Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор

Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор относится к измерительной технике и может быть использован для дистанционного измерения концентрации примесей выхлопных газов движущегося автомобиля, в том числе метана, углекислого газа, угарного газа и монооксида азота. Газоанализатор может использоваться как элемент предиктивной диагностики интеллектуальной информационной системы экомониторинга автомобилей. Газоанализатор содержит систему анализа ближнего ИК-диапазона (3), состоящую из по меньшей мере двух лазерных блоков ближнего ИК-диапазона (4), и систему анализа среднего ИК-диапазона (7), состоящую из лазерного блока среднего ИК-диапазона (8). Излучение в каждом лазерном блоке делится на две части, одна часть с каждого лазерного блока поступает на приемо-передающий блок аналитического сигнала (6) и (9), откуда через отражающий объект возвращается на фотоприемники аналитического канала (15) и (25), а другая часть поступает через реперные кюветы (20) и (29) на фотоприемники реперного сигнала (21) и (30), при этом синхронизация вывода и приема излучения диодных лазеров всех лазерных блоков организована по мультиплексной схеме. При измерении происходит управление мощностью излучения каждого диодного лазера, их перестройкой по частоте, регистрация, обработка и сравнение аналитического сигнала с реперным сигналом и в конечном итоге вычисление концентрации примесей выхлопных газов движущегося автомобиля в режиме реального времени. Технический результат: повышение чувствительности и точности измерений концентрации примесей выхлопных газов движущегося автомобиля в режиме реального времени без изменения скорости потока движения автотранспортных средств. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор относится к измерительной технике и может быть использован для дистанционного измерения концентрации примесей выхлопных газов движущегося автомобиля, в том числе метана, углекислого газа, угарного газа и монооксида азота. Газоанализатор может использоваться как элемент предиктивной диагностики интеллектуальной информационной системы экомониторинга автомобилей.

Известен газоанализатор (Березин А.Г., Ершов О.В., Шаповалов Ю.П. Мобильный высокочувствительный детектор метана на основе диодного лазера ближнего ИК-диапазона // Квантовая электроника, 2003, Т. 33, №8, С. 721-724), содержащий источник оптического излучения с устройством для амплитудной модуляции и оптическим элементом в виде набора плоских зеркал, обеспечивающих ввод излучения в моноволокно, и оптоэлектронный преобразователь, соединенный кабелем с регистрирующим устройством.

Недостатком устройства является невозможность получения наряду с качественными количественных результатов анализа газовой смеси в тестируемом объеме.

Известен оптический газоанализатор (RU 2278371 С1, 20.06.2006), содержащий перестраиваемый по частоте полупроводниковый лазер с устройством ввода оптического излучения в моноволоконно-оптическую линию, измерительную ячейку и оптоэлектронный преобразователь с устройством регистрации сигнала, оптическая схема измерительной оптически сопряженное с выходным (входным) торцом моноволокна так, что названный торец и его изображение полностью совпадают, а разделение оптического излучения, транслируемого моноволокном к измерительной ячейке и в обратном направлении к оптоэлектронному преобразователю, осуществляется посредством тонкой плоскопараллельной пластины, установленной под углом, большим, чем угол полного внутреннего отражения.

Недостатком устройства является невозможность измерения концентрации движущегося источника.

Известен волоконно-оптический сенсор для дистанционного детектирования метана, описанный в статьях (Chan, K., et al. Remote sensing system for near-infrared differential absorption of CH4 gas using low-loss optical fiber link // Applied Optics 1984. Vol. 23, Issue 19, pp. 3415-3420; Chan, K., et al. An optical-fiber-based gas sensor for remote absorption measurement of low-level CH4 gas in the near-infrared region // Journal of Lightwave Technology. 1984. Vol. 2, Issue 3, pp. 234-237) и где использовался многомодовый диодный лазер типа Фабри-Перо, генерировавший на длине волны 1,61 мкм, однопроходная оптическая кювета длины 0,5 м и оптическое волокно длиной 1 км в один конец. Чувствительность к детектированию метана составила величину 0,07% от нижнего уровня безопасности (5% объемных).

Известен волоконно-оптический детектор, описанный в статье (Mohebati, A., et al. Remote Detection of Gases by Diode Laser Spectroscopy // Journal of Modern Optics. 1988. Vol. 35. Issue 3. pp. 319-324) и где при детектировании метана использовался диодный лазер Фабри-Перо на длине волны 1,33 мкм, оптическая кювета длины 1 м с волоконным входом и выходом и оптоволокно небольшой длины (не более нескольких км). Чувствительность к детектированию метана составила ±0,05%.

