RU2598694C2 - Device and method of measuring concentration of gaseous substances - Google Patents
Device and method of measuring concentration of gaseous substances Download PDFInfo
- Publication number
- RU2598694C2 RU2598694C2 RU2014151119/28A RU2014151119A RU2598694C2 RU 2598694 C2 RU2598694 C2 RU 2598694C2 RU 2014151119/28 A RU2014151119/28 A RU 2014151119/28A RU 2014151119 A RU2014151119 A RU 2014151119A RU 2598694 C2 RU2598694 C2 RU 2598694C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- fiber
- analytical
- module
- comparison
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Предложение относится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционного измерения концентрации газообразных веществ, в том числе метана в нефтяной, газовой промышленности, в электроэнергетике и так далее. Особо значительный эффект может быть получен от его использования при добыче и транспортировке нефти и газа.The proposal relates to measuring equipment and can be used for remote measurement of the concentration of gaseous substances, including methane in the oil and gas industry, in the electric power industry and so on. A particularly significant effect can be obtained from its use in the extraction and transportation of oil and gas.
Известен способ обнаружения и измерения концентрации метана в местах залегания угольных пластов с использованием оптического волокна и оптического спектрометра (Патент US 2014/0138528 A1, May 2014). Спектрометр находится на или вблизи скважины, исследующей угольный пласт, и включает в себя источник излучения и детектор, а так же зонд, находящийся в скважине и оптически, через оптоволокно, связывающий исследуемую пробу образца со спектрометром. Зонд состоит из открытой оптической ячейки, к верхней части которой подстыковано оптоволокно, связывающее источник излучения, а к другой (нижней) - второе оптоволокно для передачи исследуемого (характеристического) излучения от пробы до детектора. Ячейка может свободно перемещаться по скважине и измерять содержание метана в поперечных разрезах угольных пластов. В качестве оптического спектрометра могут быть использованы различного вида спектрометры (Фурье спектрометры, спектрометры, работающие в видимом УФ, ИК спектральных диапазонах), позволяющие регистрировать спектры поглощения метана на различных длинах волн. Для передачи и приема излучения используются моногомодовые волокна, или пучки волокон, где центральная часть пучка передает излучение, а другие (переферийные) волокна предают характеристическое излучение.A known method for the detection and measurement of methane concentration in places of occurrence of coal seams using an optical fiber and an optical spectrometer (Patent US 2014/0138528 A1, May 2014). The spectrometer is located at or near the well, exploring the coal seam, and includes a radiation source and detector, as well as a probe located in the well and optically, through an optical fiber connecting the test sample to the spectrometer. The probe consists of an open optical cell, the optical fiber connecting the radiation source is docked to the upper part, and the second optical fiber is connected to the other (lower) one to transmit the studied (characteristic) radiation from the sample to the detector. The cell can freely move along the borehole and measure the methane content in cross sections of coal seams. Various types of spectrometers (Fourier spectrometers, spectrometers operating in the visible UV, IR spectral ranges) can be used as an optical spectrometer, which allow recording methane absorption spectra at various wavelengths. Mono-mode fibers, or fiber bundles, are used to transmit and receive radiation, where the central part of the beam transmits radiation and other (peripheral) fibers transmit characteristic radiation.
Недостатком этого способа является низкая точность измерений, обусловленная ограничением вводимой оптической мощности из-за нелинейных эффектов в волокне, служащем чувствительным элементом. Кроме этого, при регистрации спектров поглощения измеряемой пробы существует вероятность серьезных помех и интерференции спектров поглощения метана с другими газами, существенно ограничивающих чувствительность прибора. Вторым недостатком данного способа является небольшой радиус действия системы, не превышающий несколько сотен метров.The disadvantage of this method is the low accuracy of the measurements, due to the limitation of the input optical power due to non-linear effects in the fiber, which serves as a sensitive element. In addition, when registering the absorption spectra of the measured sample, there is the possibility of serious interference and interference of the absorption spectra of methane with other gases, significantly limiting the sensitivity of the device. The second disadvantage of this method is the small radius of the system, not exceeding several hundred meters.
