RU2278371C1

RU2278371C1 - Optical gas analyzer

Info

Publication number: RU2278371C1
Application number: RU2004137343/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Мирославович Карасевич (RU); Александр Мирославович Карасевич; вцев Евгений Михайлович Кудр (RU); Евгений Михайлович Кудрявцев; Юрий Дмитриевич Мотин (RU); Юрий Дмитриевич Мотин; Геннадий Александрович Сарычев (RU); Геннадий Александрович Сарычев; Игорь Александрович Тутнов (RU); Игорь Александрович Тутнов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Промгаз" ОАО "Промгаз"
Priority date: 2004-12-21
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2006-06-20

Abstract

FIELD: environment protection.

SUBSTANCE: optical gas analyzer has frequency tunable laser provided with device for introducing optical radiation into single-fiber optical line, measuring cell and electro-optical converter with signal registration device. Optical circuit of measuring cell has concave spherical or parabolic mirror which is optically conjugated with output (input) edge of single-fiber in such a way that mentioned edge and its image coincide completely. Separation of optical radiation translated by single-fiber to measuring cell and backward to electro-optic converter is carried out by means of thin flat-parallel plate mounted at angle being larger than critical angle for total reflection. Volumetric concentration of any component of gas mixture which fills space of measuring cell can be measured.

EFFECT: improved precision of measurement; explosion safety.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области защиты среды обитания человека от техногенных катастроф чрезвычайных ситуаций, вызванных концентрационным превышением взрывоопасных примесей в воздухе. К объектам защиты могут относиться как необслуживаемые персоналом технологические объемы, производственные помещения на предприятиях угледобывающей, нефтегазоперерабатывающей промышленности, так и помещения (объемы), предназначенные для постоянного или периодического пребывания человека - жилые дома, автотранспорт, городские подземные коммуникации и другие объекты.The invention relates to the field of protecting the human environment from technological disasters of emergency situations caused by the concentration excess of explosive impurities in the air. Objects of protection may include both technological volumes not serviced by personnel, production facilities at enterprises of the coal mining, oil and gas processing industries, and premises (volumes) intended for permanent or periodic stay of a person - residential buildings, motor vehicles, urban underground utilities and other facilities.

Известное устройство /1/, позволяющее определять концентрацию взрывоопасных примесей в воздухе, содержит источник оптического излучения с непрерывным распределением спектральной плотности, например лампу накаливания или силитовый стержень (глобар), измерительную ячейку, содержащую газовую смесь - собственно объект газоанализа, и спектрофотометр. Спектрофотометрия газовой смеси по характерным полосам селективного поглощения оптического излучения позволяет определить концентрацию любой из заявленных к анализу компонент, присутствующих в измерительной ячейке.The known device / 1 /, which allows to determine the concentration of explosive impurities in the air, contains an optical radiation source with a continuous distribution of spectral density, for example, an incandescent lamp or a silicon rod (globar), a measuring cell containing a gas mixture — the actual gas analysis object, and a spectrophotometer. Spectrophotometry of the gas mixture by the characteristic bands of selective absorption of optical radiation allows you to determine the concentration of any of the components declared for analysis present in the measuring cell.

Недостатком устройства является наличие неучтенного, неоднородного пространственного распределения компонентов в объеме, что приводит к снижению точности измерений.The disadvantage of this device is the presence of unaccounted for, non-uniform spatial distribution of components in the volume, which leads to a decrease in the accuracy of measurements.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является газоанализатор /2/, разработанный в Центре естественно-научных исследований ИОФАН, в лаборатории прикладной лазерной спектроскопии. Газоанализатор содержит источник оптического излучения с устройством для амплитудной модуляции и оптическим элементом в виде набора плоских зеркал, обеспечивающих ввод излучения в моноволокно, и оптоэлектронный преобразователь, соединенный кабелем с регистрирующим устройством.The closest in technical essence and the achieved result to the claimed invention is a gas analyzer / 2 /, developed at the Center for Natural Scientific Research IOFAN, in the laboratory of applied laser spectroscopy. The gas analyzer contains an optical radiation source with a device for amplitude modulation and an optical element in the form of a set of flat mirrors providing radiation input into the monofilament, and an optoelectronic converter connected by a cable to the recording device.