Основным недостатком указанных работ по дистанционному детектированию метана методами абсорбционной спектроскопии с диодными лазерами и оптоволокна для доставки излучения к оптической кювете явилось существенное ограничение области их применения в виду технической сложности систем, малой мощности излучения диодных лазеров, низкой эффективности ввода излучения в волокно и как результат небольшая дальность действия этих систем.

Известен двухканальный лазерный газоанализатор ИК-диапазона (RU 177660 U1, 05.03.2018), предназначенный для дистанционного обнаружения паров взрывчатых веществ и сопутствующих веществ-маркеров на дистанции от 50 до 100 м, которое содержит блок лазерного излучения и блок приема излучения, оптически связанный с блоком лазерного излучения через диффузно отражающую мишень. Блок лазерного излучения газоанализатора содержит два источника зондирующего излучения: перестраиваемый изотопный 13С16О2-лазер и перестраиваемый квантово-каскадный лазер, и источник лазерного излучения видимого диапазона для точного наведения газоанализатора на диффузно отражающую мишень.

Недостаток указанного макета: при использовании только одной частоты зондирующего излучения от одного не перестраиваемого лазера не удается сделать прибор с высокой селективностью и сколько-нибудь широким набором детектируемых взрывчатых веществ.

Известен дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор (RU 2285251 С2, 10.10.2006), предназначенный для дистанционного измерения концентрации газообразных веществ и содержащий блок лазерного излучателя с длиной волны, изменяющейся в диапазоне поглощения детектируемой молекулы, блок приема аналитического сигнала, оптически связанный с блоком лазерного излучателя через диффузно отражающий объект, а также блок управления, приема и обработки данных. Блок лазерного излучателя содержит модуль диодного лазера. В случае необходимости одновременного детектирования нескольких молекул в прибор может быть введен, по крайней мере, один дополнительный блок лазерного излучателя, настроенный на другой спектральный диапазон.

Недостатком может считаться то, что каждый дополнительный блок разработанного ранее газоанализатора имеет собственную систему коллимации лазерного излучения, в результате чего оптические оси отдельных блоков излучателей не объединены для формирования объединенного пучка света, имеющего несколько длин волн.

Таким образом, анализ уровня техники показывает, что существующее в настоящее время газоаналитическое оборудование для дистанционного мониторинга газовых выбросов автомобилей имеет ряд недостатков.

Во-первых, использование недисперсионных источников для детектирования выхлопов в ИК УФ диапазонах не обеспечивают необходимую чувствительность и существенно ограничивает область зондирования примесей.

Во-вторых, использование ИК-оптопар (светодиод - фотоприемник) так же не позволяет достичь высокой чувствительности и селективности к измеряемой компоненте из-за присутствия интерферирующих полос поглощения воды, и других газов.

В-третьих, многозеркальные компоненты оптических схем приема-передачи излучения для разворота ИК-луча на трассе зондирования сложны в настройке и обладают температурной и вибрационной нестабильностью при эксплуатации;

В-четвертых, телескопические системы приема-передачи излучения имеют небольшую апертуру, недостаточную для уверенной регистрации выхлопного зондирующего облака движущегося автотранспортного средства.

Наиболее близким к заявленному техническим устройством является устройство для измерения концентрации газообразных веществ (RU 2598694 С2, 27.09.2016), содержащее блок лазерного излучения с длиной волны, изменяющейся в спектральном диапазоне поглощения детектируемой молекулы, и детектор аналитического сигнала, оптически связанный с блоком лазерного излучателя через одномодовое оптоволокно и аналитическую однопроходную кювету, а также блок управления, приема и обработки данных, блок лазерного излучателя содержит оптически последовательно связанные модуль диодного лазера, волоконный разветвитель, один конец волокна которого через кювету сравнения оптически связан с детектором сигнала сравнения, а второй конец через дополнительный волоконнооптический кабель, доставляющий излучение к объекту исследования и аналитической кювете с волоконными входом и выходом, оптически связан с детектором аналитического сигнала. Блок управления, приема и обработки данных выполнен в виде трех модулей, а именно: цифрового программируемого модуля, модуля цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей (ЦАП и АЦП) и модуля преобразователей аналоговых сигналов, при этом посредством электрических соединений выходов детектора аналитического сигнала, сигнала сравнения, а так же сигналов управления модулем диодного лазера происходит управление мощностью излучения диодного лазера, его перестройкой по частоте, регистрация, обработка и сравнение аналитического сигнала с сигналом сравнения и, в конечном итоге, вычисление концентрации исследуемого объекта.

Недостатком прототипа является анализ газа в аналитической кювете, что неприменимо для измерения концентраций движущихся источников.

