RU2714527C1 - Remote optical absorption laser gas analyzer - Google Patents

Remote optical absorption laser gas analyzer Download PDF

Info

Publication number
RU2714527C1
RU2714527C1 RU2019120182A RU2019120182A RU2714527C1 RU 2714527 C1 RU2714527 C1 RU 2714527C1 RU 2019120182 A RU2019120182 A RU 2019120182A RU 2019120182 A RU2019120182 A RU 2019120182A RU 2714527 C1 RU2714527 C1 RU 2714527C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
infrared
analysis system
output
input
Prior art date
Application number
RU2019120182A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Яков Яковлевич Понуровский
Александр Сергеевич Савранский
Original Assignee
Закрытое акционерное общество "ТРАНСРУС"
Яков Яковлевич Понуровский
Александр Сергеевич Савранский
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Закрытое акционерное общество "ТРАНСРУС", Яков Яковлевич Понуровский, Александр Сергеевич Савранский filed Critical Закрытое акционерное общество "ТРАНСРУС"
Priority to RU2019120182A priority Critical patent/RU2714527C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2714527C1 publication Critical patent/RU2714527C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/59—Transmissivity
    • G01N21/61—Non-dispersive gas analysers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: remote optical absorption laser gas analyzer relates to measurement equipment and can be used for remote measurement of concentration of impurities of exhaust gases of a moving vehicle, including methane, carbon dioxide, carbon monoxide and nitrogen monoxide. Gas analyzer can be used as an element of predictive diagnostics of intelligent vehicle eco monitoring system. Gas analyzer comprises near infrared analysis system (3), consisting of at least two near-infrared (4) laser units, and middle IR-range analysis system (7), consisting of mid-infrared (8) laser unit. Radiation in each laser unit is divided into two parts, one part from each laser unit is transmitted to receiving-transmitting unit of analytical signal (6) and (9), whence through reflecting object is returned to photodetectors of analytical channel (15) and (25), and another part is supplied through reference cells (20) and (29) to photoreceivers of reference signal (21) and (30), wherein synchronization of output and reception of radiation of diode lasers of all laser units is organized by a multiplex circuit. During measurement, radiation power of each diode laser is controlled, by their frequency tuning, recording, processing and comparison of the analytical signal with a reference signal and ultimately calculating concentration of impurities of exhaust gases of the moving vehicle in real time.
EFFECT: high sensitivity and accuracy of measuring concentration of impurities of exhaust gases of a moving vehicle in real time without changing speed of flow of vehicles.
6 cl, 1 dwg

Description

Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор относится к измерительной технике и может быть использован для дистанционного измерения концентрации примесей выхлопных газов движущегося автомобиля, в том числе метана, углекислого газа, угарного газа и монооксида азота. Газоанализатор может использоваться как элемент предиктивной диагностики интеллектуальной информационной системы экомониторинга автомобилей.Remote optical absorption laser gas analyzer relates to measuring technique and can be used for remote measurement of the concentration of impurities of exhaust gases of a moving car, including methane, carbon dioxide, carbon monoxide and nitrogen monoxide. The gas analyzer can be used as an element of predictive diagnostics of an intelligent information system for car eco-monitoring.

Известен газоанализатор (Березин А.Г., Ершов О.В., Шаповалов Ю.П. Мобильный высокочувствительный детектор метана на основе диодного лазера ближнего ИК-диапазона // Квантовая электроника, 2003, Т. 33, №8, С. 721-724), содержащий 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.A well-known gas analyzer (Berezin A.G., Ershov O.V., Shapovalov Yu.P. Mobile high-sensitivity methane detector based on a near-infrared diode laser // Quantum Electronics, 2003, V. 33, No. 8, P. 721- 724), comprising an optical radiation source with an amplitude modulation device 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 inability to obtain, along with qualitative quantitative results of the analysis of the gas mixture in the test volume.

Известен оптический газоанализатор (RU 2278371 С1, 20.06.2006), содержащий перестраиваемый по частоте полупроводниковый лазер с устройством ввода оптического излучения в моноволоконно-оптическую линию, измерительную ячейку и оптоэлектронный преобразователь с устройством регистрации сигнала, оптическая схема измерительной оптически сопряженное с выходным (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.Known optical gas analyzer (RU 2278371 C1, 06/20/2006), containing a tunable frequency semiconductor laser with a device for inputting optical radiation into a mono-fiber optical line, a measuring cell and an optoelectronic converter with a signal recording device, an optical measuring circuit optically coupled to an output (input) the end face of the monofilament so that the named end face and its image completely coincide, and the separation of the optical radiation transmitted by the monofilament to the measuring cell and in reverse ohm 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.

Недостатком устройства является невозможность измерения концентрации движущегося источника.The disadvantage of this device is the inability to measure the concentration of a moving source.

Известен волоконно-оптический сенсор для дистанционного детектирования метана, описанный в статьях (Chan, K., et al. Remote sensing system for near-infrared differential absorption of CH4 gas using low-loss optical fiber link // Applied Optics 1984. Vol. 23, Issue 19, pp. 3415-3420; Chan, K., et al. An optical-fiber-based gas sensor for remote absorption measurement of low-level CH4 gas in the near-infrared region // Journal of Lightwave Technology. 1984. Vol. 2, Issue 3, pp. 234-237) и где 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).A known fiber optic sensor for remote methane detection is described in (Chan, K., et al. Remote sensing system for near-infrared differential absorption of CH 4 gas using low-loss optical fiber link // Applied Optics 1984. Vol. 23, Issue 19, pp. 3415-3420; Chan, K., et al. An optical-fiber-based gas sensor for remote absorption measurement of low-level CH 4 gas in the near-infrared region // Journal of Lightwave Technology 1984. Vol. 2, Issue 3, pp. 234-237) and where a Fabry-Perot-type multimode diode laser was used, which generated a wavelength of 1.61 μm, a single-pass optical cuvette 0.5 m long and an optical fiber 1 km long one way. Sensitivity to methane detection was 0.07% of the lower level of safety (5% by volume).

Известен волоконно-оптический детектор, описанный в статье (Mohebati, A., et al. Remote Detection of Gases by Diode Laser Spectroscopy // Journal of Modern Optics. 1988. Vol. 35. Issue 3. pp. 319-324) и где 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%.Known fiber optic detector described in the article (Mohebati, A., et al. Remote Detection of Gases by Diode Laser Spectroscopy // Journal of Modern Optics. 1988. Vol. 35. Issue 3. pp. 319-324) and where when methane was detected, a Fabry-Perot diode laser was used at a wavelength of 1.33 μm, an optical cuvette with a length of 1 m with a fiber input and output, and a short fiber (not more than a few km). Sensitivity to methane detection was ± 0.05%.

