Испытательное устройство для проведения течеискания в нескольких точках контроля
Изобретение относится к области оптических методов контроля и касается устройства для проведения течеискания в нескольких точках контроля. Устройство включает в себя несколько измерительных ячеек для оптического обнаружения пробного газа, каждая из которых имеет средство возбуждения для перевода пробного газа в метастабильное состояние, источник излучения и приемник излучения, а также базовый блок, соединенный с измерительными ячейками с помощью оптических волокон. Базовый блок включает в себя перестраиваемый по частоте лазер и фотодетектор. Лазер приводится в действие посредством двухтональной частотной модуляции (ДТЧМ) путем генерации для испускаемого лазерного излучения, боковых полос (ω0-ω1)±1/2Ω и (ω0+ω1)±1/2Ω, где ω0 - центральная частота лазера, ω1 - первая частота модуляции, которая больше или равна 1 ГГц, a Ω - вторая частота модуляции, которая меньше или равна 10 МГц. Технический результат заключается в обеспечении возможности обнаружения утечек в нескольких точках контроля и в повышении чувствительности устройства. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.
Настоящее изобретение относится к устройству для проведения течеискания в нескольких точках контроля.
Для течеискания используют пробный газ (газ-индикатор), в частности гелий, аргон или иной инертный газ, просачивающийся через возможно существующую течь и регистрируемый на противоположной стороне. Обычно для обнаружения пробного газа используют масс-спектрометр. Поскольку масс-спектрометры являются приборами очень сложными и дорогостоящими, для обнаружения пробного газа также были разработаны другие подходы. Один такой подход состоит в использовании газонепроницаемой измерительной ячейки, которая закрыта мембраной, обладающей селективной проницаемостью для пробного газа. Во внутреннем пространстве измерительной ячейки создается полное давление, соответствующее парциальному давлению пробного газа снаружи измерительной ячейки. Путем измерения полного давления в измерительной ячейке можно фиксировать наличие пробного газа и устанавливать его концентрацию.
Обнаружение газа также возможно с помощью абсорбционной спектроскопии. За счет возбуждения находящийся в измерительной ячейке пробный газ может быть переведен на более высокий энергетический уровень, называемый метастабильным состоянием. Атомы метастабильного газа имеют характерный спектр поглощения и, таким образом, возможно их оптическое обнаружение путем спектроскопии. При выполнении спектроскопии необходимо модулировать лазерный луч, проходящий через метастабильный газ, и оценивать сигналы от соответствующего приемника излучения. Приборы, применяемые в этом процессе, очень сложны. В случаях, где существует несколько точек контроля, уровень технической сложности соответственно возрастает в разы.
Задача настоящего изобретения состоит в создании устройства для проведения течеискания в нескольких точках контроля, содержащего базовый блок (хост-узел), который может использоваться для всех точек проведения измерений и может быть расположен на удалении от точек проведения измерений.
Предлагаемое в изобретении устройство охарактеризовано в пункте 1 формулы изобретения. Указанное устройство содержит несколько измерительных ячеек для оптического обнаружения пробного газа, соединенных с базовым блоком посредством оптических волокон. Базовый блок включает в себя перестраиваемый по частоте лазер и фотодетектор. Базовый блок выполнен с возможностью селективного взаимодействия с каждой из измерительных ячеек. Таким образом, необходим только один базовый блок, в котором происходят формирование и модуляция лазерного луча и который также содержит блок анализа для оценивания принятого лазерного излучения. При проведении контроля в технической установке это обеспечивает возможность распределения большого числа измерительных ячеек по различным точкам, где требуется течеискание. Оценивание всех испытаний на наличие течи осуществляется в базовом блоке.
Средство для перевода пробного газа в метастабильное состояние может содержать электроды для генерирования плазмы с использованием буферного газа. Указанная плазма возбуждает пробный газ, переводя его в более высокое энергетическое состояние, которое может обнаруживаться оптическими средствами. Еще один возможный вариант возбуждения газа с достижением метастабильного состояния - это бомбардировка электронами из источника электронов. В этом случае буферный газ не требуется.
