ГАЗОАНАЛИЗАТОР
GAS ANALYZER

Область техники изобретения
В целом, настоящее изобретение относится к контролю газов оптическими средствами. Более конкретно, оно относится к газоанализатору и способу определения характеристик целевого газа посредством направления света через образец газа.
Уровень техники изобретения
В непрерывном производстве, энергетической промышленности и прочих промышленных вариантах применения существует необходимость в осуществлении контроля концентрации, или давления, различных газов, например, для управления технологическим процессом и из соображении безопасности. Основанные на регулируемых диодных лазерах, благодаря грубому методу измерении с меньшей склонностью к возникновению помех со стороны прочих газов, а также возможности измерения на месте при высоких температуре и давлении свою долю рынка в последние годы заняли газоанализаторы.
Ввиду ограниченного диапазона регулировки длины волны и отсутствия пригодных близкорасположенных линии поглощения в стандартном газоанализаторе единственный лазерный датчик может, в целом, измерять только один или два и, возможно, три вида газов в некоторых случаях. Это значит, что для измерения двух или нескольких видов газа необходимы как минимум два лазера, а на практике - как минимум два прибора контроля газа, и это может привести к сверлению нескольких комплектов отверстий в канале или выпускной трубе. При этом центровка оптического пути может в целом представлять сложность, в частности, в вариантах применения с длинными открытыми путями. Для направления лазерного света в ретроотражатель в стандартном приборе контроля газа для вариантов применения с длинными открытыми путями может использоваться зеркальный телескоп Ньютона, после чего он может быть использован для передачи отраженного света на детектор. Центровка таких приборов контроля газа требует точной установки всего телескопа в сторону ретроотражателя, что, в целом, трудоемко и времязатратно. В дополнение к этому, такая компоновка обладает ограниченными возможностями по обслуживанию нескольких лазеров и детекторов вдоль траектории луча, а также обладает ограниченностью вариантов позиционирования оптических компонентов. Использование нескольких лазеров и детекторов в одном приборе может быть реализовано посредством использования оптических волокон и оптронов, но обычно такие компоненты вносят значительный объем оптического шума, что приводит к снижению эффективности измерений.
Предыдущий уровень техники
В WO 2006/022550 А2 приводится газоанализатор, основанный на регулируемом лазерном источнике, который может использоваться с ретроотражателем для измерения газа между лазером/детектором и ретроотражателем.
В DD 284527 А5 приводится устройство для измерения с поглощением инфракрасного излучения, основанное на гибридном телескопе Ньютона-Кассегрена, в центре главного зеркала которого находится диафрагма, а обычное диагональное вторичное зеркало телескопа Ньютона заменено лучерасчепляющим зеркалом. Данное устройство позволяет осуществлять центровку лазерного луча соосно пути обнаружения, но это устройство все равно ограничено необходимостью центровки всего телескопа, лазерного источника и детектора относительно ретроотражателя.
В ЕР 2058671 А2 приводится устройство для лазерной дальнометрии, в котором используется узел зеркала, включающий вогнутое зеркало для сбора светового излучения обратного рассеивания, а в центре большого зеркала установлена малая часть зеркала, используемая для направления лазерного луча соосно большому зеркалу. При этом данное изобретение не позволяет установить лазерный источник и детектор на разных оптических осях, а само устройство не предназначено для газометрии. В US 2005/0162655 А1 приводится устройство, в котором используются два вогнутых зеркала. Первое зеркало предназначено для направления света от оптического волокна в сторону ретроотражателя, а второе - для сбора отраженного света и направления последнего во второе оптическое волокно, подсоединенное к детектору. Для данного изобретения требуется использование двух вогнутых зеркал, а конструкция требует, чтобы все устройство было отцентровано с ретроотражателем, включая оптическое волокно источника света и детектора. В нем также используются оптические волокна, которые могут провоцировать оптический шум.
Ввиду данных ограничений, приведенных в предыдущем уровне техники, предпочтительным будет появление усовершенствованного устройства и методов контроля газа.
Раскрытие изобретения
Задачи, решаемые настоящим изобретением
Таким образом, главная цель настоящего изобретения заключается в создании системы и метода, решающих задачи, приведенные выше.
Соответственно, задача вариантов осуществления настоящего изобретения - предпочтительное снижение, смягчение или устранение одной или нескольких недоработок, недостатков или проблем на предыдущем уровне техники, таких как приведенные выше, в отдельности или в любой комбинации посредством предложения устройства, системы или метода по прилагаемой в заявке формуле изобретения для контроля газа, основанного на оптических средствах.
Будучи основанным на спектроскопии регулируемых диодных лазеров, настоящее изобретение решает две распространенные задачи контроля газа. Первая задача, т.е., центровка датчика, решается за счет предоставления возможности центровки посредством перемещения внутренних деталей. Вторая задача, т.е., контроль более одного вида газа, решается за счет использования нескольких регулируемых диодных лазеров в одном приборе с одним общим оптическим путем без использования оптических волокон и оптронов. являющихся источником оптического шума.
Средства для решения указанных задач
Цель настоящего изобретения достигается с помощью системы контроля для определения как минимум одной характеристики целевого таза, как указано в ограничительной части пункта 1, содержащей признаки отличительной части пункта 1, и методом определения как минимум одной характеристики целевого таза, как указано в ограничительной части пункта 25, содержащей признаки отличительной части пункта 25.
Сущность изобретения
Первая цель настоящего изобретения - предложение системы контроля газа для определения как минимум одной характеристики целевого газа.
