PL242864B1

PL242864B1 - System for measuring HCl and H2CO concentrations in the infrared radiation

Info

Publication number: PL242864B1
Application number: PL430712A
Authority: PL
Inventors: Marcin Fisior; Adam Ramowski; Marcin Słota; Adam Szade
Original assignee: Glowny Instytut Gornictwa
Priority date: 2019-07-25
Filing date: 2019-07-25
Publication date: 2023-05-08
Also published as: PL430712A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest układ do pomiaru stężeń HCL i H2CO w podczerwieni zawierający laser, układ luster, komorę Herriot'a, soczewki oraz detektor charakteryzuje się tym że składa się z lasera (1) kaskadowego emitującego promień (10), za którym zabudowany jest układ kolimacyjny (2), za którym jest pierwszy układ luster (3 i 4), za którym zabudowana jest komora (5) Herriot'a, za którą jest drugi układ luster (4 i 6), za którym zabudowana jest soczewka (7), za którą zabudowany jest detektor (8), za którym zabudowany jest układ sterowania spektrofotometru (9), przy czym pierwszy układ luster (3 i 4) i drugi układ luster (4 i 6), mają jedno lustro (4) wspólne.The subject of the application is a system for measuring concentrations of HCL and H2CO in the infrared, containing a laser, a system of mirrors, a Herriot chamber, lenses and a detector. (2), behind which there is a first set of mirrors (3 and 4), behind which there is a Herriot chamber (5), behind which there is a second set of mirrors (4 and 6), behind which a lens (7) is built, behind which the detector (8) is installed, behind which the control system of the spectrophotometer (9) is installed, whereby the first system of mirrors (3 and 4) and the second system of mirrors (4 and 6) have one mirror (4) in common.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest układ do pomiaru stężeń HCl i H2CO w podczerwieni, znajdujący zastosowanie w optoelektronice do przeprowadzania spektroskopii laserowej.The subject of the invention is a system for measuring HCl and H2CO concentrations in the infrared, which is used in optoelectronics for laser spectroscopy.

W obecnym stanie techniki i metod pomiarowych w spektroskopii laserowej w zakresie podczerwieni występuje szybki rozwój technologii przestrajanych i chłodzonych laserów kaskadowych o bardzo wąskich liniach widmowych i dużej mocy. W połączeniu z komorami odbić (przejść) wielokrotnych i odpowiednio dobranymi detektorami stanowią one układ optoelektroniczny do pomiaru stężenia gazów w zakresie średniej podczerwieni. Istotnym elementem układów pomiarowych jest sposób sterowania laserami kaskadowymi i odczytu sygnału z detektora przy pomocy wspólnego mikroprocesora. Budowa kompaktowych sensorów wymaga ponadto zastosowania szeregu luster kierujących, zabudowanych razem z komorą, laserem, detektorem i sterownikiem na wspólnej płycie.In the current state of technology and measurement methods in laser spectroscopy in the infrared range, there is a rapid development of the technology of tunable and cooled cascade lasers with very narrow spectral lines and high power. Combined with multiple reflections (transitions) chambers and appropriately selected detectors, they constitute an optoelectronic system for measuring the concentration of gases in the mid-infrared range. An important element of the measurement systems is the method of controlling the cascade lasers and reading the signal from the detector using a common microprocessor. The construction of compact sensors also requires the use of a series of guide mirrors, built together with the chamber, laser, detector and controller on a common board.