Известны работы зарубежных авторов [Chan, K., et al. "An Optical Fiber-Based Gas Sensor for Remote Absorption Measurement of Low-Level Methane Gas in Near-Infrared Region", J Lightwave Tech. LT-2 (1984) pp. 234-237; Mohebati, A., et al. "Remote Detection of Gases by Diode Laser Spectroscopy", J Modern Optics 35 (1998) pp. 310-324], в которых впервые с использованием диодных лазеров ближнего ИК диапазона и оптоволокна было продемонстрировано дистанционное детектирование метана. В первой работе для этих целей использовался многомодовый диодный лазер типа Фабри-Перо, генерировавший на длине волны 1,61 мкм, однопроходная оптическая кювета длины 0,5 м и оптическое волокно длиной 1 км в один конец. Чувствительность к детектированию метана составила величину 0,07% от нижнего уровня безопасности (5% объемных). Во второй работе при детектировании метана использовался диодный лазер Фабри-Перо на длине волны 1,33 мкм, оптическая кювета длины 1 м с волоконным входом и выходом и оптоволокно небольшой длины (не более нескольких км). Чувствительность к детектированию метана составила +/-0,05%.The works of foreign authors are known [Chan, K., et al. "An Optical Fiber-Based Gas Sensor for Remote Absorption Measurement of Low-Level Methane Gas in Near-Infrared Region", J Lightwave Tech. LT-2 (1984) pp. 234-237; Mohebati, A., et al. "Remote Detection of Gases by Diode Laser Spectroscopy", J Modern Optics 35 (1998) pp. 310-324], in which for the first time using the near-IR diode lasers and fiber optics, remote methane detection was demonstrated. In the first work, a Fabry-Perot-type multimode diode laser was used for these purposes, generating at a wavelength of 1.61 μm, a single-pass optical cuvette 0.5 m long and an
Основным недостатком этих работ по дистанционному детектированию метана методами абсорбционной спектроскопии с диодными лазерами и оптоволокна для доставки излучения к оптической кювете явилось существенное ограничение области их применения в виду технической сложности систем, малой мощности излучения диодных лазеров, низкой эффективности ввода излучения в волокно и как результат небольшая дальность действия этих систем.The main disadvantage of these works on the remote detection of methane by absorption spectroscopy with diode lasers and optical fibers for delivering radiation to an optical cuvette was a significant limitation of their field of application due to the technical complexity of the systems, the low radiation power of diode lasers, the low efficiency of radiation input into the fiber and, as a result, the small range of these systems.
Известен абсорбционный волоконно-оптический газоанализатор, содержащий последовательно установленные и оптически связанные излучатель, входное оптическое волокно, многоходовую кювету, состоящую из трех сферических зеркал, выходное оптическое волокно, блок регистрации и обработки информации. Между выходным оптическим волокном и блоком регистрации установлен спектральный интегральный демультиплексор, а на продолжении сферы зеркала-коллектива в непосредственной близости от его края с одной стороны установлены торцы входного и выходного оптических волокон, оба зеркала-объектива установлены с возможностью совместного поворота относительно центра кривизны зеркала-коллектива в общей меридиональной плоскости всех зеркал (RU 2091764, G01N 21/61, 1997).Known absorption fiber-optic gas analyzer containing sequentially installed and optically coupled emitter, input optical fiber, multi-way cell, consisting of three spherical mirrors, output optical fiber, unit for recording and processing information. A spectral integral demultiplexer is installed between the output optical fiber and the recording unit, and on the continuation of the collective mirror sphere in the immediate vicinity of its edge, the ends of the input and output optical fibers are installed on one side, both lens mirrors are mounted with the possibility of joint rotation relative to the center of curvature of the mirror collective in the common meridional plane of all mirrors (RU 2091764, G01N 21/61, 1997).
Известен также оптический абсорбционный газоанализатор, содержащий оптически сопряженные лазерный источник инфракрасного электромагнитного излучения с длиной волны из области поглощения анализируемого газа, многоходовую газовую кювету, выполненную в виде интегрирующей сферы с внутренним светоотражающим покрытием, где оптический вход и выход расположены асимметрично относительно центра сферы, светофильтр и приемник излучения, подключенный через усилитель к блоку обработки и регистрации информационного сигнала (RU 2022249, G01N 21/61, 1994). Внутренняя поверхность интегрирующей сферы может быть выполнена эллипсоидной (WO 2004/013600, G01N). Для повышения точности и надежности исследований оптический абсорбционный газоанализатор содержит широкополосный оптический излучатель, расположенные по ходу его излучения трубчатую газовую кювету с внутренними светоотражающими стенками и два фотоприемника, снабженные светофильтрами в области поглощения и прозрачности анализируемого газа соответственно, подключенные к блоку дифференциальной обработки и регистрации информационных сигналов (US 6469303, G01J 005/02, 2002; US 2004/0007667, G01N 21/61).Also known is an optical absorption gas analyzer containing an optically coupled laser source of infrared electromagnetic radiation with a wavelength from the absorption region of the analyzed gas, a multi-pass gas cell made in the form of an integrating sphere with an internal reflective coating, where the optical input and output are located asymmetrically with respect to the center of the sphere, a filter and a radiation receiver connected through an amplifier to the processing unit and the registration of the information signal (RU 2022249, G01N 21/61, 1994). The inner surface of the integrating sphere can be made ellipsoidal (WO 2004/013600, G01N). To increase the accuracy and reliability of the studies, the optical absorption gas analyzer contains a broadband optical emitter located along its radiation with a tubular gas cuvette with internal reflective walls and two photodetectors equipped with light filters in the region of absorption and transparency of the analyzed gas, respectively, connected to the differential processing unit and recording information signals (US 6469303, G01J 005/02, 2002; US 2004/0007667, G01N 21/61).
