RU2238541C1

RU2238541C1 - Method for optical detection of amount of gas environment components

Info

Publication number: RU2238541C1
Application number: RU2003110480/28A
Authority: RU
Inventors: Б.А. Матвеев (RU); Б.А. Матвеев; М.А. Ременный (RU); М.А. Ременный; Владимир Михайлович Вайнштейн (US); Владимир Михайлович Вайнштейн
Original assignee: Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
Priority date: 2003-04-08
Filing date: 2003-04-08
Publication date: 2004-10-20

Abstract

FIELD: measuring equipment engineering.

SUBSTANCE: method includes placement in gas environment, being radiated from area formed by products of hydrocarbons combustion, of at least two photo-receivers, spectrum sensitivity of at least one of which has maximum in average infrared spectrum range at wave length matching maximal optical density of detected gas component, and spectral sensitivity of another matches different from first one optical density of detected gas component, measurement of signals of each of mentioned photo-receivers with their location at distance from this area, providing for density of radiation on photo-receivers no less than threshold value, and combining direction of maximum spectral sensitivity of photo-receivers with vector from receiver to radiation area, and following detection of amount of searched for component by comparing measured mentioned signals. Aside from that, at least on photo-receiver may be mounted on lee side from radiation area, and as radiation area objects may be used which have thermal and/or radiation exchange with combustion products, also additional radiation area may be used in form of objects having thermal and/or radiation exchange with combustion products.

EFFECT: broader functional capabilities.

1 cl, 7 dwg, 7 ex

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, конкретно - к оптическому газовому анализу в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра, и может найти применение в приборах и методах газового анализа, в том числе количественного, в частности в нефтяной, газовой промышленности и в экологии.The invention relates to the field of measuring technology, specifically to optical gas analysis in the infrared (IR) range of the spectrum, and can find application in instruments and methods for gas analysis, including quantitative, in particular in the oil and gas industry and in ecology.

Известен способ оптического определения содержания компонентов газовой среды, включающий установку в газовую среду системы, состоящей по крайней мере из двух фотоприемников, чувствительность по крайней мере одного из которых имеет максимум в средней инфракрасной области спектра на длине волны, соответствующей максимуму полосы поглощения измеряемого газового компонента, а чувствительность другого соответствует отличной от первого оптической плотности на вышеупомянутой длине волны, использование области излучения, создаваемой инжекцией и последующей рекомбинацией носителей заряда вблизи от p-n перехода, расположенной от фотоприемников на расстоянии, обеспечивающем плотность излучения на фотоприемниках не ниже порогового значения, совмещение направления максимальной чувствительности фотоприемников с вектором “фотоприемник - область излучения”, регистрацию излучения, измерение сигналов от каждого из упомянутых фотоприемников и определение содержания искомых компонентов путем сравнения упомянутых сигналов [1]. В этом способе для измерения концентраций измеряют оптические сигналы, сформированные перестраиваемым диодным лазером, излучение которого направляют на три практически идентичных фотодетектора, один из которых расположен за кюветой с измеряемой средой, а два других принимают излучение, не прошедшее через исследуемую среду, т.е. характеризующееся отличной от первого оптической плотностью и служащее для формирования опорных сигналов. Последние необходимы для коррекции длины волны и интенсивности излучения диодного лазера. Определение концентрации газа осуществляют на основе известных данных о коэффициенте поглощения компонента путем сравнения полученных сигналов и применения закона Бера. Способ позволяет проводить высокоточные измерения на уровне десятков ppbv окислов азота (N₂O, NO_x) на значительных расстояниях от источника выброса этих веществ в атмосферу.A known method for the optical determination of the content of components of a gaseous medium, comprising installing in a gaseous medium a system consisting of at least two photodetectors, the sensitivity of at least one of which has a maximum in the middle infrared region of the spectrum at a wavelength corresponding to the maximum absorption band of the measured gas component, and the sensitivity of another corresponds to a different optical density at the aforementioned wavelength, the use of the radiation region created by by using and subsequent recombination of charge carriers near the pn junction, located at a distance from the photodetectors that ensures the radiation density at the photodetectors is not lower than the threshold value, combining the direction of the maximum sensitivity of photodetectors with the vector “photodetector - emission region”, detecting radiation, measuring signals from each of the aforementioned photodetectors and determining the content of the desired components by comparing the mentioned signals [1]. In this method, optical signals generated by a tunable diode laser are measured for concentration measurements, the radiation of which is sent to three almost identical photodetectors, one of which is located behind the cell with the medium to be measured, and the other two receive radiation that has not passed through the medium under study, i.e. characterized by an optical density different from the first and serving to form reference signals. The latter are necessary for correcting the wavelength and radiation intensity of the diode laser. Determination of gas concentration is carried out on the basis of known data on the absorption coefficient of the component by comparing the received signals and applying Beer's law. The method allows for high-precision measurements at the level of tens of ppbv of nitrogen oxides (N ₂ O, NO _x ) at significant distances from the source of emission of these substances into the atmosphere.

Недостатками известного способа являются его сложность из-за использования полупроводникового лазера и, как следствие, высокая стоимость проведения измерений, делающая невозможным непрерывный контроль, а также проведение измерений только в закрытом канале (кювете), а не в окружающей среде.The disadvantages of this method are its complexity due to the use of a semiconductor laser and, as a result, the high cost of measurements, making continuous monitoring impossible, as well as taking measurements only in a closed channel (cuvette), and not in the environment.

В известном способе [2], взятом за прототип, для определения содержания компонентов по критерию “ЕСТЬ” - “НЕТ” устанавливают систему, состоящую из двух фотоприемников, на летательный аппарат (самолет), двигающийся вдоль трубопровода, т.е. в газовой среде, содержащей измеряемые компоненты. В качестве области излучения в известном способе выбрана почва вблизи от трубопровода, прогреваемая солнцем, причем высота (расстояние до источника) и скорость полета существенным образом зависят от чувствительности фотоприемника. Чувствительность фотоприемника выбирают в одной из следующих областей: 3-5 мкм и/или 8-14 мкм. Выбор областей измерения связан с наличием в атмосфере “первого” и второго “окна прозрачности”, т.е. с возможностью регистрировать излучение со значительных расстояний в силу отсутствия заметного атмосферного поглощения. Высоту и скорость полета можно оценить исходя из оценок плотности потока лучистой энергии, определяемой законом Планка, законами распространения лучистой энергии в пространстве (т.е. законами геометрической оптики) и обнаружительной способности фотоприемной системы (NEP), определяющей нижний предел для регистрируемой мощности (пороговая плотность радиационной мощности Джонса). Обычным требованием к системам подобного рода является превышение плотности лучистого потока над пороговой мощностью. Традиционным способом повышения чувствительности является охлаждение фотоприемников и увеличение времени накопления сигнала. При движении самолета производят непрерывное совмещение направления максимальной чувствительности фотоприемников с вектором “фотоприемник - область излучения” вблизи от трубопровода и измеряют по крайней мере два сигнала, по крайней мере один из которых U₁ соответствует интенсивности оптического излучения источника на длине волны 3.4 мкм - спектральной области вблизи характеристической полосы поглощения углеводородов - и прошедшего через газообразный компонент, а другой U₂ соответствует отличной от первого длине волны, т.е. отличной от первого фотоприемника оптической плотности в вышеуказанной спектральной области, и также прошедший через измеряемый газообразный компонент. Обычно второй сигнал называют опорным (или “reference signal"), имея в виду его слабую связь со свойствами анализируемой среды (например, из-за слабого поглощения, вызванного выбором фотоприемника с максимумом чувствительности вдали от области поглощения компонента), но испытывающего одинаковое воздействие от изменения свойств источника (главным образом интенсивности излучения). Оба сигнала поступают в схему регистрации и измерения двух сигналов. Для сравнения сигналов производят деление одного сигнала на другой (U₁/U₂) и оперативное оповещение (например, звуковое) пилота (оператора) об отклонении отношения от нормального значения (U $\binom{0}{1}$ /U $\binom{0}{2}$ ), определяемого как среднестабильное (слабо меняющееся во времени) значение.In the known method [2], taken as a prototype, to determine the content of components according to the criterion “IS” - “NO”, a system consisting of two photodetectors is installed on an aircraft (airplane) moving along the pipeline, i.e. in a gaseous medium containing measured components. As the radiation region in the known method, the soil near the pipeline, heated by the sun, was selected, and the height (distance to the source) and flight speed substantially depend on the sensitivity of the photodetector. The sensitivity of the photodetector is selected in one of the following areas: 3-5 μm and / or 8-14 μm. The choice of measurement areas is associated with the presence of the “first” and second “transparency windows” in the atmosphere, i.e. with the ability to register radiation from significant distances due to the absence of noticeable atmospheric absorption. The altitude and speed of flight can be estimated based on estimates of the radiant energy flux density determined by Planck’s law, the laws of radiant energy propagation in space (i.e., the laws of geometric optics) and the detectability of the photodetector system (NEP), which determines the lower limit for the detected power (threshold Jones radiation power density). A common requirement for systems of this kind is the excess of the radiant flux density over the threshold power. The traditional way to increase sensitivity is to cool the photodetectors and increase the signal accumulation time. When the aircraft moves, the direction of the maximum sensitivity of the photodetectors is continuously combined with the vector “photodetector - radiation region” close to the pipeline and at least two signals are measured, at least one of which U ₁ corresponds to the intensity of the optical radiation of the source at a wavelength of 3.4 μm - the spectral region near the characteristic absorption band of hydrocarbons - and passed through the gaseous component, and the other U ₂ corresponds to a different wavelength from the first, i.e. different from the first photodetector optical density in the above spectral region, and also passed through the measured gaseous component. Usually, the second signal is called the reference signal (or “reference signal"), referring to its weak connection with the properties of the medium being analyzed (for example, due to weak absorption caused by the choice of a photodetector with a maximum sensitivity far from the absorption region of the component), but experiencing the same effect from changes in the properties of the source (mainly radiation intensity). Both signals are fed into the registration and measurement circuit of two signals. To compare the signals, one signal is divided by another (U ₁ / U ₂ ) and operational alerts e (for example, sound) of the pilot (operator) about the deviation of the ratio from the normal value (U $\binom{0}{1}$ / U $\binom{0}{2}$ ), defined as the average stable (slightly varying in time) value.