Недостатком устройства является невозможность получения, наряду с качественными, количественных результатов анализа газовой смеси в тестируемом объеме.The disadvantage of this device is the impossibility of obtaining, along with qualitative, quantitative results of the analysis of the gas mixture in the test volume.

Задача изобретения заключается в получении достоверных результатов при определении объемной концентрации любой заявленной к анализу компоненты в газовой смеси, заполняющей объем измерительной ячейки, а также повышение точности измерений и взрывобезопасности.The objective of the invention is to obtain reliable results in determining the volume concentration of any component claimed for analysis in the gas mixture filling the volume of the measuring cell, as well as improving the accuracy of measurements and explosion safety.

Поставленная задача решается следующим образом. В оптическом газоанализаторе, содержащем перестраиваемый по частоте полупроводниковый лазер с устройством ввода оптического излучения в волоконно-оптическую линию, измерительную ячейку и оптоэлектронный преобразователь с устройством регистрации сигнала, оптическая схема измерительной ячейки содержит вогнутое сферическое или параболическое зеркало, оптически сопряженное с выходным или входным торцом моноволокна так, что названный торец и его изображение полностью совпадают, а разделение оптического излучения, транслируемого моноволокном к измерительной ячейке и в обратном направлении к оптоэлектронному преобразователю, осуществляется посредством тонкой плоскопараллельной пластины, установленной под углом, большим, чем угол полного внутреннего отражения.The problem is solved as follows. In an optical gas analyzer containing a frequency-tunable semiconductor laser with a device for inputting optical radiation into a fiber optic line, a measuring cell and an optoelectronic converter with a signal recording device, the optical circuit of the measuring cell contains a concave spherical or parabolic mirror optically coupled to the output or input end of the monofilament so that the named end face and its image completely coincide, and the separation of the optical radiation transmitted by mono fiber to the measuring cell and in the opposite direction to the optoelectronic converter, is carried out by means of a thin plane-parallel plate mounted at an angle greater than the angle of total internal reflection.

Оптический газоанализатор содержит измерительную ячейку, выполненную в виде оптического волновода - алюминиевой тонкостенной трубки с полированной внутренней поверхностью, свернутой в форме цилиндрической пружины или плоской спирали.The optical gas analyzer contains a measuring cell made in the form of an optical waveguide - an aluminum thin-walled tube with a polished inner surface, rolled up in the form of a coil spring or a flat spiral.

Предложенная структурная схема оптического газоанализатора представлена на фиг 1, на фиг.2 - другой вариант ее исполнения. В состав газоанализатора входят источник оптического излучения - полупроводниковый лазер 1 с перестраиваемой частотой и устройством ввода оптического излучения в моноволокно с торцами 2 и 3, (волоконно-оптическая линия может быть составлена из одного или двух моноволокон), датчик - измерительная ячейка, оптоэлектронный преобразователь 4, устройство для регистрации сигнала 5.The proposed structural diagram of an optical gas analyzer is presented in Fig. 1, in Fig. 2 is another variant of its execution. The gas analyzer includes an optical radiation source - a semiconductor laser 1 with a tunable frequency and a device for inputting optical radiation into a monofilament with ends 2 and 3, (a fiber-optic line can be composed of one or two monofilaments), a sensor - a measuring cell, an optoelectronic converter 4 , device for recording signal 5.

Моноволокно может быть использовано как для трансляции к измерительной ячейке зондирующего оптического излучения, введенного в его торец, так и для трансляции оптического излучения, ослабленного в результате поглощения содержащейся в газовой смеси заявленной к анализу компонентой (широкий ряд предельных и непредельных углеводородов, имеющих соответственно формулы С_nН_2n+2 и С_nН_2n), к оптоэлектронному преобразователю.The monofilament can be used both for transmitting probing optical radiation introduced into its end to the measuring cell, and for transmitting optical radiation attenuated as a result of absorption of the component declared for analysis contained in the gas mixture (a wide range of saturated and unsaturated hydrocarbons having correspondingly formulas C _n H _{2n + 2} and C _n H _2n ), to the optoelectronic converter.

