RU143639U1

RU143639U1 - DEVICE FOR REMOTE IDENTIFICATION OF VAPORS AND AEROSOLS OF SUBSTANCES IN OPEN AND CLOSED GAS MEDIA

Info

Publication number: RU143639U1
Application number: RU2013159107/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Евгеньевич Алешин; Константин Анатольевич Коновалов; Николай Владимирович Спасский; Сергей Яковлевич Чакчир; Нахум БАДАТ; Соурен САРКИССОВ; Герман ЩЕДРИНСКИЙ
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "АДВЕНТ"
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2014-07-27

Abstract

1. Устройство для дистанционного выявления паров и аэрозолей веществ в открытых и замкнутых газовых средах, содержащее осветитель, включающий источник излучения, оптическую систему, состоящую из объектива и дифракционной решетки, фотоприёмное устройство и блок обработки сигналов, отличающееся тем, что источник излучения представляет собой источник света, излучающий в широком инфракрасном спектральном диапазоне, осветитель дополнен линзой, формирующей лучи в параллельный пучок, установленной на оптической оси устройства, а в оптическую систему дополнительно введены расположенные последовательно вдоль оптической оси устройства входная щель, установленная в фокальной плоскости объектива, первое сферическое зеркало, установленное под углом к оптической оси устройства, и второе сферическое зеркало, расположенное между дифракционной решеткой и фотоприёмным устройством, выполненным в виде приемной линейки и соединенным с блоком обработки сигналов.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник излучения выполнен в виде галогенной лампы или источника света типа "глобар".3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что блок обработки сигналов состоит из последовательно соединенных с приемной линейкой контроллера, аналого-цифрового преобразователя и ЭВМ. 1. A device for remote detection of vapors and aerosols of substances in open and closed gas environments, containing a illuminator including a radiation source, an optical system consisting of a lens and a diffraction grating, a photodetector and a signal processing unit, characterized in that the radiation source is a source light emitting in a wide infrared spectral range, the illuminator is supplemented with a lens that forms rays in a parallel beam mounted on the optical axis of the device, and in the optical The input system additionally introduces an entrance slit located in series along the optical axis of the device, mounted in the focal plane of the lens, a first spherical mirror mounted at an angle to the optical axis of the device, and a second spherical mirror located between the diffraction grating and the photodetector made in the form of a receiving line and connected to the signal processing unit. 2. The device according to claim 1, characterized in that the radiation source is made in the form of a halogen lamp or a globar type light source. 3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the signal processing unit consists of a series connected to the controller receiving line, an analog-to-digital converter and a computer.

Description

Полезная модель относится к аналитическому приборостроению, а именно к спектральным приборам, и может быть использована для химического анализа веществ, например, для дистанционного выявления через различные прозрачные среды паров летучих веществ и аэрозолей в открытых и замкнутых объемах, а также в движущихся объектах.The utility model relates to analytical instrumentation, namely to spectral devices, and can be used for chemical analysis of substances, for example, for the remote detection of vapors of volatile substances and aerosols in open and closed volumes, as well as in moving objects through various transparent media.

Дистанционный контроль качества атмосферы является сегодня одной из приоритетных аналитических задач не только из-за выброса предприятиями вредных веществ, но и из-за техногенных аварий и катастроф. Значительные концентрации загрязняющих веществ в ряде случаев затрудняют пробоотбор из-за возможности негативного воздействия на персонал. Часто отбор проб невозможен в силу физической недоступности объекта контроля. По этим причинам разработка и создание дистанционных аналитических методик и аппаратуры, работающих в режиме реального времени и сочетающих высокую мобильность и автоматизм, чрезвычайно актуальны. Среди аналитической аппаратуры лидируют приборы, основанные на оптических дистанционных методах контроля состава атмосферы. Они подразделяются на активные и пассивные. Активные методы используют внешние мощные просвечивающие источники, пассивные - регистрируют и анализируют излучение атмосферы и исследуемого объекта.Remote control of the quality of the atmosphere is today one of the priority analytical tasks, not only due to the release of harmful substances by enterprises, but also due to industrial accidents and disasters. Significant concentrations of pollutants in some cases make sampling difficult because of the potential for negative effects on personnel. Often, sampling is not possible due to the physical inaccessibility of the control object. For these reasons, the development and creation of remote analytical techniques and equipment that work in real time and combine high mobility and automatism are extremely relevant. Among the analytical equipment, the leading devices are those based on optical remote sensing methods for controlling the composition of the atmosphere. They are divided into active and passive. Active methods use external powerful translucent sources, passive methods record and analyze the radiation of the atmosphere and the object under study.

