RU162538U1 - Источник полихромного оптического излучения для обнаружения и измерения содержания оксидов азота в выхлопных газах - Google Patents

Abstract

Источник полихромного оптического излучения для обнаружения и измерения содержания оксидов азота в выхлопных газах, содержащий корпус, систему электропитания, излучатель света с белым или широкополосным спектром, оптические элементы для формирования световых пучков и двух двухлучевых неравноплечих волоконных интерферометров, между которыми разделяется пучок от излучателя света, каждый из двух световодов интерферометра имеет заранее заданную разность длин плеч, причем разность оптических длин плеч двух интерферометров отличается на заранее заданную величину, равную обратной величине ширины молекулярной полосы, отличающийся тем, что между источником с белым или широкополосным спектром и входами двух интерферометров установлен оптический разветвитель, а за выходами интерферометров установлен оптический сумматор и оптические элементы для формирования выходного пучка источника полихромного оптического излучения.

Description

Полезная модель относится к устройствам для измерения содержания различных молекулярных примесей в газообразной фазе, в том числе - в атмосфере, и может быть использована для обнаружения предельно-малых концентраций различных молекул, представляющих опасность для здоровья и жизни человека, а также при производстве чистых и особо-чистых газов. Особенно большую опасность представляют цианиды и окислы азота, образующиеся при процессах сгорания в выхлопных газах автомобилей, самолетов и ракет.

Высокая эффективность спектроскопических методов поиска и обнаружения газообразных веществ в различных условиях хорошо известна. Повышение чувствительности таких методов было и останется важной научно-технической задачей. Достижение высокой чувствительности может быть обеспечено использованием особенностей структуры вращательных и колебательно-вращательных спектров большинства простых молекул, представляющих особый интерес с точки зрения экологии, безопасности и дальности действия приборов. Основой функционирования заявленного устройства является доказанное в [1] увеличение предельных возможностей путем одновременного суммирования интенсивности максимально-возможного числа линий молекулы при измерениях. Для решения основной задачи измерения концентрации молекул по поглощению излучения в инфракрасной (ИК) колебательно-вращательной полосе предложены различные устройства.

Известно устройство [2], в котором для измерения концентрации сложных молекул применяется комбинация нескольких независимых источников света с фиксированной частотой излучения. Внешняя универсальность метода и устройства не отвечает требованиям реальных, не лабораторных, систем измерения в силу своей громоздкости и невозможности устойчивого согласования спектра источника с молекулярной структурой газообразных простых молекул, к которым относятся цианиды.

Аналогичным недостатком обладает [3], в котором применена линейка светодиодов, каждый из которых имеет очень широкую полосу излучения, что определяет низкую чувствительность системы измерений концентрации газообразных простых молекул.

Портативное устройство [4], предназначенное для детектирования метана по поглощению содержит в качестве источника излучения лазер, настроенный на одну линию поглощения молекулярной полосы и потому не использующее остальной большой набор линий поглощения, что понижает потенциально высокую чувствительность лазерных методов. Аналогичным недостатком обладает и устройство [5], в котором применяется перестраиваемый полупроводниковый лазер.

Известно также устройство [6], предназначенное для спектральных измерений путем последовательной перестройки специально разработанного лазера между компонентами колебательно-вращательного спектра метана и других молекул. Таким образом, реально в каждый конкретный момент времени измерения производятся по только одной спектральной линии. Необходимость наличия самого лазера, представляющего собой сложную прецизионную оптико-механическую систему, комбинации дополнительных эталонов и прокачки исследуемого газа через измерительную кювету лишают эту систему возможности реального применения в полевых условиях, ограничивая диапазон применения лабораторным.

Известен источник полихромного излучения с управляемым спектром [7], содержащий светоизлучающие элементы, микрооптическую сборку и комбинацию двух дифракционных элементов, объединяющих систему световых пучков, идущих от светоизлучающих элементов, в общий пучок. При всей привлекательности системы, она обладает малой чувствительностью по отношению к измерению поглощения в молекулярных полосах, так как источники света (светодиоды), используемые в ней имеют широкий спектр излучения, каждый из которых перекрывает всю молекулярную полосу. Устройство сложно в настройке и не обладает достаточно вибростойкостью, чтобы его можно было применять в сложных условиях эксплуатации. Применение двойной дифракционной селекции излучения в этом устройстве к тому же резко снижает энергетическую эффективность использования излучения источников.