Как показано на схеме, поток оптического зондирующего излучения проходит через тонкую плоскопараллельную пластину 6, вводится в торец 2 моноволокна, выходной торец которого 3 расположен на оси вогнутого сферического или параболического зеркала 7 между фокусом и двойным фокусом так, что поток излучения, вышедший из торца моноволокна в пределах апертурного угла, отражается от вогнутой поверхности и вводится в моноволокно в обратном направлении таким образом, что торец 3 и его изображение оказываются полностью совмещеными. Далее оптическое излучение отражается от пластины 6, установленной под углом, большим, чем угол полного внутреннего отражения, и поступает на оптоэлектронный преобразователь 4, сигнал которого регистрируется устройством 5. Таким образом, весь объем измерительной ячейки, ограниченный конической поверхностью с вершиной в торце моноволокна 3 и поверхностью вогнутого зеркала 7, оказывается заполненным оптическим излучением, проходящим тестируемый объем газовой смеси дважды, в прямом и обратном направлениях. Реально диаметр моноволокна может составлять величину от 0,1 до 0,5 мм, апертурный угол около 30°, диаметр вогнутого зеркала около 100 мм. Объем измерительной ячейки, очевидно, будет определяться фокусным расстоянием зеркала. Моноволокно выполнено на основе кварцевого стекла марки КИ, обладающего приемлемым оптическим пропусканием до λ_max = 4 мкм, плоскопараллельная пластина изготовлена, например, из флюорита CaF₂.As shown in the diagram, the flow of optical probe radiation passes through a thin plane-parallel plate 6, is introduced into the end face 2 of the monofilament, the output end of which 3 is located on the axis of the concave spherical or parabolic mirror 7 between the focus and the double focus so that the radiation flux emerging from the end face of the monofilament within the aperture angle, it is reflected from a concave surface and introduced into the monofilament in the opposite direction so that the end face 3 and its image are completely aligned. Next, the optical radiation is reflected from the plate 6, installed at an angle greater than the angle of total internal reflection, and fed to the optoelectronic converter 4, the signal of which is recorded by the device 5. Thus, the entire volume of the measuring cell, bounded by a conical surface with a vertex at the end of the monofilament 3 and the surface of the concave mirror 7, is filled with optical radiation passing the test volume of the gas mixture twice, in the forward and reverse directions. In reality, the diameter of the monofilament can be from 0.1 to 0.5 mm, the aperture angle is about 30 °, and the diameter of the concave mirror is about 100 mm. The volume of the measuring cell, obviously, will be determined by the focal length of the mirror. The monofilament is made on the basis of KI quartz glass with an acceptable optical transmission up to λ _max = 4 μm, the plane-parallel plate is made, for example, of fluorite CaF ₂ .

Для определения концентрации, например, метана в газовой смеси метан-воздух частота полупроводникового лазера устанавливается по табулированному (справочному) значению экстремума полосы оптического поглощения связи С-Н ω_x, и регистрируется сигнал оптоэлектронного преобразователя. Затем частота перестраивается так, что новое значение ω₀ смещается за пределы полосы поглощения, и регистрируется второе значение сигнала. Концентрация метана определяется как разность величин зарегистрированных сигналов с коэффициентом пропорциональности, численное значение которого определяется при градуировке газоанализатора.To determine the concentration of, for example, methane in a methane-air gas mixture, the frequency of the semiconductor laser is set using the tabulated (reference) value of the extremum of the optical absorption band of the C – H bond ω _x , and the signal of the optoelectronic converter is recorded. Then the frequency is tuned so that the new value of ω ₀ is shifted beyond the absorption band, and a second signal value is recorded. Methane concentration is defined as the difference between the values of the recorded signals with a proportionality coefficient, the numerical value of which is determined when calibrating the gas analyzer.