Задачей настоящего изобретения является создание простого по конструкции устройства измерения концентрации примесей выхлопных газов движущегося автомобиля, таких как СО, СО2, NO и СН4, обладающего высокой чувствительностью и точностью измерения на удаленных расстояниях в режиме реального времени, с использованием диодных лазеров ближнего и среднего ИК диапазона в качестве источников излучения.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение чувствительности и точности измерений концентрации примесей выхлопных газов движущегося автомобиля в режиме реального времени без изменения скорости потока движения автотранспортных средств.

Указанный технический результат достигается тем, что в дистанционном оптическом абсорбционном лазерном газоанализаторе, содержатся следующие элементы:

блок управления, обработки и документирования результатов измерений 1;

блок согласования и коммутации сигналов вывода 2;

система анализа ближнего ИК-диапазона 3, состоящая из, по меньшей мере, двух лазерных блоков ближнего ИК-диапазона 4, первого блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона 5, приемо-передающего блока аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона 6, второго блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона 19, реперной кюветы системы анализа ближнего ИК-диапазона 20, вход которой оптически связан с выходом второго блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона 19, а также фотоприемника реперного сигнала лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона 21, вход которого оптически соединен с выходом реперной кюветы системы анализа ближнего ИК-диапазона 20;

система анализа среднего ИК-диапазона 7, состоящая из лазерного блока среднего ИК-диапазона 8, приемо-передающего блока аналитического сигнала среднего ИК-диапазона 9.

Блок согласования и коммутации сигналов вывода 2 состоит из контроллера 10, электронной платы ввода-вывода 11, первый вход контроллера 10 связан с выходом блока управления, обработки и документирования результатов измерений 1, первый выход контроллера 10 связан с входом блока управления, обработки и документирования результатов измерений 1, второй вход контроллера 10 связан с первым выходом электронной платы ввода-вывода 11, второй выход контроллера 10 связан с первым входом электронной платы ввода-вывода 11.

Приемо-передающий блок аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона 6 состоит из оптически связанных коллиматора приемопередающего блока аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона 12, сканатора для разворота лазерного излучения ближнего ИК-диапазона 13 на отражающий объект 31, зеркала приема излучения ближнего ИК-диапазона 14 и фотоприемника аналитического канала ближнего ИК-диапазона 15.

Каждый лазерный блок системы анализа ближнего ИК-диапазона 4 состоит из блока управления излучением лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона 16, первый вход которого связан со вторым выходом электронной платы ввода-вывода 11, второй вход связан с выходом фотоприемника аналитического канала ближнего ИК-диапазона 15, третий вход связан с выходом фотоприемника реперного сигнала системы анализа ближнего ИК-диапазона 21 и первый выход связан со вторым входом электронной платы ввода-вывода 11, и оптически последовательно связанных диодного лазера ближнего ИК-диапазона 17 с длиной волны, попадающей в область поглощения заданной для этого лазерного блока детектируемой молекулы, причем реперная кювета 20 содержит заданные для этого лазерного блока детектируемые молекулы, вход диодного лазера ближнего ИК-диапазона 17 соединен с первым выходом блока управления излучением лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона 16, разветвителя лазерного излучения лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона 18, вход которого оптически связан с выходом диодного лазера лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона 17, первый выход оптически связан с входом первого блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона 5 и второй выход соединен с входом второго блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона 19, выход первого блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона 5 оптически связан с входом коллиматора приемо-передающего блока аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона 12.

Приемо-передающий блок аналитического сигнала среднего ИК-диапазона 9, состоит из оптически связанных коллиматора приемопередающего блока аналитического сигнала среднего ИК-диапазона 22, сканатора для разворота лазерного излучения среднего ИК-диапазона 23 на отражающий объект 31, зеркало приема излучения среднего ИК-диапазона 24 и фотоприемника аналитического канала среднего ИК-диапазона 25, лазерный блок системы анализа среднего ИК-диапазона 8 состоит из блока управления лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 26, первый вход которого связан со вторым выходом электронной платы ввода-вывода 11, второй вход связан с выходом фотоприемника аналитического канала среднего ИК-диапазона 25 и первый выход связан со вторым входом электронной платы ввода-вывода 11, и оптически последовательно связанных диодного лазера лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 27 с длиной волны, попадающей в область поглощения заданной детектируемой молекулы, вход диодного лазера 27 соединен с первым выходом блока управления лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 26, разветвителя лазерного излучения лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 28, вход которого оптически связан с выходом диодного лазера лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 27, а первый выход оптически связан с входом коллиматора приемо-передающего блока аналитического сигнала среднего ИК-диапазона 22, реперной кюветы лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 29, содержащей заданные детектируемые молекулы, вход реперной кюветы лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 29 оптически связан со вторым выходом разветвителя лазерного излучения лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 28, а также фотоприемника реперного сигнала лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 30, вход которого оптически соединен с выходом второй реперной кюветы лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 29, а выход соединен с третьим входом блока управления лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 26.