В предлагаемом в изобретении устройстве передача сигналов осуществляется посредством оптических волокон, проходящих между отдельными измерительными ячейками и базовым блоком и устанавливающих связь между измерительными ячейками и базовым блоком. В базовом блоке происходит модуляция лазерного луча, а в измерительной ячейке спектр модуляции изменяется в соответствии с характеристической линией поглощения пробного газа. Результирующий сигнал посредством оптических волокон возвращается в базовый блок.
В соответствии с изобретением лазер приводится в действие посредством двухтональной частотной модуляции (ДТЧМ) путем генерации для испускаемого лазерного излучения, направляемого посредством оптических волокон, боковых полос (ω0-ω1)±½Ω и (ω0+ω1)±½Ω где ω0 - центральная частота лазера, ω1 - первая частота модуляции, которая больше или равна 1 ГГц, a Ω - вторая частота модуляции, которая меньше или равна 10 МГц.
Таким образом, предпочтительно, чтобы лазер работал с использованием двухтональной модуляции (ДТМ). В процессе ДТМ-спектроскопии генерируются две относительно близко соседствующие частоты модуляции, разнос которых (промежуточная частота) относительно мал, предпочтительно ниже 1 МГц. Такая промежуточная частота Ω не подвержена влиянию хроматической дисперсии в оптических волокнах. Таким образом, ДТМ-спектроскопия особенно выгодна для применений с высокими частотами модуляции и длинными оптическими каналами передачи. Подробное описание ДТЧМ-спектроскопии можно найти в публикации [Avetisov V.G. и Kauranen Р., Appl. Opt. 35, 4705 (1996)]. Еще один ограничивающий фактор - это поглощение в оптическом волокне. Для длин волн 1083 нм это поглощение составляет около 1,3 дБ/км, а для более высоких значений длины волн оно ниже.
Благодаря двухтональной частотной модуляции с использованием двух частот модуляции ω1 и Ω достигается технический результат, заключающийся в том, что передаваемый сигнал не подвержен влиянию хроматической дисперсии или поглощения оптического тракта, что позволяет передавать на значительные расстояния, характерные для расположения точек контроля при течеискании на объектах техники, даже очень слабые сигналы, соответствующие пределу обнаружения, не опасаясь потери сигналов.
Ниже приведено более подробное, полное и достаточное описание настоящего изобретения, включающее наилучший вариант его осуществления и позволяющее специалисту осуществить его, изложенное со ссылками на поясняющие чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - схематический вид измерительной ячейки,
на фиг. 2 - схематический вид сети, содержащей несколько измерительных ячеек, соединенных с базовым блоком,
на фиг. 3 - график зависимости передачи по волоконной линии от частоты, с наложенной характеристической кривой хроматической дисперсии волокна,
на фиг. 4 - график, изображающий частотные спектры на входе и выходе оптического волокна, приведенный для случаев одночастотной модуляции входного луча, и получаемую в результате амплитудную модуляцию выходного луча,
на фиг. 5 - график, изображающий спектр сигнала для двухтональной частотной модуляции, с характеристической кривой хроматической дисперсии волокна, и
на фиг. 6 - график, изображающий спектры на входе и выходе оптического волокна для двухтональной частотной модуляции.