Известен оптический абсорбционный газоанализатор, содержащий источник электромагнитного излучения с длиной волны, по крайней, мере из области поглощения анализируемого газа, расположенные по ходу излучения трубчатую газовую кювету с внутренними светоотражающими стенками и фотоприемник, подключенный через усилитель к блоку обработки и регистрации информации, отличающийся тем, что трубчатая газовая кювета выполнена спиралеобразной (спираль Архимеда) и в ее стенках выполнены сквозные отверстия под острым углом к ее плоскости симметрии со стороны источника электромагнитного излучения (RU 2262684).Known optical absorption gas analyzer containing a source of electromagnetic radiation with a wavelength of at least from the absorption region of the analyzed gas, located along the radiation tube gas cuvette with internal reflective walls and a photodetector connected through an amplifier to the information processing and recording unit, characterized in that the tubular gas cuvette is made spiral (Archimedes spiral) and through holes are made in its walls at an acute angle to its plane of symmetry from the electromagnetic radiation source (RU 2262684).
Основные недостатки вышеперечисленных газоанализаторов:The main disadvantages of the above gas analyzers:
1. перечисленные газоанализаторы являются сложными в изготовлении и эксплуатации;1. The listed gas analyzers are difficult to manufacture and operate;
2. использование оптоволокна крайне ограничено в виду сложностей с подстыковкой и отводом излучения к моногоходовым кюветам; радиус действия таких систем не превышает нескольких км;2. The use of optical fiber is extremely limited in view of the difficulties with attaching and removing radiation to single-pass ditches; the radius of action of such systems does not exceed several kilometers;
3. высокая нестабильность принимаемого сигнала, обусловленная эффектами интерференции при прохождении когерентного излучения лазерного источника через кювету, что существенно снижает чувствительность при регистрации газовой компоненты;3. high instability of the received signal due to interference effects during the passage of coherent radiation of the laser source through the cuvette, which significantly reduces the sensitivity during registration of the gas component;
4. при измерении на двух фиксированных длинах волн невозможно обеспечить высокую селективность анализа, поскольку велика вероятность влияния спектральных помех, а так же невозможно одновременно измерять концентрацию более чем одного газа;4. when measuring at two fixed wavelengths, it is impossible to ensure high selectivity of the analysis, since the influence of spectral interference is high, and it is also impossible to simultaneously measure the concentration of more than one gas;
5. часть систем не соответствуют требованиям взрывобезопасности при эксплуатации во взрывоопасной среде.5. some of the systems do not meet the requirements for explosion safety when used in explosive atmospheres.
Задачей настоящего изобретения является создание простого по конструкции устройства - детектора метана, обладающего высокой точностью измерения концентрации метана на удаленных расстояниях, во взрывоопасных зонах с использованием одномодового оптоволокна и диодных лазеров ближнего ИК диапазона в качестве источников излучения.The objective of the present invention is to provide a simple-to-design methane detector device with high accuracy in measuring methane concentrations at remote distances in hazardous areas using single-mode optical fiber and near-infrared diode lasers as radiation sources.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение чувствительности и точности измерений концентрации метана на удаленных расстояниях от источника и приемника излучения (более 50 км) с использованием одномодового оптоволокна и диодного лазера с волоконным выводом излучения, генерирующего на длине волны 1,651 мкм.The technical result of the invention is to increase the sensitivity and accuracy of measuring methane concentration at remote distances from the radiation source and receiver (more than 50 km) using a single-mode optical fiber and a diode laser with a fiber output of radiation generating at a wavelength of 1.651 μm.
Указанный технический результат достигается тем, что в детекторе метана, содержащем блок лазерного излучения с длиной волны, изменяющейся в спектральном диапазоне поглощения детектируемой молекулы, и детектор аналитического сигнала, оптически связанный с блоком лазерного излучателя через одномодовое оптоволокно и аналитическую кювету с волоконными входом и выходом, а также блок управления, приема и обработки данных, блок лазерного излучателя содержит оптически последовательно связанные модуль диодного лазера, волоконный разветвитель, один конец волокна которого через кювету сравнения оптически связан с детектором сигнала сравнения, а второй конец через волоконно-оптический кабель, доставляющий излучение к объекту исследования и аналитическую кювету с волоконным входом и выходом, оптически связан с детектором аналитического сигнала, а блок управления, приема и обработки данных выполнен в виде трех модулей, а именно цифрового программируемого модуля, модуля цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей (ЦАП и АЦП) и модуля преобразователей аналоговых сигналов, при этом посредством электрических соединений выходов детектора аналитического сигнала, сигнала сравнения, а так же сигналов управления модулем диодного лазера происходит управление мощностью излучения диодного лазера, его перестройкой по частоте, регистрация, обработка и сравнение аналитического сигнала с сигналом сравнения и в конечном итоге вычисление концентрации исследуемого объекта.The indicated technical result is achieved by the fact that in a methane detector containing a laser radiation unit with a wavelength that varies in the absorption spectral range of the detected molecule, and an analytical signal detector, optically coupled to the laser emitter unit through a single-mode optical fiber and an analytical cell with fiber input and output, as well as a control unit for receiving and processing data, a laser emitter unit contains an optically serially connected diode laser module, a fiber branch the one end of the fiber of which through the comparison cuvette is optically connected to the detector of the comparison signal, and the other end is optically connected to the analytic signal detector through the fiber-optic cable that delivers radiation to the test object and the analytical cell with fiber input and output, and the control unit data reception and processing is made in the form of three modules, namely a digital programmable module, a module of digital-to-analog and analog-to-digital converters (DAC and ADC) and an analog signal converter module In this case, by means of electrical connections of the outputs of the detector of the analytical signal, the comparison signal, as well as the control signals of the diode laser module, the radiation power of the diode laser is controlled, its frequency is tuned, registration, processing and comparison of the analytical signal with the comparison signal and ultimately calculation concentration of the investigated object.
