Волоконно-оптический датчик концентрации газов

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в средствах измерения концентрации газов, например, со спектром поглощения в инфракрасной области (2,5-4 мкм), например углеводородных газов, паров воды и др. Волоконно-оптический датчик концентрации газа содержит источник оптического излучения, первый волоконный световод, кювету для исследуемой среды, устройство приема и обработки информационного сигнала, преобразователь частоты оптического излучения, который расположен между первым волоконным световодом и кюветой для исследуемой среды, приемник оптического излучения на выходе этой кюветы и устройство передачи информационного сигнала, вход которого соединен с выходом приемника оптического излучения. Преобразователь частоты оптического излучения может быть выполнен из люминесцентного материала, а также в виде светодиода с подключенным к его входу питания оптоэлектронным преобразователем. Технический результат - расширение области применения датчиков, увеличение быстродействия и чувствительности датчика. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в качестве средства измерения концентрации газов, преимущественно со спектром поглощения в инфракрасной области (2,5-4 мкм), например углеводородных газов, паров воды и др.

Применение оптических световодов в составе датчиков для измерения состава среды позволяет использовать эти датчики в условиях, где предъявляются повышенные требования к пожаробезопасности, взрывобезопасности и помехозащищенности измерительной системы.

Известен волоконно-оптический датчик концентрации газов [1], содержащий источник излучения, приемники излучения и световод, торец которого выполнен в виде призмы полного внутреннего отражения, на который нанесена многослойная оптическая структура. Одним из слоев многослойной структуры является сорбент, обладающий повышенной поглощающей способностью к исследуемому компоненту среды по отношению к прочим компонентам. Под действием поглощенного газа изменяются оптические характеристики сорбента, в частности коэффициент отражения. Измерение осуществляется за счет сравнения интенсивностей части излучения, отраженной от торца световода, и части, отраженной от поглощающего материала.

Недостатком этого датчика является ограниченная область использования, связанная с низкой селективностью к заданным типам газов, а также сложность изготовления.

Известен волоконно-оптический датчик концентрации кислорода [2], содержащий волоконный световод, на торце которого размещены люминесцентные материалы, люминесцирующие на различных длинах волн, причем интенсивность люминесценции одного из них зависит от концентрации исследуемого компонента среды, а интенсивность другого не зависит. Накачка люминесцентных материалов осуществляется от импульсного источника, излучение от которого направляется по волоконному световоду и возбуждает люминофоры, размещенные на торце световода. Так как материалы люминесцируют на различных длинах волн, в конструкции датчика предусмотрено раздельное детектирование этих излучений. Измерение осуществляется путем сравнения изменения интенсивностей этих излучений друг относительно друга, обусловленного изменением концентрации исследуемого компонента среды, в данном случае кислорода.

Недостатком этого датчика является низкое быстродействие, так как скорость реакции датчика зависит от относительно медленных процессов диффузии исследуемого компонента в люминесцентный материал и химического взаимодействия с этим материалом. Другим существенным недостатком этих типов датчиков является ограниченная область применения, так как известные люминесцентные материалы, обладающие свойством изменять интенсивность люминесценции от концентрации исследуемого компонента, чувствительны лишь к ограниченному набору компонентов, таких как кислород и некоторые другие.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению датчиком [3], использующим метод адсорбционной спектроскопии, является волоконно-оптический датчик, содержащий источник излучения, первый волоконный световод, кювету с анализируемым газом, второй волоконный световод и устройство приема и обработки сигнала. Источник излучения излучает на длине волны, пропускаемой кварцевым световодом и близкой или совпадающей с линией поглощения газа, присутствие которого анализируется.

Недостатком этого датчика является ограниченная область применения, поскольку линий поглощения газов в полосе прозрачности широко применяемых стандартных кварцевых волоконных световодов, технология производства которых в совершенстве отработана, очень мало. Лишь некоторые газы (метан, пропан) имеют в этой области линии поглощения, соответствующие обертонам основных колебательных частот в спектре. В то же время основные линии поглощения углеводородосодержащих сред, соответствующие колебательным уровням основных атомных групп, лежат в области 2000-4000 см^-1, т.е. 2,5-5 мкм.

Другим недостатком этого датчика является низкая чувствительность, так как интенсивность поглощения на линии обертона значительно (на 1-2 порядка) слабее интенсивности поглощения на основной длине волны [4]. Для увеличения чувствительности таких датчиков возникает необходимость в увеличении оптического пути излучения путем значительного удлинения кюветы и/или путем реализации многопроходных моделей.