Место утечки определяется как место, вблизи которого происходит быстрое отклонение сигнала от нормального значения.The leak point is defined as the place near which a rapid deviation of the signal from the normal value occurs.

Достоинством известного способа являются его простота и возможность установления местоположения утечек углеводородов на трубопроводах при разумных затратах (стоимости) измерений.The advantage of this method is its simplicity and the ability to determine the location of hydrocarbon leaks in pipelines at reasonable costs (costs) of measurements.

Недостатком способа является то, что он не позволяет провести измерения в ночных условиях, при наличии сильной облачности и/или снежного покрова. Последний в силу высокого коэффициента отражения солнечных лучей не прогревается и не создает излучения в нужном спектральном диапазоне. Кроме того, способ не позволяет определять концентрацию газовых компонентов.The disadvantage of this method is that it does not allow measurements at night, in the presence of strong cloud cover and / or snow cover. The latter, due to the high reflection coefficient of sunlight, does not warm up and does not produce radiation in the desired spectral range. In addition, the method does not allow to determine the concentration of gas components.

Задачей изобретения является обеспечение возможности непрерывного контроля за содержанием компонентов газовой среды в течение суток и в любое время года.The objective of the invention is to provide continuous monitoring of the content of the components of the gas medium during the day and at any time of the year.

Задача решается тем, что способ оптического определения содержания компонентов газовой среды включает размещение в газовой среде, облучаемой излучением от области, создаваемой продуктами горения углеводородов, по меньшей мере двух фотоприемников, спектральная чувствительность по меньшей мере одного из которых имеет максимум в средней инфракрасной области спектра на длине волны, соответствующей максимуму оптической плотности определяемого газового компонента, а спектральная чувствительность другого соответствует отличной от первого оптической плотности определяемого газового компонента, измерение сигналов от каждого из упомянутых фотоприемников при расположении их на расстоянии от этой области, обеспечивающем плотность излучения на фотоприемниках не ниже порогового значения, и совмещении направления максимальной спектральной чувствительности фотоприемников с вектором “фотоприемник - область излучения”, и последующее определение содержания искомого компонента путем сравнения измеренных упомянутых сигналов.The problem is solved in that the method of optical determination of the content of the components of the gaseous medium comprises placing at least two photodetectors in the gaseous medium irradiated by the hydrocarbon combustion products, the spectral sensitivity of at least one of which has a maximum in the middle infrared region of the spectrum at the wavelength corresponding to the maximum optical density of the determined gas component, and the spectral sensitivity of the other corresponds to a different the optical density of the determined gas component, measuring signals from each of the above photodetectors when they are located at a distance from this region, ensuring the radiation density at the photodetectors is not lower than the threshold value, and combining the direction of the maximum spectral sensitivity of the photodetectors with the vector “photodetector - radiation region”, and subsequent determination of the content of the desired component by comparing the measured mentioned signals.

По п.2 задачей является расширение функциональных возможностей способа за счет обеспечения возможности количественного анализа состава газовой среды.According to claim 2, the task is to expand the functionality of the method by providing the possibility of a quantitative analysis of the composition of the gaseous medium.

Для этого в способе по п.1 предварительно проводят калибровку фотоприемников и с помощью полученных калибровочных зависимостей определяют концентрацию компонента(ов).To this end, in the method according to claim 1, the photodetectors are pre-calibrated and the concentration of the component (s) is determined using the obtained calibration dependencies.

По п.3 решается задача определения содержания компонентов, образуемых в процессе горения.According to claim 3, the problem of determining the content of components formed in the combustion process is solved.

Для этого в способе по п.1 или 2 по меньшей мере один из фотоприемников устанавливают с подветренной стороны от области излучения.To this end, in the method according to claim 1 or 2, at least one of the photodetectors is installed on the leeward side of the radiation region.

По п.4 решается задача увеличения точности определения концентрации компонента(ов).According to claim 4, the problem of increasing the accuracy of determining the concentration of the component (s) is solved.

Для этого в способе по п.2 или 3 в качестве области излучения используют объекты, имеющие с продуктами горения тепловой и/или радиационный обмен.To this end, in the method according to claim 2 or 3, objects having thermal and / or radiation exchange with combustion products are used as the radiation region.

По п.5 решается задача увеличения точности определения концентрации компонента(ов).According to claim 5, the problem of increasing the accuracy of determining the concentration of component (s) is solved.

Для этого в способе по п.2 или 3 используют дополнительную область излучения в виде объектов, имеющих с продуктами горения тепловой и/или радиационный обмен.For this, in the method according to claim 2 or 3, an additional radiation region is used in the form of objects having thermal and / or radiation exchange with the combustion products.

Способ по п.1 поясняется чертежом на Фиг.1, где:The method according to claim 1 is illustrated by the drawing in figure 1, where:

1 - фотоприемник №1, соединенный со схемой выделения полезного сигнала, его регистрации и обработки;1 - photodetector No. 1, connected to a circuit for extracting a useful signal, its registration and processing;

2 - фотоприемник №2, соединенный со схемой выделения полезного сигнала, его регистрации и обработки;2 - photodetector No. 2, connected to the scheme of selection of the useful signal, its registration and processing;

3 - продукты горения, образующиеся, например, при сгорании нефти или природного газа;3 - combustion products formed, for example, during the combustion of oil or natural gas;

4 - направление распространения излучения, совпадающее с направлением максимальной чувствительности фотоприемников;4 - direction of radiation propagation, coinciding with the direction of maximum sensitivity of photodetectors;

5 - измеряемый(ые) газообразный(ые) компонент(ы).5 - measured gaseous component (s).

Новым в предлагаемом способе по п.1 является выбор области излучения, создаваемой продуктами горения углеводородов. Измерение ослабления этого излучения при прохождении через газовую среду позволяет определять содержание газовых компонентов вне области с нагретыми продуктами горения углеводородов, что позволяет производить определение содержания газовых компонентов непрерывно в течение суток и независимо от времени года.New in the proposed method according to claim 1 is the selection of the radiation region created by the combustion products of hydrocarbons. Measurement of the attenuation of this radiation when passing through a gaseous medium makes it possible to determine the content of gas components outside the region with heated hydrocarbon combustion products, which makes it possible to determine the content of gas components continuously throughout the day and regardless of the time of year.