Известен спектрометр [см. патент РФ на полезную модель №81320, МПК G01J 3/00 (2006.01), опубл. 10.03.2009], содержащий корпус с входным окном, внутри которого установлена оптическая система. На выходе оптической системы установлен многоэлементный фотодетектор, соединенный с электронным блоком управления и обработки выходных сигналов. Данное техническое решение может быть использовано, например, для создания малогабаритного, высокочувствительного и широкополосного многоканального спектрометра. Известный спектрометр характеризуется тем, что давление инертного газа внутри корпуса превышает атмосферное на 0,1-2 атм. и для его контроля установлен датчик давления, например манометр. Уровень вакуума спектрометра может составлять не более 0,5 атм., для его контроля также установлен датчик давления, например манометр. Многоэлементный фотодетектор спектрометра может быть установлен на охлаждаемую поверхность термоэлектрического холодильника Пельтье, нагреваемая поверхность которого установлена в тепловом контакте с корпусом спектрометра. Входное окно спектрометра может быть выполнено в виде пластины из прозрачного в рабочем спектральном диапазоне материала и загерметизировано по периметру. Электрические контакты многоэлементного фотодетектора через соединительный кабель и вакуумно плотный разъем, установленный в стенке корпуса, соединены с блоком управления и обработки выходных сигналов. Спектрометр может быть выполнен на базе оптической схемы Эберта-Фасти и многоэлементного фотодетектора.Known spectrometer [see RF patent for utility model No. 81320, IPC G01J 3/00 (2006.01), publ. 03/10/2009], comprising a housing with an input window, inside of which an optical system is installed. At the output of the optical system there is a multi-element photodetector connected to the electronic control unit and the processing of output signals. This technical solution can be used, for example, to create a small-sized, highly sensitive and broadband multi-channel spectrometer. The known spectrometer is characterized in that the inert gas pressure inside the housing exceeds atmospheric by 0.1-2 atm. and for its control a pressure sensor is installed, for example a pressure gauge. The vacuum level of the spectrometer can be no more than 0.5 atm. A pressure sensor, such as a pressure gauge, is also installed for its control. The multi-element photodetector of the spectrometer can be mounted on the cooled surface of a Peltier thermoelectric refrigerator, the heated surface of which is installed in thermal contact with the spectrometer case. The input window of the spectrometer can be made in the form of a plate of a material transparent in the working spectral range and sealed around the perimeter. The electrical contacts of the multi-element photodetector through a connecting cable and a vacuum tight connector mounted in the wall of the housing are connected to the control unit and the processing of the output signals. The spectrometer can be made on the basis of an Ebert-Fasti optical scheme and a multi-element photodetector.

Известен также многоканальный спектрометр [см. патент РФ на полезную модель №81800, МПК C01J 3/00 (2006.01), опубл. 27.03.2009], который может быть использован, например, для создания малогабаритного, высокочувствительного и широкополосного многоканального спектрометра. Многоканальный спектрометр содержит корпус с горизонтальной оптической схемой, включающей входную щель, находящуюся в фокусе вогнутого входного зеркала, оптически связанного с плоской дифракционной решеткой, которая расположена на расстоянии 0,85 фокусного расстояния вогнутого выходного зеркала. В фокусе вогнутого выходного зеркала расположен многоэлементный фотодетектор, соединенный с электронным блоком управления фотодетектора и обработки его выходных сигналов. Дифракционная решетка и выходное зеркало установлены с возможностью вращения относительно оси, проходящей через центры их поверхностей и перпендикулярные меридиональной плоскости. Особенностью спектрометра является то, что дифракционная решетка и выходное зеркало установлены на поворотных платформах с возможностью вращения относительно оси, проходящей через центры их поверхностей и перпендикулярные меридиональный плоскости. Поворотные платформы оборудованы ограничителями поворота, при этом ограничители поворота выходного зеркала не допускают попадание нормали, восстановленной к краю зеркальной поверхности выходного зеркала, ближайшего к входному зеркалу, на рабочую поверхность дифракционной решетки.A multi-channel spectrometer is also known [see RF patent for utility model No. 81800, IPC C01J 3/00 (2006.01), publ. March 27, 2009], which can be used, for example, to create a small-sized, highly sensitive, and broadband multichannel spectrometer. A multichannel spectrometer comprises a housing with a horizontal optical circuit including an entrance slit located in the focus of a concave input mirror optically coupled to a plane diffraction grating, which is located at a distance of 0.85 of the focal length of the concave output mirror. At the focus of the concave output mirror is a multi-element photodetector connected to the electronic control unit of the photodetector and processing its output signals. The diffraction grating and the exit mirror are rotatably mounted about an axis passing through the centers of their surfaces and perpendicular to the meridional plane. A spectrometer feature is that the diffraction grating and the exit mirror are mounted on rotary platforms with the possibility of rotation about an axis passing through the centers of their surfaces and perpendicular to the meridional plane. The turntables are equipped with rotation limiters, while the rotation limiters of the output mirror do not allow the normal restored to the edge of the mirror surface of the output mirror closest to the input mirror to the working surface of the diffraction grating.