Основным недостатком указанных 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 drawback of these studies 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 двухканальный лазерный газоанализатор ИК-диапазона (RU 177660 U1, 05.03.2018), предназначенный для дистанционного обнаружения паров взрывчатых веществ и сопутствующих веществ-маркеров на дистанции от 50 до 100 м, которое содержит блок лазерного излучения и блок приема излучения, оптически связанный с блоком лазерного излучения через диффузно отражающую мишень. Блок лазерного излучения газоанализатора содержит два источника зондирующего излучения: перестраиваемый изотопный 13С16О2-лазер и перестраиваемый квантово-каскадный лазер, и источник лазерного излучения видимого диапазона для точного наведения газоанализатора на диффузно отражающую мишень.The well-known two-channel infrared laser gas analyzer (RU 177660 U1, 03/05/2018), designed for remote detection of vapors of explosives and related marker substances at a distance of 50 to 100 m, which contains a laser radiation unit and a radiation reception unit, optically coupled to block of laser radiation through a diffusely reflecting target. The gas analyzer laser radiation unit contains two probing radiation sources: a tunable 13 C 16 O 2 isotope laser and a tunable quantum-cascade laser, and a visible laser radiation source for accurately pointing the gas analyzer to a diffusely reflecting target.

Недостаток указанного макета: при использовании только одной частоты зондирующего излучения от одного не перестраиваемого лазера не удается сделать прибор с высокой селективностью и сколько-нибудь широким набором детектируемых взрывчатых веществ.The disadvantage of this layout: when using only one frequency of the probe radiation from one non-tunable laser, it is not possible to make a device with high selectivity and any wide range of detectable explosives.

Известен дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор (RU 2285251 С2, 10.10.2006), предназначенный для дистанционного измерения концентрации газообразных веществ и содержащий блок лазерного излучателя с длиной волны, изменяющейся в диапазоне поглощения детектируемой молекулы, блок приема аналитического сигнала, оптически связанный с блоком лазерного излучателя через диффузно отражающий объект, а также блок управления, приема и обработки данных. Блок лазерного излучателя содержит модуль диодного лазера. В случае необходимости одновременного детектирования нескольких молекул в прибор может быть введен, по крайней мере, один дополнительный блок лазерного излучателя, настроенный на другой спектральный диапазон.Known remote optical absorption laser gas analyzer (RU 2285251 C2, 10.10.2006), designed for remote measurement of the concentration of gaseous substances and containing a laser emitter unit with a wavelength that varies in the absorption range of the detected molecule, an analytical signal receiving unit, optically coupled to a laser emitter unit through a diffusely reflecting object, as well as a control unit for receiving and processing data. The laser emitter unit comprises a diode laser module. If it is necessary to simultaneously detect several molecules, at least one additional block of a laser emitter tuned to a different spectral range can be introduced into the device.

Недостатком может считаться то, что каждый дополнительный блок разработанного ранее газоанализатора имеет собственную систему коллимации лазерного излучения, в результате чего оптические оси отдельных блоков излучателей не объединены для формирования объединенного пучка света, имеющего несколько длин волн.A disadvantage may be that each additional unit of the previously developed gas analyzer has its own laser collimation system, as a result of which the optical axes of the individual emitter blocks are not combined to form a combined light beam having several wavelengths.

Таким образом, анализ уровня техники показывает, что существующее в настоящее время газоаналитическое оборудование для дистанционного мониторинга газовых выбросов автомобилей имеет ряд недостатков.Thus, the analysis of the prior art shows that the currently existing gas analysis equipment for remote monitoring of gas emissions from cars has several disadvantages.

Во-первых, использование недисперсионных источников для детектирования выхлопов в ИК УФ диапазонах не обеспечивают необходимую чувствительность и существенно ограничивает область зондирования примесей.First, the use of non-dispersive sources for detecting exhausts in the infrared UV ranges does not provide the necessary sensitivity and significantly limits the sensing area of impurities.

Во-вторых, использование ИК-оптопар (светодиод - фотоприемник) так же не позволяет достичь высокой чувствительности и селективности к измеряемой компоненте из-за присутствия интерферирующих полос поглощения воды, и других газов.Secondly, the use of IR optocouplers (LED - photodetector) also does not allow to achieve high sensitivity and selectivity to the measured component due to the presence of interfering absorption bands of water and other gases.

В-третьих, многозеркальные компоненты оптических схем приема-передачи излучения для разворота ИК-луча на трассе зондирования сложны в настройке и обладают температурной и вибрационной нестабильностью при эксплуатации;Thirdly, the multi-mirror components of the optical schemes for receiving and transmitting radiation for turning the infrared beam along the sensing path are difficult to configure and have temperature and vibration instability during operation;

В-четвертых, телескопические системы приема-передачи излучения имеют небольшую апертуру, недостаточную для уверенной регистрации выхлопного зондирующего облака движущегося автотранспортного средства.Fourth, telescopic radiation reception and transmission systems have a small aperture insufficient to reliably register the exhaust sounding cloud of a moving vehicle.

Наиболее близким к заявленному техническим устройством является устройство для измерения концентрации газообразных веществ (RU 2598694 С2, 27.09.2016), содержащее 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 однопроходную кювету, 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 дополнительный волоконнооптический кабель, доставляющий излучение к объекту исследования и аналитической кювете с волоконными входом и выходом, оптически связан с детектором аналитического сигнала. 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.Closest to the claimed technical device is a device for measuring the concentration of gaseous substances (RU 2598694 C2, 09/27/2016) 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 single-pass cell, as well as a control unit for receiving and processing data, the laser emitter unit contains optically sequentially coupled This module contains a diode laser, a fiber splitter, one end of the fiber of which is optically connected to the detector of the comparison signal through a comparison cuvette, and the other end is optically connected to the analytic signal detector through an additional fiber-optic cable that delivers radiation to the object of study and an analytical cell with fiber input and output . The control unit, receiving and processing data 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 a module of converters of analog signals, while through 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 tuning, registration, processing and comparison of the analytical signal Ala with the comparison signal and, ultimately, the calculation of the concentration of the studied object.

Недостатком прототипа является анализ газа в аналитической кювете, что неприменимо для измерения концентраций движущихся источников.The disadvantage of the prototype is the analysis of gas in an analytical cell, which is not applicable for measuring concentrations of moving sources.

Задачей настоящего изобретения является создание простого по конструкции устройства измерения концентрации примесей выхлопных газов движущегося автомобиля, таких как СО, СО2, NO и СН4, обладающего высокой чувствительностью и точностью измерения на удаленных расстояниях в режиме реального времени, с использованием диодных лазеров ближнего и среднего ИК диапазона в качестве источников излучения.The objective of the present invention is to provide a simple-to-design device for measuring the concentration of exhaust gas impurities of a moving car, such as СО, СО 2 , NO, and СН 4 , which has high sensitivity and accuracy of measurement at remote distances in real time, using diode near and medium diode lasers IR range as radiation sources.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение чувствительности и точности измерений концентрации примесей выхлопных газов движущегося автомобиля в режиме реального времени без изменения скорости потока движения автотранспортных средств.The technical result of the invention is to increase the sensitivity and accuracy of measuring the concentration of impurities of the exhaust gases of a moving car in real time without changing the flow rate of vehicles.