Дополнительная цель настоящего изобретения - предложение системы контроля газа с оптимизированным количеством компонентов и соответствующим количеством их положений.
Одна или несколько из этих целей достигаются настоящим изобретением, как приводится в прилагаемых пунктах.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предлагается система контроля газа для определения как минимум одной характеристики целевого газа. Данная система контроля 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 система включает в себя ретроотражатель и блок управления, причем данная система контроля газа отрегулирована для направления света через целевой таз на ретроотражатель, который возвращает свет в приемные оптические средства, а также она дополнительно включает систему детектора с как минимум одним фотодетектором для обнаружения света. Данный детектор отрегулирован для обеспечения сигнала, который должен приниматься блоком управления, причем блок управления отрегулирован для управления системой контроля газа и расчета как минимум одной характеристики газа, и при этом данная система контроля газа включает зеркальное устройство, состоящее из центрального и близлежащего зеркал, каждое из которых имеет свою поверхность и оптическую ось, причем центральное и близлежащее зеркала установлены под углом смещения между своими оптическими осями. Оптические оси центрального и близлежащего зеркала встречаются в точке пересечения вблизи геометрического центра поверхности центрального зеркала, при этом зеркальное устройство может быть наклонено в любом направлении в пределах трехгранного пространственного угла вокруг точки поворота, находящейся вблизи точки пересечения. Центральное зеркало отрегулировано для приема света от источника света и его направления на ретроотражатель. а ретроотражатель. в свою очередь, отрегулирован для возврата света на близлежащее зеркало, предназначенное для отражения света на систему детектора
Предпочтительно, чтобы точка пересечения оптических осей находилась не более чем в 10 мм от геометрического центра поверхности центрального зеркала.
Предпочтительно, чтобы точка поворота располагалась не более чем в 20 мм от точки пересечения оптических осей.
Еще более предпочтительно, чтобы точка пересечения оптических осей и точка поворота располагались в геометрическом центре поверхности центрального зеркала.
Система контроля газа может быть отрегулирована для образования лучей, и при этом каждый луч имеет ось. Луч, исходящий из системы источника света, включающей в себя источник света, направляется на центральное зеркало. Луч от центрального зеркала направляется на ретроотражатель, луч от ретроотражателя направляется на близлежащее зеркало, а луч от близлежащего зеркала - на систему детектора. При этом система контроля газа отрегулирована для выравнивания лучей, попадающих на ретроотражатель и отражаемых от него, главным образом соосно, причем оси лучей, попадающих на центральное зеркало от системы источника света и от близлежащего зеркала в систему детектора, не совпадают.
Угол в двойной величине между оптической осью центрального зеркала и близлежащим зеркалом, главным образом, может соответствовать углу между оптической осью системы источника света и системы детектора. Системы источника света и детектора располагаются на разных оптических осях.
Как центральное, так и близлежащее зеркало могут включать поверхность для отражения света, а устройство зеркала может быть отрегулировано так, чтобы близлежащее зеркало охватывало поверхность центрального зеркала, причем поверхность близлежащего зеркала больше поверхности центрального. Кроме того, поверхности центрального и близлежащего зеркал могут располагаться таким образом, что точка пересечения оптических осей будет находиться в оптическом центре центрального зеркала. Как правило, центральное зеркало может иметь одну из следующих форм: плоскую, параболическую, внеосевую параболическую и сферическую, а близлежащее зеркало - плоскую, параболическую, внеосевую параболическую и сферическую.
Система детектора может располагаться за пределами прохождения лучей, между устройством зеркала и ретроотражателем. Как правило, источник света - лазер одного из следующих видов: вертикально-излучающие, с распределен ной обратной связью, квантово-каскадные и межзонные каскадные лазеры, резонаторы Фабри-Перо, а также различные виды матричных лазеров.
Ретроотражатель может принадлежать к одному из следующих видов: кубические уголковые, с отражательной лентой, они или могут представлять собой другое устройство или поверхность, которая может отражать некоторое количество света на прибор.
Зеркальное устройство может быть расположено таким образом, чтобы направлять луч от центрального зеркала, главным образом, в направлении ориентации к ретроотражателю, в случае если система контроля газа включает средства центровки для регулировки направления ориентации зеркального устройства.
Средства центровки могут быть расположены таким образом, чтобы наклон зеркального устройства, главным образом, обеспечивался вокруг точки поворота. Кроме того, точка поворота может быть расположена вблизи центра поверхности центрального зеркала или за центром вблизи точки удлинения оптической оси.
Средства центровки могут включать средства для автоматической центровки узла зеркала в направлении ретроотражателя путем перемещения узла зеркала во время контроля сигнала и поиска оптимального сигнала.
Система контроля газа может включать источник видимого света, предусмотренный для обеспечения коллимированного луча видимого света, главным образом, соосно с лучом как минимум одного источника света для упрощения центровки системы. Кроме того, система может включать множество источников света, работающих при различной длине волны, каждый источник света имеет расщепитель луча для поглощения лучей света из источников света на общем пути; расщепители луча обладают спектральными свойствами для света, поступающего из источников света, которые соответствуют для всех расщепителей луча, главным образом, подлежащих отражению, в то время как осуществляется передача света с длиной волны от других источников света. Система контроля газа может включать множество фотодетекторов и расщепителей луча для отделения длины волны от каждого источника света на отдельные детекторы, может предусматриваться для временного или частотного разделения для отделения длины волны от каждого источника света.