Недостатком описанных выше известных спектрометров является сложность, а зачастую, и невозможность их использования для дистанционного анализа. Эта проблема объясняется тем, что в известных устройствах отсутствуют фокусирующие объективы и источники излучения. Кроме того, корпус спектрометра по полезной модели RU 81320 выполнен в герметичном исполнении и наполнен инертным газом с избыточным давлением. Это обстоятельство усложняет технологию изготовления корпуса спектрометра, а, кроме того, в процессе проведения измерений для проверки герметичности устройства необходимо постоянно контролировать давление внутри корпуса спектрометра.A disadvantage of the known spectrometers described above is the complexity, and often the impossibility of using them for remote analysis. This problem is explained by the fact that the known devices lack focusing lenses and radiation sources. In addition, the spectrometer housing according to utility model RU 81320 is sealed and filled with inert gas with overpressure. This circumstance complicates the manufacturing technology of the spectrometer housing, and, in addition, during the measurement process to check the tightness of the device it is necessary to constantly monitor the pressure inside the spectrometer housing.

Известны также способ и устройство для обнаружения газов, частиц и/или жидкостей [см. патент на изобретение РФ №2461815, МПК G01N 21/39 (2006.01), опубл. 20.09.2012]. Данное техническое решение относится к системам сигнализации и основано на использовании четырехкомпонентного настраиваемого лазера, работающего в средней части инфракрасного (ИК) диапазона для одновременного измерения и частиц, и газа. Измерение выполняют в пределах пространства, в котором газ, представляющий интерес, поглощает излучение, соответствующее средней части ИК диапазона. Газообразный метан снижает интенсивность излучения на определенной длине волны этого устройства, тогда как частицы/туман снижают интенсивность всех длин волн. В этом случае туман не включает сигнал тревоги, в то время как обнаружение метана включает. Благодаря широкой перестройке излучаемой длины волны лазера некоторые длины волн могут быть измерены для того, чтобы точно найти и состав газа, и концентрацию частиц с помощью одного датчика, основанного на применении лазера.Also known is a method and apparatus for detecting gases, particles and / or liquids [see RF patent No. 2461815, IPC G01N 21/39 (2006.01), publ. 09/20/2012]. This technical solution relates to alarm systems and is based on the use of a four-component tunable laser operating in the middle part of the infrared (IR) range for simultaneous measurement of both particles and gas. The measurement is performed within the space in which the gas of interest absorbs radiation corresponding to the middle part of the IR range. Methane gas reduces the radiation intensity at a specific wavelength of this device, while particles / fog reduces the intensity of all wavelengths. In this case, the fog does not turn on the alarm, while methane detection turns on. Due to the wide adjustment of the emitted laser wavelength, some wavelengths can be measured in order to accurately determine both the gas composition and the particle concentration using a single laser-based sensor.

Известное устройство может включать лазер Фабри-Перо, либо другие типы лазеров, например, лазер на гетероструктуре, лазер с квантовыми ямами или квантовый каскадный лазер.A known device may include a Fabry-Perot laser, or other types of lasers, for example, a heterostructure laser, a quantum well laser, or a quantum cascade laser.

Устройство может быть использовано для обнаружения CO₂, CO, NH₃, NO_x, SO₂, CH₄, газообразных/жидких углеводородов или подобных веществ, имеющих вид дыма или частиц.The device can be used to detect CO ₂ , CO, NH ₃ , NO _x , SO ₂ , CH ₄ , gaseous / liquid hydrocarbons or similar substances having the form of smoke or particles.

Достоинством известного устройства является его способность обнаруживать некоторые вредные для человека газы. Кроме того, известное устройство может быть использовано в качестве сигнализатора при появлении в атмосфере или помещении опасных газов.The advantage of the known device is its ability to detect some gases harmful to humans. In addition, the known device can be used as an alarm device when hazardous gases appear in the atmosphere or room.