В отношении объекта изобретения - устройства технический результат достигается тем, что согласно предложению устройство для измерения концентрации исследуемого объекта, содержит блок лазерного излучения (1) с модулем диодного лазера (5) и встроенным модулем канала сравнения (7, 8), аналитическую кювету с волоконным входом и выходом (3), оптически связанную с модулем диодного лазера и детектором аналитического сигнала (4) через волоконный разветвитель (6) и волоконно-оптический кабель (12), причем детектор аналитического сигнала подключен к модулю преобразователей аналоговых сигналов (11), связанному последовательно с модулем ЦАП и АЦП (10).Regarding the object of the invention — the device, the technical result is achieved in that, according to the proposal, the device for measuring the concentration of the studied object contains a laser radiation unit (1) with a diode laser module (5) and a built-in comparison channel module (7, 8), an analytical cell with fiber input and output (3), optically coupled to the diode laser module and the analytic signal detector (4) through a fiber splitter (6) and a fiber optic cable (12), and the analytic signal detector is connected to the mode For analog signal converters (11), connected in series with the DAC and ADC module (10).
В конкретных вариантах воплощения устройства:In specific embodiments of the device:
- модуль диодного лазера (5) представляет собой диодный лазер с распределенной обратной связью с выходом излучения в одномодовое волокно, генерирующий в ближнем ИК диапазоне длин волн (1,651 мкм), мощностью излучения не менее 20 мВт;- the diode laser module (5) is a diode laser with distributed feedback with the output of radiation into a single-mode fiber, generating in the near IR wavelength range (1.651 μm), with a radiation power of at least 20 mW;
- аналитическая кювета (3) с волоконным входом и выходом, длиной оптического пути 50 мм и суммарными потерями не более 1 дБ;- analytical cell (3) with a fiber input and output, an optical path length of 50 mm and a total loss of not more than 1 dB;
- детекторы аналитического сигнала (4) и сигнала сравнения (8) содержат InGaAs p-i-n фотодиоды;- detectors of the analytical signal (4) and the comparison signal (8) contain InGaAs p-i-n photodiodes;
- волоконно-оптический кабель (12) может быть выполнен в виде одномодового волоконного световода с потерями оптического излучения, приблизительно 0,24 дБ/км;- fiber optic cable (12) can be made in the form of a single-mode fiber waveguide with optical radiation losses of approximately 0.24 dB / km;
- цифровой программируемый модуль (9) и модуль ЦАП и АЦП (10) может быть выполнен на базе микроконтроллера или на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).- digital programmable module (9) and the DAC and ADC module (10) can be performed on the basis of a microcontroller or on the basis of programmable logic integrated circuits (FPGA).
На графическом изображении (рис. 1) представлено схематически устройство измерения концентрации газообразных веществ, реализующее способ измерения концентрации газообразных веществ.The graphic image (Fig. 1) shows schematically a device for measuring the concentration of gaseous substances that implements a method for measuring the concentration of gaseous substances.
Детектор метана содержит блок лазерного излучения (1), работающий на длине волны, изменяющейся в спектральном диапазоне поглощения детектируемой молекулы, и детектор аналитического сигнала (4), оптически связанный с блоком лазерного излучателя через одномодовое оптоволокно (12) и аналитическую однопроходную кювету с волоконным входом и выходом (3), а также блок управления, приема и обработки данных (2), блок лазерного излучателя содержит оптически последовательно связанные модуль диодного лазера (5), волоконный разветвитель (6), один конец волокна которого через кювету сравнения (7) оптически связан с детектором сигнала сравнения (8), а второй конец через волоконно-оптический кабель(12), доставляющий излучение к объекту исследования и аналитическую кювету с волоконным входом и выходом (3), оптически связан с детектором аналитического сигнала (4), а блок управления, приема и обработки данных (2) выполнен в виде трех модулей, а именно цифрового программируемого модуля (9), модуля цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей (ЦАП и АЦП) (10) и модуля преобразователей аналоговых сигналов (11).The methane detector contains a laser radiation unit (1) operating at a wavelength that varies in the absorption spectral range of the detected molecule, and an analytical signal detector (4) optically coupled to the laser emitter unit via a single-mode optical fiber (12) and an analytical single-pass cell with a fiber input and output (3), as well as a control unit, receiving and processing data (2), the laser emitter unit contains optically serially connected diode laser module (5), fiber splitter (6), one end of the wave which is optically connected through the comparison cell (7) to the detector of the comparison signal (8), and the second end is connected via optical fiber cable (12), which delivers radiation to the test object and the analytical cell with fiber input and output (3), to detector of the analytical signal (4), and the control unit, receiving and processing data (2) is made in the form of three modules, namely, a digital programmable module (9), a module of digital-to-analog and analog-to-digital converters (DAC and ADC) (10) and a module analog signal converters fishing (11).