На фиг. 1 показана измерительная ячейка 10, предназначенная для оптического обнаружения пробного газа, в частности гелия. Измерительная ячейка 10 выполнена из газонепроницаемого материала, прежде всего стекла. Внутреннее пространство 11 измерительной ячейки 10 закрыто входом 12 пробного газа как газообразной контрольной среды. Указанный вход 12 пробного газа имеет мембрану 13, которая обладает исключительной или преимущественной проницаемостью для пробного газа и непроницаема для остальных газов. Мембрана 13 проницаема в обоих направлениях, в результате чего давление во внутреннем пространстве 11 ячейки 10 равно парциальному давлению пробного газа снаружи ячейки. Ячейка 10 предварительно вакуумирована, вследствие чего в ней не может находиться какой-либо иной газ, кроме пробного газа. Внутри ячейки 10 расположено средство 18 возбуждения, предназначенное для перевода пробного газа в более высокое возбужденное состояние. Указанное средство 18 возбуждения может представлять собой источник электронов, приспособленный для бомбардировки электронами пробного газа, таким образом переводя его в более высокое возбужденное состояние. В ячейке другого типа может быть выполнен газоразрядный тракт, в котором для перевода пробного газа в более высокое возбужденное состояние происходит ионизация буферного газа. Переход в метастабильное состояние также может быть реализован рентгеновским излучением, многофотонным возбуждением, изменение заселенности энергетических уровней на соответствующую комбинационному рассеянию света (эффекту Рамана) и столкновением с нейтральными атомами/молекулами, например ультразвуковым лучом.
Для оптического обнаружения метастабильного пробного газа используется измерительный тракт 14, содержащий источник 15 излучения и приемник 16 излучения, принимающий лазерный луч 17, испускаемый указанным источником излучения. Длина волны лазерного луча, испускаемого источником 15 излучения, установлена, например, на 1083,034 нм, так что при использовании в качестве пробного газа гелия может быть достигнут более высокий энергетический уровень 23Р2, начиная от метастабильного состояния 23S1. При излучении лазера на длине волны 1083,025 нм удалось бы достичь энергетического уровня 23Р1, а на длине волны 1082,908 нм был бы достигнут энергетический уровень 23Р0. Когда на пробный газ, находящийся в метастабильном состоянии, воздействует лазерный луч указанной длины волны, происходит поглощение излучения этой длины волны. Подробная информация в этом отношении содержится в DE 19853049 С2.
Вместо измерительной ячейки вышеописанного типа можно использовать подобные измерительные ячейки в модификациях, например измерительную ячейку, присоединенную к откачивающему устройству для удаления пробного газа из внутреннего пространства измерительной ячейки.
Источник 15 излучения является частью оптического волокна 20, а приемник 16 излучения является частью оптического волокна 21.
Как показано на фиг. 2, в предлагаемом решении предусмотрен базовый блок 25, предназначенный для генерирования лазерных лучей для всех измерительных ячеек 10 и для оценивания лазерного излучения, выходящего из измерительных ячеек. Указанный базовый блок 25 содержит лазер 26 с перестраиваемой длиной волны излучения. С помощью устройства 28а ввода излучения испускаемый лазером лазерный луч 27 вводится в оптическое волокно 28, ведущее к светоделителю 29. Указанный светоделитель 29 распределяет лазерный луч, одновременно или поочередно, по оптическим волокнам 20 отдельных измерительных ячеек 10, расположенных в разных точках 30 контроля для обеспечения возможности обнаружения пробного газа независимо друг от друга в разных точках контроля. Лазерный луч 17 выходит из указанного оптического волокна 20 и, после прохождения через метастабильный пробный газ, лазерный луч входит в указанное оптическое волокно 21. Все указанные оптические волокна 21 присоединены к селектору 33 лучей, обеспечивающему избирательную коммутацию оптических волокон 21 с оптическим волокном 34, соединенным с базовым блоком 25. В базовом блоке расположено устройство 35 вывода излучения, функция которого заключается в подаче выходящего луча света на фотодетектор 37, соединенный с процессором 38 (блоком обработки).
Указанный лазер 26 управляется контроллером 40, который также имеет функцию модулятора для модуляции лазерного луча двумя частотами генератора 41 частоты.
На фиг. 3 и 4 показаны изображения амплитуд А спектров на входе и на выходе всего оптоволоконного тракта 50, включая измерительную ячейку 10. Входной спектр 51 имеет центральную частоту ω0, представляющую собой частоту излучения лазера, и две боковые полосы, определяемые частотой модуляции. На фиг. 3 также показана нелинейная характеристическая кривая 54 хроматической дисперсии оптического волокна. В результирующем выходном спектре 52 боковые полосы имеют разные амплитуды.
