RU208963U1

RU208963U1 - OPTICAL DEVICE FOR MEASURING GAS CONCENTRATION

Info

Publication number: RU208963U1
Application number: RU2021130579U
Authority: RU
Inventors: Александр Маркович Литвак; Михаил Анатольевич Максютенко; Сергей Владимирович Виноградов
Original assignee: Общество с Ограниченной Ответственностью "ГАСЕНС"
Priority date: 2021-10-19
Filing date: 2021-10-19
Publication date: 2022-01-24

Abstract

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована для корреляционно-оптического измерения содержания газообразного вещества в системах контроля газовых сред, в частности, в газоанализаторах, обладающих высокой селективностью.Сущность полезной модели заключается в том, что в оптическом устройстве для измерения концентрации газа, содержащем оптически связанные источник света, коллиматор светового пучка, полосовой спектральный фильтр, управляемый интерференционно-поляризационный фильтр, включающий входной и выходной поляризаторы, между которыми расположены двулучепреломляющая пластина и электрооптический модулятор, а также оптическую кювету с исследуемым газом и фотоприемное устройство, согласно полезной модели в качестве оптической кюветы использована многоходовая оптическая кювета, при этом устройство содержит фокусирующий оптический элемент, расположенный между выходным поляризатором интерференционно-поляризационного фильтра и многоходовой оптической кюветой.Техническим результатом, достигаемым при реализации полезной модели, является увеличение чувствительности измерения концентрации газа при минимизации габаритов устройства. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.The utility model relates to the field of optical instrumentation and can be used for correlation-optical measurement of the content of a gaseous substance in gaseous media control systems, in particular, in gas analyzers with high selectivity. The essence of the utility model lies in the fact that in an optical device for measuring gas concentration , containing an optically coupled light source, a light beam collimator, a bandpass spectral filter, a controlled interference-polarization filter, including an input and output polarizers, between which a birefringent plate and an electro-optical modulator are located, as well as an optical cell with the gas under study and a photodetector, according to the utility model a multi-pass optical cell was used as an optical cuvette, while the device contains a focusing optical element located between the output polarizer of the interference polarization filter and the multi-pass optical The technical result achieved in the implementation of the utility model is an increase in the sensitivity of measuring gas concentration while minimizing the dimensions of the device. 3 w.p. f-ly, 1 ill.

Description

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована для корреляционно-оптического измерения содержания газообразного вещества в системах контроля газовых сред, в частности, в газоанализаторах, обладающих высокой селективностью.The utility model relates to the field of optical instrumentation and can be used for correlation-optical measurement of the content of a gaseous substance in gaseous media control systems, in particular, in gas analyzers with high selectivity.

Известны устройства для корреляционно-оптического измерения концентрации газообразных веществ, работа которых основана на измерении поглощаемого газом тестового излучения, спектрально сформированного с использованием оптического фильтра, полоса пропускания которого согласована с полосой поглощения исследуемого газа.Devices are known for the correlation-optical measurement of the concentration of gaseous substances, the operation of which is based on the measurement of test radiation absorbed by the gas, spectrally formed using an optical filter, the bandwidth of which is matched with the absorption band of the gas under study.

Перспективными являются корреляционно-оптические устройства, в которых в качестве оптического фильтра использован интерференционно-поляризационный фильтр (ИПФ). Преимуществом данного фильтра является возможность формирования с его помощью в заданной узкой спектральной области гребенчатого спектра, соответствующего линейчатому спектру поглощения конкретного исследуемого газа. Это способствует достижению в указанных устройствах высокой селективности измерения концентрации исследуемого газа по отношению к побочным газовым компонентам.Correlation-optical devices are promising, in which an interference-polarization filter (BIF) is used as an optical filter. The advantage of this filter is the possibility of forming with its help in a given narrow spectral region a comb spectrum corresponding to the line absorption spectrum of a particular gas under study. This contributes to the achievement in these devices of high selectivity in measuring the concentration of the test gas with respect to side gas components.