Система может предусматриваться для обеспечения прохождения избыточного света от расщепителей луча как минимум в одной газовой кювете для каждого источника света, а затем как минимум в одном дополнительном фотодетекторе для каждого источника света; как минимум в одной газовой кювете содержится газ, обладающий поглощающими свойствами, который может использоваться для самокалибровки и контроля целостности прибора в отношении спектральных рабочих точек.
Кроме того, ретроотражатель может включать пластину блокирования прохождения луча, главным образом, расположенную симметрично вокруг оси центра ретроотражателя для блокирования отражения света ретроотражателем посредством центрального зеркала обратно в направлении источника света, пластина блокирования, главным образом, может быть сформирована в виде круглого диска с диаметром, оптимизированным для диапазона длины оптического пути и расходимости луча. Кроме того, пластина блокирования может быть расположена с наклоном под углом относительно оптической оси ретроотражателя. Кроме того, ретроотражатель может включать в себя центральную часть, с которой, главным образом, отражающие средства были удалены во избежание отражения лазерного света от центрального зеркала обратно в направлении источника света.
Более того, в центральной части ретроотражателя, с которой были удалены отражающие средства, располагается рассеивающий элемент, который снижает оптический шум и количество отражений от поверхностей за ретроотражателем. Отражающие поверхности в центральной части включают в себя отражающую поверхность, которая может быть подвергнута пескоструйной обработке или травлению, что, главным образом, необходимо для ее удаления и получения рассеивающего элемента.
Еще одним дополнительным аспектом настоящего изобретения является метод определения как минимум одной характеристики целевого газа, включая следующие этапы:
- излучение света в диапазоне, при котором для целевого газа в луче от источника света предусматривается как минимум одна линия поглощения,
- отражение света центральным зеркалом посредством образца целевого газа в направлении ретроотражателя;
- возврат света ретроотражателем в направлении близлежащего зеркала рядом с центральным зеркалом;
- отражение света близлежащим зеркалом в направлении системы детектора;
- обнаружение света как минимум одним детектором, включенным в систему детектора;
- получение сигнала от системы детектора и определение как минимум одной характеристики газа системой управления.
Обычно газоанализатор основан на спектроскопии регулируемых диодных лазеров, включая как минимум один источник света, при этом источником света обычно является регулируемый лазер, подобранный как минимум под один тип целевого газа и один фотодетектор, а также оптические средства для формирования и направления лучей света через анализируемый целевой газ с направлением света как минимум на один детектор. Также газоанализатор включает систему управления, которая обеспечивает управление источниками света, преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму, а также определение характеристик газа. Кроме того, газоанализатор включает внутренние средства центровки для обеспечения точной центровки. Газоанализатор может включать два или несколько источников света целевых тазов с линиями поглощения в рамках двух или нескольких диапазонов длин волн. В конкретных вариантах осуществления газоанализатор может включать одну или несколько газовых кювет, которые могут быть вставлены в оптический путь для проверки производительности прибора.
Настоящее изобретение включает комбинацию зеркала для исходящего лазерного луча и зеркала большего размера для передачи отраженного света. На фигуре 1 приведен пример системы, в которой используется подвижный узел зеркала (2000), включая поверхность вогнутого зеркала (2300), на данной поверхности имеется отверстие, в котором установлено, главным образом, плоское зеркало (2100). Узел зеркала можно наклонять во всех направлениях с использованием механических средств и приводов или любых других доступных исполнительных механизмов. Узел зеркала сконструирован таким образом, чтобы при излучении лазером (1000) света (4100), этот свет достигал плоского зеркала в узле зеркала, свет, отражающийся (4200) от плоского зеркала, достигал ретроотражателя (2200), а свет, отражающийся (4300) от ретроотражателя, достигал вогнутого зеркала (2300), фокусирующего свет (4400), который, наконец, достигает детектора (3000). Поскольку прибор имеет неточную центровку и находится в пределах регулируемого диапазона, центровка прибора может быть произведена внутренними средствами центровки прибора.
В дополнение к обеспечению внутренней центровки прибора, настоящее изобретение также включает несколько лазеров в конструкции, в которой используются те же самые оптические пути и средства центровки, как изображено в примере на фигуре 2, в котором дополнительный лазер (1100) добавлен вместе с двумя расщепителями луча (2720) (2740) и зеркалом (2600). Таким образом два лазерных луча объединяются и следуют по тому же пути. Кроме того, добавлен дополнительный детектор (3100) и может быть добавлен расщепитель луча (2700).
Главным аспектом настоящего изобретения является возможность использования уголка куба (2200) для возврата лазерного луча и последующего фокусирования возвратного света на один или несколько детекторов (3000, 3100) несоосной конструкции относительно системы источника света, в которой источником света обычно может быть лазер. Для этого сконструирован узел зеркала (2000). Узел зеркала включает два зеркала, первое зеркало (2100), расположенное в центральной части, и второе зеркало большего размера (2300), расположенное рядом с первым зеркалом. Эти зеркала установлены таким образом, чтобы между ними предусматривался соответствующий угол. Данный угол выбирается таким образом, чтобы соответствовать геометрическим параметрам оптической системы, т.е. расстояние между системой лазера и детектора относительно расстояния до узла зеркала. Система детектора включает один фотодетектор (3000) в приборе с одним лазером. В приборе с двумя лазерами система детектора включает два детектора (3000, 3100) и расщепитель луча (2700). В приборе с одним лазером и плоским близлежащим зеркалом (2310) система детектора включает детектор (3000) и фокусирующую линзу (6000).