Модуль диодного лазера (5) представляет собой диодный лазер с распределенной обратной связью с выходом излучения в одномодовое волокно, генерирующий в ближнем ИК диапазоне длин волн (1,651 мкм), мощностью излучения не менее 20 мВт.The diode laser module (5) is a diode laser with distributed feedback with the output of radiation into a single-mode fiber, generating in the near IR wavelength range (1.651 μm), with a radiation power of at least 20 mW.
Аналитическая кювета (3) с волоконным входом и выходом, длиной оптического пути 50 мм и суммарными потерями не более 1 дБ. Кювета может быть выполнена в форме скобы с волоконно-оптическими коллиматорами на торцах, или в виде трубки с встроенными фланцами из волоконно-оптических коллиматоров.An analytical cell (3) with a fiber input and output, an optical path length of 50 mm and a total loss of not more than 1 dB. The cuvette can be made in the form of a bracket with fiber-optic collimators at the ends, or in the form of a tube with built-in flanges from fiber-optic collimators.
Детекторы аналитического сигнала (4) и сигнала сравнения (8) могут быть выполнены из InGaAs p-i-n фотодиодов. Диаметр активной площадки фотодиодов не менее 100 мкм.Detectors of the analytical signal (4) and the comparison signal (8) can be made of InGaAs p-i-n photodiodes. The diameter of the active area of photodiodes is at least 100 microns.
Волоконно-оптический кабель (12) может быть выполнен в виде одномодового волоконного световода с потерями оптического излучения не более 0,24 дБ/км.Fiber optic cable (12) can be made in the form of a single-mode fiber waveguide with optical radiation losses of not more than 0.24 dB / km.
Цифровой программируемый модуль (9) и модуль ЦАП и АЦП (10) может быть выполнен на базе микроконтроллера или на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).The digital programmable module (9) and the DAC and ADC module (10) can be performed on the basis of a microcontroller or on the basis of programmable logic integrated circuits (FPGA).
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Диодный лазер (5) по команде цифрового программируемого модуля (9) и модуля ЦАП и АЦП (10) генерирует последовательность коротких импульсов на длине волны, совпадающей с линией поглощения детектируемого газа. Импульсы тока накачки диодного лазера трапециевидные - это позволяет дополнительно проводить сканирование излучения в области центра линии поглощения, захватывая весь контур линии и обеспечивая тем самым высокую селективность к выбранной газовой компоненте. С помощью информации, поступающей от детектора сигнала сравнения (8), производится настройка прибора, а именно выведение диодного лазерного излучателя в заданный диапазон длин волн. Это происходит за счет изменения температуры термоэлемента Пельтье, на котором расположен диодный лазер. Управление током термоэлемента Пельтье осуществляется из цифрового программируемого модуля (9) через модуль ЦАП и АЦП (10) и модуль преобразователей аналоговых сигналов (11). Измерение температуры осуществляется посредством датчика температуры, расположенного на термоэлементе Пельтье рядом с диодным лазером. Электрический сигнал от датчика температуры поступает в цифровой программируемый модуль (9) через модуль преобразователей аналоговых сигналов (11) и через модуль ЦАП и АЦП (10). Термоэлемент Пельтье и датчик температуры являются обязательными элементами как серийных, так и опытных образцов модулей диодного лазера, предназначенных для проведения спектральных измерений. По окончании процесса настройки прибор переходит в режим стабилизации диапазона перестройки длины волны по спектру вещества, находящегося в кювете сравнения, и он готов к проведению измерений. Далее часть излучения с помощью волоконного разветвителя попадает в кювету сравнения (7) и регистрируется детектором сигнала сравнения (8). Канал сравнения выполняет две функции: 1 - основная функция канала сравнения при вычислении концентрации, 2 - проведение дополнительной температурной стабилизации циклов сканирования тока накачки диодного лазера по линии поглощения газа в кювете сравнения, содержащей известную концентрацию исследуемого газа, уширенного до атмосферы воздухом. Следующая часть излучения диодного лазера от волоконного разветвителя попадает в волоконно-оптический кабель (12), доводится до нужного объекта исследования и далее попадает на вход кюветы (3). В кювете происходит прямое поглощение излучения лазера в случае присутствия детектируемого газа. Выходное излучение из кюветы с использованием выходного оптоволоконного кабеля (12) попадает на вход детектора аналитического сигнала, усиливается, оцифровывается (10, 11) и далее с помощью цифрового программируемого модуля (9) производится вычисление концентрации детектируемого газа.A diode laser (5), at the command of a digital programmable module (9) and a DAC and ADC module (10), generates a sequence of short pulses at a wavelength that coincides with the absorption line of the detected gas. The current pulses of the diode laser are trapezoidal - this allows you to additionally scan the radiation in the region of the center of the absorption line, capturing the entire line contour and thereby ensuring high selectivity to the selected gas component. Using the information from the detector of the comparison signal (8), the device is tuned, namely, the diode laser emitter is brought into the specified wavelength range. This is due to a change in the temperature of the Peltier thermocouple on which the diode laser is located. Peltier thermocouple current is controlled from a digital programmable module (9) through a DAC and ADC module (10) and an analog signal converters module (11). Temperature measurement is carried out by means of a temperature sensor located on the Peltier thermocouple next to the diode laser. The electrical signal from the temperature sensor enters the digital programmable module (9) through the analog signal converters module (11) and through the DAC and ADC module (10). The Peltier thermocouple and temperature sensor are required elements of both serial and prototype diode laser modules designed for spectral measurements. At the end of the tuning process, the device enters the stabilization mode of the wavelength tuning range from the spectrum of the substance in the comparison cuvette, and it is ready to take measurements. Next, part of the radiation with the help of a fiber splitter enters the comparison cell (7) and is recorded by the comparison signal detector (8). The comparison channel performs two functions: 1 - the main function of the comparison channel when calculating the concentration, 2 - performing additional temperature stabilization of the scanning cycles of the pump current of the diode laser along the gas absorption line in the comparison cell containing the known concentration of the gas under study broadened to the atmosphere by air. The next part of the radiation of the diode laser from the fiber splitter enters the fiber optic cable (12), is brought to the desired object of study, and then goes to the input of the cell (3). Direct absorption of laser radiation occurs in the cell in the presence of a detectable gas. The output radiation from the cell using the output fiber-optic cable (12) enters the input of the analyzer of the analytical signal, amplifies, digitizes (10, 11), and then using the digital programmable module (9), the concentration of the detected gas is calculated.
