Дистанционный лазерный газоанализатор метана

Изобретение относится к измерительной лазерной технике и предназначено для измерения удельной концентрации примесных газов в окружающем воздухе дистанционным методом, в частности газа метана. Устройство, содержит лазер, передающий телескоп, приемный объектив, фотоприемник, модулятор-контроллер, опорный генератор, три усилителя, три синхронных детектора, регистратор интегральной концентрации, аналоговый переключатель, регистратор дальности, регистратор удельной концентрации, делитель частоты, отклоняющая система с блоком управления, оптический усилитель, причем оптический выход лазера соединен с оптическим входом оптического усилителя, оптический выход которого соединен с оптическим входом передающего телескопа, выход приемного объектива соединен с оптическим входом фотоприемника, выходы первого и второго усилителей соединены соответственно со входами первого и второго синхронных детекторов, выходы которых соединены со входами регистратора интегральной концентрации, первый выход опорного генератора соединен со входом модулятора-контроллера, первый выход которого соединен с управляющим входом первого синхронного детектора, второй выход - с управляющим входом второго синхронного детектора, а третий выход - со входом лазера, первый оптический вход отклоняющей системы с блоком управления соединен с оптическим выходом передающего телескопа, а первый оптический выход отклоняющей системы с блоком управления через среду распространения соединен со вторым оптическим входом отклоняющей системы с блоком управления, второй оптический выход которой соединен с оптическим входом приемного телескопа, а электрический вход соединен со вторым выходом делителя частоты, первый выход которого соединен с управляющим входом аналогового переключателя, вход которого соединен с выходом фотоприемника, а первый выход соединен со входами первого и второго усилителей, второй выход аналогового переключателя соединен со входом третьего усилителя, выход которого соединен со входом третьего синхронного детектора, выход которого соединен со входом регистратора дальности, выход которого соединен со вторым входом регистратора удельной концентрации, первый вход которого соединен с выходом регистратора интегральной концентрации, а третий вход соединен с выходом опорного генератора, третий выход которого соединен со входом делителя частоты, управляющий вход третьего синхронного детектора соединен с первым выходом модулятора-контроллера.

Изобретение относится к измерительной лазерной технике и предназначено для измерения удельной концентрации примесных газов в окружающем воздухе дистанционным методом, в частности газа метана. Известен газоанализатор, содержащий параболическое зеркало, фотоприемник, диодный лазер, оптический объектив, расщепитель луча, реперный канал [1]. Устройство работает следующим образом. Диодный лазер излучает в импульсном режиме с длительностью импульсов 1 мсек на длине волны 1,65 мкм. При этом длина волны излучения диодного лазера сканируется в течение импульса в окрестности одной из сильных узких линий поглощения метана. Лазерный пучок, сформированный прибором, отражается топографическим объектом (земля, трава, лес, и т.д.), попадает на приемное параболическое зеркало и фокусируется на фотоприемник. После фотоприемника по величине провала в линейно нарастающем сигнале вычисляется интегральная концентрация метана на трассе распространения. Также детектор метана включает в себя реперный канал, в котором часть лазерного пучка проходит через кювету с метаном и фокусируется на другом фотоприемнике (ФП).

Недостатком данного устройства является большая погрешность измерения удельной концентрации метана на пути лазерного луча, поскольку расстояние до отражающей поверхности не измеряется, а считается постоянным. Недостаточна оперативность измерений из-за низкой скорости обзора пространства газоанализатором. Ограничена дальность действия.

Известен газоанализатор, содержащий блок лазерного излучателя, блок приема аналитического сигнала, блок управления приема и обработки данных, дальномер [2]. Недостатком данного устройства является низкое быстродействие (1 миллисекунда на одно измерение), малая дальность действия из-за малой мощности лазерного излучателя. К тому же дальномер входит в схему как совершенно отдельное устройство, из-за чего его оптическая ось не совпадает с оптической осью газоанализатора и поэтому снижается точность определения расстояния до диффузно отражающего объекта.

Известен лазерный газоанализатор метана, содержащий лазер, стабилизированный на линии метана, фотоприемник, предающий телескоп, приемный объектив, модулятор-контроллер, опорный генератор, два усилителя, два синхронных детектора, регистратор интегральной концентрации [3], рис.1.

Устройство работает следующим образом. При модуляции лазера сигналом частоты f из-за нелинейности принимаемого сигнала при наличии метана на трассе измерения, возникает вторая гармоника 2f в спектре принимаемого сигнала. Частоты f и 2f после фотоприемника синхронно детектируются и по соотношению продетектированных сигналов на частотах f и 2f в регистраторе интегральной концентрации измеряется интегральная концентрация газа на трассе измерения.

Недостатком данного устройства является большая погрешность измерения удельной концентрации метана на пути лазерного луча, поскольку расстояние до отражающей поверхности не измеряется, а считается постоянным. Устройство имеет малую дальность действия. Недостаточна оперативность измерений из-за низкой скорости обзора пространства.