Центральное зеркало (2100) является плоским, в случае если расходимость лазерного луча подходит для использования в выбранной настройке. Центральное зеркало является выпуклым или вогнутым, соответственно, при необходимости уменьшения или увеличения расходимости лазерного луча. Близлежащее зеркало большего размера может быть плоским (2310), сферическим или параболическим (2300). По первому варианту осуществления оно является параболическим. Зеркало большего размера (2300) фокусирует луч на систему детектора (3000). По второму варианту осуществления близлежащее зеркало большего размера (2310) является плоским, как показано на фигуре 5а. Данный вариант осуществления включает линзу (6000), которая фокусирует свет на детектор (3000).
Система, которая включает два плоских зеркала (2100, 2310), как показано на фигурах 5а и 5b, является более понятной в отношении угла между лазерным лучом или лучами и лучами, достигающими фокусирующей линзы (6000) и детектора (3000). Наблюдается прямое соотношение угла между двумя зеркалами (2100, 2310) с углом между оптической осью системы источника света, которая включает источник света (1000) и систему детектора (6000, 3000).
Чтобы объяснить существенный аспект настоящего изобретения, предполагается, что наклон узла зеркала (2000) отрегулирован для получения максимальной интенсивности света на детекторы так, чтобы соответствовать варианту, показанному на фигуре 5а. Если ретроотражатель перемещается или вращается, центровка всего прибора, включающего лазер, узел зеркала, систему детектора и т.д. в отношении ретроотражателя будет потеряна и интенсивность света на детектор снизится. Если в качестве примера взять настройку, показанную на фигуре 5а), и переместить ретроотражатель немного вверх, интенсивность света на детектор значительно снизится. В таком случае узел зеркала регулируется для достижения максимальной интенсивности света на детектор. После чего получается ситуация, приведенная на фигуре 5b). На фигуре 5b видно, что ретроотражатель перемещен вверх, и что угол альфа узла зеркала был уменьшен на величину дельта. При этом свет остается сфокусированным в той же точке на детекторе. В этом заключается основная идея настоящего изобретения.
В стандартном варианте осуществления плоское близлежащее зеркало (2310) заменяется внеосевым параболическим зеркалом (2300). При этом те же принципы применяются для угла между большим зеркалом и малым центральным зеркалом и их соотношению с углом между оптической осью системы источника света и оптической осью системы детектора. При использовании параболического зеркала фокусирующая линза (6000) не требуется для фокусирования света на детектор. Системы, в которых не пользуется параболическое зеркало, показаны на фигурах 1, 2 и 3.
Необходимо, чтобы возвратный луч из ретроотражателя имел больший диаметр или поперечное сечение, чем размер малого центрально зеркала для обеспечения надлежащего света, фокусируемого на систему детектора.
В оптимальном варианте узел зеркала перемещается или наклоняется вокруг точки на поверхности посередине малого центрального зеркала. Это возможно реализовать с помощью шарнирной механической конструкции, чтобы удержать узел зеркала. При этом легче реализовать оптико-механическое решение, в котором точка перемещения располагается на определенном расстоянии от поверхности центрального зеркала, как показано на фигурах 1, 2 и 3. Такое решение предусматривает немного меньший диапазон регулировки.
Следует отметить, что термин «включает/включающий», в случае использования в данном описании, применяется для обозначения наличия указанных признаков, этапов, систем или компонентов, но не исключает наличие или добавление одного или нескольких других признаков, систем, этапов, компонентов или групп в данном отношении. Краткое описание чертежей
Вышеуказанные и другие признаки настоящего изобретения более конкретно изложены в прилагаемой формуле, и вместе с их преимуществами будут более понятны из следующего подробного описания примера осуществления данного изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Данное изобретение описано ниже в связи с примерами осуществления, которые схематически представлены на чертежах, а именно:
На фигуре 1 изображена основная часть центровки настоящего изобретения с лазером (1000), узлом зеркала (2000), внешним ретроотражателем (2200) и детектором (3000); На фигуре 2 изобретение изображено в момент, когда второй лазер (1100) представлен вместе с расщепителями луча (2720) (2740), а также зеркалом (2700) и вторым детектором (3100).
На фигуре 3 изображено добавление средств для проверки целостности прибора в режиме нормальной работы.
На фигурах 4a, b и с представлен ретроотражатель (2200), вмонтированный в удерживающее приспособление (2230) с экранами или пластинами блокирования прохождения луча (2210, 2211).
На фигурах 5а и 5b представлен узел зеркала, состоящий из двух плоских зеркал (2100 и 2310), используемых для управления лучом.
На фигуре 6 представлен один возможный пример реализации системы центровки, которая может использоваться для центровки газоанализатора путем изменения направления ориентации узла зеркала (2000). На фигуре 6а) представлено поперечное сечение механических средств центровки. Фактически это поперечное сечение А-А фигуры 6b), на которой представлен узел зеркала со стороны зеркала. На фигуре 6с) представлена система центровки с одной стороны. На фигуре 6d) представлена система центровки сзади.
На фигуре 7а представлена поверхность близлежащего зеркала (2300) и ее оптическая ось (2350) без отверстия для центрального зеркала.
На фигуре 7b представлено центральное обычно плоское зеркало (2100) и его оптическая ось (2150).
На фигуре 7с представлено близлежащее зеркало (2300) с центральным отверстием, в котором располагается центральное обычно плоское зеркало (2100).