ПримерExample
Диодный лазер с распределенной обратной связью (РОС) и выходом излучения в одномодовое волокно генерирует на длине волны 1,651 мкм, мощность излучения не менее 20 мВт. Имеется одномодовый волоконный кабель значительной длины не менее 25 км в один конец для переноса излучения диодного лазера к объекту исследования (место утечки метана в трубопроводе). Имеется однопроходная открытая кювета (пылезащищенная) с волоконными входом и выходом, длиной 50 мм.A distributed feedback diode laser (ROS) with a single-mode fiber output generates at a wavelength of 1.651 microns, a radiation power of at least 20 mW. There is a single-mode fiber cable of considerable length at least 25 km at one end for transferring the radiation of a diode laser to the object of study (the place of methane leakage in the pipeline). There is a single-pass open cell (dustproof) with fiber inlet and outlet, 50 mm long.
Длительность трапециевидного импульса тока накачки составляет 1 мс, частота повторения 200 Гц. При типичном коэффициенте токовой перестройки 0,02 см-1/мА для РОС лазеров структуры А3В5 и токах накачки не более 100 мА, развертка частоты сканирования в импульсе составила величину не менее 2,0 см-1. Этой перестройки вполне достаточно для регистрации мультиплета R4 полосы 2v3 метана. В РОС лазерах типичная ширина линии генерации 5 мГц, что обеспечивает спектральное разрешение мультиплета, ограничиваемое только доплеровским уширением линий при комнатных температурах. При частотах модуляции импульсов тока накачки не менее 25 кГц пространственное разрешение в кварцевом одномодовом волокне составит величину менее 10 км.The duration of the trapezoidal pulse of the pump current is 1 ms, the repetition rate of 200 Hz. With a typical coefficient of current tuning of 0.02 cm -1 / mA for ROS lasers of structure A 3 B 5 and pump currents of not more than 100 mA, the scan frequency scan in the pulse was not less than 2.0 cm -1 . This adjustment is enough to register the R4 multiplet of the 2v 3 methane band. In ROS lasers, the typical lasing line width is 5 MHz, which provides spectral resolution of the multiplet, limited only by Doppler line broadening at room temperatures. At frequencies of modulation of the pump current pulses of at least 25 kHz, the spatial resolution in a single-mode quartz fiber will be less than 10 km.
Волоконный разветвитель с коэффициентом деления 1/4 направляет часть излучения (25% по мощности) в канал сравнения для выполнения процедуры сравнения при вычислении концентрации метана и для обеспечения дополнительной частотной стабилизации излучения диодного лазера на уровне 0,0002 см-1 по линии поглощения реперного газа - метана в кювете сравнения.A fiber splitter with a 1/4 fission factor directs part of the radiation (25% in power) to the comparison channel to perform the comparison procedure when calculating the methane concentration and to provide additional frequency stabilization of the diode laser radiation at a level of 0.0002 cm -1 along the absorption line of the reference gas - methane in a comparison ditch.
Вторая часть излучения (75% по мощности) с помощью оптоволоконного кабеля доводится до аналитической кюветы, регистрирующей поглощение на мультиплете R4. Второе оптоволокно так же длины не менее 25 км переносит излучение, выходящее из кюветы, и несущую информацию о поглощающем объекте, к детектору аналитического сигнала. Там происходит усиление аналитического сигнала, оцифровка и производится вычисление концентрации. Чувствительность к измерению концентрации метана при этих параметрах в открытой атмосфере и при температурах -40+50 C°, а также при величинах ослабления лазерного излучения в волокне 0,24 дБ/км, составит величину менее 0,02% объемной концентрации метана. Этого вполне достаточно, чтобы измерять утечки газа при концентрациях, существенно меньших, взрывоопасных. Вычисление производится в режиме "on-line" с частотой обновления менее 30 мс.The second part of the radiation (75% in power) is brought to the analytic cell using the fiber optic cable, which registers the absorption on the R4 multiplet. A second optical fiber of the same length of at least 25 km transfers the radiation emerging from the cell and carrying information about the absorbing object to the analytic signal detector. There is an amplification of the analytical signal, digitization and the calculation of concentration. The sensitivity to measuring methane concentration at these parameters in an open atmosphere and at temperatures of -40 + 50 C °, as well as at values of attenuation of laser radiation in a fiber of 0.24 dB / km, will be less than 0.02% of the volume concentration of methane. This is quite enough to measure gas leaks at concentrations substantially lower than explosive ones. The calculation is done in the "on-line" mode with an update frequency of less than 30 ms.