Кроме того, недостатком этого датчика является также низкое быстродействие, поскольку из-за малой длины волны (обертон основной линии поглощения лежит в области 1,64-1,67 мкм) возрастает негативная роль рассеяния излучения в среде. Так как интенсивность рассеяния пропорциональна 1/λ⁴, где λ - длина волны излучения, с уменьшением длины волны возрастает степень флуктуаций пропускания среды, обусловленная флуктуациями концентрации рассеивающих примесей, таких как пыль, влага и т.д. Влияние рассеяния также усиливается за счет необходимости значительного увеличения оптического пути (длины кюветы) для повышения чувствительности. Для снижения влияния этого фактора прибегают к введению дополнительных приспособлений для защиты кюветы, таких как защитные кожухи, мембраны и т.д., которые снижают быстродействие датчика, так как затрудняют доступ анализируемого газа внутрь кюветы.

Техническая задача данного изобретения состоит в расширении области применения датчиков на все типы углеводородных газов, в том числе и в сжиженном состоянии, а также увеличение быстродействия и чувствительности датчика.

Указанная задача решается тем, что в волоконно-оптический датчик газа, содержащий источник оптического излучения, первый волоконный световод, кювету для исследуемой среды, устройство приема и обработки информационного сигнала, введен преобразователь частоты оптического излучения, расположенный между первым волоконным световодом и кюветой для исследуемой среды, приемник оптического излучения на выходе этой кюветы и устройство передачи информационного сигнала, вход которого соединен с выходом приемника оптического излучения.

Преобразователь частоты оптического излучения может быть выполнен из люминесцентного материала.

Преобразователь частоты оптического излучения может быть также выполнен в виде светодиода с подключенным к его входу питания оптоэлектронным преобразователем, оптический вход которого связан с выходом первого волоконного световода, а электрический выход дополнительно соединен с входами питания приемника оптического излучения и устройства передачи информационного сигнала.

В одном из вариантов устройство передачи информационного сигнала содержит модулятор, вход которого является входом этого устройства, и передатчик радиосигнала, вход которого соединен с выходом модулятора, к выходу передатчика подключена антенна, а устройство приема и обработки информационного сигнала содержит на входе приемник радиосигналов.

В другом варианте устройство передачи информационного сигнала содержит модулятор, вход которого является входом этого устройства, электрооптический преобразователь, электрический вход которого соединен с выходом модулятора, и второй волоконный световод, вход которого связан с оптическим выходом электрооптического преобразователя, при этом устройство для приема и обработки информационного сигнала содержит фотоприемник, оптический вход которого связан с выходом второго волоконного световода.

Сущность изобретения поясняется следующими иллюстрациями:

на фиг.1 показана блок-схема устройства согласно заявленному изобретению с преобразователем частоты;

на фиг.2 показан пример выполнения преобразователя частоты на основе люминесцентного материала, расположенного на торце волокна;

на фиг.3 показан пример выполнения преобразователя частоты на основе светодиода, питаемого от оптоэлектронного преобразователя и устройства передачи сигнала на основе радиоканала;

на фиг.4 показан пример выполнения датчика с устройством передачи информационного сигнала на основе электрооптического преобразователя и волоконного световода;

на фиг.5 приведен спектр пропускания волоконного световода и характерный спектр поглощения углеводородных газов (на примере метана);

на фиг.6 приведен спектр излучения люминофора на основе InGaAs(Sb) различного состава и спектр возбуждения этого люминофора [6].

Предложенное устройство содержит источник 1 (фиг.1) оптического излучения, первый волоконный световод 2, преобразователь 3 частоты оптического излучения, кювету 4 для исследуемой среды, приемник 5 оптического излучения на выходе кюветы 4, устройство 6 передачи информационного сигнала и устройство 7 приема и обработки этого сигнала. В качестве источника 1 может быть использован светодиод или лазер, длина волны λ₁ излучения которого находится в полосе прозрачности волоконного световода 2. Преобразователь 3 частоты оптического излучения может быть выполнен на основе люминесцентного материала. Пример конструктивного выполнения такого преобразователя показан на фиг.2. Люминесцентный материал 8 закреплен на торце волоконного световода 2, который размещен во втулке 9. Торец 10 этой втулки 9 имеет вогнутую поверхность, близкую к сферической, на которую может быть нанесен отражающий материал. Он выполняет роль рефлектора излучения люминесцентного материала 8. Торец световода 2 с закрепленным на нем люминесцентным материалом 8 размещен в фокусе этого рефлектора, что позволяет сколлимировать излучение люминофора на входе в кювету 4. Люминесцентный материал 8 выбирается таким образом, чтобы длина волны возбуждения его люминесценции соответствовала длине волны λ₁ излучения источника 1, а длина волны λ₂ люминесценции совпадала с основной линией поглощения анализируемого газа.