На фигуре 8 представлен ретроотражатель (2200), на котором, главным образом, центральная часть (2240) отражающих поверхностей ретроотражателя (2200) была удалена и заменена на рассеивающий элемент (2250). Следует отметить, что фигуры выполнены не в масштабе. Описание ссылочных позиций
На чертежах указаны следующие ссылочные номера и позиции:
Ссылочный номер/Описание
1000 Источник света, как правило, лазер
1100 Второй лазер с длиной волны, отличающейся от первого лазера
1200 Лазер для центровки, как правило, видимый, зачастую красный
2000 Узел параболического зеркала
2050 Точка или ось вращения узла параболического зеркала
2060 Регулировочный винт в системе центровки
2070 Натяжной винт в системе центровки
2100 Плоское зеркало, отражающее расходящийся луч из лазера(-ов)
2150 Оптическая ось близлежащего зеркала
2200 Ретроотражатель, кубический уголковый
2210 Экран или пластина блокирования прохождения луча
2211 Экран или пластина блокирования прохождения луча немного большего размера
2230 Удерживающее устройство для ретроотражателя
2240 Центральная часть ретроотражателя
2250 Рассеивающий элемент
2300 Параболическая поверхность, фокусирующая возвратный свет на детектор(ы)
2310 Плоское зеркало, эквивалентное параболическому зеркалу
2350 Оптическая ось центрального зеркала
2500 Окно диафрагмы, наклоненное и клинообразное
2600 Зеркало для отражения объединенного лазерного света на плоское зеркало 2100
2700 Расщепитель луча для расщепления света из двух лазеров на два детектора
2720 Расщепитель луча для включения первого лазера
2740 Расщепитель луча для включения второго лазера
2810 Линза для фокусирования эталонного сигнала из первого лазера
2820 Линза для фокусирования эталонного сигнала из второго лазера
2910 Предел или эталонный элемент для проверки первого лазера
2910 Предел или эталонный элемент для проверки второго лазера
3000 Фотодетектор
Второй детектор для обнаружения света из второго лазера
3100 Длина волны
3200 Детектор для проверки первого лазера
3300 Детектор для проверки второго лазера
4100 Расходящийся луч из лазера
4200 Луч из лазера, отражаемый плоским зеркалом
4210 Луч из лазера, отражаемый плоским зеркалом, угол изменен - 2 дельта
4300 Луч, отражаемый от уголка куба на пути к параболическому зеркалу
Луч, отражаемый от уголка куба на пути к плоскому параболическому зеркалу
4310 Эквивалент, угол изменен - 2 дельта
4400 Фокусируемый луч от параболического зеркала на детектор
4410 Луч, фокусируемый на первый детектор
4420 Луч. фокусируемый на второй детектор
4450 Луч, отражаемый от плоского параболического зеркала, эквивалентного фокусирующим линзам
4460 Фокусируемый луч на пути к детектору
5000 Целевой таз, подлежащий анализу
6000 Линзы для фокусирования света на детектор
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Различные аспекты настоящего изобретения более подробно описаны далее со ссылкой на прилагаемые чертежи. Однако данное изобретение может быть выполнено во множестве разных форм и не должно считаться ограниченным какой-либо конкретной структурой или функцией, представленной в настоящем описании. Данные аспекты представлены таким образом, чтобы описание было подробным и исчерпывающим, а также полностью передавало объем изобретения специалистам в данной области техники. Исходя из представленных идей, специалист в данной области техники должен понимать, что объем настоящего изобретения охватывает любой аспект изобретения, раскрытый в данном патенте, будь то выполненный независимо или совмещенный с любым другим аспектом изобретения. Например, устройство может быть выполнено, либо способ может быть осуществлен посредством ряда изложенных здесь аспектов. Кроме того, объем настоящего изобретения охватывает такое устройство или способ, который осуществляется на практике с помощью другой структуры, функций, либо структуры и функций помимо или в отличие от различных аспектов изобретения, изложенных здесь. Следует понимать, что любой раскрытый здесь аспект изобретения может быть реализован одним или несколькими заявленными элементами.
Следующее раскрытие фокусируется на примерах настоящего изобретения, применимых для контроля газа посредством оптических средств. Например, это дает преимущество для вариантов применения с длинными открытыми путями контроля газа. При этом следует принять во внимание, что описание не ограничивается этим вариантом применения, но также может использоваться во многих других системах, в которых выполняется оптическое обнаружение газа.
В первом примере, изображенном на фигуре 1, система контроля газа показана с подвижным узлом зеркала (2000), включающим параболическую поверхность (2300), которая имеет отверстие для монтажа, главным образом, плоского зеркала (2100). Узел зеркала можно наклонять во всех направлениях с использованием механических средств и приводов или любых других доступных исполнительных механизмов. Управление исполнительными механизмами осуществляется посредством электронных компонентов, которые управляются процессором. На основании модуляции лазера и измерения сигнала детектора микропроцессор может определить оптимальную центровку для прибора, настройку на максимальную мощность, т.е. максимальный сигнал.
Узел зеркала (2000) сконструирован таким образом, чтобы при излучении лазером (1000) света (4100) этот свет достигал, главным образом, плоского зеркала (2100) в узле зеркала, свет, отражающийся (4200) от, главным образом, плоского зеркала, достигал ретроотражателя (2200), а свет, отражающийся (4300) от ретроотражателя, достигал параболического зеркала (2300), фокусирующего свет (4400), который, наконец, достигает детектора (3000). Поскольку прибор имеет неточную центровку и находится в пределах регулируемого диапазона, центровка прибора может быть произведена внутренними средствами центровки. Кроме того, конструкция узла зеркала гарантирует, что лазерный свет будет проходить по предполагаемым путям, даже не смотря на необходимость в выравнивании от центрального положения.