Технические характеристики описанного устройства, полученные экспериментальным путем: длина оптоволокна не менее 25 км, оптическая длина аналитической кюветы 50 мм, чувствительность к измерению объемной концентрации метана менее 0,02%, время регистрации менее 30 мс.Technical characteristics of the described device obtained experimentally: the length of the optical fiber is at least 25 km, the optical length of the analytical cell is 50 mm, the sensitivity to measuring the volume concentration of methane is less than 0.02%, the recording time is less than 30 ms.
Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить чувствительность и точность измерений объемной концентрации метана на удаленных трассах с помощью оптоволокна и однопроходной оптической кюветы малой длины (менее 100 мм).Using the present invention allows to increase the sensitivity and accuracy of measuring the volumetric concentration of methane on remote routes using optical fiber and a single-pass optical cuvette of small length (less than 100 mm).
Аппаратные и программные средства, обеспечивающие высокие технические характеристики описанного устройства, позволяют после модернизации оптоволоконной и приемной частей (узлы 4, 12, 3 фиг. 1) существенно увеличить дальность приема, а так же число аналитических каналов детектирования метана (см. фиг. 2, где показаны первая кювета детектирования 13, вторая кювета 14 и N-я кювета детектирования - N).Hardware and software that provide high technical characteristics of the described device, after upgrading the optical fiber and receiving parts (
Для этих целей, по пути следования оптоволокна (верхняя часть волокна (12), фиг. 1), параллельно через волоконные разветвители (с коэффициентом деления, например, 95/5%) добавляются аналитические каналы с оптической кюветой и возвратным оптоволокном, а так же с соответствующим детектором аналитического сигнала. Модуль преобразователей аналоговых сигналов (11) в этом случае оптимизируется под число аналитических каналов. Преимущество вышеописанной схемы подключения обусловлено независимостью (автономностью) аналитических каналов в случае выхода из строя одного из них.For these purposes, along the path of the optical fiber (upper part of the fiber (12), Fig. 1), analytical channels with an optical cuvette and returnable optical fiber are added in parallel through fiber splitters (with a division ratio, for example, 95/5%) with an appropriate analytic signal detector. The analog signal converters module (11) in this case is optimized for the number of analytical channels. The advantage of the above connection scheme is due to the independence (autonomy) of the analytical channels in the event of failure of one of them.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014151119/28A RU2598694C2 (en) | 2014-12-17 | 2014-12-17 | Device and method of measuring concentration of gaseous substances |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014151119/28A RU2598694C2 (en) | 2014-12-17 | 2014-12-17 | Device and method of measuring concentration of gaseous substances |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2014151119A RU2014151119A (en) | 2016-07-10 |
RU2598694C2 true RU2598694C2 (en) | 2016-09-27 |
Family
ID=56372542
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014151119/28A RU2598694C2 (en) | 2014-12-17 | 2014-12-17 | Device and method of measuring concentration of gaseous substances |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2598694C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU172412U1 (en) * | 2016-11-08 | 2017-07-07 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Лазерные системы" | METHANE CONCENTRATION METER MULTI-CHANNEL FIBER OPTIC |
RU2786374C1 (en) * | 2022-04-08 | 2022-12-20 | Павел Валентинович Мельников | Apparatus for measuring the concentration of dissolved oxygen in aqueous solutions and suspensions of biological objects using a fibre-optic oxygen sensor |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110031404A (en) * | 2019-03-06 | 2019-07-19 | 北京航天易联科技发展有限公司 | A kind of high-temperature-resistant gas absorption cell containing list, the compound collimator of multimode fibre |
CN118549384B (en) * | 2024-07-26 | 2024-09-24 | 南昌航空大学 | Airborne atmospheric methane leakage telemetry device |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4567366A (en) * | 1982-09-25 | 1986-01-28 | Showa Denko Kabushiki Kaisha | Method and apparatus for measuring methane concentration in gas |
US5173749A (en) * | 1988-07-07 | 1992-12-22 | Altoptronic Ab | Method and apparatus for spectroscopic measurement of the concentration of a gas |
JPH06323989A (en) * | 1993-05-14 | 1994-11-25 | Takaoka Electric Mfg Co Ltd | Optical gas detector |
JPH08338805A (en) * | 1995-06-12 | 1996-12-24 | Tokyo Electric Power Co Inc:The | Method and apparatus for measuring concentration of gas |
RU2285251C2 (en) * | 2004-12-30 | 2006-10-10 | Илья Евгеньевич Вязов | Remote optical absorption laser gas analyzer |
RU89233U1 (en) * | 2009-04-10 | 2009-11-27 | Общество с ограниченной ответственностью "СэнсМарк" | GAS ANALYZER |