Целью изобретения является повышение дальности действия, точности и достоверности измерения удельной концентрации метана, а также повышение оперативности измерений. На рис.2 представлена блок-схема устройства, содержащая: 1 - лазер, стабилизированный на линии метана, 2 - передающий телескоп, 3 - приемный объектив, 4 - фотоприемник, 5 - модулятор-контроллер, 6 - опорный генератор, 7, 8 - усилители, 9, 10 - синхронные детекторы, 11 - регистратор интегральной концентрации, 12 - аналоговый переключатель, 13 - третий усилитель, 14 - третий синхронный детектор, 15 - регистратор дальности, 16 - регистратор удельной концентрации, 17 - делитель частоты, 18 - отклоняющая система с блоком управления, 19 - оптический усилитель.

Устройство работает следующим образом. При модуляции лазера сигналом частоты f из-за нелинейности принимаемого сигнала в случае наличия метана на трассе измерения, возникает вторая гармоника 2f в спектре принимаемого излучения. Частоты f и 2f после фотоприемника синхронно детектируются и по соотношению продетектированных сигналов f и 2f в регистраторе интегральной концентрации определяется интегральная концентрация на трассе измерения. Аналоговый переключатель, работая синхронно с модулятором-контроллером попеременно переключают прибор в режим измерения интегральной концентрации метана и в режим измерения дальности до отражающей поверхности. Эти величины поступают на регистратор удельной концентрации, где определяется удельная концентрация на трассе распространения и тем самым повышается точность и достоверность измерения удельной концентрации метана (реальная, а не приближенная плотность газового облака), поскольку расстояние до отражающей поверхности определяется не «на глазок», а с точностью до сантиметра. Такая точность обеспечивается за счет того, что оптическая ось газоанализатора и дальномера одна и та же, а скорость одного измерения быстрее чем 0.1 миллисекунда.

В процессе измерения дальности лазер с помощью модулятора контроллера отстраивается от линии метана посредством скачкообразной подачи на лазер увеличенного напряжения. Тем самым измерение дальности происходит при отсутствии поглощающих линий атмосферных газов на линии излучения лазера, что существенно повышает точность измерения расстояния. Одновременно повышается оперативность измерений, поскольку синхронно с частотой срабатывания аналогового переключателя срабатывает и блок управления отклоняющей системы и луч лазера перенацеливается в следующую точку, то есть луч быстро сканируется по пространству и определяется пространственная картина распределения метана в исследуемом объеме. Дальность действия повышается за счет введения в устройство оптического усилителя работающего на длине волны поглощения метана.

Проведенные исследования газоанализатора показали, что его точность и достоверность в 2-3 раза лучше, чем у прототипа, а оперативность измерений и дальность действия повышаются на порядок. Особенно это улучшение заметно в гористой местности, где перепады высот до объекта отражения отличаются в несколько раз даже за небольшое время в процессе пролета и сканирования газовых облаков.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. http://pergam.kiev.ua/dls.htm

2. Патент 2285251 G01N 21/61, G01N 21/39

3. Applied Optics, vol.31, 6, 20 February 1992. p.809.

Дистанционный лазерный газоанализатор метана, содержащий лазер, передающий телескоп, приемный объектив, фотоприемник, модулятор-контроллер, опорный генератор, первый и второй усилители, первый и второй синхронный детекторы, регистратор интегральной концентрации, причем выход приемного объектива соединен с оптическим входом фотоприемника, выходы первого и второго усилителей соединены соответственно со входами первого и второго синхронных детекторов, выходы которых соединены со входами регистратора интегральной концентрации, первый выход опорного генератора соединен со входом модулятора-контроллера, первый выход которого соединен с управляющим входом первого синхронного детектора, второй выход - с управляющим входом второго синхронного детектора, а третий выход - со входом лазера, отличающийся тем, что в него введены аналоговый переключатель, третий усилитель, третий синхронный детектор, регистратор дальности, регистратор удельной концентрации, делитель частоты, отклоняющая система с блоком управления, оптический усилитель, оптический вход которого соединен с оптическим выходом лазера, а оптический выход соединен с оптическим входом передающего телескопа, оптический выход которого соединен с первым оптическим входом отклоняющей системы с блоком управления, первый оптический выход которой через среду распространения соединен со вторым оптическим входом отклоняющей системы с блоком управления, а второй оптический выход соединен с оптическим входом приемного телескопа, электрический вход отклоняющей системы с блоком управления соединен со вторым выходом делителя частоты, первый выход которого соединен с управляющим входом аналогового переключателя, вход которого соединен с выходом фотоприемника, а первый выход соединен со входами первого и второго усилителей, второй выход аналогового переключателя соединен со входом третьего усилителя, выход которого соединен со входом третьего синхронного детектора, выход которого соединен со входом регистратора дальности, выход которого соединен со вторым входом регистратора удельной концентрации, первый вход которого соединен с выходом регистратора интегральной концентрации, а третий вход соединен с выходом опорного генератора, третий выход которого соединен со входом делителя частоты, управляющий вход третьего синхронного детектора соединен с первым выходом модулятора-контроллера.