Так, из уровня техники известны корреляционно-оптические устройства для измерения концентрации газа, в составе которых использован ИПФ (см., например, US 5696586, SU 1156467, SU 11293585, RU 2150104).So, the prior art correlative-optical device for measuring gas concentration, which used the IPF (see, for example, US 5696586, SU 1156467, SU 11293585, RU 2150104).

В качестве ближайшего аналога выбрано оптическое устройство [RU 2150104], содержащее оптически связанные источник света, коллиматор светового пучка, полосовой спектральный фильтр, управляемый ИПФ, включающий входной и выходной поляризаторы, между которыми расположены двулучепреломляющая пластина и электрооптический, в частности, фотоупругий модулятор, а также оптическую однопроходную кювету с исследуемым газом и фотоприемное устройство (ФПУ).As the closest analogue, an optical device [RU 2150104] was chosen, containing an optically coupled light source, a light beam collimator, a BPF-controlled bandpass spectral filter, including input and output polarizers, between which there is a birefringent plate and an electro-optical, in particular, photoelastic modulator, and also an optical single-pass cuvette with the investigated gas and a photodetector device (FPU).

В рассматриваемом устройстве в ИПФ поступает прошедший через полосовой спектральный фильтр коллимированный пучок света, спектр которого лежит в определенной области поглощения исследуемого газа.In the device under consideration, a collimated beam of light passed through a band-pass spectral filter enters the BPF, the spectrum of which lies in a certain absorption region of the gas under study.

Использование в составе ИПФ двулучепреломляющей пластины, подобранной под спектр поглощения исследуемого газа, совместно с электрооптическим модулятором обеспечивает получение прошедшего через ИПФ света в виде квазипериодического гребенчатого спектра, в котором максимумы и минимумы на спектре меняются местами синхронно с сигналом возбуждения модулятора так, что пики поглощения исследуемого газа совпадают во времени то с максимумами прошедшего через ИПФ излучения, то с минимумами.The use of a birefringent plate as part of the BPF, matched to the absorption spectrum of the gas under study, together with an electro-optical modulator, ensures that the light transmitted through the BPF is obtained in the form of a quasi-periodic comb spectrum, in which the maxima and minima in the spectrum change places synchronously with the modulator excitation signal so that the absorption peaks of the studied gas coincide in time either with the maxima of the radiation transmitted through the BPF, or with the minima.

Сформированный указанным образом опрашивающий спектральный световой сигнал поступает в кювету с исследуемым газом. Прошедший через измерительную кювету свет испытывает поглощение измеряемым газом и поступает на ФПУ. На основании анализа поглощения газа в кювете ФПУ вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный концентрации измеряемого газа.The interrogating spectral light signal formed in this way enters the cuvette with the test gas. The light passed through the measuring cuvette is absorbed by the measured gas and enters the FPA. Based on the analysis of gas absorption in the cuvette, the FPU generates an electrical signal proportional to the concentration of the measured gas.

В рассматриваемом устройстве оптическая однопроходная кювета с исследуемым газом помещена в зону коллимированного светового пучка.In the device under consideration, an optical single-pass cell with the gas under investigation is placed in the zone of a collimated light beam.

Ввод коллимированного пучка в кювету требует значительного диаметра входного отверстия кюветы и увеличенного, с учетом расходимости светового пучка, диаметра выходного отверстия кюветы, чтобы избежать потерь света, которые негативно влияют на чувствительность прибора. Для обеспечения высокой чувствительности измерения концентрации газа также необходимо увеличивать эффективную длину взаимодействия исследуемого газа и светового излучения, для чего в однопроходной кювете необходимо увеличивать ее длину. Это приводит к значительному увеличению объема кюветы и ее габаритов, что, в свою очередь, приводит к увеличению габаритов устройства, а также, либо к снижению быстродействия измерений, либо к необходимости повышать расход газовой пробы.The introduction of a collimated beam into a cuvette requires a significant diameter of the cuvette inlet and an increased diameter of the cuvette outlet, taking into account the divergence of the light beam, in order to avoid light losses that adversely affect the sensitivity of the device. To ensure high sensitivity of measuring the gas concentration, it is also necessary to increase the effective length of the interaction between the studied gas and light radiation, for which it is necessary to increase its length in a single-pass cell. This leads to a significant increase in the volume of the cuvette and its dimensions, which, in turn, leads to an increase in the dimensions of the device, as well as either a decrease in the measurement speed or the need to increase the consumption of the gas sample.