В заявляемом способе авторы изменили функцию места утечки углеводородов: вместо искомого места в прототипе место утечки, а в нашем случае это - продукты горения (или пламя, или факел), возникающие в месте выхода углеводородов из трубы (трубопровода), стало источником зондирующего излучения, взаимодействующего с веществами, находящимися на оптическом пути “фотоприемники - область излучения”. Это привело к возможности проведения измерений вне зависимости от времени суток и сезона, т.е. независимо от наличия солнца, облаков и снежного покрова. Это связано с тем, что источник излучения является управляемым, а для большинства процессов непрерывным, а также с тем, что источник излучения имеет прогнозируемые излучательные свойства, определяемые, в основном, составом сжигаемой смеси и температурой ее сжигания. Примером такого процесса является крекинг нефти со сжиганием части отходящих углеводородов. Другим примером является использование газонефтяного факела, зажигаемого на определенных стадиях разработки месторождений углеводородов. В силу устойчивости указанных свойств продуктов горения (пламени) появляется свойство непрерывного определения газовых компонентов.In the claimed method, the authors changed the function of the place of hydrocarbon leakage: instead of the sought place in the prototype, the place of leakage, and in our case it is the combustion products (or flame, or torch) that occur at the place of hydrocarbon exit from the pipe (pipeline), became a source of probe radiation, interacting with substances located on the optical path “photodetectors - radiation region”. This led to the possibility of taking measurements regardless of the time of day or season, i.e. regardless of the presence of sun, clouds and snow cover. This is due to the fact that the radiation source is controllable, and for most processes continuous, as well as the fact that the radiation source has predictable radiation properties, which are determined mainly by the composition of the mixture being burned and its burning temperature. An example of such a process is the cracking of oil with the burning of part of the off-gas hydrocarbons. Another example is the use of a gas-oil flame, ignited at certain stages of hydrocarbon field development. Due to the stability of these properties of combustion products (flame), the property of continuous determination of gas components appears.

Со свойством непрерывности источника связана возможность предварительной калибровки системы и получение калибровочных зависимостей, по которым определяют концентрацию компонента(ов) п.2 формулы изобретения. Значения концентрации могут быть выражены как в величинах произведения концентрации на оптический путь или длину трассы (C*L), так и в объемных долях (процентах (v/v%), ppm, ppb и т.д.). В последнем случае для калибровки можно использовать локализацию газового компонента в кювете с известной (фиксированной) оптической длиной. Самая простая калибровка в данном случае состоит в напуске в кювету эталонного газа и проведении регистрации и измерения оптических сигналов. Возможным способом проведения калибровки при определении трассовой концентрации (C*L) является прямое измерение концентрации эталонным прибором при известных расположении по отношению к продуктам горения, скорости и направлении ветра, температуре и давлении окружающей среды. Реальное измерение должно учитывать изменение всех указанных параметров, что можно сделать, создав таблицы для разных условий и/или используя известные физические законы, например пропорциональную зависимость оптической плотности от давления (закон Бера).The possibility of preliminary calibration of the system and obtaining calibration dependences, which determine the concentration of the component (s) of claim 2, are associated with the property of source continuity. Concentration values can be expressed both in terms of the product of concentration by the optical path or path length (C * L), and in volume fractions (percent (v / v%), ppm, ppb, etc.). In the latter case, the localization of the gas component in a cell with a known (fixed) optical length can be used for calibration. The simplest calibration in this case consists in letting a reference gas into the cuvette and recording and measuring optical signals. A possible way to carry out calibration when determining the path concentration (C * L) is to directly measure the concentration with a reference device at a known location with respect to the combustion products, wind speed and direction, temperature and ambient pressure. A real measurement should take into account the change in all of these parameters, which can be done by creating tables for different conditions and / or using known physical laws, for example, the proportional dependence of the optical density on pressure (Beer's law).

В способе по п.3 заложена возможность определения содержания компонентов, образуемых в процессе горения. Для этого по меньшей мере один из фотоприемников устанавливают с подветренной стороны от области излучения. Авторы предугадали, что продукты горения, создающие интенсивное излучение в месте горения, при удалении от области излучения начинают поглощать излучения в силу понижения их температуры по мере распространения от места горения. В силу того, что при охлаждении газа спектр поглощения сдвигается в длинноволновую область, один и тот же газ может являться как поглотителем излучения, так и удобным для его измерения источником. К таким компонентам относится, прежде всего, углекислый газ, концентрация которого в пламени и в атмосферном воздухе достаточно хорошо известна. Поэтому измерения сигналов с фотоприемников, чувствительных к излучению вблизи от 4.3 мкм - характеристической полосы поглощения - дает возможность проводить измерения, используя его в качестве “маркера” оптического пути. При этом можно определить концентрацию других компонентов, например угарного газа (СО), образующегося при горении. Аналогичная методика “маркировки” или калибровки используется при определении концентрации выхлопов автомобилей (СО, C_nH_m, NO_x) при зондировании с помощью намеренно созданного источника излучения (лазера, накального источника, светодиода и др.), как это описано в ряде патентов [3].In the method according to claim 3, there is the possibility of determining the content of components formed in the combustion process. For this, at least one of the photodetectors is installed on the leeward side of the radiation region. The authors predicted that the products of combustion, which generate intense radiation at the combustion site, begin to absorb radiation as they move away from the radiation region due to a decrease in their temperature as they propagate from the combustion site. Due to the fact that when the gas is cooled, the absorption spectrum shifts to the long-wavelength region, the same gas can be either a radiation absorber or a source convenient for measuring it. These components include, first of all, carbon dioxide, the concentration of which in the flame and in the air is fairly well known. Therefore, measurements of signals from photodetectors sensitive to radiation close to 4.3 μm — the characteristic absorption band — make it possible to carry out measurements using it as a “marker” of the optical path. In this case, it is possible to determine the concentration of other components, for example, carbon monoxide (CO) generated during combustion. A similar technique of “marking” or calibration is used to determine the concentration of car exhausts (СО, C _n H _m , NO _x ) when sensing using an intentionally created radiation source (laser, incandescent source, LED, etc.), as described in a number of patents [3].

Увеличение точности определения компонентов - п.4 формулы изобретения - достигается при использовании в качестве области излучения объектов, имеющих с продуктами горения тепловой и/или радиационный обмен. Такой теплообмен может быть конвекционным или радиационным. В первом случае принимают излучение от нагретых пламенем/отходящими газами тел, к которым относятся прежде всего ограничители потоков - дымовые трубы. При выборе дымовой трубы в качестве источника излучения появляется преимущество, состоящее в использовании источника излучения с большой постоянной времени, т.е. со стабильной во времени излучательной способностью и со спектром, отличным от спектра продуктов горения. Появляется возможность измерять сигналы на длинах волн, где интенсивность излучения от продуктов горения мала, что приводит к повышению точности измерения компонентов, имеющих полосы поглощения вдали от максимума излучения продуктов горения. К таким компонентам относится, например, окись азота (NO) с полосой поглощения при 5.5 мкм. При радиационном теплообмене создается излучение, отраженное от поверхностей окружающих пламя тел. Так, например, можно измерять интенсивность излучения от отражателя (уголкового, сферического и т.д.). Это дает возможность управлять оптическим путем, например, последовательно совмещать направления максимальной чувствительности с рядом отражателей. расположенных на разном удалении от продуктов горения (пламени) и производить измерения. Вариант, при котором появляется возможность проведения измерений со значительных расстояний от пламени, состоит в установке сферического отражателя, направленного на пламя и расположенного с наветренной стороны от фотоприемника, расположенного в фокусе отражателя. При этом увеличивается точность определения для компонентов, имеющих малые концентрации, поскольку увеличивается оптический путь.An increase in the accuracy of determination of the components - claim 4 of the claims - is achieved by using objects having thermal and / or radiation exchange with the combustion products as the radiation region. Such heat transfer can be convection or radiation. In the first case, radiation is received from bodies heated by the flame / exhaust gases, which primarily include flow restrictors - chimneys. When choosing a chimney as a radiation source, an advantage appears that consists in using a radiation source with a large time constant, i.e. with a stable emissivity in time and with a spectrum different from the spectrum of combustion products. It becomes possible to measure signals at wavelengths where the radiation intensity from the combustion products is small, which leads to an increase in the accuracy of measuring components having absorption bands far from the maximum radiation of the combustion products. Such components include, for example, nitric oxide (NO) with an absorption band at 5.5 μm. Radiation heat transfer produces radiation reflected from the surfaces of bodies surrounding the flame. So, for example, it is possible to measure the radiation intensity from the reflector (angular, spherical, etc.). This makes it possible to control the optical path, for example, sequentially combine the direction of maximum sensitivity with a number of reflectors. located at different distances from the combustion products (flame) and make measurements. An option in which it becomes possible to take measurements from significant distances from the flame consists in installing a spherical reflector aimed at the flame and located on the windward side of the photodetector located at the focus of the reflector. This increases the accuracy of determination for components having low concentrations, since the optical path increases.