В другом примере, как показано на фигуре 2, прибор позволяет включать в конструкцию множества лазеров, при этом следуя по тому же оптическому пути и используя те же средства центровки. Добавлен дополнительный лазер (1100), а также два расщепителя луча (2720) (2740) и зеркало (2600). Таким образом, два лазерных луча объединяются и следуют по той же траектории. Кроме того, добавлены дополнительный детектор (3100) и расщепитель луча (2700). Расщепитель луча пропускает свет из первого лазера (1000), при этом происходит отражение света из второго лазера (1100) и достижение им второго детектора (3100). Сигналы из двух комплектов лазеров и детекторов могут обрабатываться отдельно для получения замеров в двух разных диапазонах длин волн. Система источника света (1000, 1100) включает в себя лазер и оптические средства для формирования луча. В настоящей заявке система источника света будет именоваться как «лазер». Оптические средства для формирования луча имеют конструкцию и отрегулированы таким образом, чтобы лазерный луч (4100) имел расходимость, подходящую для фактической установленной длины и длины оптического пути.
В показанном примере видно, что был добавлен видимый лазер (1200) с коллимированным лучом, что позволяет оператору прибора видеть, куда приспособление направлено на данный момент.
На фигуре 2 изобретение изображен второй лазер (1100), представленный вместе с расщепителями луча (2720) (2740), а также зеркалом (2700) и вторым детектором (3100). Оптическая конструкция, показанная на фигуре 1, идеально подходит для случаев, когда в системе присутствуют два или несколько лазеров, как, например, на фигуре 2, так как все лучи могут быть объединены и пропущены через те же оптические средства, которые, в свою очередь, могут быть отцентрованы с помощью внутренних средств и автоматически, внутри корпуса приспособления. Кроме того, может быть добавлен видимый лазер для выравнивания (1200), что также позволит видеть, куда направлено приспособление. В отличие от регулируемого лазера, который имеет расходящийся луч, этот лазер имеет коллимированный луч.
В другом примере, как изображено на фигуре 3, прибор обеспечивает возможность включения средств контроля в ту же оптическую конструкцию, таким образом можно непрерывно контролировать каждый лазер с учетом дрейфа длины волны, и т.д. Избыточный свет от расщепителей луча (2720) (2740) может отправляться через газовые кюветы (2910) (2920) к детекторам (3200) (3300). За состоянием лазера можно следить при помощи спектральных свойств газа в кювете.
На фигуре 3 изображено добавление средств для проверки целостности прибора в режиме нормальной работы. Это может использоваться для проверки того, находится ли длина волны лазера в правильном диапазоне, или для проверки калибровки при помощи внутреннего оптического пути. На фигуре изображена одна кювета (модуль) для каждого лазера, которая, как правило, содержит разные газы или ту же газовую смесь, в которой содержатся газ (газы) и линии поглощения в диапазонах длин волн для обоих лазеров. Избыточный свет из лазера(-ов) излучается через расщепитель(-и) луча (2720) (2740), фокусируется при помощи линзы (линз) (2810) (2820). проходит через газовую кювету(-ы) (2910) (2920) и достигает детектора(-ов) (3200) (3300). В тех случаях, когда измерение газа не предполагается, в кювете может использоваться целевой газ, что позволяет проверять, работает ли лазер в правильном диапазоне длин волн. Кроме того, можно произвести проверку пределов измерений, так как изменения в калибровке, как правило, происходят при изменениях в выходной мощности лазера по причине длительного дрейфа или изменения.
В некоторых примерах, главным образом, плоское зеркало (2100) не является абсолютно плоским, а вместо этого имеет незначительную кривизну, в некоторых примерах необходимую для обеспечения лучшей фокусировки лазерного луча.
В некоторых примерах вогнутая поверхность (2300) не является параболической, а вместо этого имеет другую кривизну.
В некоторых примерах множество детекторов обусловлено неиспользованием расщепителей луча, а использованием комбинированных или сдвоенных детекторов, чувствительных к различным длинам волн, или в некоторых примерах другими средствами спектрального разделения.
В некоторых примерах используется один детектор, а различные длины волн лазеров разделяются посредством применения временного или частотного способов разделения. Некоторые лазеры более чувствительны к оптической обратной связи, чем другие. Основная конструкция настоящего изобретения предполагает возврат некоторых лучей света из ретроотражателя в малое центральное зеркало, которое, в свою очередь, возвращает свет в систему источника света. Обратная связь может мешать работе лазера посредством создания более сильного оптического шума или, в худшем случае, вывести лазер из строя. Данная проблема решается путем установки экрана или пластины блокирования прохождения луча (2210, 2211) в центральной части (2240) ретроотражателя (2200). Диаметр этого экрана может регулироваться в зависимости от длины оптического пути и расходимости луча. Диаметр может быть оптимизирован для определенного диапазона длины оптического пути для данной расходимости луча и геометрии колли матерных оптических средств. В оптимальном варианте экран блокирует свет, не давая ему достигнуть центрального зеркала, так как этот свет не взаимодействует с сигналом детектора, но может нарушить работу лазера.
На фигурах 4a, b и с представлен ретроотражатель (2200), вмонтированный в удерживающее приспособление (2230) с экранами или пластинами блокирования прохождения луча (2210, 2211). На фигуре 4b показан экран (2211), который немного больше экранов (2210), показанных на фигурах 4а и с. Как можно видеть на фигуре 4с, экран или пластина блокирования прохождения луча (2210) наклонена так, чтобы лучи отражаемого света выводились из оптического пути и не достигли лазера или не дошли до детектора.
