Лазерный газоанализатор для измерения содержания фтористого водорода в газовой среде
Использование: газоанализатор может быть использован в охране окружающей среды, в частности для разработки систем контроля содержания фтористого водорода в атмосфере с производством или использованием фтористых соединений, а также в научных исследованиях. Сущность: излучение He - Ne лазера, на переходе Ne(3p4-3S2) 
p селективно поглощается молекулами фтористого водорода, а излучение с o= 2,0350 мкм/3p4-2S4/ используется как опорное. Для попеременной коммутации длин волн p и o между лазером и делительной пластиной помещен модулятор, снабженный узкополосными интерференционными фильтрами для поддержания постоянным соотношения мощностей излучения на рабочей и опорной длинах волн Ep/Eo электронный измерительный блок включает блок обратной связи выхода сигнала с фотоприемника в плече контроля с источником питания лазера. 1 ил.
Изобретение относится к газовым анализаторам, работающим на основе лазерного абсорбционного метода и может быть использовано для разработки газоанализатора для определения содержания фтористого водорода - высокотоксичного химического вещества в атмосфере, технологических и сбросных газах, а также в научных исследованиях, например, для изучения кинетики газофазных реакций и т.п. Известен лазерный абсорбционный газоанализатор для определения содержания HF в воздухе электролизных цехов алюминиевого производства, у которого в качестве излучателя был использован непрерывный химический HF лазер, спектр излучения которого содержит набор линий, совпадающих с вращательными линиями Р ветви колебательного перехода О ->> IHF. Недостатки такого анализатора заключаются в том, что химический HF лазер ненадежен при длительной эксплуатации, требует постоянного расхода значительного количества гелия, водорода, образующиеся продукты являются токсичными веществами. Кроме того, аналитические лазерные линии поглощаются, кроме молекул HF, также присутствующими в атмосфере водой и углекислым газом, что усложняет устройство анализатора и обработку результатов. Наиболее близким к изобретению является лазерный газоанализатор, состоящий из двух Нe-Ne лазеров, которые обеспечивают пучок света, содержащий две частоты, первая из которых соответствует длине волны p = 2,3951 мкм, поглощается газообразным фтористым водородом, а вторая o = =2,3956 мкм не поглощается фтористым водородом и парами других веществ, находящихся в газовой среде. Интенсивность излучения p и o , прошедшего через среду, содержащую фтористый водород и отраженного от длительной пластины, измеряется двумя детекторами. Электронный блок обрабатывает сигналы, поступающие с детекторов и выдает информацию о концентрации HF в регистратор данных. Одним из недостатком прототипа с двумя Не-Ne лазерами является достаточно сложная оптическая схема. Другим недостатком является низкая мощность излучения Не-Ne лазера на опорной длине волны, которая составляет 
20% от мощности излучения на рабочей длине волны, что уменьшает чувствительность и дальнодействие анализатора при проведении измерений на протяженных трасах из-за потери мощности излучения на рассеяние и поглощение в атмосфере. Кроме того, для осуществления генерации на опорной длине o внутри резонатора одного из лазеров помещается ячейка, содержащая метан, что приводит к дополнительным потерям света. Целью изобретения является упрощение устройства, повышение чувствительности и дальнодействия при трассовых измерениях. Для достижения этой цели источника лазерного излучения рабочей и опорной длин волн совмещены и выполнены в виде лазера с одним источником питания, генерирующем излучение одновременно на рабочей и опорной длинах волн, причем в качестве рабочей длины волны используется излучение с p = 2,3951 мкм, а в качестве опорной - излучение с o = 2,0350 мкм, прозрачное для фтористого водорода и компонентов атмосферы (Н2О, СО2, CnHm и т.п.). Попеременная коммутация излучения p и o осуществляется с помощью селективного модулятора, выполненного в виде диска, одна половина которого изготовлена из интерференционного фильтра, прозрачного для рабочей, а другая - для опорной длин волн, Постоянство соотношения мощностей излучения на рабочей Ер и опорной Ео длинах волн Еp/Ео контролируется с помощью фотоприемника излучения. В случае отклонения Ер/Ео от первоначально заданного с фотоприемника поступает сигнал на вход электронного блока обратной связи, с выхода которого сигнал поступает в блок питания, где регулировка отношения Ер/Ео производится изменением тока разряда лазерной трубки. Отличительными признаками предлагаемого анализатора являются использование в схеме одного He-Ne лазера, одновременно генерирующего на двух длинах волн - рабочей p = 2,3951 