Задача дополнительного увеличения точности определения концентрации компонента(ов) достигается тем, что в способе по п.5 используют дополнительную область излучения в виде объектов, имеющих с продуктами горения тепловой и/или радиационный обмен. При использовании нескольких областей излучения возрастает количество измерений за счет измерений для разных оптических путей и/или разных спектральных областей, что увеличивает количество независимых данных и точность измерений.The task of further increasing the accuracy of determining the concentration of the component (s) is achieved by the fact that in the method according to claim 5, an additional radiation region is used in the form of objects having thermal and / or radiation exchange with the combustion products. When using several radiation regions, the number of measurements increases due to measurements for different optical paths and / or different spectral regions, which increases the amount of independent data and the measurement accuracy.

Для осуществления способа существует много вариантов конкретного воплощения, каждый из которых выбирается исходя из условий измерения. Так, например, опорный сигнал при возможности измерения при различных оптических путях предпочтительнее измерять с фотоприемника, идентичного первому фотоприемнику. При наличии однонаправленного потока воздуха примером такой системы может служить пара фотоприемников, расположенных с противоположных сторон от места утечки (появления в атмосфере). Фотоприемник с наветренной стороны является измерительным, а с подветренной - опорным. При невозможности видоизменить оптический путь, например при сильном удалении от продуктов горения (пламени), предпочтительным является использование фотоприемников с различающейся спектральной чувствительностью. Естественно, что могут существовать комбинации схем, использующие как разные оптические пути, так и разные спектральные характеристики фотоприемников.To implement the method, there are many options for a specific embodiment, each of which is selected based on the measurement conditions. So, for example, the reference signal, when it is possible to measure at various optical paths, is preferable to measure from a photodetector identical to the first photodetector. In the presence of a unidirectional air flow, an example of such a system is a pair of photodetectors located on opposite sides of the leak (occurrence in the atmosphere). The photodetector on the windward side is a measuring one, and on the leeward side, it is a reference one. If it is not possible to modify the optical path, for example, at a great distance from the combustion products (flame), it is preferable to use photodetectors with different spectral sensitivity. Naturally, there may be combinations of circuits using both different optical paths and different spectral characteristics of photodetectors.

Чем выше требования к точности измерения, тем требуемое количество измерений (конфигураций измерений) больше. Так, для грубого анализа концентрации достаточно двух сигналов; для более точных - три и более. Отметим, что можно пользоваться ограниченным набором широкополосных фотоприемников, а различия в спектральных характеристиках/оптических плотностях анализируемых компонент формировать за счет смены фильтров, расположенных на пути к источнику. Это можно осуществить, например, вращая диск с узкополосными фильтрами, последовательно перекрывающими поток излучения [4]. Такой способ полностью эквивалентен способу, в котором используется набор фотоприемников. Возможно также сочетание нескольких фотоприемников с вращающимся диском(абтюраторов) имеющим и/или не имеющим узкополосных фильтров.The higher the requirements for measurement accuracy, the greater the number of measurements required (measurement configurations). So, for a rough analysis of concentration, two signals are enough; for more accurate - three or more. Note that a limited set of broadband photodetectors can be used, and differences in the spectral characteristics / optical densities of the analyzed components can be formed by changing the filters located on the way to the source. This can be achieved, for example, by rotating a disk with narrow-band filters that sequentially block the radiation flux [4]. This method is completely equivalent to the method in which a set of photodetectors is used. It is also possible to combine several photodetectors with a rotating disk (abturators) with and / or without narrow-band filters.

Необходимо иметь в виду, что на точность измерений влияет характер распределения газообразных компонент в оптическом канале (или на “трассе”). Это распределение может быть получено на основе дополнительных измерений, например измерений на длинах волн, соответствующих компонентам с известной концентрацией, или измерений в точках, расположенных на разном удалении от продуктов горения. В последнем случае для анализа концентрации газов, формирующихся, например, в пламени нефтяного факела, установку фотоприемников можно осуществить как показано на Фиг.2, где цифрами обозначены:It must be borne in mind that the character of the distribution of gaseous components in the optical channel (or on the “path”) affects the measurement accuracy. This distribution can be obtained on the basis of additional measurements, for example, measurements at wavelengths corresponding to components with a known concentration, or measurements at points located at different distances from the combustion products. In the latter case, to analyze the concentration of gases formed, for example, in the flame of an oil flame, the installation of photodetectors can be carried out as shown in Figure 2, where the numbers indicate:

1 - фотоприемник №1;1 - photodetector No. 1;

2 - фотоприемник №2;2 - photodetector No. 2;

3 - продукты горения (пламя);3 - combustion products (flame);

5 - измеряемый(ые) газообразный(ые) компонент(ы) и/или путь, проделываемый продуктами горения при наличии ветра, направленного слева направо;5 - measured gaseous component (s) and / or path made by combustion products in the presence of wind directed from left to right;

6 - расстояние от пламени до фотоприемника №1 в момент измерения;6 - distance from the flame to the photodetector No. 1 at the time of measurement;

7 - расстояние между фотоприемниками в момент измерения;7 - the distance between the photodetectors at the time of measurement;

8 - фотоприемник №1 в момент калибровки;8 - photodetector No. 1 at the time of calibration;

9 - фотоприемник №2 в момент калибровки;9 - photodetector No. 2 at the time of calibration;

10 - расстояние между фотоприемниками в момент калибровки;10 - the distance between the photodetectors at the time of calibration;

11 - расстояние от пламени до фотоприемника №1 в момент калибровки.11 - the distance from the flame to the photodetector No. 1 at the time of calibration.

На Фиг.2 показано, что два идентичных фотоприемника 1 и 2 устанавливаются так, что направление максимальной чувствительности совпадает с вектором “пламя-диод”; при этом диоды находятся с подветренной стороны от пламени 3 на расстоянии L(6) и (L(6)+L(7)) соответственно.Figure 2 shows that two identical photodetectors 1 and 2 are set so that the direction of maximum sensitivity coincides with the flame-diode vector; while the diodes are located on the leeward side of flame 3 at a distance of L (6) and (L (6) + L (7)), respectively.

Процесс калибровки состоит в измерении сигнала фотоприемников после их перемещения в надветренную часть от пламени (позиция 8 и 9) и измерения сигнала

при расстоянии до пламени, равном L(11)=L(6) и L(10)+L(11)=L(6)+L(7).The calibration process consists in measuring the signal of the photodetectors after moving them to the downwind part of the flame (positions 8 and 9) and measuring the signal

at a distance to the flame equal to L (11) = L (6) and L (10) + L (11) = L (6) + L (7).

После указанной установки вновь измеряются интенсивности фотосигналов с фотодиодов 8(2) и 9(1), а искомая средняя концентрация газа в области пространства между фотодиодами 1 и 2 находится из соотношенияAfter this setup, the intensities of the photo signals from photodiodes 8 (2) and 9 (1) are again measured, and the desired average gas concentration in the region of space between photodiodes 1 and 2 is found from the ratio

х₁₂=-1n(

)/α *(L₇),x ₁₂ = -1n (

) / α * (L ₇ ),

где U_i- фотосигнал с диодов 1, 2, 8, 9;where U _i is the photo signal from diodes 1, 2, 8, 9;

α - средний коэффициент поглощения определяемого компонента, вычисляемый на основе спектра фоточувствительности и спектра коэффициента поглощения аналогично предложенному в [5] методу, a L₇- расстояние между диодами 1 и 2. Из приведенной формулы и из самых общих рассмотрений поглощения ясно, что повышение точности определения концентрации можно добиться, уменьшая расстояние между диодами 1 и 2. Вполне понятно, что калибровку можно проводить непрерывно, увеличивая тем самым точность измерений; для этого необходимо увеличить по крайней мере вдвое количество используемых фотоприемников (на Фиг.2 - это фотоприемники, обозначенные цифрами 8 и 9, соответственно).α is the average absorption coefficient of the determined component, calculated on the basis of the photosensitivity spectrum and the absorption coefficient spectrum similarly to the method proposed in [5], and L ₇ is the distance between diodes 1 and 2. From the above formula and from the most general absorption considerations, it is clear that increasing the accuracy determination of concentration can be achieved by reducing the distance between diodes 1 and 2. It is clear that calibration can be carried out continuously, thereby increasing the accuracy of measurements; for this it is necessary to increase at least twice the number of photodetectors used (in Fig. 2, these are photodetectors indicated by the numbers 8 and 9, respectively).