Технической проблемой, решаемой при использовании полезной модели, является повышение чувствительности измерения концентрации газа при минимизации габаритов устройства.The technical problem solved by using the utility model is to increase the sensitivity of measuring gas concentration while minimizing the dimensions of the device.

Сущность полезной модели заключается в том, что в оптическом устройстве для измерения концентрации газа, содержащем оптически связанные источник света, коллиматор светового пучка, управляемый интерференционно-поляризационный фильтр, включающий входной и выходной поляризаторы, между которыми расположены двулучепреломляющая пластина и электрооптический модулятор, а также оптическую кювету с исследуемым газом и фотоприемное устройство, согласно полезной модели в качестве оптической кюветы использована многоходовая оптическая кювета, при этом устройство содержит фокусирующий оптический элемент, расположенный между выходным поляризатором интерференционно-поляризационного фильтра и многоходовой оптической кюветой.The essence of the utility model lies in the fact that in an optical device for measuring gas concentration, containing an optically coupled light source, a light beam collimator, a controlled interference-polarization filter, including an input and output polarizers, between which a birefringent plate and an electro-optical modulator are located, as well as an optical a cuvette with a test gas and a photodetector, according to the utility model, a multi-pass optical cuvette is used as an optical cuvette, while the device contains a focusing optical element located between the output polarizer of the interference polarization filter and the multi-pass optical cuvette.

В частном случае выполнения полезной модели в качестве многоходовой оптической кюветы использована кювета с изменяемым числом прохода света внутри нее.In a particular case of the implementation of the utility model, a cell with a variable number of light passages inside it is used as a multi-pass optical cuvette.

В частном случае выполнения полезной модели двулучепреломляющая пластина выполнена термостатированной.In a particular case of the utility model, the birefringent plate is temperature-controlled.

В частном случае выполнения полезной модели она дополнительно содержит полосовой спектральный фильтр, расположенный по ходу светового пучка.In a particular case of the utility model, it additionally contains a bandpass spectral filter located along the light beam.

Наличие в заявляемом устройстве оптически связанных источника света, коллиматора, а также управляемого ИПФ, включающего входной и выходной поляризаторы, между которыми расположены двулучепреломляющая пластина и электрооптический модулятор, обеспечивает формирование опрашивающего излучения с квазипериодическим гребенчатым спектром, расположенным в определенной узкой спектральной области квазиэквидистантного линейчатого спектра поглощения конкретного измеряемого газа.The presence in the claimed device of an optically coupled light source, a collimator, as well as a controlled BPF, including input and output polarizers, between which a birefringent plate and an electro-optical modulator are located, ensures the formation of interrogating radiation with a quasi-periodic comb spectrum located in a certain narrow spectral region of a quasi-equidistant line absorption spectrum specific measured gas.

При этом в опрашивающем излучении максимумы и минимумы на спектре меняются местами синхронно с сигналом возбуждения электрооптического модулятора так, что пики поглощения исследуемого газа совпадают во времени то с максимумами прошедшего через ИПФ излучения, то с минимумами.In this case, in the interrogating radiation, the maxima and minima in the spectrum change places synchronously with the excitation signal of the electro-optical modulator so that the absorption peaks of the studied gas coincide in time either with the maxima of the radiation transmitted through the BPF, or with the minima.

Наличие в заявляемом устройстве оптической кюветы и фотоприемного устройства (ФПУ) обеспечивает проведение анализа поглощения света находящимся 8' кювете газом и осуществление измерения концентрации исследуемого газа на основании проведенного анализа.The presence in the claimed device of an optical cuvette and a photodetector device (FPU) provides for the analysis of light absorption by the gas located 8' in the cuvette and the measurement of the concentration of the test gas based on the analysis.

