Лазерный газоанализатор



Лазерный газоанализатор
Лазерный газоанализатор

 


Владельцы патента RU 2613200:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для проведения качественного и количественного анализа газовых сред. Лазерный газоанализатор содержит непрерывный лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету с входным окном для ввода лазерного излучения и окном для вывода рассеянного излучения под углом 90°, фотообъектив, голографический фильтр, спектральный прибор, сопряженный с ПЗС-матрицей, и блок управления. Внутренние грани газовой кюветы образуют прямоугольный параллелепипед, причем на грани, не имеющей окна и параллельной другой грани, также не имеющей окна, установлен акустический излучатель, создающий внутри кюветы стоячую звуковую волну, перпендикулярную лазерному лучу и обеспечивающую в области фокусировки область сжатия газа. Техническим результатом изобретения является повышение достоверности газоанализа. 2 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для проведения качественного и количественного анализа газовых сред.

Среди разнообразных методов газоанализа особое место занимает метод, основанный на спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) света. Спектры КР объясняются рассеянием возбуждающего лазерного излучения молекулами на частотах, соответствующих их внутреннему строению, а интенсивность данных спектров линейно зависит от количества молекул. Таким образом, суть данного метода заключается в регистрации спектров КР и проведении по ним качественного и количественного анализа газовых сред. В первую очередь, данный подход отличает отсутствие расходных материалов и сложной пробоподготовки, высокое быстродействие, а также возможность одновременного контроля всех молекулярных соединений анализируемой газовой среды, содержание которых превышает порог чувствительности аппаратуры. Благодаря этим преимуществам данный тип газоанализаторов является одним из наиболее перспективных на сегодняшний день.

Необходимо отметить, что основным недостатком газоанализа с помощью спектроскопии КР является низкая интенсивность информативных сигналов, что напрямую отражается на величинах пороговых пределов обнаружения газовых компонентов и относительно невысокой достоверности проводимого газоанализа.

Известен лазерный анализатор, основанный на методе спектроскопии комбинационного рассеяния света [свидетельство на полезную модель №10462, 1999 г., G01N21/25]. Несмотря на то, что данное устройство предназначено для газоанализа природного газа, оно способно осуществлять диагностику и других газовых сред. Данный анализатор содержит лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету, конденсорный объектив, деполяризующий клин, голографический фильтр, полихроматор, содержащий вогнутую дифракционную решетку, приемный блок, содержащий распределительный элемент и фотодиодные линейки, а также блок управления и ЭВМ. Суть его работы заключается в регистрации спектра комбинационного рассеяния света исследуемой газовой среды и проведении по нему качественного и количественного анализа. Основным недостатком данного устройства является низкая достоверность анализа, обусловленная низкой интенсивностью регистрируемых спектров КР. Данное обстоятельство, в свою очередь, обуславливается использованием объектива для сбора рассеянного света с малой светосилой (1:6) и спецификой полихроматора, использующего вогнутую дифракционную решетку и, соответственно, обладающего также малой светосилой.

Наиболее близким по принципу действия (прототипом) является анализатор состава природного газа [Патент РФ № 126136, 2013 г., G01N 21/00]. Данный анализатор также основан на спектроскопии комбинационного рассеяния света и имеет потенциал анализа любых молекулярных соединений. Данный анализатор частично лишен недостатка устройства, описанного выше, в части использования компонентов с малой светосилой. Указанное устройство имеет в своем составе лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету, фотообъектив со светосилой 1:1.8, голографический фильтр, блок управления, а также светосильный спектральный прибор с плоской дифракционной решеткой, сопряженный с ПЗС-матрицей.

Тем не менее основным недостатком данного анализатора газа является низкая достоверность анализа, обусловленная относительно низкой интенсивностью регистрируемых спектров КР.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение интенсивности регистрируемых спектров КР за счет увеличения плотности молекул в области взаимодействия лазерного луча и анализируемого газа.

Технический результат – повышение достоверности газоанализа.