При этом одним из основных недостатков известной схемы является ее сложность, обусловленная обязательным наличием сложного четырехкомпонентного лазера, который является источником излучения, а также блока управления этим лазером. Однако последние достижения ведущих производителей в области приемников ближнего ИК диапазона на InGaAs показали, что существует возможность создания спектральных приборов с узким диапазоном порядка 25-30 нм с разрешающей способностью 0,12 нм. Такие спектральные приборы можно использовать в газоанализаторах, заменив полупроводниковые диодные лазеры, см., например, сайт www.hamamatsu.com, на котором представлены новейшие достижения японских производителей в области производства приемных линеек, в частности, в ближнем ИК диапазоне.Moreover, one of the main disadvantages of the known scheme is its complexity, due to the mandatory presence of a complex four-component laser, which is the radiation source, as well as the control unit of this laser. However, recent achievements of leading manufacturers in the field of near-infrared receivers on InGaAs have shown that there is the possibility of creating spectral instruments with a narrow range of about 25-30 nm with a resolution of 0.12 nm. Such spectral instruments can be used in gas analyzers, replacing semiconductor diode lasers, see, for example, the website www.hamamatsu.com, which presents the latest achievements of Japanese manufacturers in the production of receiving lines, in particular, in the near infrared range.

К недостаткам известной схемы следует также отнести ограниченность ее функциональных возможностей, которая заключается в следующем: при необходимости проведения измерений в различных диапазонах потребуется устанавливать в устройство лазер с другим спектральным диапазоном излучения, а также блок управления указанным лазером.The disadvantages of the known scheme should also include the limitations of its functionality, which is as follows: if you need to measure in different ranges, you will need to install a laser with a different spectral range of radiation in the device, as well as a control unit for the specified laser.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для измерения содержания паров веществ в газовой среде [см. патент РФ на изобретение №2330266, МПК G01N 21/31 (2006.01), опубл. 20.10.2007]. Известное техническое решение относится к области химического анализа веществ, а более конкретно - к устройствам для измерения концентрации и состава паров химических веществ в атмосфере и других газовых средах.Closest to the claimed technical solution is a device for measuring the vapor content of substances in a gaseous environment [see RF patent for the invention No. 2330266, IPC G01N 21/31 (2006.01), publ. 10.20.2007]. Known technical solution relates to the field of chemical analysis of substances, and more specifically to devices for measuring the concentration and composition of the vapor of chemicals in the atmosphere and other gas environments.

Устройство содержит оптическую систему, ограничивающую рабочий спектральный диапазон и фокусирующую поступающее на вход устройства излучение на газовую ячейку с корреляционным газом и на пустую, не содержащую корреляционного газа, ячейку. В каждую газовую ячейку введен эшелетт (отражательная фазовая дифракционная решетка). Дифракционная решетка раскладывает излучение, прошедшее через соответствующую газовую ячейку, в спектр и фокусирует его на двумерную матрицу фотоприемников прибора с зарядовой связью или прибора с инжекцией заряда, или фотодиодов, таким образом, что каждой спектральной линии или полосе излучения из рабочего спектрального диапазона, прошедшего через газовые ячейки, соответствует один или несколько фоточувствительных элементов матрицы, позволяющих отфильтровать при последующей обработке информации сигналы от части излучения в тех спектральных линиях и полосах, которые пересекаются со спектральными линиями и полосами от посторонних (фоновых не анализируемых) газов.The device contains an optical system that limits the working spectral range and focuses the radiation received at the input of the device on a gas cell with a correlation gas and on an empty cell that does not contain correlation gas. An echelette (reflective phase diffraction grating) is introduced into each gas cell. The diffraction grating decomposes the radiation transmitted through the corresponding gas cell into the spectrum and focuses it on the two-dimensional matrix of charge-coupled device or charge-injected device, or photodiodes, so that each spectral line or band of radiation from the working spectral range passed through gas cells, corresponds to one or more photosensitive elements of the matrix, which allow filtering during subsequent processing of information the signals from part of the radiation in those ktralnyh lines and bands that overlap with the spectral lines and stripes of extraneous (background not analyzed) gases.

Недостатком известного технического решения является сложность его конструкции, которая заключается в использовании для химического анализа корреляционного газа. Система включает две газовые ячейки (одна из ячеек наполняется корреляционным газом, а другая - пустая) и две дифракционные решетки (в каждой из газовых ячеек установлена отражательная фазовая дифракционная решетка). К недостаткам известной системы следует также отнести необходимость перенастройки спектральных диапазонов, которая осуществляется путем перенастройки указанных выше дифракционных решеток (фокусирующих эшелеттов).A disadvantage of the known technical solution is the complexity of its design, which consists in using correlation gas for chemical analysis. The system includes two gas cells (one of the cells is filled with correlation gas, and the other is empty) and two diffraction gratings (a reflective phase diffraction grating is installed in each of the gas cells). The disadvantages of the known system should also include the need to reconfigure the spectral ranges, which is carried out by reconfiguring the above diffraction gratings (focusing echelettes).