Преимуществом заявляемого устройства является наличие в нем многоходовой оптической кюветы и фокусирующего оптического элемента.The advantage of the proposed device is the presence of a multi-pass optical cuvette and a focusing optical element.

Фокусирующий оптический элемент, в частности, выполненный в виде собирающей линзы, формирует оптимальный для работы многоходовой оптической кюветы сходящийся световой пучок.The focusing optical element, in particular, made in the form of a converging lens, forms a converging light beam that is optimal for the operation of a multi-pass optical cell.

За счет неоднократного прохода светового излучения внутри многоходовой кюветы увеличивается эффективная длина взаимодействия света с поглощающим его газом, что обуславливает увеличение чувствительности измерения концентрации газа при обеспечении минимизации габаритов и внутреннего рабочего объема кюветы.Due to the repeated passage of light radiation inside the multipass cuvette, the effective length of the interaction of light with the gas absorbing it increases, which leads to an increase in the sensitivity of measuring the gas concentration while minimizing the dimensions and internal working volume of the cuvette.

Кроме того, при введении сходящегося светового пучка в многоходовую кювету практически минимизируются потери светового излучения, которые могут наблюдаться при введении коллимированного светового пучка в однопроходную кювету одинакового объема. И, хотя при каждом из многократных отражений светового пучка от зеркал многоходовой кюветы происходит частичная потеря интенсивности света, основным фактором, влияющим на увеличение чувствительности измерения, является не абсолютная величина светового сигнала, а существенное увеличение эффективной длины взаимодействия газа и света, обусловленная неоднократным проходом света внутри кюветы.In addition, when a converging light beam is introduced into a multipass cuvette, light radiation losses are practically minimized, which can be observed when a collimated light beam is introduced into a single-pass cuvette of the same volume. And, although with each of the multiple reflections of the light beam from the mirrors of the multipass cell, a partial loss of light intensity occurs, the main factor affecting the increase in the measurement sensitivity is not the absolute value of the light signal, but a significant increase in the effective length of the interaction of gas and light, due to the repeated passage of light inside the cuvette.

Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации полезной модели, является увеличение чувствительности измерения концентрации газа при минимизации габаритов устройства.Thus, the technical result achieved in the implementation of the utility model is an increase in the sensitivity of measuring gas concentration while minimizing the dimensions of the device.

В частном случае полезной модели использована многоходовая оптическая кювета с изменяемым числом прохода света, что позволяет регулировать эффективную длину взаимодействия газа и светового излучения, влияющую на чувствительность измерения концентрации газа.In a particular case of the utility model, a multi-pass optical cuvette with a variable number of light passes is used, which makes it possible to control the effective length of the interaction of gas and light radiation, which affects the sensitivity of measuring gas concentration.

В частном случае полезной модели двулучепреломляющая пластина, входящая в состав ИПФ, выполнена термостатированной. Это позволяет исключить спектральное смещение гребенчатого опрашивающего светового излучения при изменении температуры внутри устройства.In a particular case of the utility model, the birefringent plate included in the IAP is thermostatically controlled. This makes it possible to eliminate the spectral shift of the comb interrogating light radiation when the temperature inside the device changes.

В частном случае полезной модели устройство содержит полосовой спектральный фильтр, расположенный по ходу светового пучка. Полосовой спектральный фильтр обеспечивает формирование гребенчатого спектра опрашивающего излучения в той спектральной области, где исследуемый газ имеет квазиэквидистантный линейчатый спектр поглощения.In a particular case of the utility model, the device contains a bandpass spectral filter located along the light beam. The bandpass spectral filter provides the formation of a comb spectrum of interrogating radiation in the spectral region where the gas under study has a quasi-equidistant line absorption spectrum.

На фигуре представлена структурная схема заявляемого устройства.The figure shows a block diagram of the proposed device.

