Оптико-акустический газоанализатор

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к оптико-акустическим инфракрасным (ИК) газоанализаторам, и может быть использована для количественного анализа состава газовых смесей в промышленности, научно-технических исследованиях, экологическом мониторинге окружающей среды и др. областях деятельности.

Предлагаемый оптико-акустический газоанализатор содержит лазер накачки, установленные на его оптической оси дихроичное зеркало, оптический селектор каналов и два перестраиваемых в разных частотных диапазонах параметрических генератора света, выход каждого из которых связан с оптическим входом оптико-акустического детектора, систему подготовки и отбора газовой пробы, а также устройство регистрации и обработки данных и управления работой анализатора.

Параметрические генераторы света поочередно подключаются к лазеру накачки с помощью оптического селектора каналов.

Предлагаемый лазерный газоанализатор обеспечивает возможность проведения высокоточного анализа многокомпонентных газовых смесей в живом времени, обладает высокими пороговой чувствительностью и избирательностью.

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к оптико-акустическим инфракрасным (ИК) газоанализаторам, и может быть использована для количественного анализа состава газовых смесей в промышленности, научно-технических исследованиях, экологическом мониторинге окружающей среды и др. областях деятельности.

Известны ИК газоанализаторы, предназначенные для количественного анализа состава газовых смесей (см., например, патент RU 2091764, МПК G01N 21/61, от 1998.08.16.; патенты US 4013260, МПК G01N 21/31, G01N 33/00, G01J 1/00 от 1977.03.22; 4236827, МПК G01N 21/37, G01N 21/34, от 1980.12.02.; 4288693, МПК G01N 21/37, G01J 1/00, G01N21/25, от 1981.08.09.; 5773828, МПК G01N 21/35; G01N 21/35, от 1995.03.04; европейский патент ЕР 0794423, МПК G01N 21/03, G01N 21/35, G01N 21/03, G01N 21/35, от 1996.03.06.; патент Японии JP 9033432, МПК G01N 21/35, G01N 21/61, G01N 21/35, G01N 21/61, от 1997.02.07.)

Известные устройства, отличаясь в той или иной степени по структурно-функциональным схемам и конструкциям отдельных узлов и элементов, в общем случае содержат оптически связанные источник ИК излучения со сплошным спектром (обычно ИК лампа накаливания), формирователь пучка излучения, электромеханический прерыватель-модулятор пучка, оптические фильтры, газовую кювету, оптико-акустический детектор (ОАД), устройство управления и обработки данных.

Принцип работы указанных газоанализаторов заключается в том, что непрерывный поток ИК излучения со сплошным спектром формируется в узкий пучок, периодически перекрываемый установленным на его пути обтюратором-модулятором с целью получения периодической последовательности импульсов излучения. Последние пропускают через полосовой обрезающий фильтр, выделяющий из спектра источника ту его область, в которой находятся линии поглощения анализируемого газа, после чего подают на ОАД.

Через камеру детектора непрерывно или порциями прокачивается анализируемая газовая проба. Если в последней содержатся следы искомого газа, то часть энергии излучения поглощается ими, газ в камере нагревается, обусловливая появление в газовой среде импульсов давления, которые регистрируются микрофоном детектора как звуковой сигнал, информативный относительно концентрации газа интереса.

Недостатками известных газоанализаторов, связанными с наличием в их составе механического обтюратора-модулятора, является относительно высокий уровень акустического фона детектора, наличие которого снижает пороговую чувствительность газоанализатора и увеличивает погрешность результатов измерений.

Кроме того, известные газоанализаторы имеют низкую избирательность, связанную с тем, что полоса пропускания обрезающего фильтра достаточно широка, так что в ней, кроме линий поглощения искомого газа, могут находиться линии поглощения других газов, которые будут зарегистрированы детектором как помехи, вуалирующие полезный сигнал.

Известен газоанализатор (патент RU 1795737, МПК 6 G01N 21/61, G01N 21/39, опубликован 27.02.1995), содержащий оптически сопряженные гелий-неоновый лазер в качестве источника зондирующего излучения, модулятор с формирователем сигнала, делительную пластину, многоходовую кювету с газовой средой и два фотоприемника, связанных со схемой обработки сигналов.

В известном устройстве, использование лазерного источника излучения позволяет реализовать высокое спектральное разрешение прибора (примерно (10-20 нм), за счет чего обеспечивается достаточно высокая избирательность анализа. С другой стороны, использование в качестве источника излучения одночастотного лазера значительно сужает область применения прибора, а именно: газоанализатор известного типа пригоден для обнаружения только одного определенного газа, линия поглощения которого совпадает с длиной волны лазерного излучения.

Указанный недостаток частично устранен в лазерном газоанализаторе (см. Бродниковский A.M., Богачев М.Б. ПЭТ.- 1991, N1, с.192-195), содержащем расположенные на одной оптической оси лазер, блок формирования луча, включающий оптически связанные модулятор, формирователь, фокусирующую линзу и поворотное зеркало с дифракционной решеткой, оптико-акустический детектор (ОАД), подключенный через блок сопряжения к компьютерному устройству управления, обработки и регистрации данных.