В дополнительном варианте осуществления для уменьшения света, отражающегося обратно в направлении источника света (1000), центральная часть (2240) ретроотражателя (2200) удаляется, если ретроотражатель (2200) реализуется в форме уголка куба отражающих поверхностей. Таким образом упрощается техническое обслуживание, чем в случае с пластиной блокирования прохождения луча (2210), если требуется очистка оптических поверхностей. Дополнительным признаком является расположение рассеивающего элемента в центральной части (2240) ретроотражателя (2200) для снижения оптического шума и количества отражений от поверхностей за ретроотражателем (2210). Это представлено на фигуре 8.
Размеры центральной области (2240), с которой удаляется отражающая поверхность, будут адаптированы под фактические расстояния и размеры различных компонентов во избежание отражения обратно в направлении источника света (1000), а также для того, чтобы обеспечить наилучший возможный сигнал измерения для газоанализатора.
Одним из вариантов удаления центральной части (2240) ретроотражателя (2200) и, вместе с тем, получения рассеивающего элемента, является пескоструйная обработка или травление центральной части ретроотражателя (2200) для получения матовой, рассеивающей поверхности.
На фигурах 5а и 5b представлен узел зеркала, состоящий из двух плоских зеркал (2100 и 2310), используемых для управления лучом. Центральное зеркало (2100) направляет незначительно расходящийся луч (4200 на фиг. 5а и 4210 на фиг 5b) из лазера (1000) к уголку куба (2200). Уголок куба (2200) на обеих фигурах находится в центре луча (4200 на фиг. 5а и 4210 на фиг. 5b). Уголок куба (2200) отражает луч (4300 на фиг. 5а и 4310 на фиг. 5b) обратно к узлу зеркала. По причине незначительного расхождения, некоторая часть отражаемого луча (4300 на фиг. 5а и 4310) на фиг. 5b) нацелена на большое плоское зеркало (2310). Отражаемый луч (4450) направляется к фокусирующим линзам (6000), которые фокусируют луч (4460) на фотодиод (3000). На фигуре 5а узел зеркала наклонен в пределах угла а. На фигуре 5В узел зеркала наклонен в пределах угла α-δ. Направление отражаемого луча (4300 на фиг. 5а и 4310 на фиг. 5b) от центрального зеркала (2100) меняется на 2δ с фиг. 5а на фиг. 5b. Направление отражаемого луча (4300 на фиг. 5а и 4310 на фиг. 5b) от уголка куба (2200) к плоскому зеркалу большего размера (2310) также меняется на 2δ с фиг. 5а на фиг. 5b. Так как угол наклона плоского зеркала большего размера (2310) изменено на -δ с фиг. 5а на фиг. 5b, направление отражаемого луча (4450) от плоского зеркала большего размера (2310) не будет меняться с фигуры 5а на фигуру 5b. Сфокусированный луч (4460) от линз (6000) таким образом нацелит ту же точку на фотодиод (3000).
Прибор, согласно изобретению, должен быть отцентрован таким образом, чтобы лучи света, исходя от лазера (1000), направлялись к центральному зеркалу (2100), оттуда проходили через окно (2500), через целевой газ (5000), достигали ретроотражателя (2200), затем отражались последним обратно через окно к близлежащему зеркалу (2300) и, наконец, фокусировались на детектор (3000).
В настоящей заявке регулировка оптических компонентов для достижения вышеизложенного будет именоваться как «центровка».
Центровка во время изготовления прибора, как правило, необходима для лазеров (1000, 1100), расщепителей луча (2720, 2740), зеркала (2600), расщепителя луча (2700) в части детектора, а также для детекторов (3000, 3100). В зависимости от фактической реализации зеркального устройства, перед детекторами может понадобиться дополнительное устройство линз. Для устройства линз также может понадобиться центровка. Центровка, при обычном использовании конечным пользователем, как правило, производится посредством трубой центровки всего прибора, а затем при помощи только узла зеркала (2000) для окончательной точной регулировки. Центровка, при обычном использовании, производится с помощью регулировочных винтов (2060, 2070), как показано на фигуре 6.
На фигуре 6 представлен один возможный пример реализации системы центровки, которая может использоваться для центровки газоанализатора путем изменения направления ориентации узла зеркала (2000). На фигуре 6а) представлено поперечное сечение механических средств центровки. Фактически это поперечное сечение А-А. фигуры 6b), на которой представлен узел зеркала со стороны зеркала. На фигуре 6с) представлена система центровки с одной стороны. На фигуре 6d) представлена система центровки сзади. Узел зеркала (2000) перемещается вокруг стального шарика (2050). Регулировка осуществляется с использованием регулировочных винтов (2060), а перемещение в другом направлении предусматривается натяжными винтами, включая винт и стальную пружину.
Центровка при установке прибора на месте может осуществляться с использованием ручных или автоматических, либо полуавтоматических средств центровки. Работа всей ручной системы может быть основана на регулировочных винтах, которые обеспечивают наклон или перемещение узла зеркала (2000) вокруг точки «поворота» (2050). Один возможный пример реализации представлен на фигуре 6.
На фигуре 7а представлена поверхность близлежащего зеркала (2300) и ее оптическая ось (2350) без отверстия для центрального зеркала. На фигуре 7b представлено центральное обычно плоское зеркало (2100) и его оптическая ось (2150). На фигуре 7с представлено близлежащее зеркало (2300) с центральным отверстием, в котором располагается центральное обычно плоское зеркало (2100). Оптические оси (2150, 2350) обеих поверхностей (2100, 2300) пересекаются в одной точке, которую предполагается использовать в качестве точки поворота для получения наилучшей производительности системы
Предпочтительно, чтобы данная точка пересечения также располагалась на поверхности центрального зеркала (2100). Кроме того, точка пересечения представляет собой теоретическую точку, в которой оптическая ось близлежащего зеркала (2300) пересекает поверхность близлежащего зеркала (2300), если в центре данного зеркала не находится отверстие.