Показанные на фиг. 3 и 4 изображения основаны на случаях, где выполняется частотная модуляция (ЧМ) излучения лазера. Если частота ω1 модуляции менее 1 МГц (в модуляции по длине волны), то хроматическая дисперсия пренебрежимо мала для протяженности в несколько десятков километров. Для высоких частот модуляции (в гигагерцовом диапазоне и выше) дисперсия приводит к преобразованию частотной модуляции в амплитудную модуляцию (ЧМ/АМ), которое невозможно отличить от поглощения метастабильным газом в измерительной ячейке.
Решение проблемы предлагается за счет двухтональной частотной модуляции (ДТЧМ, англ. сокр. TTFM от "two-tone frequency modulation"), представленной на фиг. 5 и 6. В дополнение к первой модуляции частотой ω1 (например, 1 ГГц) осуществляется вторая модуляция гораздо более низкой второй частотой Ω≤10 МГц. Первая частота ω1 находится в гигагерцовом диапазоне, а вторая частота Ω - в мегагерцовом диапазоне. На фиг. 5 представлен входной спектр 51. Две частоты ω1, Ω модуляции генерируются и обрабатываются одновременно, за счет чего происходит формирование боковых полос (ω0-ω1)±½Ω и (ω0+ω1)±½Ω.
На фиг. 4 на входной стороне оптоволоконного тракта 50 показан спектр частот лазера с одночастотной модуляцией (ЧМ) с амплитудой Ае, а на выходной стороне показаны те же самые частоты с амплитудой Аа, полученной с учетом хроматической дисперсии в волокне. При двухтональной же частотной модуляции, как показано на фиг. 6, амплитуда частоты Ω не будет подвержена значительному влиянию вдоль длины оптоволоконного тракта, ни вследствие хроматической дисперсии, ни вследствие поглощения.
Хотя в данном документе изобретение описано и проиллюстрировано со ссылками на конкретные иллюстративные варианты его осуществления, эти варианты не предназначены для ограничения объема изобретения. Специалистам понятно, что возможны видоизменения и модификации без отступления от объема изобретения, установленного прилагаемой формулой изобретения. Следовательно, все такие видоизменения и модификации следует считать охваченными изобретением, если они попадают в объем прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.
1. Устройство для проведения течеискания в нескольких точках (30) контроля, содержащее несколько измерительных ячеек (10) для оптического обнаружения пробного газа, каждая из которых имеет средство (18) возбуждения для перевода пробного газа в метастабильное состояние, источник (15) излучения и приемник (16) излучения, а также содержащее базовый блок (25), включающий в себя перестраиваемый по частоте лазер (26) и фотодетектор (37) и соединенный с измерительными ячейками (10) посредством оптических волокон (20, 21), образующих указанные источник (15) излучения и приемник (16) излучения, причем указанный лазер (26) приводится в действие посредством двухтональной частотной модуляции (ДТЧМ) путем генерации для испускаемого лазерного излучения, направляемого посредством оптических волокон, боковых полос (ω0-ω1)±1/2Ω и (ω0+ω1)±1/2Ω, где ω0 - центральная частота лазера, ω1 - первая частота модуляции, которая больше или равна 1 ГГц, a Ω - вторая частота модуляции, которая меньше или равна 10 МГц.
2. Устройство по п. 1, в котором между базовым блоком (25) и измерительными ячейками (10) предусмотрен светоделитель (29), предназначенный для подачи одного лазерного луча, одновременно или поочередно, ко всем отдельным измерительным ячейкам (10).
3. Устройство по п. 1, в котором между измерительными ячейками (10) и базовым блоком (25) предусмотрен селектор (33) лучей, с помощью которого несколько лазерных лучей, выходящих из измерительных ячеек (10), подаются, одновременно или поочередно, в световод (34), ведущий к базовому блоку (25).