Указанный технический результат достигается тем, что в дистанционном оптическом абсорбционном лазерном газоанализаторе, содержатся следующие элементы:The specified technical result is achieved by the fact that in the remote optical absorption laser gas analyzer, the following elements are contained:

блок управления, обработки и документирования результатов измерений 1;control unit, processing and documentation of measurement results 1;

блок согласования и коммутации сигналов вывода 2;block matching and switching signals output 2;

система анализа ближнего ИК-диапазона 3, состоящая из, по меньшей мере, двух лазерных блоков ближнего ИК-диапазона 4, первого блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона 5, приемо-передающего блока аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона 6, второго блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона 19, реперной кюветы системы анализа ближнего ИК-диапазона 20, вход которой оптически связан с выходом второго блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона 19, а также фотоприемника реперного сигнала лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона 21, вход которого оптически соединен с выходом реперной кюветы системы анализа ближнего ИК-диапазона 20;near-infrared analysis system 3, consisting of at least two near-infrared laser units 4, the first fiber cable convergence unit 5, near-infrared analysis systems 5, transmit-receive unit of the near-infrared analytical signal 6, second a unit for converting fiber cables of the near infrared analysis system 19, a reference cell of the near-infrared analysis system 20, the input of which is optically connected to the output of the second unit for converting fiber cables of the near-infrared analysis system 19, and a photodetector of the reference signal of the laser block of the near infrared analysis system 21, the input of which is optically connected to the output of the reference cell of the near infrared analysis system 20;

система анализа среднего ИК-диапазона 7, состоящая из лазерного блока среднего ИК-диапазона 8, приемо-передающего блока аналитического сигнала среднего ИК-диапазона 9.mid-IR analysis system 7, consisting of a mid-IR laser unit 8, a transmit-receive unit of the mid-IR analytical signal 9.

Блок согласования и коммутации сигналов вывода 2 состоит из контроллера 10, электронной платы ввода-вывода 11, первый вход контроллера 10 связан с выходом блока управления, обработки и документирования результатов измерений 1, первый выход контроллера 10 связан с входом блока управления, обработки и документирования результатов измерений 1, второй вход контроллера 10 связан с первым выходом электронной платы ввода-вывода 11, второй выход контроллера 10 связан с первым входом электронной платы ввода-вывода 11.The block matching and switching signals of output 2 consists of a controller 10, an electronic input-output board 11, the first input of the controller 10 is connected to the output of the control unit, processing and documenting the measurement results 1, the first output of the controller 10 is connected to the input of the control unit, processing and documentation of the results measurements 1, the second input of the controller 10 is connected to the first output of the electronic input-output board 11, the second output of the controller 10 is connected to the first input of the electronic input-output board 11.

Приемо-передающий блок аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона 6 состоит из оптически связанных коллиматора приемопередающего блока аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона 12, сканатора для разворота лазерного излучения ближнего ИК-диапазона 13 на отражающий объект 31, зеркала приема излучения ближнего ИК-диапазона 14 и фотоприемника аналитического канала ближнего ИК-диапазона 15.The transmit-receive unit of the near-infrared analytical signal 6 consists of optically coupled collimator of the transmit-receive unit of the near-infrared analytical signal 12, a scanner for reversing the near-infrared laser radiation 13 to a reflecting object 31, and near-infrared radiation receiving mirrors 14 and photodetector of the near-infrared analytical channel 15.

Каждый лазерный блок системы анализа ближнего ИК-диапазона 4 состоит из блока управления излучением лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона 16, первый вход которого связан со вторым выходом электронной платы ввода-вывода 11, второй вход связан с выходом фотоприемника аналитического канала ближнего ИК-диапазона 15, третий вход связан с выходом фотоприемника реперного сигнала системы анализа ближнего ИК-диапазона 21 и первый выход связан со вторым входом электронной платы ввода-вывода 11, и оптически последовательно связанных диодного лазера ближнего ИК-диапазона 17 с длиной волны, попадающей в область поглощения заданной для этого лазерного блока детектируемой молекулы, причем реперная кювета 20 содержит заданные для этого лазерного блока детектируемые молекулы, вход диодного лазера ближнего ИК-диапазона 17 соединен с первым выходом блока управления излучением лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона 16, разветвителя лазерного излучения лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона 18, вход которого оптически связан с выходом диодного лазера лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона 17, первый выход оптически связан с входом первого блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона 5 и второй выход соединен с входом второго блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона 19, выход первого блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона 5 оптически связан с входом коллиматора приемо-передающего блока аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона 12.Each laser block of the near-infrared analysis system 4 consists of a radiation control unit of the laser block of the near-infrared analysis system 16, the first input of which is connected to the second output of the electronic input-output board 11, the second input is connected to the output of the photodetector of the near-infrared analytical channel range 15, the third input is connected to the output of the photodetector of the reference signal of the near infrared analysis system 21 and the first output is connected to the second input of the electronic input-output board 11, and optically connected in series for one near-infrared laser 17 with a wavelength falling into the absorption region of the detectable molecule for this laser unit, the reference cell 20 containing the detectable molecules specified for this laser unit, the input of the near-infrared diode laser 17 is connected to the first output of the control unit radiation of the laser block of the near-infrared analysis system 16, a laser splitter of the laser block of the near-infrared analysis system 18, the input of which is optically coupled to the output of the diode laser near the laser unit of the near infrared analysis system 17, the first output is optically connected to the input of the first information unit of the fiber cables of the near infrared analysis system 5 and the second output is connected to the input of the second information unit of the fiber cables of the near infrared analysis system 19, the output of the first the information block of the fiber cables of the near infrared analysis system 5 is optically coupled to the input of the collimator of the transceiver unit of the near infrared analytical signal 12.

Приемо-передающий блок аналитического сигнала среднего ИК-диапазона 9, состоит из оптически связанных коллиматора приемопередающего блока аналитического сигнала среднего ИК-диапазона 22, сканатора для разворота лазерного излучения среднего ИК-диапазона 23 на отражающий объект 31, зеркало приема излучения среднего ИК-диапазона 24 и фотоприемника аналитического канала среднего ИК-диапазона 25, лазерный блок системы анализа среднего ИК-диапазона 8 состоит из блока управления лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 26, первый вход которого связан со вторым выходом электронной платы ввода-вывода 11, второй вход связан с выходом фотоприемника аналитического канала среднего ИК-диапазона 25 и первый выход связан со вторым входом электронной платы ввода-вывода 11, и оптически последовательно связанных диодного лазера лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 27 с длиной волны, попадающей в область поглощения заданной детектируемой молекулы, вход диодного лазера 27 соединен с первым выходом блока управления лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 26, разветвителя лазерного излучения лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 28, вход которого оптически связан с выходом диодного лазера лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 27, а первый выход оптически связан с входом коллиматора приемо-передающего блока аналитического сигнала среднего ИК-диапазона 22, реперной кюветы лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 29, содержащей заданные детектируемые молекулы, вход реперной кюветы лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 29 оптически связан со вторым выходом разветвителя лазерного излучения лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 28, а также фотоприемника реперного сигнала лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 30, вход которого оптически соединен с выходом второй реперной кюветы лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 29, а выход соединен с третьим входом блока управления лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 26.The transmitter-receiver unit of the analytical signal of the mid-IR range 9, consists of optically coupled collimator transceiver unit of the analytical signal of the middle infrared range 22, a scanner for reversing the laser radiation of the middle IR range 23 to a reflecting object 31, a mirror for receiving radiation of the middle IR range 24 and a photodetector of the mid-IR analytical channel 25, the laser unit of the mid-IR analysis system 8 consists of a control unit of the laser unit of the mid-IR analysis system 26, the first input for which it is connected to the second output of the electronic I / O board 11, the second input is connected to the output of the photodetector of the mid-IR analytical channel 25 and the first output is connected to the second input of the electronic I / O board 11, and an optical analysis diode laser of the laser unit of the analysis system the mid-IR range 27 with a wavelength falling into the absorption region of a given detectable molecule, the input of the diode laser 27 is connected to the first output of the control unit of the laser block of the mid-IR range analysis system 26, a laser splitter of the laser block of the mid-infrared analysis system 28, the input of which is optically coupled to the output of the diode laser of the laser block of the mid-infrared analysis system 27, and the first output is optically coupled to the collimator input of the mid-infrared analytical signal transmitting unit -band 22, a reference cell of the laser unit of the mid-IR range analysis system 29 containing the desired detectable molecules, an input of the reference cell of the laser unit of the mid-IR range analysis system 29 optical and is connected with the second output of the laser splitter of the laser block of the mid-infrared analysis system 28, as well as the photodetector of the reference signal of the laser block of the mid-infrared analysis system 30, the input of which is optically connected to the output of the second reference cell of the laser block of the mid-infrared analysis system 29, and the output is connected to the third input of the control unit of the laser unit of the mid-infrared analysis system 26.