Взаимное расположение коллиматора приемо-передающего блока аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона 12, сканатора для разворота лазерного излучения ближнего ИК-диапазона 13 и зеркала приема излучения ближнего ИК-диапазона 14 обеспечивает частичное или полное попадание облучаемой области отражающего объекта 31 на фотоприемник аналитического канала ближнего ИК-диапазона 15, а взаимное расположение коллиматора приемо-передающего блока аналитического сигнала среднего ИК-диапазона 22, сканатора разворота лазерного излучения среднего ИК-диапазона 23 и зеркала приема излучения среднего ИК-диапазона 24 обеспечивает частичное или полное попадание облучаемой области отражающего объекта 31 на фотоприемник аналитического канала среднего ИК-диапазона 25, при этом синхронизация вывода и приема излучения диодных лазеров всех лазерных блоков организована по мультиплексной схеме, подразумевающую временную задержку импульсов излучения для диодных лазеров при последовательной временной организации схемы излучения и приема сигнала, при этом посредством электрических соединений выходов фотоприемника аналитического канала каждой системы анализа, сигнала сравнения, а также сигналов управления модулей диодных лазеров происходит управление мощностью излучения каждого диодного лазера, их перестройкой по частоте, регистрация, обработка и сравнение аналитического сигнала с реперным сигналом и в конечном итоге вычисление концентрации примесей выхлопных газов движущегося автомобиля в режиме реального времени. Оптическая связь между диодным лазером лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона 17, разветвителем лазерного излучения лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона 18, вторым блоком сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона 19, реперной кюветой системы анализа ближнего ИК-диапазона 20, фотоприемником реперного сигнала системы анализа ближнего ИК-диапазона 21, первым блоком сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона 5 и коллиматором приемо-передающего блока аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона 12 может быть осуществлена волоконным кабелем, при этом волоконный кабель может быть выполнен в виде одномодового волоконного световода.

Сканаторы 13 и 23 используются для разворота лазерного луча с целью оптимизации зоны охвата при зондировании.

Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор схематически представлен на графическом изображении (фиг. 1), где обозначены:

1 - блок управления, обработки и документирования результатов измерений;

2 - блок согласования и коммутации сигналов вывода;

3 - система анализа ближнего ИК-диапазона;

4 - лазерный блок ближнего ИК-диапазона;

5 - первый блок сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона;

6 - приемо-передающий блок аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона;

7 - система анализа среднего ИК-диапазона;

8 - лазерный блок среднего ИК-диапазона;

9 - приемо-передающий блок аналитического сигнала среднего ИК-диапазона;

10 - контроллер;

11 - электронная плата ввода-вывода;

12 - коллиматор приемо-передающего блока аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона;

13 - сканатор для разворота лазерного излучения ближнего ИК-диапазона;

14 - зеркало приема излучения ближнего ИК-диапазона;

15 - фотоприемник аналитического канала ближнего ИК-диапазона;

16 - блок управления излучением лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона;

17 - диодный лазер лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона;

18 - разветвитель лазерного излучения лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона;

19 - второй блок сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона;

20 - реперная кювета системы анализа ближнего ИК-диапазона;

21 - фотоприемник реперного сигнала системы анализа ближнего ИК-диапазона;

22 - коллиматор приемо-передающего блока аналитического сигнала среднего ИК-диапазона;

23 - сканатор для разворота лазерного излучения среднего ИК-диапазона;

24 - зеркало приема излучения среднего ИК-диапазона;

25 - фотоприемника аналитического канала среднего ИК-диапазона;

26 - блок управления лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона;

27 - диодный лазер лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона;

28 - разветвитель лазерного излучения лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона;

29 - реперная кювета лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона;

30 - фотоприемник реперного сигнала лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона;

31 - отражающий объект.

В конкретных вариантах воплощения устройства осуществляется измерение концентрации примесей выхлопных газов движущегося автомобиля, таких как СО, СО2, NO и СН4, для чего используются в качестве диодных лазеров лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона 17 диодные лазеры фирмы «NOLATEX» с длиной волны генерации 1651 нм (для анализа СН4) и 1579,8 нм (для анализа СО), или «EBLANA PHOTONICS» (Ирландия) с длиной волны генерации 2004 нм (для анализа СО2), и в качестве диодного лазера блока системы анализа среднего ИК-диапазона 27 диодный лазер фирмы DFB QCL «THORLABS» (США) с длиной волны генерации 5260 нм (для анализа NO). Мощность излучения диодных лазеров не превышает 10 мВт.

