Таким образом, упомянутые элементы напрямую влияют на технический результат, заключающийся в повышении эффективности детектирования целевого газа при упрощении конструкции прибора. Настоящее изобретение может быть использовано в качестве лазерного течеискателя для обнаружения утечек гексафторида серы (элегаза, SF6).[40] Thus, the mentioned elements directly affect the technical result, which consists in increasing the efficiency of target gas detection while simplifying the design of the device. The present invention can be used as a laser leak detector for detecting sulfur hexafluoride (SF 6 ) leaks.
[41] В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки запрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов соответствующей области техники.[41] The present application materials provide a preferred disclosure of the implementation of the claimed technical solution, which should not be used as limiting other, private embodiments of its implementation that do not go beyond the requested scope of legal protection and are obvious to specialists in the relevant field of technology.
Claims (27)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2786790C1 true RU2786790C1 (en) | 2022-12-26 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU10461U1 (en) * | 1998-11-02 | 1999-07-16 | Институт оптики атмосферы СО РАН | OPTICAL-ACOUSTIC GAS ANALYZER |
RU90905U1 (en) * | 2009-09-16 | 2010-01-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Специальные технологии" | LASER OPTICAL-ACOUSTIC GAS ANALYZER |
US7765871B2 (en) * | 2006-07-12 | 2010-08-03 | Finesse Solutions, Llc | System and method for gas analysis using photoacoustic spectroscopy |
US8932537B2 (en) * | 2009-04-28 | 2015-01-13 | Chemspectra, Inc. | Portable tester for detection explosives, drugs and chemicals based on created color bar codes for analytes |
RU199702U1 (en) * | 2020-06-02 | 2020-09-15 | Игорь Владимирович Шерстов | RESONANT DIFFERENTIAL OPTICAL-ACOUSTIC DETECTOR |
RU2748054C1 (en) * | 2020-06-02 | 2021-05-19 | Игорь Владимирович Шерстов | Laser optical-acoustic gas analyzer and resonant differential optical-acoustic detector |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU10461U1 (en) * | 1998-11-02 | 1999-07-16 | Институт оптики атмосферы СО РАН | OPTICAL-ACOUSTIC GAS ANALYZER |
US7765871B2 (en) * | 2006-07-12 | 2010-08-03 | Finesse Solutions, Llc | System and method for gas analysis using photoacoustic spectroscopy |
US8932537B2 (en) * | 2009-04-28 | 2015-01-13 | Chemspectra, Inc. | Portable tester for detection explosives, drugs and chemicals based on created color bar codes for analytes |
RU90905U1 (en) * | 2009-09-16 | 2010-01-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Специальные технологии" | LASER OPTICAL-ACOUSTIC GAS ANALYZER |
RU199702U1 (en) * | 2020-06-02 | 2020-09-15 | Игорь Владимирович Шерстов | RESONANT DIFFERENTIAL OPTICAL-ACOUSTIC DETECTOR |
RU2748054C1 (en) * | 2020-06-02 | 2021-05-19 | Игорь Владимирович Шерстов | Laser optical-acoustic gas analyzer and resonant differential optical-acoustic detector |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA1254281A (en) | Method and apparatus for the detection and measurement of gases | |
US11300499B2 (en) | Multi-cavity semi-open resonant photoacoustic cell and multi-gas simultaneous measurement system | |
Dumitras et al. | Ultrasensitive CO2 laser photoacoustic system | |
Besson et al. | Multi-gas sensing based on photoacoustic spectroscopy using tunable laser diodes | |
JP5022363B2 (en) | Photoacoustic detector and photoacoustic detection method | |
US5917193A (en) | Method and apparatus for detecting leaks in a container | |
US20100103425A1 (en) | Photoacoustic detector for measuring fine dust | |
RU2336518C2 (en) | Photo-acoustic method of measurement of nonhydrocarbon component concentration in methane-containing gas mixture | |
WO2008067282A2 (en) | Sono-photonic gas sensor | |
JP2004533620A (en) | Gas identification device | |
US6762410B1 (en) | Analysis apparatus | |
CN112924388B (en) | Orthogonal double-channel acoustic resonance device | |
JP2012504248A (en) | Arrangement adapted for spectral analysis of high-concentration gases | |
US20100014094A1 (en) | Distributed gas detection | |
Bozóki et al. | A fully opened photoacoustic resonator based system for fast response gas concentration measurements | |
Rey et al. | Investigation and optimisation of a multipass resonant photoacoustic cell at high absorption levels | |
RU2786790C1 (en) | Laser optoacoustic gas analyser and method for measuring the gas concentration | |
JP2011169633A (en) | Gas concentration calculation device and gas concentration measurement module | |
JP7006800B2 (en) | Gas measuring device and gas measuring method | |
Bonilla-Manrique et al. | Hydrogen sulfide detection in the midinfrared using a 3D-printed resonant gas cell | |
CN112630165A (en) | Gas detection device in transformer oil | |
EP3543983B1 (en) | Fire prevention self-calibrating remote sensing system and method thereof | |
Huber et al. | A selective, miniaturized, low-cost detection element for a photoacoustic CO2 sensor for room climate monitoring | |
RU2761906C1 (en) | Resonant differential optical-acoustic detector | |
CN202562842U (en) | Device for detecting concentration of trace vapor employing optoacoustic spectroscopy |