Взаимное расположение коллиматора приемо-передающего блока аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона 12, сканатора для разворота лазерного излучения ближнего ИК-диапазона 13 и зеркала приема излучения ближнего ИК-диапазона 14 обеспечивает частичное или полное попадание облучаемой области отражающего объекта 31 на фотоприемник аналитического канала ближнего ИК-диапазона 15, а взаимное расположение коллиматора приемо-передающего блока аналитического сигнала среднего ИК-диапазона 22, сканатора разворота лазерного излучения среднего ИК-диапазона 23 и зеркала приема излучения среднего ИК-диапазона 24 обеспечивает частичное или полное попадание облучаемой области отражающего объекта 31 на фотоприемник аналитического канала среднего ИК-диапазона 25, при этом синхронизация вывода и приема излучения диодных лазеров всех лазерных блоков организована по мультиплексной схеме, подразумевающую временную задержку импульсов излучения для диодных лазеров при последовательной временной организации схемы излучения и приема сигнала, при этом посредством электрических соединений выходов фотоприемника аналитического канала каждой системы анализа, сигнала сравнения, а также сигналов управления модулей диодных лазеров происходит управление мощностью излучения каждого диодного лазера, их перестройкой по частоте, регистрация, обработка и сравнение аналитического сигнала с реперным сигналом и в конечном итоге вычисление концентрации примесей выхлопных газов движущегося автомобиля в режиме реального времени. Оптическая связь между диодным лазером лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона 17, разветвителем лазерного излучения лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона 18, вторым блоком сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона 19, реперной кюветой системы анализа ближнего ИК-диапазона 20, фотоприемником реперного сигнала системы анализа ближнего ИК-диапазона 21, первым блоком сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона 5 и коллиматором приемо-передающего блока аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона 12 может быть осуществлена волоконным кабелем, при этом волоконный кабель может быть выполнен в виде одномодового волоконного световода.The relative position of the collimator of the transmitting and receiving unit of the near-infrared analytical signal 12, the scanner for turning the near-infrared laser radiation 13 and the near-infrared receiving mirror 14 ensures that the irradiated region of the reflecting object 31 partially or completely hits the photodetector of the near-infrared analytical channel -15 range, and the relative position of the collimator of the transmitting and receiving unit of the analytical signal of the middle IR range 22, the scanner for reversing the laser radiation of the middle IR -23 and the mid-IR radiation reception mirror 24 provides a partial or complete hit of the irradiated region of the reflecting object 31 on the photodetector of the analytical channel of the mid-IR range 25, while the synchronization of the output and reception of radiation from diode lasers of all laser blocks is organized according to the multiplex scheme, implying time delay of radiation pulses for diode lasers with sequential time organization of the radiation scheme and signal reception, while through electrical connections in of the outputs of the photodetector of the analytical channel of each analysis system, the comparison signal, as well as the control signals of the diode laser modules, the radiation power of each diode laser is controlled, their frequency is tuned, registration, processing and comparison of the analytical signal with the reference signal and ultimately calculation of the concentration of exhaust gas impurities moving car in real time. Optical communication between the diode laser of the laser block of the near-infrared analysis system 17, the laser splitter of the laser block of the near-infrared analysis system 18, the second fiber cable convergence unit of the near-infrared analysis system 19, the reference cuvette of the near-infrared analysis system 20 , a photodetector of the reference signal of the near-infrared analysis system 21, the first information unit of the fiber cables of the near-infrared analysis system 5, and a collimator of the analyzer receiving-transmitting unit about the near-infrared signal 12 can be carried out with a fiber cable, while the fiber cable can be made in the form of a single-mode fiber waveguide.

Сканаторы 13 и 23 используются для разворота лазерного луча с целью оптимизации зоны охвата при зондировании.Scanners 13 and 23 are used to turn the laser beam in order to optimize the coverage area during sounding.

Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор схематически представлен на графическом изображении (фиг. 1), где обозначены:The remote optical absorption laser gas analyzer is schematically represented in the graphic image (Fig. 1), where are indicated:

1 - блок управления, обработки и документирования результатов измерений;1 - control unit, processing and documentation of measurement results;

2 - блок согласования и коммутации сигналов вывода;2 - block matching and switching output signals;

3 - система анализа ближнего ИК-диапазона;3 - near infrared analysis system;

4 - лазерный блок ближнего ИК-диапазона;4 - laser block near infrared;

5 - первый блок сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона;5 - the first block of information of the fiber cables of the near infrared analysis system;

6 - приемо-передающий блок аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона;6 - transceiver block analytical signal near infrared;

7 - система анализа среднего ИК-диапазона;7 - mid-infrared analysis system;

8 - лазерный блок среднего ИК-диапазона;8 - laser block mid-IR;

9 - приемо-передающий блок аналитического сигнала среднего ИК-диапазона;9 - transceiver unit of the analytical signal of the mid-IR range;

10 - контроллер;10 - controller;

11 - электронная плата ввода-вывода;11 - electronic input-output board;

12 - коллиматор приемо-передающего блока аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона;12 - collimator transceiver unit analytical signal near infrared;

13 - сканатор для разворота лазерного излучения ближнего ИК-диапазона;13 - scanner for the reversal of near-infrared laser radiation;

14 - зеркало приема излучения ближнего ИК-диапазона;14 - mirror receiving radiation near infrared;

15 - фотоприемник аналитического канала ближнего ИК-диапазона;15 - photodetector analytical channel near infrared;

16 - блок управления излучением лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона;16 - radiation control unit of the laser unit of the near infrared analysis system;

17 - диодный лазер лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона;17 - diode laser of the laser block of the near-infrared analysis system;

18 - разветвитель лазерного излучения лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона;18 - laser splitter of the laser unit of the near-infrared analysis system;

19 - второй блок сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона;19 is a second unit for converting fiber cables of the near infrared analysis system;

20 - реперная кювета системы анализа ближнего ИК-диапазона;20 - reference cell of the near-infrared analysis system;

21 - фотоприемник реперного сигнала системы анализа ближнего ИК-диапазона;21 - photodetector reference signal analysis system near infrared;

22 - коллиматор приемо-передающего блока аналитического сигнала среднего ИК-диапазона;22 - the collimator of the transmit-receive unit of the analytical signal of the middle infrared range;

23 - сканатор для разворота лазерного излучения среднего ИК-диапазона;23 - scanner for reversing the laser radiation of the mid-IR range;

24 - зеркало приема излучения среднего ИК-диапазона;24 - mirror receiving radiation of the mid-IR range;

25 - фотоприемника аналитического канала среднего ИК-диапазона;25 - photodetector of the analytical channel of the mid-IR range;

26 - блок управления лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона;26 is a control unit of a laser unit of the mid-infrared analysis system;

27 - диодный лазер лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона;27 — diode laser of the laser block of the mid-infrared analysis system;

28 - разветвитель лазерного излучения лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона;28 - a splitter of laser radiation of the laser unit of the analysis system of the mid-IR range;

29 - реперная кювета лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона;29 - reference cell of the laser unit of the mid-infrared analysis system;

30 - фотоприемник реперного сигнала лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона;30 - photodetector of the reference signal of the laser unit of the analysis system of the mid-IR range;

31 - отражающий объект.31 - reflective object.