Применение в известном техническом решении сложной двухмерной матрицы фотоприемников также следует отнести к недостаткам технического решения, выбранного в качестве прототипа.The use in the known technical solution of a complex two-dimensional matrix of photodetectors should also be attributed to the disadvantages of the technical solution selected as a prototype.

Существенным недостатком ближайшего аналога является то, что исследуемая газовая среда и газовая ячейка содержат один и тот же газ, что усложняет поиск и определение состава анализируемого газа. Кроме того, известное устройство не обеспечивает возможность проведения исследования в открытых газовых средах.A significant drawback of the closest analogue is that the test gas medium and the gas cell contain the same gas, which complicates the search and determination of the composition of the analyzed gas. In addition, the known device does not provide the ability to conduct research in open gas environments.

При этом в случае использования в системе лазерного источника излучения, возникают большие сложности при проведении измерений. Например, при необходимости провести измерения в другом спектральном диапазоне потребуется другой лазер с соответствующим спектральным диапазоном, а также блок управления этим лазером, что существенно усложняет проведение работ на устройстве, а также ограничивает его функциональные возможности.Moreover, in the case of using a laser radiation source in the system, there are great difficulties in the measurement. For example, if you need to take measurements in a different spectral range, you will need another laser with the corresponding spectral range, as well as a control unit for this laser, which greatly complicates the work on the device, and also limits its functionality.

Задачей, поставленной при создании заявляемой полезной модели, является расширение функциональных возможностей устройства при одновременном упрощении его конструкции, повышении надежности работы, а также снижении материальных затрат на создание устройства для дистанционного выявления паров и аэрозолей веществ в открытых и замкнутых газовых средах.The task set when creating the claimed utility model is to expand the functionality of the device while simplifying its design, increasing reliability, as well as reducing material costs for creating a device for the remote detection of vapors and aerosols of substances in open and closed gas environments.

Для решения указанных задач предлагается устройство для дистанционного выявления паров и аэрозолей веществ в открытых и замкнутых газовых средах, которое, как и наиболее близкое к нему устройство, выбранное в качестве прототипа, содержит: осветитель, включающий источник излучения, и оптическую систему, состоящую из объектива и дифракционной решетки, фотоприемное устройство и блок обработки сигналов.To solve these problems, a device is proposed for the remote detection of vapors and aerosols of substances in open and closed gas environments, which, like the device closest to it, selected as a prototype, contains: a illuminator including a radiation source, and an optical system consisting of an objective and a diffraction grating, a photodetector and a signal processing unit.

Особенностью предлагаемой полезной модели, отличающей ее от известного, принятого за прототип устройства, является то, что источник излучения представляет собой источник света, излучающий в широком инфракрасном спектральном диапазоне, осветитель дополнен линзой, формирующей лучи в параллельный пучок, установленной на оптической оси устройства. В оптическую систему устройства дополнительно введены расположенные последовательно вдоль оптической оси устройства входная щель, установленная в фокальной плоскости объектива, первое сферическое зеркало, установленное под углом к оптической оси устройства, и второе сферическое зеркало, расположенное между дифракционной решеткой и фотоприемным устройством. Фотоприемное устройство выполнено в виде приемной линейки и соединено с блоком обработки сигналов.A feature of the proposed utility model that distinguishes it from the well-known adopted as a prototype device is that the radiation source is a light source emitting in a wide infrared spectral range, the illuminator is supplemented by a lens forming rays in a parallel beam mounted on the optical axis of the device. An input slit arranged consecutively along the optical axis of the device is additionally introduced into the optical system of the device, mounted in the focal plane of the lens, a first spherical mirror mounted at an angle to the optical axis of the device, and a second spherical mirror located between the diffraction grating and the photodetector. The photodetector is made in the form of a receiving line and is connected to a signal processing unit.

Источник излучения устройства может быть выполнен в виде галогенной лампы или источника света типа «ГЛОБАР».The radiation source of the device can be made in the form of a halogen lamp or a GLOBAR type light source.

Блок обработки сигналов может состоять из последовательно соединенных с приемной линейкой контроллера, аналого-цифрового преобразователя и ЭВМ.The signal processing unit may consist of a controller connected in series with the receiver line, an analog-to-digital converter, and a computer.

Технический результат, достигнутый в предлагаемой полезной модели, получен за счет следующего.The technical result achieved in the proposed utility model is obtained due to the following.