Устройство содержит оптически связанные источник 1 света, коллиматор 2, полосовой спектральный фильтр 3, управляемый ИПФ 4, включающий скрещенные входной и выходной поляризаторы соответственно 5 и 6, между которыми размещены двулучепреломляющая пластина 7 и электрооптический модулятор 8, а также фокусирующий оптический элемент 9, многоходовую оптическую кювету 10 и ФПУ И.The device contains an optically coupled light source 1, a collimator 2, a bandpass spectral filter 3 controlled by the BPF 4, including crossed input and output polarizers 5 and 6, respectively, between which a birefringent plate 7 and an electro-optical modulator 8 are placed, as well as a focusing optical element 9, multi-pass optical cuvette 10 and FPU I.

В качестве источника 1 света, в частности, может быть использован источник излучения, имеющий спектральную полосу, расположенную вблизи области квазиэквидистантного линейчатого спектра поглощения исследуемого газа.As a light source 1, in particular, a radiation source having a spectral band located near the region of the quasi-equidistant line absorption spectrum of the gas under study can be used.

В качестве коллиматора 2, в частности, может быть использован коллиматор линзового или зеркального типа.As collimator 2, in particular, a lens or mirror type collimator can be used.

В качестве полосового спектрального фильтра 3 использован оптический фильтр, пропускающий свет с длинами волн, соответствующими выбранной области квазиэквидистантного линейчатого спектра поглощения света контролируемым газом.As a bandpass spectral filter 3, an optical filter is used that transmits light with wavelengths corresponding to the selected region of the quasi-equidistant line spectrum of light absorption by the controlled gas.

В качестве двулучепреломляющей пластины 7 может быть использована пластина, изготовленная из двулучепреломляющего кристалла, обладающего прозрачностью в выбранном спектральном диапазоне и оптимальной величиной двулучепреломления.As a birefringent plate 7, a plate made of a birefringent crystal having transparency in the selected spectral range and an optimal birefringence value can be used.

В качестве фазового электрооптического модулятора 8, в частности, может быть использован акустооптический фотоупругий модулятор, включающий пластину из фотоупругого материала, механически соединенную с пьезоэлектрическим преобразователем (на чертеже не показаны).As a phase electro-optical modulator 8, in particular, an acousto-optic photoelastic modulator can be used, including a plate of photoelastic material mechanically connected to a piezoelectric transducer (not shown in the drawing).

В качестве фокусирующего оптического элемента 9 может быть использована линза, зеркало или линзово-зеркальная система.A lens, a mirror or a lens-mirror system can be used as a focusing optical element 9.

В качестве многоходовой оптической кюветы 10, в частности, могут быть использованы модифицированные кюветы Уйта или Барской.As a multi-pass optical cuvette 10, in particular, modified White or Barskoy cuvettes can be used.

ФПУ 11 обеспечивает преобразование интенсивности измеряемого излучения в величину электрического сигнала и включает (на чертеже не показаны) фотодетектор, спектральная чувствительность которого соответствует спектру опрашивающего излучения (света), и усилитель-формирователь электрического сигнала, пропорционального концентрации исследуемого газа.FPU 11 converts the intensity of the measured radiation into the magnitude of the electrical signal and includes (not shown in the drawing) a photodetector, the spectral sensitivity of which corresponds to the spectrum of interrogating radiation (light), and an amplifier-shaper of an electrical signal proportional to the concentration of the gas under study.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Свет от источника 1 проходит через коллиматор 2 и полосовой спектральный фильтр 3 и поступает на вход ИПФ 4 в виде коллимированного пучка света, спектр которого лежит в выбранной области квазиэквидистантного линейчатого спектра поглощения исследуемого газа.Light from source 1 passes through collimator 2 and bandpass spectral filter 3 and arrives at the input of BPF 4 in the form of a collimated light beam, the spectrum of which lies in the selected region of the quasi-equidistant line absorption spectrum of the gas under study.