В конкретных вариантах воплощения устройства осуществляется измерение концентрации примесей выхлопных газов движущегося автомобиля, таких как СО, СО2, NO и СН4, для чего используются в качестве диодных лазеров лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона 17 диодные лазеры фирмы «NOLATEX» с длиной волны генерации 1651 нм (для анализа СН4) и 1579,8 нм (для анализа СО), или «EBLANA PHOTONICS» (Ирландия) с длиной волны генерации 2004 нм (для анализа СО2), и в качестве диодного лазера блока системы анализа среднего ИК-диапазона 27 диодный лазер фирмы DFB QCL «THORLABS» (США) с длиной волны генерации 5260 нм (для анализа NO). Мощность излучения диодных лазеров не превышает 10 мВт.In specific embodiments of the device, the concentration of the impurities of the exhaust gases of a moving vehicle, such as CO, CO 2 , NO, and CH 4 , is measured. For this purpose, NOLATEX diode lasers with a length of generation waves 1651 nm (for analysis of CH 4 ) and 1579.8 nm (for analysis of CO), or EBLANA PHOTONICS (Ireland) with a generation wavelength of 2004 nm (for analysis of CO 2 ), and as a diode laser of the analysis system mid-infrared 27 diode laser company DFB QCL "TH ORLABS "(USA) with a wavelength of 5260 nm (for analysis of NO). The radiation power of diode lasers does not exceed 10 mW.

Для регистрации излучения в ближнем ИК-диапазоне (от 1651 до 2004 нм) в качестве фотоприемника аналитического канала ближнего ИК-диапазона 15 и фотоприемника реперного сигнала системы анализа ближнего ИК-диапазона 21 используются фотоприемники PIN InGaAs серии ФД24-20 фирмы «АИБИ» (Санкт. Петербург, Россия) с диаметром активной площадки 2 мм.To detect radiation in the near-IR range (from 1651 to 2004 nm), PIN InGaAs FD24-20 series detectors from St. Petersburg AIBI are used as a photodetector of the analytical channel of the near-IR range 15 and a photodetector of the reference signal of the analysis system of the near-IR range 21 (St. Petersburg, Russia) with a diameter of the active area of 2 mm.

Для регистрации излучения в среднем ИК-диапазоне (5260 нм) в качестве фотоприемника аналитического канала среднего ИК-диапазона 25 и фотоприемника реперного сигнала лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 30 используются фотодиоды PD55TO8TEC, Sr/Cy фирмы «ИОФФЕЛЕД» (Санкт. Петербург, Россия) с диаметром активной площадки около 300 мкм.To detect radiation in the mid-IR range (5260 nm), IOFFELED photodiodes PD55TO8TEC, Sr / Cy (St. Petersburg, Russia) are used as the photodetector of the analytical channel of the mid-IR range 25 and the photodetector of the reference signal of the laser unit of the mid-IR analysis system 30 , Russia) with an active site diameter of about 300 microns.

В конкретном варианте реализации в системе анализа ближнего ИК-диапазона использовались три лазерных блока системы анализа ближнего ИК-диапазона, детектируемой молекулой каждого лазерного блока были СН4, СО и СО2, причем реперная кювета системы анализа ближнего ИК-диапазона 20 содержит все три детектируемых газа. Концентрации газов в первой реперной кювете системы анализа ближнего ИК-диапазона 20 составляли 3,2% СН4, 33,5% СО, 11,3% СO2 и 52% N2, давление - 1 атм.In a specific embodiment, in the near-infrared analysis system, three laser blocks of the near-infrared analysis system were used, the detected molecule of each laser block was CH 4 , CO and CO 2 , and the reference cell of the near-infrared analysis system 20 contains all three detectable gas. The gas concentrations in the first reference cell of the near-IR range analysis system 20 were 3.2% СН 4 , 33.5% СО, 11.3% СО 2 and 52% N 2 , pressure - 1 atm.

Концентрация газов в реперной кювете лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 29 составляла 5% NO и 95% N2, давление - 1 атм.The gas concentration in the reference cell of the laser unit of the mid-IR range analysis system 29 was 5% NO and 95% N 2 , pressure - 1 atm.

Волоконно-оптический кабель был выполнен в виде одномодового волоконного световода с потерями оптического излучения, приблизительно 0,4 дБ/км;Fiber optic cable was made in the form of a single-mode fiber with optical radiation losses of approximately 0.4 dB / km;

Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор работает следующим образом.Remote optical absorption laser gas analyzer operates as follows.

Между приемо-передающими блоками аналитического сигнала ближнего и среднего ИК-диапазона и отражающим объектом на расстоянии одной полосы движения проезжает автотранспортное средство на пониженной передаче и скорости не более 60 км/ч. Расположение приемо-передающих блоков и отражающего объекта должно находиться на уровне выхлопной трубы автомобиля.Between the receiving and transmitting blocks of the analytical signal of the near and middle infrared range and a reflecting object at a distance of one lane, a motor vehicle passes in low gear and a speed of not more than 60 km / h. The location of the transceiver blocks and the reflecting object should be at the level of the exhaust pipe of the car.

