Волоконно-оптический газоанализатор утечки хладона

Полезная модель относится к технике аналитического и измерительного приборостроения для обнаружения и определения концентрации газов и может быть использована для определения в воздушной среде относительной объемной концентрации хладона.

В основу полезной модели положена задача создания волоконно-оптического газоанализатора утечки хладона, в котором за счет использования поглощения на длине волны 222 нм (использование излучения с длиной волны 222 нм), наличия полупроводникового фотоприемника, а также датчиков температуры и давления возможно осуществлять постоянный мониторинг объемной концентрации хладона.

Очень высокая скорость отклика системы - сотые доли секунды - связана с тем, что не требуется спектрального преобразования сигнала, накопления сигнала, и скорость определяется только скоростью оптического сигнала и его преобразования в электрический. Такая высокая скорость позволяет одновременно отслеживать десятки датчиков.

1 н.п.ф., 1 з.п.ф., 2 илл.

Полезная модель относится к технике аналитического и измерительного приборостроения для обнаружения и определения концентрации газов и может быть использована для определения в воздушной среде относительной объемной концентрации следующих газов:

1) Хладон 114В2 - химическая формула C ₂F₄Br₂, иностранный аналог-HALON 2402, ГОСТ, 15899-79

2) Хладон 13В1 - химическая формула СF₃Вr, иностранный аналог-HALON 1301, ТУ 6.02.96. Областью применения предлагаемой полезной модели являются системы пожаротушения двигателей самолетов и др. техники, в которых используются хладоны, промышленные системы заморозки и охлаждения, в которых используются хладоны.

Известен волоконно-оптический газоанализатор, содержащий последовательно установленные и оптически связанные излучатель, входное оптическое волокно, многоходовую кювету, состоящую из трех сферических зеркал, выходное оптическое волокно, блок регистрации и обработки информации, в котором дополнительно между выходным оптическим волокном и блоком регистрации установлен спектральный интегральный демультиплексор, при этом на двойном фокусном расстоянии от двух зеркал-объективов кюветы находится зеркало-коллектив, на продолжении сферы которого в непосредственной близости от его края с одной стороны установлены торцы входного и выходного оптических волокон, оба зеркала-объектива установлены с возможностью совместного поворота относительно центра кривизны зеркала-коллектива в общей меридианальной плоскости всех зеркал, а излучатель выполнен импульсным (заявка РФ 94030252, МПК G01N 21/61, опубл. 20.06.1996). Это техническое решение не может быть использовано для определения концентрации хладона, т.к. использование спектрального демультиплексора увеличивает габариты устройства, снижает быстродействие и чувствительность датчика, что принципиально важно в системе пожаротушения двигателей самолетов. Отсутствие датчиков температуры и давления не позволяют определять концентрации газов при большом перепаде температур и низких давлениях (двигатель самолета в полете). Кроме того, параметры газоанализатора снижает использование импульсного источника излучения.

В основу полезной модели положена задача создания волоконно-оптического газоанализатора утечки хладона, в котором за счет использования поглощения на длине волны 222 нм (использование излучения с длиной волны 222 нм), наличия полупроводникового фотоприемника, а также датчиков температуры и давления возможно осуществлять постоянный мониторинг объемной концентрации хладона.

Очень высокая скорость отклика системы - сотые доли секунды - связана с тем, что не требуется спектрального преобразования сигнала, накопления сигнала, и скорость определяется только скоростью оптического сигнала и его преобразования в электрический. Такая высокая скорость позволяет одновременно отслеживать десятки датчиков.

Технический результат обеспечивается тем, что в волоконно-оптическом газоанализаторе утечки хладона, содержащем последовательно установленные и оптически связанные монохроматический источник излучения, входное оптическое волокно, оптическую систему для измерения степени поглощения окружающей среды, выходное оптическое волокно, блок регистрации и обработки информации, дополнительно в оптическую систему для измерения степени поглощения окружающей среды установлен датчик температуры, в блок регистрации и обработки информации включены источник излучения с длиной волны 222 нм, фотоприемник на УФ оптический диапазон с максимумом чувствительности в области 200-340 нм, датчик давления, интерфейс и компьютер, а в качестве световодов использовано оптоволокно с областью оптического пропускания 200-1200 н При этом в качестве источника излучения может быть выбрана эксимерная лампа на хлориде криптона с длиной волны 222 нм и полушириной полосы 5 нм.

За счет использования особенностей поглощения хладонов в ультрафиолетовой области спектра и создания условий для измерения этого поглощения полезная модель обеспечивает автоматическое измерение концентрации хладонов в удаленных, труднодоступных местах и температурах от - 50ºС до +250ºС; позволяет осуществлять постоянный мониторинг объемной концентрации хладона. При этом для предлагаемой полезной модели характерна очень маленькая скорость отклика системы - сотые доли секунды и маленькие размеры системы. Система адаптивна для измерений концентраций хладонов других марок (требуется только смена длины волны излучения).