Известен также Универсальный источник полихромного оптического излучения [8], в котором подобно предыдущему патенту [7], применена линейка светоизлучающих элементов. Устройство предназначено для формирования направленного оптического излучения с заданными спектральными, энергетическими, пространственными, поляризационными и временными характеристиками. Стремление авторов известного изобретения [8] к абсолютной универсальности источника полихромного излучения приводит к тому, что количество механических степеней свободы, необходимое для применения его в анализе сколько-нибудь сложных (тем более, молекулярных) систем становится невообразимо большим, и соответственно, как настройка, так и устойчивая эксплуатация его даже в лабораторных условиях маловероятна.

Известно интерференционное оптическое сканирующее устройство для детектирования газов [9], в котором сканирующий источник света, содержащий источник с белым или широкополосным спектром, и сканируемый гребенчатый фильтр создают спектр, состоящий из регулярно расставленных максимумов и минимумов пропускания по длинам волн, которые соответствуют рассматриваемому расстоянию между линиями спектра поглощения измеряемого газа и в котором многолинейчатое выходное излучение из источника света распространяется в исследуемой зоне газа. В частности, оптическое устройство источника излучения включает интерферометр, состоящий из двух мономодовых путей заранее заданной разной длины плеч интерферометра, между которыми разделяется входной сигнал, причем сигнал двух плеч интерферометра соединяется в одномодовом выходном канале. Известный способ позволяет осуществлять формирование так называемого канавчатого спектра, содержащего равномерно расставленные по частотам максимумы излучения. Известное устройство [9] является наиболее близким по решаемой задаче и принято в качестве прототипа.

Недостатком известного прототипа является, во-первых, низкий контраст интерференционной картины, во-вторых, равенство интенсивности образующихся в спектре максимумов, что снижает селективность обнаружения полосы поглощения молекулы и ухудшает пороговую чувствительность метода.

Техническим результатом заявленной полезной модели является увеличение спектральной селективности, согласование распределения амплитуд максимумов в спектре с распределением показателя поглощения в используемой полосе, а также повышение механической стабильности интерферометра.

Реализация технического результата осуществляется за счет использования двух световодных двухлучевых интерферометров, расположенных таким образом, что их выходное излучение складывается оптическим сумматором световодного типа или совершенным объективом, что приводит к появлению дополнительной модуляции распределения максимумов излучения источника, которое может быть выбрано в строгом соответствии с полной шириной используемой молекулярной полосы.

Сущность заявляемой полезной модели иллюстрируется Фиг. 1 и Фиг. 2 (а и б).

На Фиг. 1 представлена схема заявленной полезной модели, выполненная с двумя волоконно-оптическими интерферометрами, разность хода в плечах каждого из которых отличается на величину, обратную полной ширине молекулярной полосы.

На Фиг. 2а показана интерференционная картина, зарегистрированная при включении только одного интерферометра, а на Фиг. 2б - результат, полученный при одновременной работе двух интерферометров.

Заявленная полезная модель содержит внешний корпус с системой питания источника (показан штриховой линией), источник излучения 1 со сплошным спектром, разветвитель 2 (в конкретном случае объектив-коллиматор), освещающий входы двух интерферометров, базовый корпус 3 интерферометров, (в опыте - предметное стекло для микроскопа), две пары оптических световодов 4, фиксированных на базовом корпусе с помощью клея, и образующих два двухлучевых интерферометра, сумматор выходного излучения интерферометров, образованный конденсором 5 и выходным световодом 6, оптическая система 7 формирования выходного пучка 8 источника полихромного оптического излучения. В проведенном опыте для этого использовались входные оптические элементы спектрометра. Оптические длины плеч интерферометров 4 путем полировки торцов выполнялись равными с точностью до нескольких микрометров и в конечном варианте несколько отличались друг от друга.

Работа заявляемой полезной модели осуществляется следующим образом. Излучение источника проходит через одну пару световодов, набирает разность хода между путями в световодах, и складывается с помощью объектива конденсора 5, выходящие волны интерферируют, и спектр излучения преобразуется в так называемый канавчатый, состоящий из периодической последовательности максимумов и минимумов, частота которых определяется разностью хода лучей в плечах каждого интерферометра. Такой спектр показан на Фиг. 2, а.