RU121927U1 (en) * | 2012-07-18 | 2012-11-10 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Московский Физико-Технический Институт (Государственный Университет)" | HETERODYNE FIBER OPTICAL SPECTRO-RADIOMETER OF THE NEAR INFRARED RANGE |
-
2014
- 2014-12-17 RU RU2014151119/28A patent/RU2598694C2/en active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4567366A (en) * | 1982-09-25 | 1986-01-28 | Showa Denko Kabushiki Kaisha | Method and apparatus for measuring methane concentration in gas |
US5173749A (en) * | 1988-07-07 | 1992-12-22 | Altoptronic Ab | Method and apparatus for spectroscopic measurement of the concentration of a gas |
JPH06323989A (en) * | 1993-05-14 | 1994-11-25 | Takaoka Electric Mfg Co Ltd | Optical gas detector |
JPH08338805A (en) * | 1995-06-12 | 1996-12-24 | Tokyo Electric Power Co Inc:The | Method and apparatus for measuring concentration of gas |
RU2285251C2 (en) * | 2004-12-30 | 2006-10-10 | Илья Евгеньевич Вязов | Remote optical absorption laser gas analyzer |
RU89233U1 (en) * | 2009-04-10 | 2009-11-27 | Общество с ограниченной ответственностью "СэнсМарк" | GAS ANALYZER |
RU121927U1 (en) * | 2012-07-18 | 2012-11-10 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Московский Физико-Технический Институт (Государственный Университет)" | HETERODYNE FIBER OPTICAL SPECTRO-RADIOMETER OF THE NEAR INFRARED RANGE |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU172412U1 (en) * | 2016-11-08 | 2017-07-07 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Лазерные системы" | METHANE CONCENTRATION METER MULTI-CHANNEL FIBER OPTIC |
RU2786374C1 (en) * | 2022-04-08 | 2022-12-20 | Павел Валентинович Мельников | Apparatus for measuring the concentration of dissolved oxygen in aqueous solutions and suspensions of biological objects using a fibre-optic oxygen sensor |
RU2786398C1 (en) * | 2022-04-08 | 2022-12-20 | Павел Валентинович Мельников | Fiber optic sensor based on structured bundles of optical fibers |
RU216148U1 (en) * | 2022-08-29 | 2023-01-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) | Optoelectronic gas analyzer |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2014151119A (en) | 2016-07-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN104280362B (en) | A kind of superheated vapor laser spectrum on-line detecting system | |
US4839527A (en) | Optical-fibre smoke detection/analysis system | |
KR101642473B1 (en) | Frequency And Intensity Modulation Laser Absorption Spectroscopy Apparatus and Method for Remote Gas Detection | |
RU2679455C1 (en) | Gases in the atmosphere concentration remote measurement method | |
US9372150B2 (en) | Optical method and system for measuring an environmental parameter | |
CN104237161A (en) | Multi-component real-time online remote monitoring device and method for coal spontaneous combustion indicator gas | |
CN101408459A (en) | Method and device for monitoring and controlling combusting course | |
CN104749580B (en) | The rotational Raman lidar system and detection method of absolute atmospheric sounding temperature | |
CN109085138B (en) | Distributed gas sensing device and method based on frequency modulation continuous wave | |
RU2598694C2 (en) | Device and method of measuring concentration of gaseous substances | |
CN103499545A (en) | Semiconductor laser gas detection system with function of gas reference cavity feedback compensation | |
RU2736178C1 (en) | Method and device for autonomous remote determination of concentration of atmospheric gas components | |
CN110411960B (en) | Optical cavity ring-down spectrometer system | |
EP3295151A1 (en) | Hollow fibre waveguide gas cells | |
Weng et al. | Orbital angular momentum based sensing and their applications: A review | |
RU2714527C1 (en) | Remote optical absorption laser gas analyzer | |
CN101819139B (en) | On-line gas sensor based on suspending core fiber | |
CN211263181U (en) | Open-circuit laser gas analyzer for detecting CH4 and H2S | |
CN110736713B (en) | Gas analyzer and gas analyzing method | |
US9244002B1 (en) | Optical method and system for measuring an environmental parameter | |
He et al. | Ppb-level formaldehyde detection system based on a 3.6 µm interband cascade laser and mode-locked cavity enhanced absorption spectroscopy with self-calibration of the locking frequency | |
CN109115722A (en) | A kind of highly sensitive phase demodulating optical fiber gas sensing system | |
US7675616B1 (en) | Combustion plume absorption gauge | |
JPH04326042A (en) | Device for detecting variety of gases using optical fiber | |
Yu et al. | Long-distance in-situ near-infrared gas sensor system using a fabricated fiber-coupled Herriott cell (FC-HC) operating within 1.5–2.3 μm |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20170131 |
|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
QZ41 | Official registration of changes to a registered agreement (patent) |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20170131 Effective date: 20211220 |
|
QC41 | Official registration of the termination of the licence agreement or other agreements on the disposal of an exclusive right |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20170131 Effective date: 20220208 |