Параметры входящей в состав ИПФ 4 двулучепреломляющей пластины 7 (ее толщина, вид материала, пространственная ориентация осей) подобраны таким образом, что ИПФ формирует на своем выходе свет с гребенчатым спектром, максимумы которого соответствуют спектральному положению линий поглощения исследуемого газа. Фазовый акустооптический фотоупругий модулятор 8 работает как управляемая модулирующим сигналом фазовая +λ/2 - -λ/2 пластина, в результате чего, синхронно с сигналом возбуждения модулятора 8, меняются местами положения максимумов и минимумов на спектре прошедшего через ИПФ 4 света.The parameters of the birefringent plate 7 included in the BFA 4 (its thickness, type of material, spatial orientation of the axes) are selected in such a way that the BFA generates light with a comb spectrum at its output, the maxima of which correspond to the spectral position of the absorption lines of the gas under study. The phase acousto-optic photoelastic modulator 8 operates as a +λ/2 - -λ/2 phase plate controlled by a modulating signal, as a result of which, synchronously with the excitation signal of the modulator 8, the positions of the maxima and minima in the spectrum of the light transmitted through the IPF 4 are reversed.

Таким образом, использование в составе ИПФ 4 подобранной под спектр Поглощения исследуемого газа двулучепреломляющей пластины 7 совместно с модулятором 8 обеспечивает формирование на выходе ИПФ 4 квазипериодического гребенчатого светового сигнала, в котором спектральные максимумы и минимумы на спектре меняются местами синхронно с сигналом возбуждения модулятора 8 так, что пики поглощения исследуемого газа совпадают во времени то с максимумами прошедшего через ИПФ 4 излучения, то с минимумами.Thus, the use of a birefringent plate 7 selected for the absorption spectrum of the studied gas in the composition of the BFA 4 together with the modulator 8 ensures the formation of a quasi-periodic comb light signal at the output of the BFA 4, in which the spectral maxima and minima in the spectrum change places synchronously with the excitation signal of the modulator 8, so that the absorption peaks of the gas under study coincide in time either with the maxima of the radiation transmitted through the IPF 4, or with the minima.

Сформированный в ИПФ 4 опрашивающий световой сигнал поступает в фокусирующий оптический элемент 9, который обеспечивает оптимальную геометрию сходящегося светового пучка, вводимого в многоходовую оптическую кювету 10.The interrogating light signal formed in the BF 4 enters the focusing optical element 9, which ensures the optimal geometry of the converging light beam introduced into the multipass optical cuvette 10.

В многоходовой оптической кювете 10 на каждом из проходов происходит поглощение поступающего с выхода ИПФ 4 света исследуемым газом.In the multi-pass optical cuvette 10, on each of the passes, the light coming from the output of the IPF 4 is absorbed by the gas under study.

С помощью ФПУ И, включающего усилитель-формирователь электрического сигнала (на чертеже не показан), производится выработка электрического сигнала, величина которого пропорциональна концентрации измеряемого газа.With the help of the FPA And, including the amplifier-shaper of the electrical signal (not shown in the drawing), an electrical signal is generated, the magnitude of which is proportional to the concentration of the measured gas.

При формировании электрического сигнала, когда спектральные максимумы света совпадают с пиками поглощения газа, формируется сигнал, пропорциональный концентрации газа, а, когда спектральные максимумы света смещены и находятся между пиками поглощения газа, поглощения света измеряемым газом не происходит, и формируется опорный сигнал. Разность этих двух сигналов пропорциональна концентрации исследуемого газа.During the formation of an electrical signal, when the spectral maxima of light coincide with the gas absorption peaks, a signal is formed that is proportional to the gas concentration, and when the spectral maxima of light are shifted and are between the gas absorption peaks, no absorption of light by the measured gas occurs, and a reference signal is formed. The difference between these two signals is proportional to the concentration of the gas under investigation.

Claims

1. An optical device for measuring gas concentration, containing an optically coupled light source, a light beam collimator, a controlled interference-polarizing filter, including an input and output polarizers, between which a birefringent plate and an electro-optical modulator are located, as well as an optical cell with the gas under study and a photodetector device , characterized in that a multi-pass optical cuvette is used as an optical cuvette, while the device contains a focusing optical element located between the output polarizer of the interference-polarization filter and the multi-pass optical cuvette.

2. The device according to claim. 1, characterized in that a cell with a variable number of light passes inside it is used as a multi-pass optical cuvette.

3. The device according to claim. 1, characterized in that the birefringent plate is thermostatted.

4. The device according to claim. 1, characterized in that it additionally contains a band-pass spectral filter located along the light beam.