Для регистрации излучения в ближнем ИК-диапазоне (от 1651 до 2004 нм) в качестве фотоприемника аналитического канала ближнего ИК-диапазона 15 и фотоприемника реперного сигнала системы анализа ближнего ИК-диапазона 21 используются фотоприемники PIN InGaAs серии ФД24-20 фирмы «АИБИ» (Санкт. Петербург, Россия) с диаметром активной площадки 2 мм.

Для регистрации излучения в среднем ИК-диапазоне (5260 нм) в качестве фотоприемника аналитического канала среднего ИК-диапазона 25 и фотоприемника реперного сигнала лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 30 используются фотодиоды PD55TO8TEC, Sr/Cy фирмы «ИОФФЕЛЕД» (Санкт. Петербург, Россия) с диаметром активной площадки около 300 мкм.

В конкретном варианте реализации в системе анализа ближнего ИК-диапазона использовались три лазерных блока системы анализа ближнего ИК-диапазона, детектируемой молекулой каждого лазерного блока были СН4, СО и СО2, причем реперная кювета системы анализа ближнего ИК-диапазона 20 содержит все три детектируемых газа. Концентрации газов в первой реперной кювете системы анализа ближнего ИК-диапазона 20 составляли 3,2% СН4, 33,5% СО, 11,3% СO2 и 52% N2, давление - 1 атм.

Концентрация газов в реперной кювете лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 29 составляла 5% NO и 95% N2, давление - 1 атм.

Волоконно-оптический кабель был выполнен в виде одномодового волоконного световода с потерями оптического излучения, приблизительно 0,4 дБ/км;

Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор работает следующим образом.

Между приемо-передающими блоками аналитического сигнала ближнего и среднего ИК-диапазона и отражающим объектом на расстоянии одной полосы движения проезжает автотранспортное средство на пониженной передаче и скорости не более 60 км/ч. Расположение приемо-передающих блоков и отражающего объекта должно находиться на уровне выхлопной трубы автомобиля.

Диодные лазеры (17 и 27) поочередно по команде блока управления, обработки и документирования результатов измерений 1 через блок согласования и коммутации сигналов вывода 2, генерируют последовательность коротких импульсов на длине волны, совпадающей с линией поглощения каждого детектируемого газа. Импульсы тока накачки диодного лазера трапециевидные, что позволяет дополнительно проводить сканирование излучения в области центра каждой линии поглощения, захватывая весь контур линии и обеспечивая тем самым высокую селективность к выбранной газовой компоненте. С помощью информации, поступающей от фотоприемника реперного сигнала (21 или 30), производится настройка, а именно выведение диодного лазера (17 или 27 соответственно) в заданный диапазон длин волн. Это происходит за счет изменения температуры термоэлемента Пельтье, на котором расположен диодный лазер. Управление током термоэлемента Пельтье осуществляется из блока управления, обработки и документирования результатов измерений 1 через блок согласования и коммутации сигналов вывода 2 и блок управления (16 или 26). Измерение температуры осуществляется посредством датчика температуры, расположенного на термоэлементе Пельтье рядом с диодным лазером. Электрический сигнал от датчика температуры поступает в блок управления, обработки и документирования результатов измерений 1 через блок управления (16 или 26) и блок согласования и коммутации сигналов вывода 2. Термоэлемент Пельтье и датчик температуры являются обязательными элементами как серийных, так и опытных образцов модулей диодного лазера, предназначенных для проведения спектральных измерений. По окончании процесса настройки лазерные блоки (4 и 8) переходят в режим стабилизации диапазона перестройки длины волны по спектру вещества, находящегося в реперной кювете (20 или 29), и они готовы к проведению измерений. Далее часть излучения ближнего ИК-диапазона с помощью волоконного разветвителя 18 и второго блока сведения волоконных кабелей 19 попадает в реперную кювету 20 и регистрируется фотоприемником реперного сигнала 21, а часть излучения среднего ИК-диапазона с помощью волоконного разветвителя 28 попадает в реперную кювету 29 и регистрируется фотоприемником реперного сигнала 30. То есть, каждый реперный канал выполняет две функции: во-первых, вычисление концентрации, во-вторых, проведение дополнительной температурной стабилизации циклов сканирования тока накачки диодного лазера по линии поглощения газа в реперной кювете, содержащую известную концентрацию исследуемого газа, разбавленного до давления в одну атмосферу азотом. Оставшаяся часть излучения диодного лазера каждого лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона 17 от волоконного разветвителя 18 через блок сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона 5 попадает в коллиматор 12, откуда с помощью сканатора 13 направляется через исследуемую область на отражающий объект 31, откуда с помощью зеркала приема излучения ближнего ИК-диапазона 14 излучение попадает на фотоприемник аналитического канала ближнего ИК-диапазона 15. Оставшаяся часть излучения диодного лазера лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона 27 от волоконного разветвителя 28 попадает в коллиматор 22, откуда с помощью сканатора 23 направляется через исследуемую область на отражающий объект 31, откуда с помощью зеркала приема излучения среднего ИК-диапазона 24 излучение попадает на фотоприемник аналитического канала среднего ИК-диапазона 25. Сигнал с фотоприемников 15 и 25 последовательно оцифровываются, и далее с помощью блока управления, обработки и документирования результатов измерений 1 производится вычисление концентрации каждого детектируемого газа.

