Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для дистанционного измерения концентрации газообразных веществ. Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор содержит блок лазерного излучателя (1) с длиной волны, изменяющейся в диапазоне поглощения детектируемой молекулы, блок приема аналитического сигнала (3), оптически связанный с блоком лазерного излучателя через диффузно отражающий объект, а также блок управления, приема и обработки данных (4). Блок лазерного излучателя содержит модуль диодного лазера (5). В случае необходимости одновременного детектирования нескольких молекул в прибор может быть введен, по крайней мере, один дополнительный блок лазерного излучателя (2), настроенный на другой спектральный диапазон. В случае, когда расстояние до диффузно отражающего объекта неизвестно, в устройство вводится дальномер (18). Дальномер измеряет расстояние до диффузно отражающего объекта, которое используется в цифровом программируемом модуле при вычислении концентрации детектируемой молекулы. В случае, когда газоанализатор установлен на движущемся транспортном средстве, он может быть оснащен определителем его координат (19). Показания определителя координат используются для построения карты распределения детектируемого вещества в пространстве. В случае, когда требуется точное наведение газоанализатора на выбранный диффузно отражающий объект, он может быть оснащен визиром (20). Если в качестве визира используется видеокамера, то появляется возможность точного сопоставления наблюдаемой аномалии концентрации детектируемого вещества с местом ее происхождения. За счет применения диодного лазера достигается существенное расширение круга детектируемых газообразных веществ, а также повышение селективности анализа. Изобретение позволяет осуществлять постоянный оперативный и непрерывный мониторинг концентрации различных газообразных веществ как при проведении измерений на фиксированной трассе, так и в режиме пространственного сканирования, например, из движущегося автомобиля или летательного аппарата. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, и предназначено для дистанционного измерения концентрации газообразных веществ, и может быть использовано, например, при экологическом мониторинге окружающей среды и в других отраслях науки и техники. Газоанализатор может быть установлен как стационарно, так и на транспортном средстве наземного, морского и воздушного базирования. Он может, в частности, быть использован для определения мест и интенсивности утечек газообразных веществ (метана, пропана, аммиака и др.) из магистральных трубопроводов.

Известен дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор [1], содержащий блок лазерного излучателя с диодным лазером, длина волны которого изменяется в диапазоне поглощения детектируемой молекулы, блок приема аналитического сигнала, оптически соединенный с блоком лазерного излучателя через зеркально отражающий объект, а также блок управления, приема и обработки данных.

Недостатком этого газоанализатора является то, что он может быть использован только в качестве стационарного средства измерения, установленного на фиксированной трассе, поскольку имеет жесткую привязку к специальному устройству, зеркально отражающему лазерное излучение. Поэтому указанный газоанализатор не может быть использован для непрерывного мониторинга газовой среды в режиме пространственного сканирования, например, для мониторинга атмосферы из движущегося автомобиля или летательного аппарата. Это обстоятельство сильно ограничивает круг практических задач, которые могут быть решены с помощью указанного газоанализатора.

Известен дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор [2], который может быть использован для непрерывного мониторинга газовой среды в режиме пространственного сканирования, поскольку не нуждается в специальном зеркально отражающем устройстве. Он может быть использован как устройство для обнаружения утечек газа из трубопроводов, установленное на движущемся транспортном средстве. Этот газоанализатор содержит два лазера, которые облучают контролируемый участок земной поверхности вблизи газопровода, и при этом с помощью приемной оптической системы регистрируется лазерное излучение, диффузно отраженное от земной поверхности. Длина волны излучения каждого из лазеров может быть независимо установлена в диапазоне 3,1-3,6 мкм, что обеспечивает возможность настройки прибора на регистрацию различных газов, имеющих полосы поглощения в указанном спектральном диапазоне. Однако в режиме пространственного сканирования при обнаружении утечек из трубопроводов газоанализатор может работать только на двух заранее зафиксированных длинах волн и перестройка длины волны не может осуществляться в процессе пространственного сканирования.

Из отмеченных выше особенностей работы этого газоанализатора вытекают следующие недостатки.

Во-первых, спектральный диапазон ограничен областью 3,1-3,6 мкм. Далеко не все газы, представляющие практический интерес, имеют полосы поглощения в указанной спектральной области.

Во-вторых, при измерении на двух фиксированных длинах волн невозможно обеспечить высокую селективность анализа, поскольку велика вероятность влияния спектральных помех.