W znanych rozwiązaniach sterowania laserami kaskadowymi (Szabra D., Nowakowski M., Mikołajczyk J., Wojtas J., Bielecki Z., Układy sterowania laserami kaskadowymi, Przegląd Elektrotechniczny, r. 89, nr 10/2013, 43-46) systemy składają się z odrębnych bloków, takich jak generator impulsowy, zasilacz prądowy, sterownik wyjściowy lasera, sterownik chłodziarki, sterownik detektora i demodulator sygnału. Najczęściej stanowią one odrębne urządzenia, co uniemożliwia przeprowadzenie spektroskopii laserowej w sposób automatyczny i bezobsługowy.In the known solutions for controlling cascade lasers (Szbra D., Nowakowski M., Mikołajczyk J., Wojtas J., Bielecki Z., Systems for controlling cascade lasers, Przegląd Elektrotechniczny, vol. 89, no. 10/2013, pp. 43-46), the systems consist It consists of separate blocks such as pulse generator, power supply, laser output driver, chiller driver, detector driver, and signal demodulator. Most often, they are separate devices, which makes it impossible to perform laser spectroscopy in an automatic and maintenance-free manner.

Z opisu patentowego PL223587 znany jest blok wyjściowy impulsowego zasilacza prądowego, przeznaczonego do sterowania pracą laserów kaskadowych, posiadający płytkę bazową, która na jednej z powierzchni ma wyprowadzenia dodatniego i ujemnego bieguna zasilania, pomiędzy którymi znajdują się kondensatory blokujące zasilanie, natomiast na drugiej powierzchni płytka ma wyprowadzenie sygnału wyjściowego, płytka połączona jest, korzystnie od strony wyprowadzenia, z usytuowanymi prostopadle do niej płytkami nośnymi, na których znajdują się połączone równolegle moduły wyjściowe, z których każdy zawiera co najmniej jeden tranzystor z dołączonym do niego rezystorem emiterowym. W rozwiązaniu tym blok wyjściowy zasilacza prądowego sterownika posiada więc jedną płytkę bazową, a zasilacz taki jest znacznie mniejszy niż podobne zasilacze o podobnym maksymalnym prądzie wyjściowym w impulsie.From the patent description PL223587 there is known an output block of a pulsed current power supply designed to control the operation of cascade lasers, having a base plate, which on one surface has leads of the positive and negative power poles, between which there are capacitors blocking the power supply, while on the other surface the plate has output signal, the plate is connected, preferably from the output side, with carrier plates located perpendicularly to it, on which there are output modules connected in parallel, each of which contains at least one transistor with an emitter resistor connected to it. In this solution, the output block of the controller's current power supply has one base plate, and such a power supply is much smaller than similar power supplies with a similar maximum output current in a pulse.

Ze stanu techniki znany jest układ do pomiaru stężenia N2O i CH4 w podczerwieni, w którym na platformie pomiarowej przeznaczonej dla samolotu badawczego NASA ER-2 (https://cloud1.arc. nasa.gov/solve/payload/er2/argus.html) zabudowano, na wspólnej podstawie, tak jak na Rys. 1 (stan techniki) kolejno: laser QC, lustra kierujące lasera, komorę Herriot’a (odbić wielokrotnych), dwa oddzielne detektory, celę referencyjną i lustra kierujące detektorów. W układzie tym znajduje się również blok elektroniki sterującej.From the state of the art, there is a system for measuring the concentration of N2O and CH4 in the infrared, in which, on the measurement platform designed for the NASA ER-2 research aircraft (https://cloud1.arc. nasa.gov/solve/payload/er2/argus.html ) were built on a common base, as in Fig. 1 (prior art), successively: QC laser, laser guide mirrors, Herriot chamber (multiple reflections), two separate detectors, a reference cell and detector guide mirrors. This system also includes a block of control electronics.

Celem wynalazku jest opracowanie układu do pomiaru stężeń HCl i H2CO w podczerwieni, pozwalającego automatycznie i bezobsługowo wykrywać tytułowe gazy oraz zminiaturyzować układ, włączając w to wszystkie elementy optyczne, mechaniczne i elektroniczne.The aim of the invention is to develop a system for measuring HCl and H2CO concentrations in the infrared, allowing for automatic and unattended detection of the title gases and miniaturization of the system, including all optical, mechanical and electronic elements.