Технические характеристики описанного устройства, полученные экспериментальным путем: чувствительность к измерению объемной концентрации составляет 0,01% (СН4) 0,5% (СО), 0,1% (СO2) и 0,005% (NO), время цикла измерения 4-х регистраций около 12 мс.

1. Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор, содержащий блок управления, обработки и документирования результатов измерений, блок согласования и коммутации сигналов вывода, отличающийся тем, что содержит систему анализа ближнего ИК-диапазона, состоящую из по меньшей мере двух лазерных блоков ближнего ИК-диапазона, первого блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона, приемо-передающего блока аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона, второго блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона, реперной кюветы системы анализа ближнего ИК-диапазона, вход которой оптически связан с выходом второго блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона, а также фотоприемника реперного сигнала системы анализа ближнего ИК-диапазона, вход которого оптически соединен с выходом реперной кюветы системы анализа ближнего ИК-диапазона, систему анализа среднего ИК-диапазона, состоящую из лазерного блока среднего ИК-диапазона, приемо-передающего блока аналитического сигнала среднего ИК-диапазона, причем блок согласования и коммутации сигналов вывода состоит из контроллера, электронной платы ввода-вывода, первый вход контроллера связан с выходом блока управления, обработки и документирования результатов измерений, первый выход контроллера связан с входом блока управления, обработки и документирования результатов измерений, второй вход контроллера связан с первым выходом электронной платы ввода-вывода, второй выход контроллера связан с первым входом электронной платы ввода-вывода, приемо-передающий блок аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона состоит из оптически связанных коллиматора приемо-передающего блока аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона, сканатора для разворота лазерного излучения ближнего ИК-диапазона на отражающий объект, зеркала приема излучения ближнего ИК-диапазона и фотоприемника аналитического канала ближнего ИК-диапазона, каждый лазерный блок системы анализа ближнего ИК-диапазона состоит из блока управления излучением лазерного блока ближнего ИК-диапазона, первый вход которого связан со вторым выходом электронной платы ввода-вывода, второй вход связан с выходом фотоприемника аналитического канала ближнего ИК-диапазона, третий вход связан с выходом фотоприемника реперного сигнала системы анализа ближнего ИК-диапазона и первый выход связан со вторым входом электронной платы ввода-вывода, и оптически последовательно связанных диодного лазера ближнего ИК-излучения с длиной волны, попадающей в область поглощения заданной для этого лазерного блока детектируемой молекулы, причем первая реперная кювета содержит заданные для этого лазерного блока детектируемые молекулы, вход диодного лазера ближнего ИК-диапазона соединен с первым выходом блока управления излучением лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона, разветвителя лазерного излучения лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона, вход которого оптически связан с выходом диодного лазера лазерного блока системы анализа ближнего ИК-диапазона, первый выход оптически связан с входом первого блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона и второй выход соединен с входом второго блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона, выход первого блока сведения волоконных кабелей системы анализа ближнего ИК-диапазона оптически связан с входом коллиматора приемо-передающего блока аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона, приемо-передающий блок аналитического сигнала среднего ИК-диапазона состоит из оптически связанных коллиматора приемо-передающего блока аналитического сигнала среднего ИК-диапазона, сканатора для разворота лазерного излучения среднего ИК-диапазона на отражающий объект, зеркало приема излучения среднего ИК-диапазона и фотоприемника аналитического канала среднего ИК-диапазона, лазерный блок системы анализа среднего ИК-диапазона состоит из блока управления, первый вход которого связан со вторым выходом электронной платы ввода-вывода, второй вход связан с выходом фотоприемника аналитического канала и первый выход связан со вторым входом электронной платы ввода-вывода, и оптически последовательно связанных диодного лазера лазерного блока системы анализа с длиной волны, попадающей в область поглощения заданной детектируемой молекулы, вход диодного лазера лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона соединен с первым выходом блока управления лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона, разветвителя лазерного излучения лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона, вход которого оптически связан с выходом диодного лазера лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона, а первый выход оптически связан с входом коллиматора приемо-передающего блока аналитического сигнала среднего ИК-диапазона, реперной кюветы лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона, содержащей заданные детектируемые молекулы, вход реперной кюветы лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона оптически связан со вторым выходом разветвителя лазерного излучения лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона, а также фотоприемника реперного сигнала лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона, вход которого оптически соединен с выходом реперной кюветы лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона, а выход соединен с третьим входом блока управления лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона, при этом взаимное расположение коллиматора приемо-передающего блока аналитического сигнала ближнего ИК-диапазона, сканатора и зеркала приема излучения ближнего ИК-диапазона обеспечивает частичное или полное попадание облучаемой области отражающего объекта на фотоприемник аналитического канала ближнего ИК-диапазона, а взаимное расположение коллиматора приемо-передающего блока аналитического сигнала среднего ИК-диапазона, сканатора и зеркала приема излучения среднего ИК-диапазона обеспечивает частичное или полное попадание облучаемой области отражающего объекта на фотоприемник аналитического канала среднего ИК-диапазона, при этом синхронизация вывода и приема излучения диодных лазеров всех лазерных блоков организована по мультиплексной схеме, подразумевающую временную задержку импульсов излучения для каждого диодного лазера при последовательной временной организации схемы излучения и приема сигнала, при этом посредством электрических соединений выходов фотоприемника аналитического канала каждой системы анализа, сигнала сравнения, а также сигналов управления модулей диодных лазеров происходит управление мощностью излучения каждого диодного лазера, их перестройкой по частоте, регистрация, обработка и сравнение аналитического сигнала с реперным сигналом и в конечном итоге вычисление концентрации примесей выхлопных газов движущегося автомобиля в режиме реального времени.

2. Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что волоконный кабель выполнен в виде одномодового волоконного световода.

3. Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве заданной детектируемой молекулы для одного из лазерных блоков системы анализа ближнего ИК-диапазона используют молекулы СН4.

4. Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве заданной детектируемой молекулы для одного из лазерных блоков системы анализа ближнего ИК-диапазона используют молекулы СО.

5. Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве заданной детектируемой молекулы для одного из лазерных блоков системы анализа ближнего ИК-диапазона используют молекулы СО2.

6. Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве заданной детектируемой молекулы для лазерного блока системы анализа среднего ИК-диапазона используют молекулы NO.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к производственным процессам. Многофункциональное программно-информационное устройство включает каналы приема и передачи информации, датчики состояния окружающей среды, лазерный измеритель расстояний и запыленности воздуха, световую сигнализацию, дисплей, тепловизионный модуль, громкоговоритель, счетно-решающее устройство, соединенное со всеми элементами устройства и с возможностью передачи информации на дисплей и аккумуляторную батарею.

Изобретение относится к области обеспечения безопасности при транспортировке и хранении газа и касается способа дистанционного измерения концентрации газов в атмосфере.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа и устройства для динамического контроля газовых сред. Устройство включает в себя монохроматические пары, представляющих собой твердотельный монохроматический излучатель на базе диодного лазера и твердотельный монохроматический приемник.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционного измерения концентрации газообразных веществ, в том числе метана в нефтяной, газовой промышленности, в электроэнергетике и так далее.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для дистанционного зондирования примесей в атмосфере. Устройство включает лазерный излучатель, рандомизатор фазы лазерного излучения, приемо-передающий оптический тракт, зеркала, направляющие собранное телескопом излучение на фотоприемный модуль, и светофильтр, уменьшающий засветку фотоприемника за счет узкой полосы пропускания, и пилотный лазер.

Изобретение относится к области метрологии и может быть использовано для определения концентрации газообразных веществ. Газоанализатор содержит излучающий диод, выполненный из двух p-n переходов, размещенных в едином корпусе и приемник излучения, расположенные в кювете, разделенной прозрачной для излучения перегородкой из сапфирового стекла на два отсека.

Изобретение относится к аналитической технике и может быть использовано для анализа состава отработавших газов маломерных судов и других плавучих средств с двигателями внутреннего сгорания с отбором пробы из выхлопной трубы, направленной в воду.

Изобретение относится к способу измерения содержания газов в атмосферном воздухе с использованием спектров рассеянного солнечного излучения. .

Изобретение относится к экологии, а именно к дистанционным методам мониторинга природных сред и санитарно-эпидемиологическому контролю промышленных регионов. .

Изобретение относится к определению газовых компонентов слоя атмосферы путем измерения гидрометеорологических параметров на границе атмосфера - гидросфера и может быть использовано при исследовании процессов взаимодействия атмосфера - океан.