В-третьих, при измерении на двух фиксированных длинах волн невозможно одновременно измерять концентрацию более чем одного газа.

Техническим результатом изобретения является создание дистанционного оптического абсорбционного лазерного газоанализатора, который может работать в более широком классе детектируемых веществ, обеспечивать большую селективность анализа, а также может одновременно осуществлять измерение концентрации нескольких газов как при проведении измерений на фиксированной трассе, так и в режиме пространственного сканирования.

Указанный технический результат достигается тем, что в дистанционном оптическом абсорбционном лазерном газоанализаторе, содержащем блок лазерного излучателя с длиной волны, изменяющейся в диапазоне поглощения детектируемой молекулы, и 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 оптически последовательно связанные модуль диодного лазера, коллиматор, делитель лазерного излучения на два пучка, один из которых через кювету сравнения оптически связан с детектором сигнала сравнения, а второй пучок через диффузно отражающий объект оптически связан с фокусирующим элементом блока приема аналитического сигнала, при этом на одной с фокусирующим элементом оптической оси установлены светофильтр, оптический согласующий элемент, а также детектор аналитического сигнала, причем оптический согласующий элемент служит для построения изображения входной апертуры фокусирующего элемента на чувствительном элементе детектора аналитического сигнала, при этом взаимное расположение оптической оси пучка излучения, направляемого на диффузно отражающий объект, и оптической оси фокусирующего элемента обеспечивает частичное или полное попадание облучаемой области объекта в поле зрения детектора аналитического сигнала, а блок управления, приема и обработки данных выполнен в виде трех модулей, а именно цифрового программируемого модуля, модуля цифроаналоговых и аналогово-цифровых преобразователей (ЦАП и АЦП) и модуля преобразователей аналоговых сигналов, при этом посредством электрических соединений выход детектора аналитического сигнала соединен с первым входом модуля преобразователей аналоговых сигналов, выход детектора сигнала сравнения соединен со вторым входом модуля преобразователей аналоговых сигналов, а выход модуля лазерного излучателя соединен с третьим входом модуля преобразователей аналоговых сигналов, первый выход модуля преобразователей аналоговых сигналов соединен с входом модуля диодного лазера, второй выход модуля преобразователей аналоговых сигналов соединен с первым входом модуля ЦАП и АЦП, первый выход модуля ЦАП и АЦП соединен с четвертым входом модуля преобразователей аналоговых сигналов, второй выход ЦАП и АЦП соединен с первым входом цифрового программируемого модуля, выход которого соединен со вторым входом ЦАП и АЦП.

За счет применения диодного лазерного излучателя достигается возможность измерения поглощения как внутри, так и вне диапазона 3,1-3,6 мкм, что позволяет существенно расширить круг детектируемых газообразных веществ. Разработанные в настоящее время диодные лазеры позволяют проводить измерение поглощения в спектральном диапазоне, простирающемся от ближнего УФ (0,3 мкм) до дальнего ИК (45 мкм). Примеры соответствия полос поглощения газообразных веществ и спектральных диапазонов работы диодных лазеров представлены на фиг.1, взятой из работы [3]. Использование диодного лазерного излучателя позволяет также повысить селективность анализа, поскольку диодный лазер за счет перестройки длины волны излучения позволяет целиком зарегистрировать такую спектральную особенность данной конкретной молекулы, которая не похожа на спектральную особенность любой другой молекулы. Характерный интервал времени, в течение которого происходит необходимая перестройка длины волны, сопровождаемая записью спектра поглощения, составляет 1 мс, что позволяет проводить измерение концентрации детектируемого вещества в реальном времени в режиме пространственного сканирования.

В ряде случаев диапазон перестройки длины волны диодного лазера позволяет одновременно регистрировать несколько различных молекул. В случае, когда диапазон перестройки длины волны одного диодного лазера не позволяет регистрировать спектры всех молекул, которые подлежат детектированию, в устройство вводится, по крайней мере, один дополнительный диодный лазер, работающий в другом спектральном диапазоне. Такое техническое решение является целесообразным ввиду низкого энергопотребления и компактности диодных лазеров

Возможность применения диодного лазера в устройстве по изобретению, работающем при диффузном отражении лазерного излучения, обеспечивается включением в устройство детектора и кюветы сравнения, а также выбранным схемным решением блока приема аналитического сигнала.