Вариант датчика, приведенный на фиг.3, содержит преобразователь 3 частоты оптического излучения на основе оптоэлектронного преобразователя 11 и светодиода 12, питаемого от этого преобразователя 11, от которого могут быть запитаны также и другие элементы (5, 6) электронных узлов датчика. При этом выход первого волоконного световода 2 соединен с оптическим входом преобразователя 11, электрический выход которого подключен к светодиоду 12. Приемник 5 оптического излучения может быть выполнен на основе инфракрасного фоторезистора, питание которого осуществляется от оптоэлектронного преобразователя 11. На этом же рисунке приведен пример выполнения устройства 6 передачи информационного сигнала на основе радиопередатчика. Оно содержит модулятор 13 и радиопередатчик 14, при этом выход приемника 5 оптического излучения связан с входом модулятора 13, а выход модулятора 13 соединен со входом радиопередатчика 14, к выходу которого подключена передающая антенна 15. Устройство 7 приема и обработки информационного сигнала в данном варианте содержит при этом приемную антенну 16, подключенную к приемнику 17 радиосигнала, выход которого соединен с входом блока 18 обработки сигнала.

На фиг.4 показан пример выполнения датчика с устройством 6 передачи информационного сигнала посредством оптического излучения. В этом варианте устройство 6 содержит модулятор 13 и электрооптический преобразователь 19, при этом выход приемника 5 оптического излучения связан с входом модулятора 13, а выход последнего соединен с входом электрооптического преобразователя 19. Устройство 7 приема и обработки информационного сигнала в данном варианте содержит фотоприемник 20 и блок 18 обработки этого сигнала. Оптический выход электрооптического преобразователя 19 связан с оптическим входом фотоприемника 20 вторым волоконным световодом 21. Электрооптический преобразователь может быть выполнен на основе светодиода или полупроводникового лазера с длиной волны излучения, соответствующей полосе прозрачности второго волоконного световода 21. В описанном варианте питание блоков 5 и 6 осуществляется от автономных источников (батареек, аккумуляторов и др.).

Заявленное устройство работает следующим образом. Излучение от источника оптического излучения 1 (фиг.1) с длиной волны λ₁, соответствующей полосе прозрачности первого волоконного световода 2, поступает по этому световоду на преобразователь частоты 3, который преобразует излучение с длиной волны λ₁ в излучение с длиной волны λ₂, соответствующей линии поглощения анализируемого газа, находящегося в кювете 4. Излучение с длиной волны λ₂ проходит через исследуемый газ, и его интенсивность регистрируется приемником излучения 5, установленным на выходе кюветы 4. Информацию о концентрации исследуемого газа несет интенсивность излучения, прошедшего через кювету 4. Выходной сигнал с приемника 5 поступает на устройство 6 передачи информационного сигнала, которое затем передает информацию на блок 7 приема и обработки. В блоке 7 осуществляется сопоставление измеренной интенсивности излучения со значением интенсивности, соответствующей концентрации исследуемого газа.

При выполнении преобразователя частоты на основе люминесцентного материала (фиг.2) излучение от источника 1 с длиной волны λ₁, соответствующей полосе возбуждения люминесценции люминофора 8, поступает через первый волоконный световод 2 на этот люминофор. В качестве люминесцентного материала может быть применен, например, полупроводниковый материал на основе InGaAs(Sb), спектр излучения которого лежит в области 2,7-3,5 мкм, а спектр возбуждения люминесценции соответствует полосе прозрачности кварцевых волоконных световодов. В качестве люминесцентных материалов, которые могут быть использованы в датчике согласно заявленному изобретению, могут быть применены диэлектрические кристаллы, активированные ионами Ho³⁺ [4], а также кристаллы на центрах окраски [5]. Все эти материалы люминесцируют (в зависимости от состава) в диапазоне 2,7-3,5 мкм и эффективно возбуждаются излучением полупроводниковых лазеров с длиной волны излучения в полосе прозрачности волоконных световодов.