Указанный результат достигается тем, что в системе, содержащей непрерывный лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету с входным окном для ввода лазерного излучения и окном для вывода рассеянного излучения под углом 90°, фотообъектив, голографический фильтр, обеспечивающий ослабление рассеянного излучения на длине волны лазера, спектральный прибор, сопряженный с ПЗС-матрицей, и блок управления, в отличие от прототипа, внутренние грани газовой кюветы выполнены таким образом, что они образуют прямоугольный параллелепипед, причем на грани, не имеющей окна и параллельной другой грани, также не имеющей окна, установлен акустический излучатель с частотой, создающий внутри кюветы стоячую звуковую волну, перпендикулярную лазерному лучу и обеспечивающую в области фокусировки область сжатия газа.

Известно, что акустическая волна представляет собой чередующиеся области сжатия и разрежения среды, в которой она распространяется. Выполнение внутренних граней кюветы таким образом, что образуется прямоугольный параллелепипед, а также обеспечение условий для образования внутри нее стоячей волны (см. соотношение 1) позволяет зафиксировать в пространстве данные области, причем за счет резонанса разница давлений в них увеличится.

l=nλ/2, (1)

где l – длина распространения акустической волны, λ – длина волны, n – целое нечетное число (1, 3, 5, …), ввиду того, что лазерный луч проходит через центр кюветы.

Таким образом, в области фокусировки лазерного луча внутри кюветы обеспечивается область сжатия газа, характеризующаяся повышением плотности молекул и, соответственно, их концентрацией, что обеспечивает повышение интенсивности сигналов КР в силу соотношения 2.

I=I0NΩσ, (2)

где I – интенсивность сигналов КР, I0 – интенсивность возбуждающего лазерного излучения, Ω – угол сбора рассеянного излучения, N – концентрация молекул данного сорта, σ – сечение рассеяния.

В свою очередь повышение интенсивности информативных сигналов КР гарантированно ведет к повышению достоверности проводимого газоанализа.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого лазерного газоанализатора (вид сбоку).

На фиг. 2 приведена блок-схема газоанализатора (вид сверху).

Лазерный газоанализатор содержит лазер (1), работающий в непрерывном режиме, фокусирующую линзу (2), газовую кювету (3), оснащенную окном для ввода лазерного излучения (4) и окном для вывода рассеянного света (5), акустический излучатель (6), фотообъектив (7) для сбора рассеянного излучения, голографический фильтр (8), спектральный прибор (9), ПЗС-матрицу (10) и блок управления (11).

Предлагаемый лазерный газоанализатор работает следующим образом. Возбуждающее излучение от лазера 1 фокусируется линзой 2 в центре газовой кюветы 3, проходя сквозь входное окно 4. Внутри кюветы 3 установлен акустический излучатель 6, генерирующий акустические волны. В силу его расположения от противоположной грани кюветы на расстоянии, кратном половине длины акустической волны, внутри кюветы образуется стоячая акустическая волна с областью сжатия в области фокусировки лазерного луча. Лазерное излучение, в свою очередь, рассеивается на молекулах анализируемого газа, находящегося внутри кюветы. Данное рассеянное излучение, наибольшая плотность мощности которого находится в центре кюветы, выходит через окно 5 и собирается фотообъективом 7. Данный объектив направляет собранное излучение на входную щель спектрального прибора 9, сквозь голографический фильтр 8, роль которого ослабить интенсивность упругого рассеяния света на частоте возбуждающего излучения. Спектральный прибор 9 разлагает попавший в него свет в спектр, который далее регистрируется ПЗС-матрицей 10. Последняя передает электрические сигналы в блок управления 11, где возможны их обработка и хранение.

Непосредственно вычисление качественного и количественного состава анализируемой газовой среды по зарегистрированному спектру КР может быть осуществлено либо в блоке управления, либо передано из него на компьютер.

Предлагаемое изобретение характеризуется более высокой достоверностью анализа, обусловленной регистрацией спектров КР газов с более высокой интенсивностью и, соответственно, более высоким соотношением сигнал/шум.

Лазерный газоанализатор, содержащий непрерывный лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету с входным окном для ввода лазерного излучения и окном для вывода рассеянного излучения под углом 90°, фотообъектив, голографический фильтр, обеспечивающий ослабление рассеянного излучения на длине волны лазера, спектральный прибор, сопряженный с ПЗС-матрицей, и блок управления, отличающийся тем, что внутренние грани газовой кюветы выполнены таким образом, что они образуют прямоугольный параллелепипед, причем на грани, не имеющей окна и параллельной другой грани, также не имеющей окна, установлен акустический излучатель с частотой, создающий внутри кюветы стоячую звуковую волну, перпендикулярную лазерному лучу и обеспечивающую в области фокусировки область сжатия газа.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к медицине, а именно к терапии и кардиологии, и может быть использовано для диагностики ишемической болезни сердца. Ткань ногтевых пластин с пятых пальцев кистей правой и левой рук возбуждают линейно поляризованным лазерным излучением длиной волны 532 нм.