Устройство по изобретению представлено на фиг.2, где:

1 - блок лазерного излучателя;

2 - дополнительный аналогичный блок лазерного излучателя;

3 - блок приема аналитического сигнала;

4 - блок управления, приема и обработки данных;

5 - модуль диодного лазера;

6 - коллиматор;

7 - делитель;

8 - кювета сравнения;

9 - детектор сигнала сравнения;

10 - диффузно отражающий объект;

11 - фокусирующий элемент;

12 - светофильтр;

13 - согласующий оптический элемент;

14 - детектор аналитического сигнала;

15 - цифровой программируемый модуль;

16 - модуль ЦАП и АЦП;

17 - модуль преобразователей аналоговых сигналов;

18 - дальномер;

19 - определитель координат газоанализатора в пространстве;

20 - визир.

Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор содержит блок лазерного излучателя (1) с длиной волны, изменяющейся в диапазоне поглощения детектируемой молекулы, и блок приема аналитического сигнала (3), оптически связанный с блоком лазерного излучателя (1) через диффузно отражающий объект (10), а также блок управления, приема и обработки данных (4). Блок лазерного излучателя содержит оптически последовательно связанные модуль диодного лазера (5), коллиматор (6), делитель (7) лазерного излучения на два пучка, один из которых через кювету сравнения (8) оптически связан с детектором сигнала сравнения (9), а второй пучок через диффузно отражающий объект (10) оптически связан с фокусирующим элементом (11) блока приема аналитического сигнала (3). На одной оптической оси с фокусирующим элементом в блоке приема аналитического сигнала установлены светофильтр (12), оптический согласующий элемент (13), а также детектор аналитического сигнала (14), причем оптический согласующий элемент служит для построения изображения входной апертуры фокусирующего элемента на чувствительном элементе детектора аналитического сигнала. Взаимное расположение оптической оси пучка излучения, направляемого на диффузно отражающий объект, и оптической оси фокусирующего элемента (11) обеспечивает частичное или полное попадание облучаемой области объекта в поле зрения детектора аналитического сигнала (14). При соблюдении данного условия указанные оптические оси могут как совпадать, так и не совпадать. Блок управления, приема и обработки данных выполнен в виде трех модулей, а именно цифрового программируемого модуля (15), модуля ЦАП и АЦП (16) и модуля преобразователей аналоговых сигналов (17). Посредством электрических соединений выход детектора аналитического сигнала (14) соединен с первым входом модуля преобразователей аналоговых сигналов (17), выход детектора сигнала сравнения (9) соединен со вторым входом модуля преобразователей аналоговых сигналов (17), а выход блока лазерного излучателя (1) соединен с третьим входом модуля преобразователей аналоговых сигналов (17). Первый выход модуля преобразователей аналоговых сигналов (17) соединен с входом модуля диодного лазера (5), а второй выход модуля преобразователей аналоговых сигналов (17) соединен с первым входом модуля ЦАП и АЦП (16). Первый выход модуля ЦАП и АЦП (16) соединен с четвертым входом модуля преобразователей аналоговых сигналов (17), второй выход модуля ЦАП и АЦП (16) соединен с первым входом цифрового программируемого модуля (15), выход которого соединен со вторым входом ЦАП и АЦП (16).

В случае необходимости одновременного детектирования нескольких молекул в прибор может быть введен, по крайней мере, один дополнительный блок лазерного излучателя (2), настроенный на другой спектральный диапазон.

В случае, когда расстояние до диффузно отражающего объекта неизвестно, в устройство вводится дальномер (18), электрически соединенный со вторым входом цифрового программируемого модуля (15). Дальномер измеряет расстояние до диффузно отражающего объекта, которое используется в цифровом программируемом модуле при вычислении концентрации детектируемой молекулы.

В случае, когда газоанализатор установлен на движущемся транспортном средстве, он может быть оснащен определителем его координат (19), выход которого электрически соединен с третьим входом цифрового программируемого модуля (15). Показания определителя координат используются для построения карты распределения детектируемого вещества в пространстве.

В случае, когда требуется точное наведение газоанализатора на выбранный диффузно отражающий объект, он может быть оснащен визиром (20). Если в качестве визира используется видеокамера, выход которой электрически соединен с четвертым входом цифрового программируемого модуля (15), то появляется возможность точного сопоставления наблюдаемой аномалии концентрации детектируемого вещества с местом ее происхождения.

Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор по изобретению работает следующим образом.

В цифровом программируемом модуле (15) формируются сигналы управления, которые через модуль ЦАП и АЦП (16) и через модуль преобразователей аналоговых сигналов (17) поступают в модуль диодного лазера (5). Результатом является формирование в модуле диодного лазера периодически повторяющихся импульсов монохроматического излучения с длиной волны, изменяющейся в диапазоне полосы поглощения детектируемой молекулы, например, в области вблизи 1,65 мкм при детектировании молекулы метана. Пучок лазерного излучения, выходящий из модуля диодного лазера, преобразуется в пучок меньшей угловой расходимости с помощью коллиматора (6) и направляется в делитель (7), где делится на два пучка. Один из этих пучков направляется на диффузно отражающий объект (10). Диффузно отражающими объектами могут быть любые предметы, например здания, деревья, предметы обстановки внутри помещений. Второй пучок лазерного излучения направляется из делителя (7) в кювету сравнения (8), в которой находится детектируемое газообразное вещество. Пучок лазерного излучения, прошедший через кювету сравнения (8) и содержащий информацию о спектре поглощения вещества, которое находится в этой кювете, направляется на светочувствительный элемент детектора сигнала сравнения (9). Возникающий в детекторе (9) аналоговый электрический сигнал, пройдя через модуль преобразователей аналоговых сигналов (17) и модуль ЦАП и АЦП (16), уже в цифровой форме поступает в цифровой программируемый модуль (15).

При включении прибора с помощью информации, поступающей от детектора сигнала сравнения (9), производится настройка прибора, а именно выведение диодного лазерного излучателя в заданный диапазон длин волн. Это происходит за счет изменения температуры термоэлемента Пельтье, на котором расположен диодный лазер. Управление током термоэлемента Пельтье осуществляется из цифрового программируемого модуля (15) через модуль ЦАП и АЦП (16) и модуль преобразователей аналоговых сигналов (17). Измерение температуры осуществляется посредством датчика температуры, расположенного на термоэлементе Пельтье рядом с диодным лазером. Электрический сигнал от датчика температуры поступает в цифровой программируемый модуль (15) через модуль преобразователей аналоговых сигналов (17) и через модуль ЦАП и АЦП (16). Термоэлемент Пельтье и датчик температуры являются обязательными элементами как серийных, так и опытных образцов модулей диодного лазера, предназначенных для проведения спектральных измерений. По окончании процесса настройки прибор переходит в режим стабилизации диапазона перестройки длины волны по спектру вещества, находящегося в кювете сравнения, и он готов к проведению измерений.

Часть лазерного излучения, отраженного от диффузно отражающего объекта (10), поступает на вход блока приема аналитического сигнала (3). Фокусирующий элемент (11) и оптический согласующий элемент (13) направляют это лазерное излучение на детектор аналитического сигнала (14). При этом светофильтр (12) пропускает излучение диодного лазера и поглощает излучение вне диапазона перестройки длины волны диодного лазера. Оптический согласующий элемент (13) строит уменьшенное изображение входной апертуры фокусирующего элемента (11) на светочувствительном элементе детектора аналитического сигнала (14). Пучок лазерного излучения, который прошел через газовую среду к диффузно отражающему объекту и обратно к блоку приема аналитического сигнала (3) содержит информацию о спектре поглощения детектируемого вещества. Пройдя через модуль преобразователей аналоговых сигналов (17) и модуль ЦАП и АЦП (16), эта информация уже в цифровой форме поступает в цифровой программируемый модуль (15). Туда же при необходимости из дальномера (18) поступает информация о расстоянии до облучаемого объекта и из определителя координат прибора (19) информация о его координатах, а из видеокамеры (20) - кадры, на которых изображен диффузно отражающий объект. В цифровом программируемом модуле (15) производится вычисление концентрации анализируемого вещества. При этом используется информация, поступающая как от детектора аналитического сигнала, так и от детектора сигнала сравнения. Результаты измерений и вычислений записываются в память этого модуля и изображаются на информационном табло этого модуля. Устройство работает в импульсно периодическом режиме. При генерации каждого последующего импульса процесс повторяется. При использовании более чем одного блока лазерного излучателя импульсы, идущие от различных блоков, следуют друг за другом.