Оптический газоанализатор, выполненный по схеме, представленной на фиг.2, содержит два моноволокна. Объем измерительной ячейки представляет собой объем волновода 12, выполненного на основе тонкостенной металлической трубки, например из алюминия, диаметром 10...20 мм, с полированной внутренней поверхностью (на схеме показаны только входной и выходной торцы трубки) и свернутой в виде цилиндрической пружины или плоской спирали. Принцип заполнения оптическим излучением объема измерительной ячейки - многократное отражение полированной внутренней поверхностью волновода 12 любого из лучей поступающего на вход волновода 12 потока зондирующего оптического излучения из выходного торца 9 моноволокна. Оптическое излучение, прошедшее через газовую смесь, заполняющую волновод 12, фокусируется объективом 13 на торец 11 моноволокна и транслируется к оптоэлектронному преобразователю 4 с регистрирующим устройством 5.The optical gas analyzer, made according to the scheme shown in figure 2, contains two monofilament. The volume of the measuring cell is the volume of the waveguide 12, made on the basis of a thin-walled metal tube, for example, aluminum, with a diameter of 10 ... 20 mm, with a polished inner surface (the diagram shows only the input and output ends of the tube) and rolled up in the form of a cylindrical spring or flat spirals. The principle of filling the volume of the measuring cell with optical radiation is a multiple reflection of the polished inner surface of the waveguide 12 of any of the rays of the probe optical radiation flow from the output end 9 of the monofilament entering the input of the waveguide 12. The optical radiation transmitted through the gas mixture filling the waveguide 12 is focused by the lens 13 onto the monofilament end 11 and is transmitted to the optoelectronic converter 4 with a recording device 5.

Необходимо отметить, что длина оптического пути даже для аксиального луча оптического излучения, введенного в волновод 12, может в 10 и более раз превышать длину этого волновода. Увеличение оптического пути для каждого луча потока оптического излучения, с учетом равномерного заполнения объема волновода излучением, позволяет определять даже «следовые» концентрации заявленной к анализу компоненты в газовой смеси, заполняющей объем волновода. Следует отметить также минимальные требования к настройке оптической системы измерительной ячейки предлагаемого газоанализатора.It should be noted that the length of the optical path, even for the axial ray of optical radiation introduced into the waveguide 12, can be 10 or more times the length of this waveguide. An increase in the optical path for each beam of the optical radiation flux, taking into account the uniform filling of the waveguide volume with radiation, makes it possible to determine even “trace” concentrations of the component declared for analysis in the gas mixture filling the waveguide volume. It should also be noted the minimum requirements for tuning the optical system of the measuring cell of the proposed gas analyzer.

Источники информацииInformation sources

1. Гладышев А.В., Беловолов М.И. и др. Непрерывно перестраиваемый диодный лазер на длину волны 1,52 мкм для целей газоанализа. Квантовая электроника, т.35. (3), с.241-245.1. Gladyshev A.V., Belovolov M.I. and others. Continuously tunable diode laser at a wavelength of 1.52 microns for gas analysis. Quantum Electronics, vol. 35. (3), p. 241-245.

2. Березин А.Г., Ершов О.В., Шаповалов Ю.П. Мобильный высокочувствительный детектор метана на основе диодного лазера ближнего ИК-диапазона. Квантовая электроника, т.33 (8), 2003, с.721-724 (прототип).2. Berezin A.G., Ershov OV, Shapovalov Yu.P. Mobile high-sensitivity methane detector based on near-infrared diode laser. Quantum Electronics, vol. 33 (8), 2003, pp. 721-724 (prototype).

Claims

1. An optical gas analyzer comprising a frequency tunable semiconductor laser with a device for inputting optical radiation into a monofilament, a fiber optic line, a measuring cell and an optoelectronic converter with a signal recording device, characterized in that the optical circuit of the measuring cell contains a concave spherical or parabolic mirror, an optical conjugated to the output or input end face of the monofilament so that the named end face and its image completely coincide, and the separation is optically The radiation transmitted by the monofilament to the measuring cell and in the opposite direction to the optoelectronic converter is carried out by means of a thin plane-parallel plate mounted at an angle greater than the angle of total internal reflection.

2. The optical gas analyzer according to claim 1, characterized in that the measuring cell is made in the form of an optical waveguide - an aluminum thin-walled tube with a polished inner surface, rolled up in the form of a coil spring or a flat spiral.