Изобретение относится к способу определения компонента в сепарационном блоке, расположенном ниже по потоку относительно реактора получения уксусной кислоты, включающему (i) подачу сырьевого потока в ректификационную колонну для перегонки низкокипящих фракций, где сырьевой поток содержит следующие компоненты: йодистый метил, воду, метанол, метилацетат, ацетальдегид, уксусную кислоту, алканы и пропионовую кислоту, (ii) разделение с помощью ректификационной колонны для перегонки низкокипящих фракций сырьевого потока на первый погон выходящего потока и выходящий поток кубового остатка, где первый погон выходящего потока содержит следующие компоненты: от 30% мас.

Изобретение относится к переносным устройствам для экспресс-оценки оптических характеристик растений на определенных волновых числах, закономерное изменение амплитуды которых является признаком влияния водорода, и может применяться для выявления зон эманации водорода за счет использования растений в качестве биоиндикаторов.

Изобретение относится к способу получения винилацетата, где указанный способ включает: (а) взаимодействие в реакторе (i) от 65 до 80 мол.% этилена, (ii) от 10 до 25 мол.% уксусной кислоты и (iii) от 5 до 15 мол.% кислородсодержащего газа в присутствии палладиево-золотого катализатора с получением винилацетата; (b) выведение из реактора газового потока, содержащего этилен, уксусную кислоту, винилацетат, воду и диоксид углерода; (c) разделение газового потока на поток этилена, включающий этилен и диоксид углерода, и первичный поток винилацетата, включающий винилацетат, воду и уксусную кислоту; (d) разделение потока этилена на поток регенерированного этилена и поток диоксида углерода; (e) разделение первичного потока винилацетата на поток винилацетата и поток регенерированной уксусной кислоты; (f) повторную подачу в реактор на стадию (а) потока регенерированного этилена со стадии (d) и потока регенерированной уксусной кислоты со стадии (е); (g) измерение концентрации компонентов, принимающих участие или связанных с одной или несколькими из перечисленных выше стадий, с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния, где данная стадия измерения включает стадию идентификации сдвигов комбинационного рассеяния и интенсивностей сигналов компонентов, принимающих участие или связанных с одной или несколькими из перечисленных выше стадий; и (h) регулирование условий в реакторе или в любой из последующих стадий в соответствии с измеренными концентрациями компонентов для осуществления надлежащего управления реакцией или любой из последующих стадий.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к спектроскопии комбинационного рассеяния света, и может быть использовано для проведения качественного и количественного анализа газовых сред.

Изобретение относится к области оптико-физических методов измерений и касается способа и устройства для обнаружения и идентификации химических веществ и объектов органического происхождения.

Изобретение относится к области исследования свойств вещества оптическими средствами и касается анализатора комбинационного рассеяния. Анализатор включает в себя расщепитель оптического пучка, фильтр на атомных парах, прерыватель и фотодетектор.

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, в частности к оборудованию, позволяющему диагностировать определенные виды заболеваний человека путем анализа состава выдыхаемого им воздуха.

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и предназначено для качественного и количественного анализа природного газа (ПГ). Способ включает облучение газа линейно поляризованным монохроматическим лазерным излучением и одновременную регистрацию m спектров спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) эталонных газовых компонентов, входящих в состав ПГ, причем для них дополнительно регистрируется интегральная интенсивность облучающего лазерного излучения Ii, i=1..m, а величины относительных концентраций компонентов анализируемого ПГ из его спектра СКР определяются по формуле, в которую входят вклады спектров СКР эталонных газовых компонентов в зарегистрированный спектр СКР ПГ, вычисленные с помощью метода наименьших квадратов.

Изобретение относится к области оптических сенсоров, регистрирующих молекулярные группы и работающих в видимом диапазоне частот. Возобновляемая подложка для детектирования поверхностно-усиленного рамановского рассеяния состоит из наноструктурированной SERS-подложки и пассивирующего диэлектрического слоя.
Наверх