Пример 1. Пример осуществления способа по п.1 был выполнен в Физико-техническом институте РАН. Для определения содержания газа метана была использована система, содержащая фотодиоды из InAs и InAsSbP с иммерсионными линзами на основе CdSb диаметром 3.5 мм, полученные в лаборатории инфракрасной оптоэлектроники и описанные в работах [6, 7] соответственно. В качестве определяемого компонента был взят метан, имеющий фундаментальную полосу поглощения с максимумом при 3.32 мкм. Диод из InAs имел максимум спектральной чувствительности при длине волны 3.3-3.4 мкм, что соответствовало максимальной оптической плотности метана и/или его смесей с воздухом в спектральной области 3-5 мкм, где сосредоточена основная часть радиационного потока от нагретых продуктов горения (пламени), а чувствительность диода из InAsSbP имела максимум при 2.9 мкм, т.е. соответствовала отличной от первого диода оптической плотности на длинах волн 3.3-3.4 мкм. Для дополнительного усиления различия в оптической плотности для вышеупомянутых фотоприемников на приемную площадку диода из InAsSbP устанавливалась пленка полиэтилена толщиной 300 мкм. При этом из-за поглощения вблизи 3.4 мкм, вызванного присутствием в оптическом канале полиэтилена/углеводорода, фотодиод InAsSbP утрачивал чувствительность в длинноволновой части спектра вблизи от длины волны, равной 3.4 мкм, так, как показано на левом графике Фиг.3, где цифрами обозначены: 12 - исходный спектр чувствительности; 13 и 14 - спектры чувствительности при толщине пленки полиэтилена, равной 100 мкм и 300 мкм, соответственно; 15 - спектр чувствительности диода из InAs. При этом было установлено, что фотосигнал в диоде InAsSbP не зависел от наличия/присутствия метана в оптическом канале, т.е на пути излучения от области излучения к фотоприемнику. Указанный прием намеренной модификации оптической плотности, выполненный благодаря сужению спектральной чувствительности за счет дополнительного поглощения, известен как “негативная фильтрация” и широко применяется в газовом анализе (см., например [8]). В качестве области излучения были выбраны продукты горения - пламя медицинской спиртовки, расположенной на расстоянии 30 см от обоих фотодиодов. Указанное расстояние обеспечивало получение плотности излучения на фотоприемниках, превышающую пороговые значения, поскольку отношение сигнал/шум при совмещении направления максимальной чувствительности с вектором “фотоприемник - область излучения” значительно превышало единицу. Поток лучистой энергии от спиртовки модулировался механическим прерывателем потока (вращающимся диском с прорезями) с частотой прерывания 630 Гц. ФотоЭДС, регистрируемая на выводах диодов, усиливалась и измерялась селективным вольтметром У2-8, настроенным на частоту прерывания потока. С помощью котировочных винтов и перемещения спиртовки получали максимально возможный для данного удаления пламени от диодов сигнал на вольтметре, т.е. совмещали направления максимальной чувствительности диодов с вектором “фотоприемник - источник излучения”. Измеряли сигналы от фотодиодов из арсенида индия (U $\binom{0}{1}$ ) и InAsSbP (U $\binom{0}{2}$ ) и вычисляли отношение (U $\binom{0}{1}$ /U $\binom{0}{2}$ ), активизировали струю метана, направленную поперек вектора “фотоприемник - источник излучения” и повторяли вышеуказанные измерения с получением значений U₁ и U₂. Вычисляли величину {(U $\binom{0}{1}$ /U $\binom{0}{2}$ )-(U₁/U₂)}, которая оказалась больше нуля. По знаку разности {(U $\binom{0}{1}$ /U $\binom{0}{2}$ )-(U₁/U₂)} определили, что в газовой среде находятся углеводороды (в данном случае - метан). Закрытие струи метана приводило к регистрации нулевого значения разности {(U $\binom{0}{1}$ /U $\binom{0}{2}$ )-(U₁/U₂)}, что свидетельствовало об отсутствии метана в газовой среде.Example 1. An example implementation of the method according to claim 1 was performed at the Physical-Technical Institute of the Russian Academy of Sciences. To determine the methane gas content, we used a system containing photodiodes of InAs and InAsSbP with immersion lenses based on CdSb 3.5 mm in diameter, obtained in the infrared optoelectronics laboratory and described in [6, 7], respectively. Methane having a fundamental absorption band with a maximum at 3.32 μm was taken as the determined component. The InAs diode had a maximum spectral sensitivity at a wavelength of 3.3-3.4 μm, which corresponded to the maximum optical density of methane and / or its mixtures with air in the spectral region of 3-5 μm, where the bulk of the radiation flux from the heated combustion products (flame) is concentrated, and the sensitivity of the InAsSbP diode had a maximum at 2.9 μm, i.e. corresponded to an optical density different from the first diode at wavelengths of 3.3–3.4 μm. To further enhance the difference in optical density for the aforementioned photodetectors, a polyethylene film 300 μm thick was installed on the receiving platform of the InAsSbP diode. Moreover, due to the absorption near 3.4 μm caused by the presence of polyethylene / hydrocarbon in the optical channel, the InAsSbP photodiode lost sensitivity in the long-wavelength part of the spectrum near the wavelength of 3.4 μm, as shown in the left graph of Fig. 3, where the numbers denote : 12 - initial sensitivity spectrum; 13 and 14 are sensitivity spectra with a polyethylene film thickness of 100 μm and 300 μm, respectively; 15 is a sensitivity spectrum of a diode from InAs. It was found that the photo signal in the InAsSbP diode was independent of the presence / presence of methane in the optical channel, i.e., on the radiation path from the radiation region to the photodetector. The indicated technique for intentionally modifying the optical density, made possible by narrowing the spectral sensitivity due to additional absorption, is known as “negative filtration” and is widely used in gas analysis (see, for example, [8]). The combustion products, the flame of a medical spirit lamp located at a distance of 30 cm from both photodiodes, were chosen as the radiation region. The indicated distance ensured that the radiation density at the photodetectors was obtained that exceeded the threshold values, since the signal-to-noise ratio when combining the direction of maximum sensitivity with the vector “photodetector - radiation region” significantly exceeded unity. The stream of radiant energy from the spirit lamp was modulated by a mechanical flow chopper (a rotating disk with slots) with an interruption frequency of 630 Hz. The photoEMF recorded at the diode terminals was amplified and measured with a selective voltmeter U2-8 tuned to the frequency of interruption of the flow. Using the quote screws and moving the spirit lamp, we obtained the signal maximum possible for a given flame removal from the diodes on a voltmeter, i.e. combined the directions of the maximum sensitivity of the diodes with the vector “photodetector - radiation source”. The signals from photodiodes from indium arsenide (U $\binom{0}{1}$ ) and InAsSbP (U $\binom{0}{2}$ ) and the ratio (U $\binom{0}{1}$ / U $\binom{0}{2}$ ), activated a stream of methane directed across the vector “photodetector - radiation source” and repeated the above measurements to obtain the values of U ₁ and U ₂ . The value {(U $\binom{0}{1}$ / U $\binom{0}{2}$ ) - (U ₁ / U ₂ )}, which turned out to be greater than zero. By the sign of the difference {(U $\binom{0}{1}$ / U $\binom{0}{2}$ ) - (U ₁ / U ₂ )} determined that there are hydrocarbons in the gaseous medium (in this case, methane). The closure of the methane stream led to the registration of the zero value of the difference {(U $\binom{0}{1}$ / U $\binom{0}{2}$ ) - (U ₁ / U ₂ )}, which indicated the absence of methane in the gas medium.