Аналогичным образом формируется спектр во втором интерферометре, причем его частота полос канавчатого спектра несколько отличается на заданную величину от первого из-за несовпадения величины разностей хода. При совместной работе, когда суммируются сигналы двух интерферометров, формируется картина спектра с биениями амплитуды полос спектра. Настроив разности хода внутри каждого интерферометрах так, что максимумы основной картины совпадают с максимумами линий поглощения, получаем спектр, согласованный по частотам с частотами молекулы, причем частота полос двух интерферометров делается несколько разной. Изменяя величину этого различия, добиваемся того, что узлы совместной интерференционной картины лежат на расстоянии, равном ширине всей молекулярной полосы. Тем самым обеспечивается выполнение условий оптимальной фильтрации спектральных составляющих с учетом их яркости: центральные, наиболее сильные линии проходят через оптические элементы источника полихромного оптического излучения с меньшими потерями, чем более слабые, что обеспечивает лучшее отношение сигнал/шум при измерении общего светового потока. Общая дополнительная селекция всей полосы может осуществляться с помощью интерференционного фильтра [10].

Заявленная полезная модель была апробирована в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета в режиме реального времени. Полученный от одного интерферометра спектр показан на Фиг. 2, а. Не 100%-ная модуляция объясняется трудностью соблюсти равенство амплитуд волн в плечах в простой жесткой модели из тонких оптических световодов. Действуя совместно, два интерферометра формируют картину спектра с биениями полос (Фиг. 2, б). Полученная картина измерялась неоднократно (при этом в лабораторных условиях не предпринимались специальные меры по защите от вибраций). Согласно произведенным измерения разность хода в каждом интерферометре составила 155 мкм при длине волны 800 нм, а различие двух интерферометров равно 2,8 мкм при ожидавшейся при изготовлении величине меньше 5 мкм.

Результаты экспериментов подтвердили достижение указанного выше технического результата: увеличение спектральной селективности, согласование распределения амплитуд максимумов в спектре с распределением по частоте показателя поглощения в используемой полосе, а также высокую механическую стабильность интерферометра. Спектральная селективность источника может быть увеличена применением волоконных интерферометров Фабри-Перо или волоконных дифракционных решеток.

Техническо-экономическая эффективность полезной модели состоит в повышении спектральной селективности и формировании распределения амплитуд полос пропускания в соответствии с распределением амплитуд коэффициентов поглощения в полосе. Заявленная полезная модель потребляет электроэнергию только на питание источника сплошного спектра, не содержит массивных габаритных механических элементов, обладает высокой помехоустойчивостью и вибростойкостью, что позволяет производить измерения в полевых и аэрокосмических условиях.

Список использованной литературы:

1. Пермякова Е.С., Толмачев Ю.А. Применение методов оптимального приема сигналов и импульсного метода анализа работы оптических систем для развития нового метода спектрального анализа // Химическая физика, 2015, Т. 34, №8, с. 78-82.

2. Патент СА 2487115 «Light sensor with modulated radiation polychromatic source».

3. Патент CN 203628508 «Polychromatic light emitter diode ray bright colored lantern signs a legal statement the construction»

4. Патент JP 2013128185 «Camera system and camera mount»

5. Патент US 2007259440 «Measuring low levels of methane in carbon dioxide»

6. Патент RU 2010141803 «Способ и устройство для анализа газов с использованием интерференционного лазера»

7. Патент RU 2478871 «Источник полихромного излучения с управляемым спектром»

8. Патент RU 2287736 «Универсальный источник полихромного оптического излучения»

9. Патент US 4941747 A «Optical sensing arrangements» - прототип

10. http://www.elstandart.spb.ru/Core/300/300_2_filters.htm

Claims (1)

1. Источник полихромного оптического излучения для обнаружения и измерения содержания оксидов азота в выхлопных газах, содержащий корпус, систему электропитания, излучатель света с белым или широкополосным спектром, оптические элементы для формирования световых пучков и двух двухлучевых неравноплечих волоконных интерферометров, между которыми разделяется пучок от излучателя света, каждый из двух световодов интерферометра имеет заранее заданную разность длин плеч, причем разность оптических длин плеч двух интерферометров отличается на заранее заданную величину, равную обратной величине ширины молекулярной полосы, отличающийся тем, что между источником с белым или широкополосным спектром и входами двух интерферометров установлен оптический разветвитель, а за выходами интерферометров установлен оптический сумматор и оптические элементы для формирования выходного пучка источника полихромного оптического излучения.

   

Images