RU139181U1

RU139181U1 - OPTICAL-ACOUSTIC GAS ANALYZER

Info

Publication number: RU139181U1
Application number: RU2013114813/28U
Authority: RU
Inventors: Александр Иванович Карапузиков; Алексей Александрович Карапузиков; Дмитрий Борисович Колкер; Игорь Владимирович Шерстов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Специальные технологии"; Открытое акционерное общество "Октава"
Priority date: 2013-04-01
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2014-04-10

Abstract

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.1. An optical-acoustic gas analyzer containing a laser, a beam forming unit, an optical-acoustic detector, a gas sample preparation and sampling system, and an analyzer operation, data recording and processing control device, characterized in that the beam forming unit includes a dichroic laser mounted on the optical axis of the laser a mirror, an optical channel selector, and optically coupled to the latter, at least two frequency-tunable optically pumped parametric light generators, the output of each of which is channel selector, and a dichroic mirror separating plate connected to the optical input OAD.2. The optical-acoustic gas analyzer according to claim 1, characterized in that the optical channel selector is a mirror mounted on a platform moving relative to the direction of the laser beam.

Description

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.The utility model relates to measuring equipment, in particular to optical-acoustic infrared (IR) gas analyzers, and can be used for quantitative analysis of the composition of gas mixtures in industry, scientific and technical research, environmental monitoring of the environment and other fields of activity.

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.)Known infrared gas analyzers designed for the quantitative analysis of the composition of gas mixtures (see, for example, patent RU No. 2091764, IPC G01N 21/61, dated 08/08/16; US patents No. 4013260, IPC G01N 21/31, G01N 33/00, G01J 1/00 dated 1977.03.22; No. 4236827, IPC G01N 21/37, G01N 21/34, dated 1980.12.02 .; No. 4288693, IPC G01N 21/37, G01J 1/00, G01N21 / 25, dated 1981.08. 09 .; No. 57773828, IPC G01N 21/35; G01N 21/35, dated 1995.03.04; European patent EP No. 0794423, IPC G01N 21/03, G01N 21/35, G01N 21/03, G01N 21/35, from 1996.03.06 .; Japanese patent JP No. 9033432, IPC G01N 21/35, G01N 21/61, G01N 21/35, G01N 21/61, dated 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.Known devices, differing to one degree or another in structural and functional schemes and designs of individual units and elements, generally contain a optically coupled IR radiation source with a continuous spectrum (usually an IR incandescent lamp), a radiation beam shaper, an electromechanical beam chopper, modulator, optical filters, gas cuvette, optical-acoustic detector (OAD), control and data processing device.

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.The principle of operation of these gas analyzers is that a continuous stream of IR radiation with a continuous spectrum is formed into a narrow beam periodically blocked by an obturator-modulator installed in its path in order to obtain a periodic sequence of radiation pulses. The latter are passed through a band-cut filter that selects from the source spectrum that region in which the absorption lines of the analyzed gas are located, and then it is fed to the OAD.

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.The analyzed gas sample is pumped continuously or in portions through the detector chamber. If the latter contains traces of the desired gas, then part of the radiation energy is absorbed by them, the gas in the chamber heats up, causing pressure pulses in the gas medium, which are detected by the detector microphone as an audio signal, informative about the concentration of the gas of interest.

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.The disadvantages of the known gas analyzers associated with the presence of a mechanical shutter-modulator in their composition are the relatively high level of acoustic background of the detector, the presence of which reduces the threshold sensitivity of the gas analyzer and increases the error of the measurement results.

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.In addition, well-known gas analyzers have low selectivity due to the fact that the passband of the cut-off filter is wide enough so that, in addition to the absorption lines of the gas sought, there can be absorption lines of other gases, which will be detected by the detector as interference veiling the useful signal.

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.Known gas analyzer (patent RU No. 1795737, IPC 6 G01N 21/61, G01N 21/39, published 02/27/1995), containing optically coupled helium-neon laser as a probe radiation source, a modulator with a signal conditioner, dividing plate, multi-pass cell with gas medium and two photodetectors associated with a signal processing circuit.

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.In the known device, the use of a laser radiation source allows to realize a high spectral resolution of the device (approximately (10-20 nm), which ensures a sufficiently high analysis selectivity. On the other hand, the use of a single-frequency laser as a radiation source significantly reduces the scope of the device, and namely: a gas analyzer of a known type is suitable for detecting only one specific gas, the absorption line of which coincides with the wavelength of the laser radiation.

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.This drawback was partially eliminated in the laser gas analyzer (see Brodnikovsky AM, Bogachev MB PET.- 1991, N1, p.192-195), containing a laser beam located on the same optical axis, a beam forming unit, including an optically coupled modulator, shaper , a focusing lens and a swivel mirror with a diffraction grating, an optical-acoustic detector (OAD) connected through an interface unit to a computer device for controlling, processing and recording data.