Пример 2. Были повторены все операции, перечисленные в примере 1, однако была дополнительно проведена калибровка (п.2 формулы). Для проведения калибровки между пламенем и диодами на пути луча устанавливали кювету с оптической длиной (путем) 10 см и с возможностью заполнения ее газом. Измерялись величины оптических сигналов при заполнении кюветы атмосферным воздухом (фаза “воздух”), при заполнении кюветы газовой смесью, содержащей 0.53% v/v метана и воздух (фаза “метан”) и при закрытии оптического канала (фаза “ноль”). Сигнал с фотодиода InAsSbP был одинаков для фаз “воздух” и “метан”, что свидетельствовало о достаточно хорошей степени “негативной” фильтрации. Относительное изменение сигнала с фотодиода из InAs при переходе из фазы “воздух” в фазу “метан” составляло (dU/

=0.027)_к(t=20° C) при значении произведения оптического пути L на концентрацию С, равного (C*L)_к=0.053 см. По завершении процесса калибровки кювета изымалась из оптического пути лучей, выходящих из пламени спиртовки и принимаемых фотодиодами, и производились измерения оптического сигнала (U₁, фаза “воздух”). В область пространства, занимаемого ранее кюветой, направлялась струя метана с начальным диаметром 4 мм и вновь измерялся оптический сигнал (U₂, фаза “метан”). Полученное значение (dU/

=0.005)_и было меньше значения, полученного при калибровке. Это означало, что в условиях измерения струя газа создавала меньшую, чем при калибровке оптическую плотность и можно было пользоваться линейной интерполяцией, поскольку α (C*L)_к.и<<1 и dU/

<<1, где α - коэффициент поглощения, превышающий в средней ИК-области 10 см^-1. Таким образом “трассовая концентрация” на линии “пламя-фотодиод” составляла в нашем опыте (C*L)_и=0.053*(0.05/0.027)=0.0098 см. Можно использовать все процедуры вышеприведенного примера, однако фотодиоды включить навстречу друг другу, т.е. с общими катодами или анодами (схема протекания тока: “катод 1-анод1-анод2-катод2” или “анод1-катод1-катод2-анод2”). Вышеуказанная схема включения позволяет вычитать два сигнала аналоговым образом, что полностью эквивалентно раздельному измерению сигналов и последующему вычитанию, однако встречное включение диодов дает некоторые преимущества при проектировании и настройке усилителей, поскольку можно выровнять сигналы в исходном состоянии и повысить таким образом чувствительность схемы. Недостатком последовательного встречного включения диодов является зависимость показаний от интенсивности пламени, а также от небольшого отклонения от направления на пламя.Example 2. All the operations listed in example 1 were repeated, however, calibration was additionally carried out (claim 2 of the formula). To carry out the calibration, a cuvette with an optical length (path) of 10 cm and with the possibility of filling it with gas was installed between the flame and diodes in the path of the beam. The optical signals were measured when the cuvette was filled with atmospheric air (air phase), when the cuvette was filled with a gas mixture containing 0.53% v / v methane and air (methane phase), and when the optical channel was closed (zero phase). The signal from the InAsSbP photodiode was the same for the “air” and “methane” phases, which indicated a rather good degree of “negative” filtering. The relative change in the signal from the InAs photodiode upon the transition from the “air” phase to the “methane” phase was (dU /

= 0.027) _k (t = 20 ° C) with the product of the optical path L and concentration C equal to (C * L) _k = 0.053 cm. Upon completion of the calibration process, the cuvette was removed from the optical path of the rays emerging from the flame of the spirit lamp and received by photodiodes , and the optical signal was measured (U ₁ , phase “air”). A methane jet with an initial diameter of 4 mm was directed into the region of space previously occupied by the cell, and the optical signal was again measured (U ₂ , “methane” phase). The resulting value (dU /

= 0.005) _and there was less than the value obtained during calibration. This meant that, under the measurement conditions, the gas jet created a lower optical density than during calibration and linear interpolation could be used, since α (C * L) _q.u << 1 and dU /

<< 1, where α is the absorption coefficient that exceeds 10 cm ^-1 in the mid-IR region. Thus, the “trace concentration” on the “flame-photodiode” line in our experiment was (C * L) _and = 0.053 * (0.05 / 0.027) = 0.0098 cm. All procedures of the above example can be used, however, turn on the photodiodes towards each other, t .e. with common cathodes or anodes (current flow diagram: “cathode 1-anode1-anode2-cathode2” or “anode1-cathode1-cathode2-anode2”). The above switching circuit allows you to subtract two signals in an analogous way, which is completely equivalent to separate signal measurement and subsequent subtraction, however, the on-board switching of diodes provides some advantages when designing and tuning amplifiers, since you can align the signals in the initial state and thus increase the sensitivity of the circuit. The disadvantage of sequential on-switching of diodes is the dependence of the readings on the flame intensity, as well as on a small deviation from the direction of the flame.

Пример 3. Фотодиод из InAsSb, имеющий максимум чувствительности на длине волны 4.3 мкм и описанный в [9], и фотодиод из InAs, описанные в примере 1, устанавливались по отношению к пламени спиртовки аналогично первому примеру, но на расстоянии 10 см от него. Калибровка по п.2 производилась путем расчетов с использованием спектра насыщенных паров спирта, измеренного на спектрометре ИКС-29 при длине кюветы 10 см, показанного на Фиг.4, где 16 - спектр пропускания спирта, 17 - спектр чувствительности фотоприемника, 18 - произведение спектра чувствительности фотодиода из арсенида индия на спектр пропускания спирта. Для расчета величины чувствительности (dU/

)_к вычислялась площадь, занимаемая спектром чувствительности диода U₁, показанная пунктирной линией, и площадь под кривой, представляющей произведение чувствительности на спектр пропускания U₂. Очевидно, что параметр, равный Δ U/U=(U₁-U₂)/U₁, есть чувствительность фотодиода к спирту (аналогичный подход при вычислении dU/

был нами описан ранее в работе [Remennyi 2003]). Для простоты спектр пламени предполагался не имеющим особенностей в показанном на Фиг.4 диапазоне длин волн. Оценки по описанному методу дали значение dU/

=0.162 для насыщенных паров спирта при длине пути 10 см. При проведении измерений измерялся сигнал с обоих фотодиодов, после чего под линией луча устанавливалась плоская кювета размерами 10*5 см, в которой был налит спирт. Пары спирта, испаряясь на воздухе, попадали в оптический канал и изменяли сигнал диода из арсенида индия на 3%. При этом сигнал с диода InAsSb практически не изменялся. Таким образом, можно было заключить, что концентрация паров спирта в воздушном канале составляла 0.03/0.162≈ 19% от концентрации насыщенных паров при данной температуре.Example 3. A photodiode from InAsSb having a maximum sensitivity at a wavelength of 4.3 μm and described in [9], and a photodiode from InAs described in example 1 were mounted with respect to the flame of an alcohol lamp similarly to the first example, but at a distance of 10 cm from it. The calibration according to claim 2 was carried out by calculations using the spectrum of saturated vapors of alcohol, measured on an IKS-29 spectrometer with a cell length of 10 cm, shown in Figure 4, where 16 is the transmission spectrum of alcohol, 17 is the sensitivity spectrum of the photodetector, 18 is the product of the spectrum the sensitivity of the photodiode from indium arsenide to the transmission spectrum of alcohol. To calculate the sensitivity value (dU /

) _{k, the} area occupied by the sensitivity spectrum of the diode U ₁ , shown by the dashed line, and the area under the curve representing the product of the sensitivity by the transmission spectrum U _{2 were} calculated. Obviously, a parameter equal to Δ U / U = (U ₁ -U ₂ ) / U ₁ is the sensitivity of the photodiode to alcohol (a similar approach when calculating dU /

was described by us earlier in [Remennyi 2003]). For simplicity, the flame spectrum was assumed to have no features in the wavelength range shown in FIG. 4. Estimates using the described method gave dU /

= 0.162 for saturated alcohol vapors with a path length of 10 cm. During measurements, the signal from both photodiodes was measured, after which a flat cell with dimensions of 10 * 5 cm was installed under the beam line, in which alcohol was poured. Vapors of alcohol, evaporating in air, fell into the optical channel and changed the diode signal from indium arsenide by 3%. In this case, the signal from the InAsSb diode remained practically unchanged. Thus, it could be concluded that the concentration of alcohol vapors in the air channel was 0.03 / 0.162≈ 19% of the concentration of saturated vapors at a given temperature.