Выбранной в приборе способ перестройки длины волны лазерного излучения с использованием дифракционной решетки и поворотного зеркала обеспечивает выделение 36 линий излучения, что позволяет единовременно выполнять анализ многокомпонентных газовых смесей.

Вместе с тем, вследствие ограниченного числа линий излучения, многокомпонентность анализа единичной пробы относительно невысока, что является одним из недостатков известного газоанализатора.

Кроме того, дифракционная решетка как элемент перестройки частоты лазера не обеспечивает достаточно высокой монохроматичности линий излучения и, соответственно, высокой избирательности анализа, а значительные потери света на ней снижают мощность пучка зондирующего излучения и, соответственно, чувствительность анализа.

Задачей предлагаемой полезной модели является создание лазерного оптоакустического анализатора, лишенного недостатков вышеприведенных аналогов. Техническими результатами разработки являются высокие чувствительность и избирательность анализа, возможность анализа в живом времени состава многокомпонентных газовых смесей.

Результаты полезной модели достигаются за счет того, в оптико-акустическом газоанализаторе, содержащем лазер, блок формирования луча, ОАД, систему подготовки и отбора газовой пробы и устройство регистрации и обработки данных, блок формирования луча включает дихроичное зеркало и оптический селектор каналов, установленные на оптической оси лазера, и, по меньшей мере, два перестраиваемых по частоте параметрических генератора света (ПГС) с оптической накачкой, поочередно подключаемых к лазеру с помощью оптического селектора каналов, при этом выход каждого из ПГС через селектор каналов, дихроичное зеркало и делительную пластину связан с оптическим входом ОАД.

Оптический селектор каналов представляет собой зеркало, установленное на сдвигающейся относительно направления луча лазера платформе.

Сущность предлагаемого технического решения иллюстрируется нижеследующим рисунком, на котором приведена оптическая схема заявляемого устройства.

Газоанализатор содержит лазер 1, дихроичное зеркало 2, оптический селектор каналов 3, параметрические генераторы света 4, 5, делительную пластину 6, ОАД 7, систему подготовки и отбора газовой пробы, устройство регистрации и обработки данных (не показаны).

Предлагаемый газоанализатор работает следующим образом.

Лазер 1, служащий в качестве средства оптической накачки параметрических генераторов света 4, 5, генерирует в импульсно-периодическом режиме монохроматическое излучение (например, с длиной волны 1,053 мкм), которое отражается дихроичным зеркалом 2 на оптический селектор каналов 3. Селектор каналов 3, в зависимости от положения его зеркала, направляет луч лазера 1 либо в ПГС 4, либо в ПГС 5, активируя тем самым генерацию в них оптического излучения в нужном спектральном диапазоне (2-4 мкм в одном ПГС, 4-11 мкм - в другом).

Выходной пучок излучения ПГС 4 (или ПГС 5) проходит через дихроичное зеркало 2 и делительную пластину 6, работающую как спектральный фильтр, пропускающий излучение в спектральном диапазоне 212 мкм, после чего поступает на оптический вход ОАД.

ОАД 7 заполняется газовой пробой с примесями, имеющими отдельные линии поглощения в спектральном диапазоне 212 мкм. При прохождении через ОАД импульсно-периодического излучения ПГС 4 (или ПГС 5), перестраиваемого в диапазоне 2-4 (4-12 мкм) ОАД 7 на характерных длинах волн регистрирует спектры поглощения веществ, присутствующих в газовой пробе. Амплитуда сигналов поглощения, регистрируемая ОАД, пропорциональна мощности излучения соответствующего ПГС, концентрации поглощающего газа в пробе, коэффициенту его поглощения на длине волны зондирующего излучения.

Использование в предлагаемом лазерном газоанализаторе плавно перестраиваемых по частоте ПГС обеспечивает возможность получения узких спектральных линий зондирующего излучения в широком спектральном диапазоне, что позволяет при высокой избирательности анализа осуществлять анализ многокомпонентных газовых смесей в живом времени.

Применение для накачки нескольких ПГС одного лазера, луч которого без потерь мощности может быть с помощью оптического селектора каналов перенаправлен на любой из преобразователей, значительно снижает потери мощности зондирующего излучения, что, в конечном счете, повышает соотношение сигнал/шум при детектировании сигнала с соответствующим повышением чувствительности и снижением погрешностей анализа.

1. Оптико-акустический газоанализатор, содержащий лазер, блок формирования луча, оптико-акустический детектор, систему подготовки и отбора газовой пробы и устройство управления работой анализатора, регистрации и обработки данных, отличающийся тем, что блок формирования луча включает установленные на оптической оси лазера дихроичное зеркало, оптический селектор каналов и оптически связанные с последним, по меньшей мере, два перестраиваемых по частоте параметрических генератора света с оптической накачкой, выход каждого из которых через селектор каналов, дихроичное зеркало и делительную пластину связан с оптическим входом ОАД.

2. Оптико-акустический газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что оптический селектор каналов представляет собой зеркало, установленное на сдвигающейся относительно направления луча лазера платформе.