Диодные лазеры (17 и 27) поочередно по команде блока управления, обработки и документирования результатов измерений 1 через блок согласования и коммутации сигналов вывода 2, генерируют последовательность коротких импульсов на длине волны, совпадающей с линией поглощения каждого детектируемого газа. Импульсы тока накачки диодного лазера трапециевидные, что позволяет дополнительно проводить сканирование излучения в области центра каждой линии поглощения, захватывая весь контур линии и обеспечивая тем самым высокую селективность к выбранной газовой компоненте. С помощью информации, поступающей от фотоприемника реперного сигнала (21 или 30), производится настройка, а именно выведение диодного лазера (17 или 27 соответственно) в заданный диапазон длин волн. Это происходит за счет изменения температуры термоэлемента Пельтье, на котором расположен диодный лазер. Управление током термоэлемента Пельтье осуществляется из блока управления, обработки и документирования результатов измерений 1 через блок согласования и коммутации сигналов вывода 2 и блок управления (16 или 26). Измерение температуры осуществляется посредством датчика температуры, расположенного на термоэлементе Пельтье рядом с диодным лазером. Электрический сигнал от датчика температуры поступает в блок управления, обработки и документирования результатов измерений 1 через блок управления (16 или 26) и блок согласования и коммутации сигналов вывода 2. 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 лазерные блоки (4 и 8) переходят в режим стабилизации диапазона перестройки длины волны по спектру вещества, находящегося в реперной кювете (20 или 29), и они готовы к проведению измерений. Далее часть излучения ближнего ИК-диапазона с помощью волоконного разветвителя 18 и второго блока сведения волоконных кабелей 19 попадает в реперную кювету 20 и регистрируется фотоприемником реперного сигнала 21, а часть излучения среднего ИК-диапазона с помощью волоконного разветвителя 28 попадает в реперную кювету 29 и регистрируется фотоприемником реперного сигнала 30. То есть, каждый реперный канал выполняет две функции: во-первых, вычисление концентрации, во-вторых, проведение дополнительной температурной стабилизации циклов сканирования тока накачки диодного лазера по линии поглощения газа в реперной кювете, содержащую известную концентрацию исследуемого газа, разбавленного до давления в одну атмосферу азотом. Оставшаяся часть излучения диодного лазера каждого лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона 17 от волоконного разветвителя 18 через блок сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона 5 попадает в коллиматор 12, откуда с помощью сканатора 13 направляется через исследуемую область на отражающий объект 31, откуда с помощью зеркала приема излучения ближнего ИК-диапазона 14 излучение попадает на фотоприемник аналитического канала ближнего ИК-диапазона 15. Оставшаяся часть излучения диодного лазера лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 27 от волоконного разветвителя 28 попадает в коллиматор 22, откуда с помощью сканатора 23 направляется через исследуемую область на отражающий объект 31, откуда с помощью зеркала приема излучения среднего ИК-диапазона 24 излучение попадает на фотоприемник аналитического канала среднего ИК-диапазона 25. Сигнал с фотоприемников 15 и 25 последовательно оцифровываются, и далее с помощью блока управления, обработки и документирования результатов измерений 1 производится вычисление концентрации каждого детектируемого газа.Diode lasers (17 and 27) alternately, at the command of the control unit, processing and documenting the measurement results 1 through the matching and switching unit of output signals 2, generate a sequence of short pulses at a wavelength that coincides with the absorption line of each detected gas. The pulses of the pump current of the diode laser are trapezoidal, which makes it possible to additionally scan the radiation in the region of the center of each absorption line, capturing the entire line contour and thereby ensuring high selectivity to the selected gas component. Using the information received from the photodetector of the reference signal (21 or 30), a setting is made, namely, the diode laser (17 or 27, respectively) 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. The current control of the Peltier thermocouple is carried out from the control unit, processing and documenting the measurement results 1 through the block matching and switching of output signals 2 and the control unit (16 or 26). 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 control unit, processing and documenting the measurement results 1 through the control unit (16 or 26) and the output signal matching and switching unit 2. The Peltier thermocouple and temperature sensor are required elements of both serial and prototype diode modules laser designed for spectral measurements. At the end of the tuning process, the laser blocks (4 and 8) go into the stabilization mode of the wavelength tuning range from the spectrum of the substance in the reference cell (20 or 29), and they are ready to take measurements. Next, a part of the near-infrared radiation using a fiber splitter 18 and a second information unit of the fiber cables 19 enters the reference cell 20 and is registered by the photodetector of the reference signal 21, and a part of the mid-IR radiation using the fiber splitter 28 enters the reference cell 29 and registered a photodetector of the reference signal 30. That is, each reference channel performs two functions: firstly, calculating the concentration, and secondly, conducting additional temperature stabilization of the scanning cycles pump current Ia diode laser gas absorption line in the reference cuvette containing a known concentration of the test gas, diluted to a pressure of one atmosphere of nitrogen. The remaining part of the diode laser radiation of each laser block of the near-infrared analysis system 17 from the fiber splitter 18 passes through the fiber cable converting unit of the near-infrared analysis system 5 to the collimator 12, from where it is sent through the scanned region 13 to the reflecting object 31 through the studied region, whence, using the near-infrared radiation reception mirror 14, the radiation enters the photodetector of the near-infrared analytical channel 15. The remaining part of the diode laser radiation from the laser unit and the mid-IR analysis system 27 from the fiber splitter 28 enters the collimator 22, where, using a scanner 23, it is directed through the studied region to the reflecting object 31, from where the radiation is transmitted to the photodetector of the mid-IR analytical channel using the mid-IR radiation reception mirror 24 -range 25. The signal from the photodetectors 15 and 25 are sequentially digitized, and then using the control unit, processing and documenting the measurement results 1, the concentration of each detector is calculated sourced gas.

Технические характеристики описанного устройства, полученные экспериментальным путем: чувствительность к измерению объемной концентрации составляет 0,01% (СН4) 0,5% (СО), 0,1% (СO2) и 0,005% (NO), время цикла измерения 4-х регистраций около 12 мс.Technical characteristics of the described device obtained experimentally: the sensitivity to the measurement of volume concentration is 0.01% (CH 4 ) 0.5% (CO), 0.1% (CO 2 ) and 0.005% (NO), measurement cycle time 4 registrations about 12 ms.

Claims (6)

1. Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор, содержащий блок управления, обработки и документирования результатов измерений, блок согласования и коммутации сигналов вывода, отличающийся тем, что содержит систему анализа ближнего ИК-диапазона, состоящую из по меньшей мере двух лазерных блоков ближнего ИК-диапазона, первого блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона, приемо-передающего блока аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона, второго блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона, реперной кюветы системы анализа ближнего ИК-диапазона, вход которой оптически связан с выходом второго блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона, а также фотоприемника реперного сигнала системы анализа ближнего ИК-диапазона, вход которого оптически соединен с выходом реперной кюветы системы анализа ближнего ИК-диапазона, систему анализа среднего ИК-диапазона, состоящую из лазерного блока среднего ИК-диапазона, приемо-передающего блока аналитического сигнала среднего ИК-диапазона, причем блок согласования и коммутации сигналов вывода состоит из контроллера, электронной платы ввода-вывода, первый вход контроллера связан с выходом блока управления, обработки и документирования результатов измерений, первый выход контроллера связан с входом блока управления, обработки и документирования результатов измерений, второй вход контроллера связан с первым выходом электронной платы ввода-вывода, второй выход контроллера связан с первым входом электронной платы ввода-вывода, приемо-передающий блок аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона состоит из оптически связанных коллиматора приемо-передающего блока аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона, сканатора для разворота лазерного излучения ближнего ИК-диапазона на отражающий объект, зеркала приема излучения ближнего ИК-диапазона и фотоприемника аналитического канала ближнего ИК-диапазона, каждый лазерный блок системы анализа ближнего ИК-диапазона состоит из блока управления излучением лазерного блока ближнего ИК-диапазона, первый вход которого связан со вторым выходом электронной платы ввода-вывода, второй вход связан с выходом фотоприемника аналитического канала ближнего ИК-диапазона, третий вход связан с выходом фотоприемника реперного сигнала системы анализа ближнего ИК-диапазона и первый выход связан со вторым входом электронной платы ввода-вывода, и оптически последовательно связанных диодного лазера ближнего ИК-излучения с длиной волны, попадающей в область поглощения заданной для этого лазерного блока детектируемой молекулы, причем первая реперная кювета содержит заданные для этого лазерного блока детектируемые молекулы, вход диодного лазера ближнего ИК-диапазона соединен с первым выходом блока управления излучением лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона, разветвителя лазерного излучения лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона, вход которого оптически связан с выходом диодного лазера лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона, первый выход оптически связан с входом первого блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона и второй выход соединен с входом второго блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона, выход первого блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона оптически связан с входом коллиматора приемо-передающего блока аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона, приемо-передающий блок аналитического сигнала среднего ИК-диапазона состоит из оптически связанных коллиматора приемо-передающего блока аналитического сигнала среднего ИК-диапазона, сканатора для разворота лазерного излучения среднего ИК-диапазона на отражающий объект, зеркало приема излучения среднего ИК-диапазона и фотоприемника аналитического канала среднего ИК-диапазона, лазерный блок системы анализа среднего ИК-диапазона состоит из блока управления, первый вход которого связан со вторым выходом электронной платы ввода-вывода, второй вход связан с выходом фотоприемника аналитического канала и первый выход связан со вторым входом электронной платы ввода-вывода, и оптически последовательно связанных диодного лазера лазерного блока системы анализа с длиной волны, попадающей в область поглощения заданной детектируемой молекулы, вход диодного лазера лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона соединен с первым выходом блока управления лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона, разветвителя лазерного излучения лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона, вход которого оптически связан с выходом диодного лазера лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона, а первый выход оптически связан с входом коллиматора приемо-передающего блока аналитического сигнала среднего ИК-диапазона, реперной кюветы лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона, содержащей заданные детектируемые молекулы, вход реперной кюветы лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона оптически связан со вторым выходом разветвителя лазерного излучения лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона, а также фотоприемника реперного сигнала лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона, вход которого оптически соединен с выходом реперной кюветы лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона, а выход соединен с третьим входом блока управления лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона, при этом взаимное расположение коллиматора приемо-передающего блока аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона, сканатора и зеркала приема излучения ближнего ИК-диапазона обеспечивает частичное или полное попадание облучаемой области отражающего объекта на фотоприемник аналитического канала ближнего ИК-диапазона, а взаимное расположение коллиматора приемо-передающего блока аналитического сигнала среднего ИК-диапазона, сканатора и зеркала приема излучения среднего ИК-диапазона обеспечивает частичное или полное попадание облучаемой области отражающего объекта на фотоприемник аналитического канала среднего ИК-диапазона, при этом синхронизация вывода и приема излучения диодных лазеров всех лазерных блоков организована по мультиплексной схеме, подразумевающую временную задержку импульсов излучения для каждого диодного лазера при последовательной временной организации схемы излучения и приема сигнала, при этом посредством электрических соединений выходов фотоприемника аналитического канала каждой системы анализа, сигнала сравнения, а также сигналов управления модулей диодных лазеров происходит управление мощностью излучения каждого диодного лазера, их перестройкой по частоте, регистрация, обработка и сравнение аналитического сигнала с реперным сигналом и в конечном итоге вычисление концентрации примесей выхлопных газов движущегося автомобиля в режиме реального времени.1. Remote optical absorption laser gas analyzer containing a control unit for processing and documenting measurement results, a unit for matching and switching output signals, characterized in that it contains a near-infrared analysis system consisting of at least two near-infrared laser units, the first block of information of the fiber cables of the near infrared analysis system, the transceiver block of the analytical signal of the near infrared range, the second block of information of the fiber cables of the system we analyze the near-infrared range, a reference cell of the near-infrared analysis system, the input of which is optically connected to the output of the second information block of the fiber cables of the near-infrared analysis system, as well as the photodetector of the reference signal of the near-infrared analysis system, the input of which is optically connected with the output of the reference cell of the near-infrared analysis system, the mid-infrared analysis system, consisting of a laser block of the middle infrared range, a transmitter-receiver unit of the analytical signal of the middle infrared range, and the block matching and switching output signals consists of a controller, an electronic I / O board, the first input of the controller is connected to the output of the control unit, processing and documenting the measurement results, the first output of the controller is connected to the input of the control unit, processing and documenting the measurement results, the second the controller input is connected to the first output of the electronic input-output board, the second output of the controller is connected to the first input of the electronic input-output board, the transmit-receive unit is analytically The near-infrared signal consists of the optically coupled collimator of the transmit-receive unit of the near-infrared analytical signal, a scanner for turning the near-infrared laser radiation onto a reflecting object, near-infrared radiation reception mirrors, and a near-infrared analytical channel photodetector , each laser block of the near-infrared analysis system consists of a radiation control unit for the near-infrared laser block, the first input of which is connected to the second output of the electron I / O board, the second input is connected to the output of the photodetector of the near-infrared analytical channel, the third input is connected to the output of the photodetector of the reference signal of the near-infrared analysis system, and the first output is connected to the second input of the electronic input-output board, and optically connected in series a near-infrared diode laser with a wavelength falling into the absorption region of the molecule to be detected for this laser unit, the first reference cell containing the specified laser unit for this detectable molecules, the input of the near-IR diode laser is connected to the first output of the radiation control unit of the laser block of the near-infrared analysis system, the laser splitter of the laser block of the near-infrared analysis system, the input of which is optically coupled to the output of the diode laser of the laser block of the analysis system near-infrared range, the first output is optically coupled to the input of the first information block of the fiber cables of the near-infrared analysis system and the second output is connected to the input of the second unit near-infrared fiber analysis system, the output of the first near-infrared analysis system fiber cable information unit is optically coupled to the collimator input of the near-infrared analytical signal transmitting unit, the mid-infrared analytical signal transmitting and receiving unit consists from the optically coupled collimator of the transmitter-receiver unit of the mid-IR analytical signal, a scanner for turning the laser radiation of the mid-IR range onto a reflecting object , a mid-IR emission mirror and a photodetector of the mid-IR analytical channel, a laser block of the mid-IR analysis system consists of a control unit, the first input of which is connected to the second output of the electronic input-output board, the second input is connected to the output of the analytical channel and the first output is connected to the second input of the electronic input-output board, and an optically sequentially connected diode laser of the laser block of the analysis system with a wavelength falling into the absorption region of a given detectable molecule, the input of the diode laser of the laser block of the mid-IR range analysis system is connected to the first output of the control unit of the laser block of the mid-IR range analysis system, the laser splitter of the laser block of the mid-IR range analysis system, the input of which is optically coupled to the output of the diode laser the laser block of the mid-infrared analysis system, and the first output is optically connected to the input of the collimator of the transceiver unit of the mid-infrared analytical signal, reference the second cuvette of the laser block of the mid-IR range analysis system containing the given detectable molecules, the input of the reference cuvette of the laser block of the mid-IR range analysis system is optically connected to the second output of the laser splitter of the laser block of the mid-IR range analysis system, as well as the photodetector of the reference laser signal block of the mid-IR analysis system, the input of which is optically connected to the output of the reference cell of the laser block of the mid-IR analysis system, and the output is connected to t the input of the control unit of the laser block of the mid-infrared analysis system, while the relative position of the collimator of the transceiver block of the near-infrared analytical signal, the scanner and the near-infrared radiation reception mirror ensures that the irradiated region of the reflecting object partially or completely hits the photodetector of the analytical channel of the near infrared range, and the relative position of the collimator of the transceiver unit of the analytical signal of the middle infrared range, the scanner and the mirror The radiation medium of the mid-IR range provides a partial or complete hit of the irradiated region of the reflecting object on the photodetector of the analytical channel of the mid-IR range, while the synchronization of the output and reception of radiation from diode lasers of all laser blocks is organized according to the multiplex scheme, which implies a time delay of the radiation pulses for each diode laser with sequential temporary organization of the scheme of radiation and signal reception, while through electrical connections of the outputs of the photodetector a of the analytical channel of each analysis system, the comparison signal, and also the control signals of the diode laser modules, the radiation power of each diode laser is controlled, their frequency is tuned, registration, processing and comparison of the analytical signal with the reference signal and, ultimately, the calculation of the concentration of exhaust impurities of a moving car in real time. 2. Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что волоконный кабель выполнен в виде одномодового волоконного световода.2. The remote optical absorption laser gas analyzer according to claim 1, characterized in that the fiber cable is made in the form of a single-mode fiber waveguide. 3. Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве заданной детектируемой молекулы для одного из лазерных блоков системы анализа ближнего ИК-диапазона используют молекулы СН4.3. The remote optical absorption laser gas analyzer according to claim 1, characterized in that CH 4 molecules are used as a predetermined detectable molecule for one of the laser blocks of the near-infrared analysis system. 4. Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве заданной детектируемой молекулы для одного из лазерных блоков системы анализа ближнего ИК-диапазона используют молекулы СО.4. The remote optical absorption laser gas analyzer according to claim 1, characterized in that CO molecules are used as a predetermined detectable molecule for one of the laser units of the near-infrared analysis system. 5. Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве заданной детектируемой молекулы для одного из лазерных блоков системы анализа ближнего ИК-диапазона используют молекулы СО2.5. The remote optical absorption laser gas analyzer according to claim 1, characterized in that CO 2 molecules are used as a predetermined detectable molecule for one of the laser blocks of the near-infrared analysis system. 6. Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве заданной детектируемой молекулы для лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона используют молекулы NO.6. The remote optical absorption laser gas analyzer according to claim 1, characterized in that NO molecules are used as a predetermined detectable molecule for the laser block of the mid-infrared analysis system.
RU2019120182A 2019-06-28 2019-06-28 Remote optical absorption laser gas analyzer RU2714527C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019120182A RU2714527C1 (en) 2019-06-28 2019-06-28 Remote optical absorption laser gas analyzer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019120182A RU2714527C1 (en) 2019-06-28 2019-06-28 Remote optical absorption laser gas analyzer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2714527C1 true RU2714527C1 (en) 2020-02-18