Важнейшими задачами, которые решались при создании предлагаемой полезной модели, были:The most important tasks that were solved when creating the proposed utility model were:

- расширение функциональных возможностей устройства для дистанционного выявления паров и аэрозолей веществ в открытых и замкнутых газовых средах (далее - устройства);- expanding the functionality of the device for remote detection of vapors and aerosols of substances in open and closed gas environments (hereinafter - the device);

- упрощение конструкции и повышение надежности устройства;- simplifying the design and improving the reliability of the device;

- снижение материальных затрат на его изготовление.- reduction of material costs for its manufacture.

Поставленные задачи были решены за счет следующих конструктивных особенностей устройства.The tasks were solved due to the following design features of the device.

В отличие от ближайшего аналога, использующего лазерный источник излучения, в предлагаемом устройстве источником излучения является галогенная лампа или другой источник света, обладающий широким спектральным диапазоном излучения, например, источник света типа «ГЛОБАР». Предложенные в заявляемом техническом решении источники света не требуют для своей работы блоков управления, в отличие от лазерного источника излучения, использованного в ближайшем аналоге. Приемником излучения в заявляемом устройстве является спектральный прибор с объективом, который анализирует определенный участок спектрального диапазона.Unlike the closest analogue using a laser radiation source, in the proposed device the radiation source is a halogen lamp or other light source having a wide spectral range of radiation, for example, a GLOBAR light source. The light sources proposed in the claimed technical solution do not require control units for their operation, in contrast to the laser radiation source used in the closest analogue. The radiation receiver in the inventive device is a spectral device with a lens that analyzes a specific portion of the spectral range.

Предложенное устройство работает в ближнем ИК диапазоне спектра. Ширина анализируемого диапазона составляет от 30 нм до 150 нм. Для анализа других участков диапазона достаточно только перенастроить спектральный прибор путем установки дифракционной решетки в другое положение, соответствующее необходимому спектральному диапазону. При этом в оптической системе ближайшего аналога, в которой использован качестве источника освещения лазер, для анализа участков с другим спектральным диапазоном, потребуется лазер с другой длиной волны, то есть с другим спектральным диапазоном излучения.The proposed device operates in the near infrared spectrum. The width of the analyzed range is from 30 nm to 150 nm. For analysis of other parts of the range, it is enough to simply reconfigure the spectral device by setting the diffraction grating to a different position corresponding to the required spectral range. Moreover, in the optical system of the closest analogue, in which a laser is used as a source of illumination, for analysis of areas with a different spectral range, a laser with a different wavelength, that is, with a different spectral range of radiation, will be required.

Кроме того, необходимо отметить, что полупроводниковые и диодные лазеры не позволяют перестраивать излучение, сохраняя при этом высокое разрешение в широком спектральном диапазоне.In addition, it should be noted that semiconductor and diode lasers do not allow tuning of the radiation, while maintaining high resolution in a wide spectral range.

Важнейшей задачей, поставленной и решенной при создании предлагаемого устройства, является расширение функциональных возможностей устройства.The most important task posed and solved when creating the proposed device is to expand the functionality of the device.

В заявленном устройстве расстояние от приемной части устройства до источника излучения может быть от нескольких сантиметров до сотен метров. При этом источник излучения никак не связан электронной связью со спектральным блоком. Это позволяет значительно расширить область применения заявленного устройства и использовать его, в отличие от технического решения, описанного в ближайшем аналоге, в качестве анализатора веществ в открытом оптическом тракте.In the claimed device, the distance from the receiving part of the device to the radiation source can be from a few centimeters to hundreds of meters. In this case, the radiation source is in no way connected electronically to the spectral block. This allows you to significantly expand the scope of the claimed device and use it, in contrast to the technical solution described in the closest analogue, as an analyzer of substances in an open optical path.

Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленные задачи.Thus, the combination of the above features allows us to solve the tasks.

Ниже описан конкретный пример реализации предлагаемой полезной модели.A specific example of the implementation of the proposed utility model is described below.

Полезная модель иллюстрируется чертежами.The utility model is illustrated by drawings.

На фиг. 1 представлена оптическая схема заявляемого устройства;In FIG. 1 presents an optical diagram of the inventive device;

на фиг. 2 представлен спектр атмосферы в ближнем ИК диапазоне шириной 30 нм, полученный на заявляемом устройстве;in FIG. 2 presents a spectrum of the atmosphere in the near infrared range of a width of 30 nm, obtained on the inventive device;

на фиг.3 представлен спектр паров конкретного вещества (спирта) в ближнем ИК диапазоне, полученный с помощью заявляемого устройства.figure 3 presents the vapor spectrum of a particular substance (alcohol) in the near infrared range obtained using the inventive device.