Примером реализации дистанционного оптического абсорбционного лазерного газоанализатора является прибор для измерения концентрации метана, в котором используется диодный лазер, излучающий в области 1,65 мкм. Опытный образец такого прибора, созданный коллективом авторов изобретения, успешно прошел лабораторные и натурные испытания. При мощности диодного лазера 5 мВт и диаметре зеркального фокусирующего элемента 280 мм дальность действия прибора составила 200 м. Натурные испытания прибора, установленного на летящем вертолете, показали его высокую эффективность при обнаружении утечек метана из газопроводов с расходом более 5 л/с.

Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор по изобретению может одновременно осуществлять измерение концентрации нескольких газообразных веществ, может работать в широком классе веществ и обеспечивать высокую селективность анализа. При своем использовании он позволяет осуществлять постоянный оперативный и непрерывный мониторинг концентрации различных газообразных веществ как при проведении измерений на фиксированной трассе, так и в режиме пространственного сканирования, например, из движущегося автомобиля или летательного аппарата.

Источники информации

1. Патент США №5637872, кл. G 01 N 21/35, опублик. 10.06.1997.

2. Патент РФ №2091759, кл. G 01 N 21/39, опублик. 27.09.1997.

3. A.I.Nadezdinskii, A.M.Prokhorov "Modem trends in diode laser spectroskopy" SPIE Vol.1724, p.13 (1992).

1. Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор, содержащий блок лазерного излучателя с длиной волны, изменяющейся в диапазоне поглощения детектируемой молекулы, и блок приема аналитического сигнала, оптически связанный с блоком лазерного излучателя через диффузно отражающий объект, а также блок управления, приема и обработки данных, отличающийся тем, что блок лазерного излучателя содержит оптически последовательно связанные модуль диодного лазера, коллиматор, делитель лазерного излучения на два пучка, один из которых через кювету сравнения оптически связан с детектором сигнала сравнения, а второй пучок через диффузно отражающий объект оптически связан с фокусирующим элементом блока приема аналитического сигнала, при этом на одной с фокусирующим элементом оптической оси последовательно установлены светофильтр, оптический согласующий элемент, а также детектор аналитического сигнала, причем оптический согласующий элемент служит для построения изображения входной апертуры фокусирующего элемента на чувствительном элементе детектора аналитического сигнала, при этом взаимное расположение оптической оси пучка излучения, направляемого на диффузно отражающий объект, и оптической оси фокусирующего элемента обеспечивает частичное или полное попадание облучаемой области объекта в поле зрения детектора аналитического сигнала, а блок управления, приема и обработки данных выполнен в виде трех модулей, а именно: цифрового программируемого модуля, модуля цифроаналоговых и аналогово-цифровых преобразователей и модуля преобразователей аналоговых сигналов, при этом посредством электрических соединений выход детектора аналитического сигнала соединен с первым входом модуля преобразователей аналоговых сигналов, выход детектора сигнала сравнения соединен со вторым входом модуля преобразователей аналоговых сигналов, а выход модуля диодного лазера соединен с третьим входом модуля преобразователей аналоговых сигналов, первый выход модуля преобразователей аналоговых сигналов соединен с входом модуля диодного лазера, второй выход модуля преобразователей аналоговых сигналов соединен с первым входом модуля цифроаналоговых и аналогово-цифровых преобразователей, первый выход модуля цифроаналоговых и аналогово-цифровых преобразователей соединен с четвертым входом модуля преобразователей аналоговых сигналов, второй выход модуля цифроаналоговых и аналогово-цифровых преобразователей соединен с первым входом цифрового программируемого модуля, выход которого соединен со вторым входом модуля цифроаналоговых и аналогово-цифровых преобразователей.

2. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что он оснащен по крайней мере одним дополнительным аналогичным блоком лазерного излучателя, настроенным на работу в другом спектральном диапазоне.

3. Газоанализатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что блоки лазерного излучателя выполнены съемными.

4. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно оснащен дальномером, выход которого электрически соединен со вторым входом цифрового программируемого модуля.

5. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно оснащен определителем координат газоанализатора в пространстве, при этом выход определителя координат электрически соединен с третьим входом цифрового программируемого модуля.

6. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно оснащен визиром, предназначенным для наведения газоанализатора на диффузно отражающий объект.

7. Газоанализатор по п.6, отличающийся тем, что визир представляет собой видеокамеру, выход которой электрически соединен с четвертым входом цифрового программируемого модуля.