Istotą układu do pomiaru stężeń HCl i H2CO w podczerwieni zawierającego laser, układ luster, komorę Herriot’a, soczewki oraz detektor, umieszczone na płycie bazowej, na drodze promienia jest to, laser stanowi laser kaskadowy emitujący promień, za laserem jest kolimator, za którym jest pierwszy układ dwóch płaskich luster, kierujących przez odbicie promień lasera kaskadowego z kolimatora do komory Herriot’a, za pierwszym układem płaskich luster jest komora Herriot’a, do której promień lasera kierowany jest poprzez odbicie od lustra, zaś drugi układ dwóch płaskich luster kieruje promień wychodzący z komory Herriot’a tak, że pada on na soczewkę dwuwypukłą, za którą znajduje się detektor, a za nim umieszczony jest sterownik spektrofotometru, przy czym lustro stanowi lustro wspólne dla obu układów luster i umiejscowione jest pomiędzy komorą Herriot’a a pozostałymi lustrami obu układów tak, że załamuje promień odbity od płaskiego lustra znajdującego się w pierwszym układzie luster i kieruje go do komory Herriot’a oraz załamuje promień wychodzący z komory Herriot’a tak, że trafia on na płaskie lustro znajdujące się w drugim układzie luster, a następnie na soczewkę dwuwypukłą.The essence of the system for measuring HCl and H2CO concentrations in the infrared, containing a laser, a system of mirrors, Herriot's chamber, lenses and a detector, placed on the base plate, in the path of the beam, is that the laser is a cascade laser emitting a beam, behind the laser there is a collimator, behind which there is a first system of two flat mirrors, directing the cascade laser beam from the collimator to the Herriot chamber by reflection, behind the first system of flat mirrors there is a Herriot chamber to which the laser beam is directed by reflection from the mirror, and the second system of two flat mirrors directs a ray coming out of the Herriot chamber so that it falls on a biconvex lens behind which the detector is located, and behind it the spectrophotometer controller is placed, the mirror being a common mirror for both systems of mirrors and located between the Herriot chamber and the others mirrors of both systems so that it refracts the ray reflected from the flat mirror located in the first mirror system and directs it to the Herriot chamber, and refracts the ray emerging from the Herriot chamber so that it hits the flat mirror located in the second mirror system, and then onto the biconvex lens.

Korzystnie, laser kaskadowy stanowi laser przestrajalny DFB-ICL.Preferably, the cascade laser is a DFB-ICL tunable laser.

Korzystnie, kolimator stanowi luneta optyczna z trzech soczewek z CaF2.Preferably, the collimator is an optical telescope with three CaF2 lenses.

Korzystnie, komora Herriot’a ma króćce doprowadzające i odprowadzające gaz do i z jej wnętrza.Preferably, the Herriot chamber has ports for supplying and discharging gas to and from its interior.

Korzystnie, detektor stanowi fotodioda półprzewodnikowa InAsSb, w chłodzonej termoelektrycznie obudowie.Preferably, the detector is a semiconductor photodiode InAsSb, in a thermoelectrically cooled housing.

Korzystnie laser kaskadowy i detektor połączone są poprzez sterownik spektrofotometru.Preferably, the cascade laser and the detector are connected via a spectrophotometer controller.

Zaletą układu wynalazku jest to, że pozwala on na automatyczne i bezobsługowe wykrywanie gazów HCl i H2CO w podczerwieni, umożliwia miniaturyzację układu - wszystkie elementy optyczne, mechaniczne i elektroniczne mogą być zabudowane na podstawie formatu A4, a całość może być z powodzeniem przenoszona dronami nad kontrolowane obszary i pojedyncze emitory.The advantage of the system of the invention is that it allows for automatic and maintenance-free detection of HCl and H2CO gases in the infrared, enables miniaturization of the system - all optical, mechanical and electronic elements can be built on the basis of A4 format, and the whole can be successfully carried by drones over the controlled areas and single emitters.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia układ do pomiaru stężeń HC l i H2CO w podczerwieni zabudowany na platformie pomiarowej.The subject of the invention is presented in an embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a system for measuring HCl and H2CO concentrations in the infrared, installed on a measuring platform.