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.The method of tuning the wavelength of laser radiation selected in the device using a diffraction grating and a rotary mirror provides the isolation of 36 emission lines, which allows the simultaneous analysis of multicomponent gas mixtures.

Вместе с тем, вследствие ограниченного числа линий излучения, многокомпонентность анализа единичной пробы относительно невысока, что является одним из недостатков известного газоанализатора.However, due to the limited number of emission lines, the multicomponent analysis of a single sample is relatively low, which is one of the disadvantages of the known gas analyzer.

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.In addition, the diffraction grating as an element of the laser frequency tuning does not provide a sufficiently high monochromaticity of the emission lines and, accordingly, high selectivity of the analysis, and significant light losses on it reduce the power of the probe radiation beam and, accordingly, the analysis sensitivity.

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.The objective of the proposed utility model is to create a laser optoacoustic analyzer, devoid of the disadvantages of the above analogues. The technical results of the development are high sensitivity and selectivity of analysis, the ability to analyze the composition of multicomponent gas mixtures in live time.

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.The results of the utility model are achieved due to the fact that in an optical-acoustic gas analyzer containing a laser, a beam forming unit, an OAD, a gas sample preparation and sampling system and a data recording and processing device, the beam forming unit includes a dichroic mirror and an optical channel selector mounted on an optical the laser axis, and at least two frequency-tunable optical pumped parametric light generators (ASGs), alternately connected to the laser using an optical channel selector, at each of the m output channels through the selector CBC, a dichroic mirror and a separating plate is connected to the optical input DAO.

Оптический селектор каналов представляет собой зеркало, установленное на сдвигающейся относительно направления луча лазера платформе.The optical channel selector is a mirror mounted on a platform moving relative to the direction of the laser beam.

Сущность предлагаемого технического решения иллюстрируется нижеследующим рисунком, на котором приведена оптическая схема заявляемого устройства.The essence of the proposed technical solution is illustrated by the following figure, which shows the optical diagram of the inventive device.

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).The gas analyzer contains a laser 1, a dichroic mirror 2, an optical channel selector 3, parametric light generators 4, 5, a dividing plate 6, OAD 7, a gas sample preparation and sampling system, a data recording and processing device (not shown).

Предлагаемый газоанализатор работает следующим образом.The proposed gas analyzer operates as follows.

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).Laser 1, which serves as an optical pumping means for parametric light generators 4, 5, generates monochromatic radiation (for example, with a wavelength of 1,053 μm) in a pulse-periodic mode, which is reflected by a dichroic mirror 2 to the optical channel selector 3. Channel selector 3, c depending on the position of its mirror, it directs the beam of laser 1 either in ASG 4 or ASG 5, thereby activating the generation of optical radiation in them in the desired spectral range (2-4 microns in one ASG, 4-11 microns in another).

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 2…12 мкм, после чего поступает на оптический вход ОАД.The output radiation beam of ASG 4 (or ASG 5) passes through a dichroic mirror 2 and a dividing plate 6, which operates as a spectral filter that transmits radiation in the spectral range of 2 ... 12 μm, after which it is fed to the optical input of OAD.

ОАД 7 заполняется газовой пробой с примесями, имеющими отдельные линии поглощения в спектральном диапазоне 2…12 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.OAD 7 is filled with a gas sample with impurities having separate absorption lines in the spectral range of 2 ... 12 μm. When pulsed-periodic radiation of PGS 4 (or PGS 5), tunable in the range 2-4 (4-12 μm), passes through the OAD, OAD 7 records the absorption spectra of substances present in the gas sample at characteristic wavelengths. The amplitude of the absorption signals recorded by the OAD is proportional to the radiation power of the corresponding ASG, the concentration of the absorbing gas in the sample, and its absorption coefficient at the wavelength of the probe radiation.

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.The use of ASGs in the proposed laser gas analyzer that can be freely tuned in frequency makes it possible to obtain narrow spectral lines of probe radiation in a wide spectral range, which allows high-selectivity analysis to analyze multicomponent gas mixtures in real time.

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.The use of a single laser for pumping several ASGs, the beam of which can be redirected to any of the converters without loss of power using an optical channel selector, significantly reduces the power loss of the probing radiation, which ultimately increases the signal-to-noise ratio during signal detection with a corresponding increase sensitivity and reduced analysis errors.

Claims

1. An optical-acoustic gas analyzer containing a laser, a beam forming unit, an optical-acoustic detector, a gas sample preparation and sampling system, and an analyzer operation, data recording and processing control device, characterized in that the beam forming unit includes a dichroic laser mounted on the optical axis of the laser a mirror, an optical channel selector, and optically coupled to the latter, at least two frequency-tunable optically pumped parametric light generators, the output of each of which is channel selector, and a dichroic mirror separating plate connected to the optical input DAO.

2. The optical-acoustic gas analyzer according to claim 1, characterized in that the optical channel selector is a mirror mounted on a platform moving relative to the direction of the laser beam.