мкм и опорной o = =2,0350 мкм, применение селективного модулятора и блока обратной связи. Благодаря этому упрощается устройство анализатора, так как вместо двух лазеров с источниками питания, двух модуляторов используется один, уменьшается также количество разводящей оптики. Применение в качестве опорной длину волны o = 2,0350, мощность которой равна мощности рабочей длины волны, и в 4-5 раз больше, чем в прототипе увеличивает соответственно чувствительность и дальнодействие прибора при проведении трассовых измерений. В результате того, что рабочая и опорная длины волн излучения отличаются на 0,36 мкм вместо 0,0005 мкм в прототипе, в предлагаемом анализаторе для попеременного коммутации лазерного излучения с p и o используется селективный дисковый модулятор с интерференционными фильтрами вместо метановой ячейки, находящейся внутри резонатора одного из лазеров. На чертеже изображена схема лазерного газоанализатора. Анализатор состоит из излучателя I-He-Ne лазера, генерирующего одновременно излучение на длинах волн p = 2,3951 мкм и o= 2,0350 мкм, селективного модулятора 2, представляющего собой вращающийся диск, одна половина которого является интерференционным фильтром на длину волны p = 2,3951 мкм, а другая - на длину волны o= 2,0350 мкм, делительной пластины 3, телескопов 4 и 5 или многопроходной кюветы 6, фотоприемников 71 - в канале контроля отношения и 72 - в измерительном канале, формирователя опорного сигнала 8, который вырабатывает частоту, синхронную с частотой модуляции светового потока, электронного измерительного блока 9, регистратора данных 10, блока питания лазера 11 и блока обратной связи 12. Анализатор работает следующим образом. Излучение He-Ne лазера 1 на рабочей длине p = 2,3951 мкм и опорной o = = 2,0350 мкм попеременно коммутируется с помощью селективного модулятора 2. Далее при помощи делительной пластины 3, лазерное излучение направляется по двум каналам. В измерительном канале излучение с p и o проходит через оптическую кювету 6, наполненную анализируемым газом, либо проходит по протяженной трассе и далее попадает на фотоприемник 72. При этом мощность излучения на длине p , ослабленного за счет поглощения фтористым водородом, сравнивается с мощностью излучения на опорной длине волны o , не поглощенной в газовой среде. Сигнал с фотоприемника 72 поступает в измерительный блок 9, обрабатывается и в виде сигнала, пропорционального концентрации HF, подается на входе регистратора данных 10. Телескопы 4 и 5 служат для формирования лазерного пучка и фокусировке его на фотоприемник 72. Формирователь опорного сигнала 8 вырабатывает частоту, синхронную с частотой модуляции светового потока и управляет работой синхронного детектора. Часть лазерного излучения, отразившись от делительной пластины 3, направляется на фотоприемник 71 плеча контроля, предназначенного для контроля заданного соотношения мощности излучения Ер и Ео на резонансной и опорной длинах волн Ер/Ео. Сигнал с фотоприемника 71 поступает в блок обратной связи 12. В случае отклонения Ер/Ео от установленной величины с выхода электронного блока 12 сигнал поступает в блок питания 11, в котором изменением тока разряда производится регулировка отношения Ер/Ео.
Формула изобретения
ЛАЗЕРНЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ФТОРИСТОГО ВОДОРОДА В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ, включающий источник лазерного излучения с рабочей длиной волныp= 2,3951 мкм, источник лазерного излучения с опорной длиной волны o и оптически сопряженные модулятор с формирователем сигнала, делительную пластину и два телескопа или многоходовую кювету с газовой средой, а также первый и второй фотоприемники, оптически сопряженные с делительной пластиной и телескопами или многоходовой оптической кюветой соответственно, причем выходы первого и второго фотоприемников и формирователи сигнала электрически связаны с электронным блоком обработки сигналов, выход которого соединен с регистратором, отличающийся тем, что, с целью упрощения устройства, повышения чувствительности и дальнодействия при трассовых измерениях, источники лазерного излучения рабочей и опорной длины волн совмещены и выполнены в виде He - Ne лазера с одним источником питания, генерирующим одновременно на рабочей и опорной длинах волн, причем опорной длиной волны излучения выбрана длина o= 2,035 мкм, а модулятор выполнен селективным на длины волн p= 2,3951 мкм и o= 2,035 мкм, электронный блок дополнительно содержит блок обратной связи, вход которого электрически связан с первым фотоприемником излучения, а выход - с источником питания лазера.РИСУНКИ
Рисунок 1MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Номер и год публикации бюллетеня: 29-2000
Извещение опубликовано: 20.10.2000