При выполнении преобразователя частоты на основе инфракрасного светодиода (фиг.3) излучение от источника 1 через световод 2 поступает на оптоэлектронный преобразователь 11, который преобразует оптическое излучение в электрический ток, питающий светодиод 12, который излучает на длине волны, соответствующей линии поглощения анализируемого газа [7]. Оптоэлектронный преобразователь может быть выполнен, например, на основе нескольких последовательно соединенных кремниевых фотодиодов, подключенных к входу повышающего преобразователя напряжения, например МАХ1674, МАХ1676 и др. Излучение, прошедшее через кювету 4 с анализируемым газом, поступает на приемник 5. Интенсивность этого излучения связана с концентрацией анализируемого газа. Поскольку сопротивление фоторезистора в приемнике 5 зависит от интенсивности падающего на него излучения, выходной сигнал фотоприемника 5 оказывается зависящим от концентрации анализируемого газа. Сигнал с выхода фотоприемника 5 поступает на вход модулятора 13, формирующий импульсный сигнал, временные параметры которого несут информацию об интенсивности принятого приемником 5 излучения. С выхода модулятора 13 сигнал поступает на передатчик 14 радиосигнала, с выхода которого импульсно-модулированный радиосигнал передается через эфир и поступает на вход приемника 17 радиосигнала. В блоке 18 происходит демодуляция сигнала и осуществляется пересчет значения интенсивности исходного сигнала в значение концентрации анализируемого газа. При наличии оптоэлектронного преобразователя 11 электропитание приемника 5 и устройства передачи информационного сигнала 6 может осуществляться от этого преобразователя.

Устройство, показанное на фиг.4, работает, как описано выше, за исключением того, что сигнал с модулятора 13 поступает на вход электрооптического преобразователя 19. Электрооптический преобразователь 19 формирует импульсный оптический сигнал с временными характеристиками, соответствующими параметрам электрического сигнала, поступающего с модулятора 13. Оптический сигнал по второму волоконному световоду 21 поступает на фотоприемник 20 и преобразуется в электрический сигнал, который поступает на вход блока 18, работающий так, как описано выше.

Расширение области применения предложенного датчика поясняется фиг.5, где приведены спектр пропускания кварцевых световодов (а) и характерный спектр поглощения углеводородных газов (б). Как видно из фиг.5, основные линии поглощения углеводородов лежат вне полосы прозрачности световодов, что и ограничивает область применения прототипа. Следует также отметить, что только несколько углеводородных газов, таких как метан (CH₄), этилен (C₂H₄) и пропан (С₃Н₈), имеют обертона линий поглощения в полосе прозрачности световодов и, следовательно, только ими и ограничивается область применения прототипа. В то же время в предложенном датчике оптическое излучение с длиной волны λ₁ от источника 1, прошедшее через первый волоконный световод 2, преобразуется преобразователем 3 в излучение с длиной волны λ₂, соответствующей линии поглощения анализируемого вещества. Расширение области применения датчика при этом достигается за счет того, что анализируемый спектр поглощения не ограничивается полосой прозрачности волоконного световода. Для анализа содержания в исследуемой атмосфере углеводородов можно в качестве люминофора использовать In_0.94Ga_0.06As_0.94Sb_0.06, выращенный на подложке InAs с промежуточным слоем n-InAs_0.74Sb_0.09P_0.17 [6]. На фиг.6 показан спектр пропускания (в) и люминесценции (г) этого материала, пригодного для применения в предложенном датчике. Для этого материала спектр люминесценции лежит в области 3,3 мкм, соответствующей полосе поглощения углеводородных газов, а эффективное возбуждение люминесценции осуществляется полупроводниковым излучателем с длиной волны 0,87 мкм, которая проходит через волоконный световод с низкими потерями.

Повышение чувствительности предложенного датчика обусловлено тем, что интенсивность поглощения анализируемых газов на основной линии поглощения на 1-2 порядка больше, чем в области 1.6-1.7 мкм [6], которая ранее использовалась в датчиках подобного типа.

Кроме этого, увеличение длины волны излучения, на которой производится анализ, позволяет снизить влияние рассеяния и, следовательно, улучшить точностные характеристики датчика, поскольку двукратное увеличение длины волны приводит к подавлению влияния рассеяния в 16 раз.