Przykład realizacjiExample of implementation

Układ do pomiaru stężeń HCl i H2CO w podczerwieni, składa się z następujących elementów: lasera 1 kaskadowego emitującego promień 10, za którym, kierując się drogą biegu promienia 10, znajduje się kolimator 2, za którym znajduje się układ dwóch płaskich luster 3 i 4, za którym znajduje się komora 5 Herriot’a, za którą znajduje się układ dwóch płaskich luster 4 i 6, za którym znajduje się soczewka 7 skupiająca dwuwypukłą, za którą znajduje się detektor 8, za którym znajduje się sterownik spektrofotometru 9.The system for measuring the concentrations of HCl and H2CO in the infrared consists of the following elements: a cascade laser 1 emitting a beam 10, behind which, following the path of the beam 10, there is a collimator 2, behind which there is a system of two flat mirrors 3 and 4, behind which there is a Herriot chamber 5, behind which there is a system of two flat mirrors 4 and 6, behind which there is a biconvex focusing lens 7, behind which there is a detector 8, behind which there is a spectrophotometer controller 9.

W opisanym powyżej układzie elementów, promień 10 lasera 1 kaskadowego kierowany jest dwoma płaskimi lustrami 3 i 4 do środka komory Herriot’a 5. Odbywa się to w ten sposób, że lustro 3 kieruje promień 10 lasera 1 kaskadowego z kolimatora 2 na lustro 4, a lustro 4 kieruje promień 10 lasera 1 kaskadowego z lustra 3 do komory 5 Herriot’a.In the arrangement of elements described above, the beam 10 of the cascade laser 1 is directed by two flat mirrors 3 and 4 to the center of the Herriot chamber 5. This is done in such a way that the mirror 3 directs the beam 10 of the cascade laser 1 from the collimator 2 onto the mirror 4, and the mirror 4 directs the beam 10 of the cascade laser 1 from the mirror 3 into the Herriot chamber 5.

Po wielokrotnych odbiciach w komorze Herriot’a 5, promień 10 lasera 1 kaskadowego opuszcza ją, i płaskimi lustrami 4 i 6 przez soczewkę 7, kierowany jest na detektor 8. Odbywa się to w ten sposób, że lustro 4 kieruje promień 10 lasera 1 kaskadowego z komory 5 Herriot’a na lustro 6, a lustro 6 kieruje promień 10 lasera 1 kaskadowego z lustra 4 na soczewkę 7 skupiającą dwuwypukłą.After multiple reflections in the Herriot chamber 5, the beam 10 of the cascade laser 1 leaves it and is directed by the flat mirrors 4 and 6 through the lens 7 to the detector 8. This is done so that the mirror 4 directs the beam 10 of the cascade laser 1 from the Herriot chamber 5 onto the mirror 6, and the mirror 6 directs the beam 10 of the cascade laser 1 from the mirror 4 onto the biconvex focusing lens 7.

Opisane powyżej dwa układy luster tj. układ dwóch płaskich luster 3 i 4 za kolimatorem 2, kierujący promień 10 lasera 1 kaskadowego z kolimatora 2 do komory 5 Herriot’a oraz układ dwóch płaskich luster 4 i 6 za komorą 5 Herriot’a, kierujący promień 10 lasera 1 kaskadowego z komory 5 Herriot’a na soczewkę 7 skupiającą dwuwypukłą, mają jedno lustro 4 wspólne. Pierwszy układ luster 3 i 4 oraz drugi układ luster 4 i 6 łącznie, tworzą zatem trzy lustra 3, 4 i 6. Lustrem wspólnym pierwszego układu dwóch luster 3 i 4 i drugiego układu dwóch luster 4 i 6 jest lustro 4 promienia 10 odbitego od lustra 3 w pierwszym zespole, do komory 5 Herriot’a oraz promienia 10 wychodzącego z komory 5 Herriot’a, na lustro 6 w drugim układzie.The two mirror systems described above, i.e. a system of two flat mirrors 3 and 4 behind the collimator 2, directing the cascade laser 1 beam 10 from the collimator 2 to the Herriot chamber 5, and a system of two flat mirrors 4 and 6 behind the Herriot chamber 5, directing the beam 10 of the cascade laser 1 from the Herriot chamber 5 onto the biconvex focusing lens 7, have one mirror 4 in common. The first set of mirrors 3 and 4 and the second set of mirrors 4 and 6 together form three mirrors 3, 4 and 6. The common mirror of the first set of two mirrors 3 and 4 and the second set of two mirrors 4 and 6 is the mirror 4 of the ray 10 reflected from the mirror 3 in the first assembly, to the Herriot chamber 5, and a beam 10 extending from the Herriot chamber 5, onto the mirror 6 in the second assembly.