На фиг. 1 обозначены:In FIG. 1 marked:

1 - галогенная лампа, 2 - формирующая линза, образующие осветитель устройства;1 - halogen lamp, 2 - forming lens, forming the illuminator of the device;

3 - приемный объектив, 4 - входная щель, 5 - первое сферическое зеркало, 6 - дифракционная решетка, 7 - второе сферическое зеркало и приемная линейка 8, являющиеся приемной частью устройства;3 - receiving lens, 4 - entrance slit, 5 - first spherical mirror, 6 - diffraction grating, 7 - second spherical mirror and receiving line 8, which are the receiving part of the device;

9 - блок обработки сигналов, 10 - контроллер, 11 - аналого-цифровой преобразователь и 12 - ЭВМ, образующие блок обработки сигналов;9 - a signal processing unit, 10 - a controller, 11 - an analog-to-digital converter, and 12 - a computer forming a signal processing unit;

13 - прозрачная среда. В заявляемой полезной модели в качестве источника излучения могут быть использованы низковольтные галогенные лампы со штырьковым цоколем и регулированием силы света HALOSTAR ST 10W 12V G4, фирмы OSRAM GmbH, (Германия). В качестве источника излучения может быть также использован источник типа «глобар», являющийся источником инфракрасного излучения и представляющий собой стержень из карбида кремния диаметром 5 мм и длиной порядка 40 мм, нагреваемый пропускаемым через него электрическим током до температуры порядка 1200-1400°C. Рабочий диапазон излучения глобара 0.8-25 мкм. Источники излучения типа «глобар» предназначены для использования в качестве источников излучения непрерывного спектра в спектроскопии.13 is a transparent medium. In the claimed utility model, low-voltage halogen lamps with a pin base and light control HALOSTAR ST 10W 12V G4, OSRAM GmbH, (Germany) can be used as a radiation source. A source of the type “globar” can also be used as a radiation source, which is a source of infrared radiation and is a rod of silicon carbide with a diameter of 5 mm and a length of about 40 mm, heated by passing electric current through it to a temperature of about 1200-1400 ° C. The working range of the global radiation is 0.8–25 μm. Sources of radiation type "globar" are intended for use as sources of radiation of a continuous spectrum in spectroscopy.

В качестве приемного объектива может быть использован двухлинзовый объектив TELECOM ACHROMAT, D=30,0 mm, F=50,0 mm, выпускаемый фирмой THORLABS INC (USA);As a receiving lens, a TELECOM ACHROMAT two-lens lens, D = 30.0 mm, F = 50.0 mm, manufactured by THORLABS INC (USA);

- в качестве дифракционной решетки может быть использована дифракционная решетка GR25-1210, выпускаемая также фирмой THORLABS INC (USA) или ее дочерними предприятиями, расположенными в различных странах мира;- as the diffraction grating can be used diffraction grating GR25-1210, also produced by THORLABS INC (USA) or its subsidiaries located in different countries of the world;

- в качестве приемной линейки - InGaAs линейка, работающая в ближнем ИК спектральном диапазоне, модель 09494-2560 с соответствующим этой серии линеек блоком управления C10820 (производитель: HAMAMATSU, Япония).- as a receiving line - an InGaAs line operating in the near-IR spectral range, model 09494-2560 with the C10820 control unit corresponding to this series of lines (manufacturer: HAMAMATSU, Japan).