Пример 4. Для реализации способа по п.2 фотодиод из InAsSb, имеющий максимум чувствительности на длине волны 4.3 мкм, описанный в примере 3, и фотодиод из InAs, описанный в примере 1, устанавливались по отношению к пламени спиртовки аналогично первому примеру. Для повышения чувствительности к углекислому газу перед фотодиодом из InAsSb устанавливался узкополосный интерференционный фильтр, имеющий спектр пропускания, показанный на Фиг.5, где цифрами обозначены: 19 - спектр чувствительности диода из InAsSb, 20 - спектр пропускания фильтра, 21 - спектр пропускания атмосферного воздуха (0.03% об.) при длине пути 170 см. Калибровка производилась аналогично второму примеру. Отличие состояло в том, что из кюветы откачивался атмосферный воздух. При этом сигнал на фотодиоде (фаза “углекислый газ”) возрастал относительно состояния с заполненной атмосферным воздухом кюветой (фаза “воздух”) на величину (dU/

)_к =-0.186, что соответствовало суммарной “трассовой концентрации”, равной C*L=-0.0003*10=-0.003 см. Величина C*L получилась отрицательной из-за определения понятия “поглощения”. Сигнал с фотодиода из арсенида индия не изменялся при откачке воздуха из кюветы. По завершении калибровки кювета изымалась из оптического пути, измерялась величина U₁ (фаза “воздух”), в область пространства, ранее ею занимавшего, вдувалась смесь, содержащая углекислый газ, измерялся сигнал U₂ (фаза “углекислый газ”) аналогично первому примеру. Сигнал на фотодиоде из арсенида индия не изменялся при переходе от фазы “воздух” в фазу “углекислый газ”, что свидетельствовало с большой долей вероятности о том, что смесь не содержит иных, кроме углекислого газа и воздуха, компонентов. Величина сигнала на фотодиоде InAsSb при вдувании смеси уменьшалась, причем (dU/

)_и=0.3. Аналогично первому примеру находим, что “трассовая концентрация” углекислого газа составляет (C*L)_и=0.00483 см.Example 4. To implement the method according to claim 2, a photodiode from InAsSb having a maximum sensitivity at a wavelength of 4.3 μm described in Example 3 and a photodiode from InAs described in Example 1 were installed with respect to the flame of an alcohol lamp similarly to the first example. To increase the sensitivity to carbon dioxide, a narrow-band interference filter was installed in front of the InAsSb photodiode, having a transmission spectrum shown in Fig. 5, where the numbers denote: 19 is the sensitivity spectrum of the InAsSb diode, 20 is the transmission spectrum of the filter, 21 is the transmission spectrum of atmospheric air ( 0.03% vol.) With a path length of 170 cm. Calibration was performed similarly to the second example. The difference was that atmospheric air was pumped out of the cuvette. In this case, the signal on the photodiode (phase “carbon dioxide”) increased relative to the state with a cell filled with atmospheric air (phase “air”) by (dU /

) _k = -0.186, which corresponded to the total “trace concentration” equal to C * L = -0.0003 * 10 = -0.003 cm. The value C * L turned out negative due to the definition of “absorption”. The signal from the photodiode from indium arsenide did not change when air was pumped out of the cell. After calibration, the cuvette was removed from the optical path, the quantity U ₁ (phase “air”) was measured, a mixture containing carbon dioxide was injected into the region of space that previously occupied it, the signal U ₂ (phase “carbon dioxide”) was measured similarly to the first example. The signal on the photodiode from indium arsenide did not change during the transition from the “air” phase to the “carbon dioxide” phase, which testified with a high degree of probability that the mixture does not contain components other than carbon dioxide and air. The value of the signal on the InAsSb photodiode decreased when the mixture was injected, and (dU /

) _and = 0.3. Similarly to the first example, we find that the “trace concentration” of carbon dioxide is (C * L) _and = 0.00483 cm.

Пример 5. Для определения наличия в оптическом канале продуктов горения (п.3 формулы изобретения) два идентичных диода из InAsSb, имеющих максимальную спектральную чувствительность на длине волны 4.3 мкм, описанных в примере 4, устанавливались так, что направление максимальной чувствительности каждого из них совпадало с направлением на спиртовку. Перед одним из диодов устанавливали пленку фторопласта толщиной 200 мкм, изменяющую спектр чувствительности, как показано на Фиг.6, где цифрами обозначены: 19 - спектр чувствительности фотодиода, измеренного в условиях атмосферного воздуха на расстоянии 170 см от источника; 22 и 23 - спектры чувствительности в тех же условиях, но при толщине пленки фторопласта 200 и 550 мкм, соответственно.Example 5. To determine the presence of combustion products in the optical channel (claim 3 of the claims), two identical InAsSb diodes with a maximum spectral sensitivity at a wavelength of 4.3 μm described in Example 4 were set so that the direction of the maximum sensitivity of each of them coincided with a direction to the spirit lamp. In front of one of the diodes, a 200 μm thick fluoroplastic film was installed, which changed the sensitivity spectrum, as shown in Fig. 6, where the numbers indicate: 19 - the sensitivity spectrum of the photodiode measured under atmospheric air at a distance of 170 cm from the source; 22 and 23 are sensitivity spectra under the same conditions, but with a fluoroplastic film thickness of 200 and 550 μm, respectively.

Производили измерение отношения двух фотосигналов при слабом потоке воздуха, направленным поперек луча “пламя-фотодиод”, относящим продукты горения прочь от оптического пути. Изменяли направление потока воздуха так, что продукты горения попадали в оптический тракт. При этом величина фотосигнала на диоде с “негативной фильтрацией” не изменялась, в то время как наблюдали падение сигнала на фотодиоде, не закрытом пленкой фторопласта, что свидетельствовало об увеличении концентрации углекислого газа в оптическом тракте. Этот опыт имитирует обнаружение продуктов горения, относимых ветром от нефтяного факела на буровых вышках/платформах.The ratio of the two photosignals was measured with a weak air flow directed across the flame-photodiode beam, carrying the combustion products away from the optical path. Changed the direction of air flow so that the combustion products fell into the optical path. In this case, the magnitude of the photo signal on the “negative filtering” diode did not change, while a signal drop was observed on the photodiode not covered by the fluoroplastic film, which indicated an increase in the concentration of carbon dioxide in the optical path. This experiment simulates the detection of combustion products carried by the wind from an oil flare on oil rigs / platforms.

Пример 6. Для реализации способа по п.4 два идентичных фотодиода из InAsSb с иммерсионными линзами, описанные в вышеприведенном примере 5, снабженные узкополосными фильтрами, пропускающими излучение на длине волны 4.3±0.1 мкм и обозначенные на Фиг.7 соответственно цифрами 1 и 2, пламя спиртовки 3 и сферическое зеркало 24 устанавливались так, что направление максимальной чувствительности диодов 1 и 2 было направлено на пламя спиртовки 3, причем диод 2 находился в фокусе лучей, испущенных пламенем 3 по направлению 4 и отраженных от зеркала 24 по направлению 4. Процесс калибровки состоял в помещении вместо спиртовки накального источника и измерения соотношения сигналов (U₁/U₂), получаемых с диодов при включении накального источника. Путем юстировки коэффициентов усиления системы добивались чтобы (U₁/U₂)=1. Зажигали спиртовку и устанавливали ее вместо накального источника так, как описано выше. При этом (U₁/U₂) было равно 1.06, из чего следовало, что содержание углекислого газа в оптическом ходе лучей системы увеличивалось за счет диффузии продуктов горения. Изображенная на Фиг.7 система чувствительна к изменению концентрации поглощающего газа, потому что ход лучей от источника до приемника (L) существенно неодинаков для диодов 1 и 2. Так, исходя из Фиг.7 можно считать, что L₂≈ 4L₁. Действительно, повышение концентрации углекислого газа путем намеренного замедления вытяжки из помещения, где находились установка и персонал, приводило к увеличению соотношения U₁/U₂, что свидетельствовало о превалирующем повышении поглощения в более длинном оптическом канале. Вдувание струи метана в установку приводило к уменьшению U₁/U₂ из-за вытеснения углекислого газа из оптического канала (тракта).Example 6. To implement the method according to claim 4, two identical InAsSb photodiodes with immersion lenses described in Example 5 above, equipped with narrow-band filters that transmit radiation at a wavelength of 4.3 ± 0.1 μm and are indicated in Fig. 7 by the numbers 1 and 2, the flame of the spirit lamp 3 and the spherical mirror 24 were set so that the direction of the maximum sensitivity of the diodes 1 and 2 was directed to the flame of the spirit lamp 3, and the diode 2 was in the focus of the rays emitted by the flame 3 in direction 4 and reflected from the mirror 24 in the direction 4. The calibration process consisted of a filament source instead of an alcohol lamp and a measurement of the ratio of signals (U ₁ / U ₂ ) received from the diodes when the filament source was turned on. By adjusting the gain of the system, we achieved that (U ₁ / U ₂ ) = 1. They lit a spirit lamp and installed it instead of a glow source as described above. In this case (U ₁ / U ₂ ) was equal to 1.06, from which it followed that the carbon dioxide content in the optical path of the rays of the system increased due to the diffusion of combustion products. The system depicted in FIG. 7 is sensitive to changes in the concentration of the absorbing gas, because the path of the rays from the source to the receiver (L) is substantially different for diodes 1 and 2. Thus, based on FIG. 7, it can be assumed that L ₂ ≈ 4L ₁ . Indeed, an increase in the concentration of carbon dioxide by deliberately slowing down the exhaust from the room where the installation and personnel were located led to an increase in the U ₁ / U ₂ ratio, which indicated a predominant increase in absorption in the longer optical channel. The injection of a methane stream into the installation led to a decrease in U ₁ / U ₂ due to the displacement of carbon dioxide from the optical channel (path).