Badana próbka gazu wprowadzana i wyprowadzana jest do i z komory Herriot’a 5 za pomocą króćców 11.The tested gas sample is introduced and discharged into and out of the Herriot chamber 5 by means of connectors 11.

Laser 1 kaskadowy, stanowi laser przestrajalny DFB-ICL.The cascade laser 1 is a tunable laser DFB-ICL.

Kolimator 2 ma postać lunety optycznej złożonej z trzech soczewek z CaF2.The collimator 2 is in the form of an optical telescope composed of three CaF2 lenses.

Komora Herriot’a 5 to komora odbić wielokrotnych, zbudowana z naprzeciwległych zwierciadeł wklęsłych (Φ = 1” o ogniskowej f = 100 mm).The Herriot chamber 5 is a multiple reflection chamber, built of opposite concave mirrors (Φ = 1” with a focal length of f = 100 mm).

Detektor 8 stanowi fotodioda półprzewodnikowa InAsSb, przeznaczona do współpracy modułowej z laserami kaskadowymi, zabudowana w chłodzonej termoelektrycznie obudowie TO-8.Detector 8 is a semiconductor photodiode InAsSb, designed for modular cooperation with cascade lasers, built in a thermoelectrically cooled TO-8 housing.

Schemat opisanego powyżej układu elementów przedstawia Fig. 1. Wszystkie elementy układu zostały tak zaprojektowane i rozmieszczone, aby realizując optyczny pomiar mieściły się na płycie bazowej w formacie A4. Zgodnie ze schematem układu elementów, promień 10 lasera 1 kaskadowego, uformowany w kolimatorze 2 mającym postać lunety optycznej złożonej z soczewek z CaF2, wysyłany jest na nastawne lustra 3 i 4, które kierują go do komory 5 Herriot’a. Jest to komora odbić wielokrotnych, zbudowana z naprzeciwległych zwierciadeł wklęsłych (Φ = 1” o ogniskowej f = 100 mm). Promień 10 lasera 1 kaskadowego wprowadzany jest do komory 5 Herriot’a pod niewielkim kątem przez mały otwór (Φ = 3 mm) i przez ten sam otwór po kilkunastu odbiciach ją opuszcza. Całkowita droga optyczna promienia 10 lasera 1 kaskadowego w badanym gazie, pompowanym do komory 5 Herriot’a, jest funkcją odległości między zwierciadłami i ilością odbić wewnętrznych. Stosunek natężenia promienia 10 powrotnego lasera 1 kaskadowego do natężenia promienia 10 pierwotnego lasera 1 kaskadowego jest, zgodnie z prawem Lamberta-Beera, funkcją stężenia badanych gazów, ich współczynników absorpcji w podczerwieni dla analizowanych liczb falowych i wspólnej optycznej drogi. Promień 10 lasera 1 kaskadowego wychodzący z komory 5 Herriot’a, płaskimi lustrami 4 i 6 oraz soczewką 7 skupiającą dwuwypukłą, kierowany jest na detektor 8, którym w układzie jest fotodioda półprzewodnikowa InAsSb, przeznaczona do współpracy modułowej z laserami kaskadowymi, zabudowana w chłodzonej termoelektrycznie obudowie TO-8. Sterownik chłodzenia stabilizuje temperaturę pracy detektora 8, a demodulator synchroniczny zapewnia dokładność pomiaru i niski poziom szumów, co wynika z zastosowanej metody pomiaru WMS-2f. Laser 1 kaskadowy i detektor 8 są sterowane z jednego sterownika spektrofotometru 9.Fig. 1 presents a diagram of the arrangement of elements described above. All elements of the system have been designed and arranged in such a way that they fit on the base plate in A4 format when performing optical measurement. According to the diagram of the arrangement of elements, the beam 10 of the cascade laser 1, formed in the collimator 2 in the form of an optical telescope composed of CaF2 lenses, is sent to the adjustable mirrors 3 and 4, which direct it to the Herriot chamber 5. It is a multiple reflection chamber, built of opposite concave mirrors (Φ = 1” with