Устройство для дистанционного выявления паров и аэрозолей веществ в открытых и замкнутых газовых средах работает следующим образом. Источник излучения, например, галогенная лампа 1 излучает в широком спектральном диапазоне (например, в ближнем ИК диапазоне), формирующая линза 2 коллимирует это излучение в диаметр 20 мм и делает его направленным. Далее излучение направляется через прозрачную среду (искусственную или естественную атмосферу) 13, в которой находится анализируемое вещество или газ. Эта среда может составлять десятки и сотни метров. После прохождения среды 13 излучение попадает в приемный объектив 3, который фокусирует излучение на входную щель 4 и пропускает его часть в рабочем интервале спектра. Часть излучения из рабочего спектра поглощается анализируемым веществом и естественной атмосферой. Сфокусированное на щели 4 излучение формируется первым сферическим зеркалом 5 в параллельный пучок и направляется на дифракционную решетку 6, которая выделяет и раскладывает излучение на узкий спектр определенного диапазона с определенной шириной. Ширина полученных спектров может быть от 30 нм до 150 нм. После дифракционной решетки 6 узкий спектр излучения направляется на второе сферическое зеркало 7, которое фокусирует его на приемную линейку 8. Таким образом, на каждый элемент приемной линейки 8 падает излучение соответствующей спектральной области. Так как спектр поглощения индивидуален для каждого вещества, то из сигналов, прошедших через прозрачную среду 13 и попавших на приемную линейку 8, можно построить этот спектр поглощения и сравнить его со спектрами различных веществ из библиотеки спектров. Приемная линейка 8 и контроллер 10 преобразуют оптический сигнал, прошедший спектр излучения, в аналоговый. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) И осуществляет дальнейшее преобразование сигнала из аналоговой в цифровую форму, а также осуществляет первичную обработку сигнала. После первичной обработки в АЦП 11 сигнал поступает на ЭВМ 12, в которой происходит окончательная обработка результатов измерения и вывод информации о наличии, либо об отсутствии искомого вещества в исследуемом объеме (например, в открытом оптическом тракте или в движущемся объекте, например, в автомобиле).A device for the remote detection of vapors and aerosols of substances in open and closed gas environments works as follows. A radiation source, for example, a halogen lamp 1 emits in a wide spectral range (for example, in the near infrared range), the forming lens 2 collimates this radiation into a diameter of 20 mm and makes it directed. Next, the radiation is directed through a transparent medium (artificial or natural atmosphere) 13, in which the analyte or gas is located. This environment can be tens or hundreds of meters. After passing through the medium 13, the radiation enters the receiving lens 3, which focuses the radiation on the entrance slit 4 and passes part of it in the working range of the spectrum. Part of the radiation from the working spectrum is absorbed by the analyte and the natural atmosphere. The radiation focused on the slit 4 is formed by the first spherical mirror 5 into a parallel beam and is directed to the diffraction grating 6, which selects and spreads the radiation into a narrow spectrum of a certain range with a certain width. The width of the obtained spectra can be from 30 nm to 150 nm. After the diffraction grating 6, a narrow radiation spectrum is directed to the second spherical mirror 7, which focuses it on the receiving line 8. Thus, the radiation of the corresponding spectral region is incident on each element of the receiving line 8. Since the absorption spectrum is individual for each substance, it is possible to construct this absorption spectrum from the signals passing through the transparent medium 13 and entering the receiving line 8 and compare it with the spectra of various substances from the spectra library. The receiving line 8 and the controller 10 convert the optical signal that has passed the radiation spectrum into an analog one. An analog-to-digital converter (ADC) AND carries out further conversion of the signal from analog to digital, and also performs primary signal processing. After the initial processing in the ADC 11, the signal is fed to a computer 12, in which the final processing of the measurement results and information about the presence or absence of the desired substance in the test volume (for example, in an open optical path or in a moving object, for example, in a car) .

Испытания опытного образца показали, что предлагаемое устройство может быть использовано для автоматического измерения пропускания газов, паров и жидкостей в ближнем ИК диапазоне. С помощью предложенного устройства можно проводить измерения компонентного состава и влажности воздуха и других газовых смесей, а также определять концентрацию токсичных веществ. Кроме того, устройство эффективно работает как в открытом оптическом тракте, так и в замкнутом объеме, обеспечивая, например, обнаружение паров алкоголя через различные термальные стекла в движущемся автомобиле. При этом расстояние от приемной части устройства до источника излучения может составлять от нескольких сантиметров до сотен метров.Tests of the prototype showed that the proposed device can be used to automatically measure the transmission of gases, vapors and liquids in the near infrared range. Using the proposed device, it is possible to measure the composition and humidity of air and other gas mixtures, as well as determine the concentration of toxic substances. In addition, the device works effectively both in the open optical path and in a closed volume, providing, for example, the detection of alcohol vapor through various thermal glasses in a moving car. In this case, the distance from the receiving part of the device to the radiation source can be from a few centimeters to hundreds of meters.

Claims

1. A device for remote detection of vapors and aerosols of substances in open and closed gas environments, containing a illuminator including a radiation source, an optical system consisting of a lens and a diffraction grating, a photodetector and a signal processing unit, characterized in that the radiation source is a source light emitting in a wide infrared spectral range, the illuminator is supplemented with a lens that forms rays in a parallel beam mounted on the optical axis of the device, and in the optical The input system additionally introduces an entrance slit located in series along the optical axis of the device, installed in the focal plane of the lens, a first spherical mirror mounted at an angle to the optical axis of the device, and a second spherical mirror located between the diffraction grating and the photodetector made in the form of a receiving line and connected to the signal processing unit.

2. The device according to claim 1, characterized in that the radiation source is made in the form of a halogen lamp or a globar type light source.

3. The device according to p. 1 or 2, characterized in that the signal processing unit consists of serially connected to the receiver of the controller, analog-to-digital Converter and a computer.