Изобретение относится к области оптических исследований драгоценных камней. Прибор для получения индикатора того, является ли алмаз природным, реализует способ, при котором осуществляется тестирование алмаза на присутствие или отсутствие в его люминесцентных свойствах одного или более специфичных маркеров, характеризуемых временем затухания люминесценции и длиной волны люминесценции.

Изобретение относится к области измерения ионизирующих излучений и касается способа дистанционного обнаружения радиоактивных веществ в полевых условиях на основе двухлучевого лазерно-индуцированного пробоя воздуха.

Способ может использоваться для контроля микронеровностей поверхностей, полученных в результате воздействия машиностроительных технологических операций. В способе исследуемую поверхность очищают, наносят на нее жидкость в виде капли фиксированного объема, регистрируют момент окончания растекания капли жидкости по исследуемой поверхности, определяют периметр и площадь растекшейся капли, затем на эту каплю наносят каплю той же жидкости объемом, равным объему первой капли, регистрируют момент окончания растекания капли, образованной после слияния двух капель, определяют периметр и площадь двух растекшихся капель после их слияния; определяют фрактальную размерность D исследуемой шероховатой поверхности: D=2⋅loga(Gдлина 1/Gдлина 2), здесь а=(Gплощадь 1/Gплощадь 2), где Gдлина 1 - периметр первой растекшейся капли; Gдлина 2 - периметр капли, образованной в результате слияния двух капель одной и той же жидкости; Gплощадь 1 - площадь первой растекшейся капли; Gплощадь 2 - площадь капли, образованной в результате слияния двух капель одной и той же жидкости.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается инфракрасного оптического газоанализатора. Газоанализатор включает в себя корпус, кювету, два источника инфракрасного излучения, усилитель с коммутатором, микроконтроллер, коммутаторы питания источников инфракрасного излучения, ограничитель тока источников излучения и датчик инфракрасного излучения.

Группа изобретений относится к контролю газов оптическими средствами. Система и способ, реализуемый системой, контроля газа для определения как минимум одной характеристики целевого газа включает как минимум один источник света, отрегулированный для излучения света в диапазоне длин волн, при котором целевой газ обладает как минимум одной линией поглощения, дополнительно включает в себя ретроотражатель и блок управления.

Изобретение относится к области оптических сенсоров и может быть использовано для сверхчувствительного анализа молекулярного строения вещества в разных областях.

Изобретение относится к области контроля технологических процессов и касается ИК-спектроскопического способа контроля качества прекурсоров для ориентационного вытягивания пленочных нитей из сверхвысокомолекулярного полиэтилена.

Изобретение относится к клинической иммунологии и гемостазиологии и может быть использовано для оценки степени внутрисосудистого свертывания крови по функциональной активности тромбина, связанного с циркулирующими фибрин-мономерными комплексами, в тесте активации комплемента.

Изобретение относится к научно-техническим разработкам в области методик и устройств, позволяющих определять дефекты в оптических материалах, и позволяет выделять поверхностные дефекты.

Изобретение относится к системам, устройствам и способам наблюдения, тестирования и/или анализа биологических проб. Инструмент для биологического анализа содержит базу, источник возбуждения, оптический датчик, оптическую систему возбуждения и оптическую систему эмиссии.

Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор относится к измерительной технике и может быть использован для дистанционного измерения концентрации примесей выхлопных газов движущегося автомобиля, в том числе метана, углекислого газа, угарного газа и монооксида азота. Газоанализатор может использоваться как элемент предиктивной диагностики интеллектуальной информационной системы экомониторинга автомобилей. Газоанализатор содержит систему анализа ближнего ИК-диапазона, состоящую из по меньшей мере двух лазерных блоков ближнего ИК-диапазона, и систему анализа среднего ИК-диапазона, состоящую из лазерного блока среднего ИК-диапазона. Излучение в каждом лазерном блоке делится на две части, одна часть с каждого лазерного блока поступает на приемо-передающий блок аналитического сигнала и, откуда через отражающий объект возвращается на фотоприемники аналитического канала и, а другая часть поступает через реперные кюветы и на фотоприемники реперного сигнала и, при этом синхронизация вывода и приема излучения диодных лазеров всех лазерных блоков организована по мультиплексной схеме. При измерении происходит управление мощностью излучения каждого диодного лазера, их перестройкой по частоте, регистрация, обработка и сравнение аналитического сигнала с реперным сигналом и в конечном итоге вычисление концентрации примесей выхлопных газов движущегося автомобиля в режиме реального времени. Технический результат: повышение чувствительности и точности измерений концентрации примесей выхлопных газов движущегося автомобиля в режиме реального времени без изменения скорости потока движения автотранспортных средств. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Наверх