Положительный эффект проявляется также в виде увеличения быстродействия. Последнее достигается тем, что при значительном подавлении влияния рассеяния допустимо использование открытых (незащищенных) кювет; вследствие чего скорость проникновения газа в кювету не ограничивается никакими защитными материалами и приспособлениями.

Таким образом, в результате заявленного технического решения реализуется расширение области применения датчика, поскольку рассмотренный волоконно-оптический датчик может использоваться для анализа концентрации углеводородов, линии поглощения которых в полосе прозрачности стандартных оптических световодов отсутствуют. Датчик может также применяться для анализа жидких углеводородных сред или их паров, для определения чистоты бензина, дизельного топлива и масел различных марок и модификаций, а также других углеводородов и углеводородных соединений. Повышение чувствительности датчика достигнуто за счет подавления влияния рассеяния и использования мощных линий спектра поглощения углеводородов.

Источники информации

1. US 5708735. Fiber Optic Device for sensing the presence of a gas. D.Benson et all., Intel. G 01 N 21/01, Publ. 13/01/1998.

2. US 4861727 Luminescent oxygen sensor based on a lantanide complex. Hauenstein et al., Int.cl. G 01 N 33/00, Publ. 29/08/1989.

3. Remote sensing system for near-infrared differential absorption of CH₄ gas using low-loss optical fiber link. Applied Optics, Vol. 23 Issue 19 Page 3415 (October, 1984) Kinpui Chan, Hiromasa Ito, Humio Inaba.

4. Зверев Г.М., Голяев Ю.Д. Лазеры на кристаллах и их применение. -М.: Рикел, Радио и связь, 1994.

5. Губин М.А., Киреев А.Н., Ковальчук Е.В., Тюриков Д.А. Двухмодовый лазер на центрах окраски с диодной накачкой и внутрирезонаторной метановой поглощающей ячейкой. Квантовая электроника, т.29, №3 (330), с.189 -282.

6. Н.В.Зотова, С.А.Карандашев, Б.А.Матвеев, М.А.Ременный, Н.М.Стусь, Г.Н.Талалакин, В.В.Шустов. Инфракрасные светодиоды с оптическим возбуждением на основе InGaAs(Sb), ФТП, 2001, том 35, выпуск 3.

7. М.Айдаралиев, Н.В.Зотова, С.А.Карандашев, Б.А.Матвеев, М.А.Ременный, Н.М.Стусь, Г.Н.Талалакин. Мощные лазеры (lambda=3.3 мкм) на основе двойных гетероструктур InGaAsSb(Gd) / InAsSbP, ФТП, 2001, том 35, выпуск 10.

8. А.А.Kosterev, R.F.Curl, F.K.Tittel, C.Gmachl, F.Capasso, D.L.Sivco, J.N.Baillargeon, A.L.Hutchinson, and A.Y.Cho. "Methane concentration and isotopic composition measurements with a mid-infrared quantum cascade laser," Optics Letters, 24 (1999), 1762-1764.

1. Волоконно-оптический датчик концентрации газов, содержащий источник оптического излучения, первый волоконный световод, кювету для исследуемой среды, устройство приема и обработки информационного сигнала, отличающийся тем, что он содержит преобразователь частоты оптического излучения, расположенный между первым волоконным световодом и кюветой для исследуемой среды, приемник оптического излучения на выходе этой кюветы и устройство передачи информационного сигнала, вход которого соединен с выходом приемника оптического излучения.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что преобразователь частоты оптического излучения выполнен из люминесцентного материала.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что преобразователь частоты оптического излучения выполнен в виде светодиода с подключенным к его входу питания оптоэлектронным преобразователем, оптический вход которого связан с выходом световода, а электрический выход дополнительно соединен с входами питания приемника оптического излучения и устройства передачи информационного сигнала.

4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что устройство передачи информационного сигнала содержит модулятор, вход которого является входом этого устройства, передатчик радиосигнала, вход которого соединен с выходом модулятора, при этом к выходу передатчика подключена антенна, а устройство приема и обработки информационного сигнала содержит на входе приемник радиосигналов.

5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что устройство передачи информационного сигнала содержит модулятор, вход которого является входом этого устройства, и электрооптический преобразователь, электрический вход которого соединен с выходом модулятора, а оптический выход связан через второй волоконный световод с входом устройства для приема и обработки информационного сигнала, при этом устройство для приема и обработки информационного сигнала содержит фотоприемник, оптический вход которого связан с выходом второго волоконного световода.