Полезная модель поясняется с помощью фиг.1-3, на которых показаны принципиальная схема системы волоконно-оптического газоанализатора утечки хладона, а также сечения поглощения вышеупомянутых хладонов в ультрафиолетовой области спектра.

Волоконно-оптический газоанализатор утечки хладона, показанный на фиг.1, содержит последовательно установленные и оптически связанные источник излучения 1, установленный в блоке регистрации и обработки информации 2, входное оптическое волокно 3, по крайней мере одну оптическую систему для измерения степени поглощения окружающей среды 4, выходное оптическое волокно 5, блок регистрации и обработки информации 6, дополнительно в оптическую систему для измерения степени поглощения окружающей среды 4 установлен датчик температуры 7, в блок регистрации и обработки информации 2 включены источник излучения 1 с длиной волны 222 нм, фотоприемник 8 на УФ оптический диапазон с максимумом чувствительности в области 200-340 нм, датчик давления 9, интерфейс 10 и компьютер 11, и использовано оптоволокно с областью оптического пропускания 200-1200 нм. При этом в качестве источника излучения 1 может быть выбрана эксимерная лампа на хлориде криптона с длиной волны 222 нм и полушириной полосы 5 нм.

Каждая выносная оптическая система для измерения степени поглощения окружающей среды 4 (датчик) имеет следующие элементы, обеспечивающие вывод излучения из световода, проход света сквозь детектируемую газовую среду, ввод оптического сигнала в световод) и датчик температуры 7, необходимый для пересчета измеренных значений в объемные доли при нормальных условиях. Данные о давлении, необходимые для пересчета измеренных значений в объемные доли при нормальных условиях, поступают от датчика давления 9. (световод - оптическое волокно в прототипе)

Принцип действия волоконно-оптического газоанализатора утечки хладона основан на измерении оптического поглощения в газовой среде, содержащей хладон на длине волны 222 нм. На фиг.2, 3 приведены сечения поглощения вышеупомянутых хладонов в ультрафиолетовой области спектра.

Согласно приведенным данным сечения поглощения для хладонов CF₃ Br и C₂F₄Br₂ на длине волны 222 нм составляют 6.510^-20 и 6.510^-19 см²/молекулу соответственно. Таким образом, при использовании фотоприемника, позволяющего детектировать уровень поглощения 10^-2 и реализации оптического пути детектирования длиной 20 см, чувствительность датчика на хладоны CF₃Br и C₂F₄ Br₂ составляет 0.03 и 0.003% соответственно. Расчет чувствительности датчика на хладон n - число молекул хладона

N - число молекул в газе

Sc - сечение поглощения (см²/молекулу)

D - оптическая плотность

V_m - объем моля газа (см ³)

- коэффициент поглощения (см^-1)

I - длина оптического пути (см)

n=aV/Sc

=D/I (см-1)

n=D*V/(I*Sc)

N=N_A*V/V_m

n/N=D*V_m /(N_A*I*Sc)

D=0.01

Sc=6.5*10-20 (CF3Br) и 6.5*10-19 (C2F4Br2)

N_A=6.023*10 ²³

V_m=22.4*10³

n/N*100%=(0.01*22.4*10³/(6.023*10 ²³*20*6.5*10-²⁰))*100=0.03%

(СР3Вr) и 0.003%(C2F4Br2)

Измерение заключается визмеренииоптической плотности на длине волны 222 нм и автоматическом пересчете ее в концентрацию хладона по вышеприведенным формулам с учетом зависимости V_m от температуры (Т) и давления (Р) (Vm=22.4*10 ³*Ро*T/Р*T^o, где индекс «^o» относится к комнатной температуре и атмосферному давлению).

1. Волоконно-оптический газоанализатор утечки хладона, содержащий последовательно установленные и оптически связанные источник излучения, входное оптическое волокно, по крайней мере, одну оптическую систему для измерения степени поглощения окружающей среды, выходное оптическое волокно, блок регистрации и обработки информации, отличающийся тем, что дополнительно в оптическую систему для измерения степени поглощения окружающей среды установлен датчик температуры, источник излучения выбран с длиной волны 222 нм, включенный в блок регистрации и обработки информации, в который также включены фотоприемник на УФ оптический диапазон с максимумом чувствительности в области 200-340 нм, датчик давления, интерфейс и компьютер, а также использовано оптоволокно с областью оптического пропускания 200-1200 нм.

2. Волоконно-оптический газоанализатор утечки хладона по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника излучения выбрана эксимерная лампа на хлориде криптона с длиной волны 222 нм и полушириной полосы 5 нм.