Пример 7. В непосредственной близости от пламени спиртовки на расстоянии 1 см от нее со стороны, противоположной направлению “пламя-фотоприемники” нами была помещена полированная медная пластинка диаметром 30 мм и были повторены все операции, описанные в примере 6. При этом из-за радиационного (отражение от пластины) и теплового (нагрев пластины) контакта с пламенем (п.5) произошло увеличение плотности радиационного излучения вблизи 4.3 мкм, падающего на фотоприемники, и увеличение отношения сигнал/шум на 5% и, соответственно, ожидаемое возрастание точности определения компонента по сравнению с примером 6.Example 7. In the immediate vicinity of the flame of the spirit lamp at a distance of 1 cm from it, from the side opposite to the direction of the “flame-photodetector”, we placed a polished copper plate with a diameter of 30 mm and all the operations described in example 6 were repeated. radiation (reflection from the plate) and thermal (plate heating) contact with the flame (item 5), an increase in the density of radiation near 4.3 μm incident on the photodetectors and an increase in the signal-to-noise ratio by 5% and, accordingly, the expected increase Maintenance accuracy determination component compared with Example 6.

ЛитератураLiterature

l. James Podolske & Max Loewenstein. "Airborne tunable diode laser spectrometer for trace-gas measurements in the lower stratosphere", Applied Optics Vol 32 No 27, September 1993.l. James Podolske & Max Loewenstein. "Airborne tunable diode laser spectrometer for trace-gas measurements in the lower stratosphere", Applied Optics Vol 32 No 27, September 1993.

2. Gleason Romans. "Method of detecting pipe line leaks", USA patent 3,032,655 patented May 1, 1962.2. Gleason Romans. "Method of detecting pipe line leaks", USA patent 3,032,655 patented May 1, 1962.

3. Jack, M. D., et. al. (1998) Method and Apparatus for Remote Measurement of Exhaust Gas, US pat.5,831,267, Nov. 3, 1998.3. Jack, M. D., et. al. (1998) Method and Apparatus for Remote Measurement of Exhaust Gas, US pat. 5,831,267, Nov. 3, 1998.

4. И.И.Марков, Б.А.Матвеев, А.А.Тарасова. “Способ определения качественного и количественного состава среды”. Авт. свид. СССР SU 1819348 A3, опубликовано 30.05.93. Бюл.№20.4. I.I. Markov, B.A. Matveev, A.A. Tarasova. “A method for determining the qualitative and quantitative composition of the medium”. Auth. testimonial. USSR SU 1819348 A3, published 05/30/93. Bull.№20.

5. B.A.Matveev, G.A.Gavrilov, V.V.Evstropov, N.V.Zotova, S.A. Karandashov, G.Yu.Sotnikova, N.M. Stus’, G.N.Talalakin and J.Malinen, "Mid-infrared (3-5 mm) LEDs as sources for gas and liquid sensors", Sensors and Actuators В 38-39 (1997) 339-343.5. B.A. Matveev, G.A. Gavrilov, V.V. Evstropov, N.V. Zotova, S.A. Karandashov, G.Yu.Sotnikova, N.M. Stus ’, G.N. Talalakin and J. Malinen," Mid-infrared (3-5 mm) LEDs as sources for gas and liquid sensors ", Sensors and Actuators B 38-39 (1997) 339-343.

6. Matveev, Boris A.; Zotova, Nonna V.; Karandashev, Sergey A.; Remennyi, Maxim A.; Stus’, Nikolai M.; Talalakin, Georgii N. "Backside illuminated In(Ga)As/InAsSbP DH photodiodes for methane sensing at 3.3 um", Proc. SPIE Vol 4650. p.173-178, Photodetector Materials and Devices VII (2002).6. Matveev, Boris A .; Zotova, Nonna V .; Karandashev, Sergey A .; Remennyi, Maxim A .; Stus ’, Nikolai M .; Talalakin, Georgii N. "Backside illuminated In (Ga) As / InAsSbP DH photodiodes for methane sensing at 3.3 um", Proc. SPIE Vol 4650. p. 173-178, Photodetector Materials and Devices VII (2002).

7. Boris A. Matveev, Meyrhan Aydaraliev, Nonna V. Zotova, Sergey A. Karandashov, Natalia D. Il'inskaya. Maxim A. Remennyi, Nikolai M. Stus’, Georgii N. Talalakin “Flip-chip bonded InAsSbP and InGaAs LEDs and detectors for the 3 μ m Spectral Region". - Принято к опубликованию в IЕЕ Optoelectronics Journal, 2003 (special issue on MIOMDV).7. Boris A. Matveev, Meyrhan Aydaraliev, Nonna V. Zotova, Sergey A. Karandashov, Natalia D. Il'inskaya. Maxim A. Remennyi, Nikolai M. Stus', Georgii N. Talalakin “Flip-chip bonded InAsSbP and InGaAs LEDs and detectors for the 3 μm Spectral Region." - Accepted for publication in the IEE Optoelectronics Journal, 2003 (special issue on MIOMDV )

8. "Прикладная ИК-спектроскопия"/Под ред. Д.Кендала. - М.: Мир, 1970, стр.229.8. "Applied IR spectroscopy" / Ed. D. Kendala. - M.: Mir, 1970, p. 229.

9. M.A.Remennyi, N.V.Zotova, S.A.Karandashev, B.A.Matveev, N.M.Stus, G.N.Talalakin. "Low voltage episide down bonded mid-IR diode optopairs for gas sensing in the 3.3-4.3 μ т spectral range”. - Принято к опубликованию в "Sensors & Actuators", 2003.9. M.A. Remennyi, N.V. Zotova, S.A. Karandashev, B.A. Matveev, N.M. Stus, G.N. Talalakin. “Low voltage episide down bonded mid-IR diode optopairs for gas sensing in the 3.3-4.3 μt spectral range.” - Accepted for publication in Sensors & Actuators, 2003.

Claims

1. The method of optical determination of the content of the components of the gaseous medium, including the placement in the gaseous medium irradiated by radiation from the region created by the combustion products of hydrocarbons, at least two photodetectors, the spectral sensitivity of at least one of which has a maximum in the middle infrared region of the spectrum at a wavelength corresponding to the maximum optical density of the determined gas component, and the spectral sensitivity of another corresponds to a different optical density the determined gas component, measuring signals from each of the mentioned photodetectors when they are located at a distance from this region, ensuring the radiation density at the photodetectors is not lower than the threshold value, and combining the direction of the maximum sensitivity of the photodetectors with the vector photodetector is the radiation region, and then determining the content of the desired component by comparing the measured mentioned signals.

2. The method according to claim 1, characterized in that the photodetectors are pre-calibrated and the concentration of the component (s) is determined using the obtained calibration dependencies.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that at least one of the photodetectors is installed on the leeward side of the radiation region.

4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that as the radiation region use objects having thermal and / or radiation exchange with the combustion products.

5. The method according to claim 2 or 3, characterized in that they use an additional cure area in the form of objects having thermal and / or radiation exchange with the combustion products.