Family

ID=69625996

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019120182A RU2714527C1 (en) 2019-06-28 2019-06-28 Remote optical absorption laser gas analyzer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2714527C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113702319A (en) * 2021-08-20 2021-11-26 浙江大学杭州国际科创中心 System and method for monitoring volume concentration and column concentration of greenhouse gas and volatile organic compounds
CN115541521A (en) * 2022-11-03 2022-12-30 哈尔滨翰奥科技有限公司 Method for measuring concentration of multiple gases by infrared band laser
RU2824921C1 (en) * 2024-04-12 2024-08-15 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук Atmospheric methane sounding device

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2285251C2 (en) * 2004-12-30 2006-10-10 Илья Евгеньевич Вязов Remote optical absorption laser gas analyzer
CN101251482A (en) * 2008-03-28 2008-08-27 山东省科学院激光研究所 Firedamp remote optical fiber laser detection instrument for mine
WO2009106884A1 (en) * 2008-02-27 2009-09-03 University Of Kent Multiple path interferometer and method
RU2598689C2 (en) * 2014-10-21 2016-09-27 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method of generating high-frequency signals and device therefor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2285251C2 (en) * 2004-12-30 2006-10-10 Илья Евгеньевич Вязов Remote optical absorption laser gas analyzer
WO2009106884A1 (en) * 2008-02-27 2009-09-03 University Of Kent Multiple path interferometer and method
CN101251482A (en) * 2008-03-28 2008-08-27 山东省科学院激光研究所 Firedamp remote optical fiber laser detection instrument for mine
RU2598689C2 (en) * 2014-10-21 2016-09-27 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method of generating high-frequency signals and device therefor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Mohebati A. et al. "Remote detection of gases by diode laser spectroscopy", Journal of modern optics, 1988, Vol. 35, Issue 3, pp. 319-324. *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113702319A (en) * 2021-08-20 2021-11-26 浙江大学杭州国际科创中心 System and method for monitoring volume concentration and column concentration of greenhouse gas and volatile organic compounds
CN113702319B (en) * 2021-08-20 2023-08-18 浙江大学杭州国际科创中心 Greenhouse gas and volatile organic compound concentration and column concentration monitoring system and monitoring method
CN115541521A (en) * 2022-11-03 2022-12-30 哈尔滨翰奥科技有限公司 Method for measuring concentration of multiple gases by infrared band laser
US11841320B1 (en) 2022-11-03 2023-12-12 Xinjiang Technical Institute Of Physics And Chemistry, Chinese Academy Of Sciences Method for measuring concentrations of multiple gases by using infrared band laser light
RU2824921C1 (en) * 2024-04-12 2024-08-15 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук Atmospheric methane sounding device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2004227359B2 (en) Method and apparatus for the monitoring and control of combustion
JP4414885B2 (en) Coherent absorption difference rider (DIAL)
US5767976A (en) Laser diode gas sensor
US7884937B2 (en) Airborne tunable mid-IR laser gas-correlation sensor
US6538728B1 (en) Gas sensor with open optical measurement path
CN110044837B (en) Differential absorption spectrum gas detection device based on optical fiber amplifier
US20060262316A1 (en) System and method for interferometric laser photoacoustic spectroscopy
CN104280362A (en) Online high-temperature water vapor laser spectrum detection system
Zhang et al. A compact laser absorption spectroscopy tomographic system with short spectral scanning time and adjustable frame rate
RU2714527C1 (en) Remote optical absorption laser gas analyzer
US20030089854A1 (en) Apparatus and method for remotely sensing hydrocarbons and other pollutants in vehicle emissions
CN104749580A (en) Rotational raman lidar system for absolutely detecting atmosphere temperature and detecting method
CN111351768A (en) Multi-component gas laser detection device and method using scanning galvanometer
CN111208082A (en) Gas detection system based on mid-infrared absorption spectrum measurement
RU2598694C2 (en) Device and method of measuring concentration of gaseous substances
RU201025U1 (en) TWO-CHANNEL LIDAR NEXT IR RANGE
RU2824921C1 (en) Atmospheric methane sounding device
RU2804263C1 (en) Mobile lidar gas analyzer
AU2001272190B2 (en) Optical heterodyne detection in optical cavity ringdown spectroscopy
CN113702302B (en) Detection method of gas detection device based on cavity ring-down spectroscopy technology
Orr et al. Fiber-optical coupling in agricultural and environmental sensing, based on open-path cavity ringdown spectroscopy
CN108152222A (en) A kind of gas concentration field measurement method and apparatus
CN117451665A (en) Multiple gas detection device based on cavity ring-down spectroscopy
Kravtsova et al. Numerical simulation of greenhouse gas measurements in the atmosphere by using a two-channel near-IR lidar system
WO2023079459A1 (en) Heterodyne backscatter sensor and spectroscopy