focal length f = 100 mm). The beam 10 of the cascade laser 1 is introduced into the Herriot chamber 5 at a small angle through a small hole (Φ = 3 mm) and leaves it through the same hole after several reflections. The total optical path of the cascade laser beam 10 in the test gas pumped into the Herriot chamber 5 is a function of the distance between the mirrors and the number of internal reflections. The ratio of the intensity of the beam 10 of the return cascade laser 1 to the intensity of the beam 10 of the primary cascade laser 1 is, according to the Lambert-Beer law, a function of the concentration of the test gases, their infrared absorption coefficients for the analyzed wavenumbers and the common optical path. The beam 10 of the cascade laser 1 coming out of the Herriot chamber 5, with the flat mirrors 4 and 6 and the biconvex focusing lens 7, is directed at the detector 8, which in the system is a semiconductor photodiode InAsSb, intended for modular cooperation with cascade lasers, built in a thermoelectrically cooled TO-8 housing. The cooling controller stabilizes the operating temperature of the detector 8, and the synchronous demodulator ensures measurement accuracy and low noise level, which results from the WMS-2f measurement method used. The cascade laser 1 and detector 8 are controlled from one spectrophotometer controller 9.

Claims

1. A system for measuring HCl and H2CO concentrations in the infrared, comprising a laser, a system of mirrors, a Herriot chamber, lenses and a detector, placed on a base plate in the path of the beam, characterized in that the laser is a cascade laser (1) emitting a beam (10 ), behind the laser (1) there is a collimator (2), behind which there is the first system of two flat mirrors (3 and 4), directing the cascade laser beam (10) from the collimator (2) to the Herriot chamber (5) by reflection 'a, behind the first set of flat mirrors (3 and 4) there is a Herriot chamber (5) into which the beam (10) of the laser (1) is directed by reflection from the mirror (4), and the second set of two flat mirrors (4 and 6) directs the beam coming out of the Herriot chamber (5) so that it falls on the biconvex lens (7), behind which there is a detector (8), and behind it there is a spectrophotometer controller (9), the mirror ( 4) is a common mirror for both systems of mirrors and is located between the Herriot chamber (5) and the other mirrors (6 and 3) of both systems so that it refracts the ray (10) reflected from the flat mirror (3) located in the first system mirrors and directs it to the Herriot chamber (5) and refracts the ray (10) coming out of the Herriot chamber (5) so that it hits the flat mirror (6) located in the second set of mirrors, and then the biconvex lens (7).

2. A system according to claim The device of claim 1, characterized in that the cascade laser (1) is a tunable laser DFB-ICL.

3. A system according to claim 1, characterized in that the collimator (2) is an optical telescope with three CaF2 lenses.

4. A system according to claim 1, characterized in that the Herriot chamber (5) has stub pipes (11) supplying and discharging gas to and from its interior.

5. A system according to claim 1, characterized in that the detector (8) is a semiconductor photodiode InAsSb, in a thermoelectrically cooled housing.

6. A system according to claim The device of claim 1, characterized in that the cascade laser (1) and the detector (8) are connected via a spectrophotometer controller (9).