Оптические оси (2150, 2350) центрального зеркала (2100) и близлежащего зеркала (2300) встречаются в точке пересечения вблизи (геометрического центра) поверхности центрального зеркала (2100). Пред почтительно, чтобы расстояние между точкой пересечения и поверхностью не превышало 10 мм, и еще более предпочтительно, чтобы точка пересечения располагалась на поверхности центрального зеркала (2100). Зеркальное устройство (2000) может быть наклонено в любом направлении в пределах трехгранного пространственного угла вокруг точки поворота (2050), при этом точка поворота (2050) располагается вблизи точки пересечения. Предпочтительно, чтобы расстояние между точкой поворота (2050) и точкой пересечения не превышало 20 мм, и еще более предпочтительно, чтобы точка поворота (2050) располагалась в точке пересечения. Кроме того, если точка поворота и точка пересечения располагаются не в одном и том же месте, предпочтительно, чтобы точка поворота (2050) находилась за поверхностью центрального зеркала (2100).
Устройство зеркала может наклоняться как один цельный элемент по отношению к другим частям системы контроля таза в любом направлении в пределах трехгранного пространственного угла, и, таким образом, системы выравнивается одним только наклоном устройства зеркала.
Работа автоматической или полуавтоматической системы центровки основана на исполнительных механизмах с аналогичными функциями, как у регулировочных винтов, за исключением того, что стопорные винты не требуются. Используя как минимум один из лазеров и один из детекторов, включая блок электроники и преобразования в цифровую форму, исполнительные механизмы используются для сканирования по возможному диапазону для поиска максимальной интенсивности сигнала. Одной из возможных стратегий сканирования является начало процедуры в центре и следование по спирали наружу к нормальной или квадратной спирали. Возможными подходами являются остановка в достаточно высокой точке локального максимума или сканирование по всему диапазону для поиска точки глобального максимума. В полуавтоматическом режиме процедура центровки начинается с ручной подналадки, в то время как в автоматическом режиме процедура центровки начинается, в случае если интенсивность сигнала ниже определенного порогового значения в течение указанного времени. Также возможны многие другие более сложные критерии для начала процедуры центровки.
В зависимости от типа реализации, приемным оптическим средством является искривленное или обычное параболическое зеркало (2300), которое фокусирует свет на систему детектора. В случае если близлежащее зеркало является плоским (2310), приемные оптические средства также включают фокусирующую линзу (6000).
По настоящему изобретению, в прибор поступают данные, являющиеся характеристикой целевого газа. В прибор также могут поступать данные, являющиеся характеристикой газа или воздуха, имеющегося на оптическом пути внутри прибора, и газа или воздуха, имеющегося на оптических путях снаружи прибора, но не в целевом газе. Продувку всего прибора можно осуществлять азотом во избежание поступления кислорода в воздухе внутри прибора.
В прибор также могут поступать данные от датчиков температуры, давления, скорости потока и других датчиков.
На основании полученных данных и предварительно установленных знаний и данных, блок управления рассчитывает концентрацию одного или нескольких газов и, возможно, температуру (Т) и/или давление (д) на основании спектроскопических данных.
Блок управления включает средства для управления прибором, т.е. контроль температуры, сканирование и модулирование лазера, получение данных от детекторов и других исходных данных (Т, д и т.д.). Блок управления также выполняет другие необходимые задачи по обслуживанию прибора. Как уже отмечалось выше, блок управления рассчитывает концентрации газа и другие параметры. Блок управления имеет и управляет различными блоками ввода и вывода (I/O), которые используются для ввода других сигналов, например, Т и д, и вывода результатов, например, концентрация(-и) газа. Блок управления также использует I/O для настройки прибора, а также калибровки и диагностики неисправностей.
В настоящей заявке узел зеркала (2000) также рассматривается как зеркальное устройство, поскольку центральное и близлежащие зеркала расположены под определенным углом между ними. Узел зеркала имеет соответствующее направление ориентации, которое может быть определено относительно оптической оси близлежащего или центрального зеркала или обоих зеркал. Во время центровки регулируется направление ориентации узла зеркала.
Оптическая ось плоского зеркала находится под прямым углом относительно поверхности зеркала. Прямой угол, который совпадает с оптической осью других элементов, выбирается как оптическая ось, если применимо, в противном случае, выбирается прямой угол в центре плоского зеркала.
В настоящем изобретении термин «ретроотражатель» используется для всех устройств или поверхностей, отражает как минимум некоторое количество света обратно на прибор таким образом, чтобы можно было его обнаруживать посредством системы детектора. Ретроотражатель может принадлежать к следующим видам: кубические уголковые, с отражательной лентой, они или могут представлять собой другое устройство или поверхность, которая может отражать некоторое количество света на прибор. Даже предметы внутри и вне помещения или поверхности могут выступать в качестве ретроотражателей, ими могут быть стенки, каменная поверхность и пол. Лазер расположен таким образом, чтобы свет достигал центрального зеркала, центральное и близлежащее зеркала, а также система детектора расположены таким образом, чтобы свет, достигающий центрального зеркала, выводился в направлении ретроотражателя, а затем обратно на близлежащее зеркало и на систему детектора. Углы и положения могут быть предусмотрены согласно примерам, показанным на фигуре 5.
Узел зеркала перемещается вокруг точки или шарика 2050. Также возможен вариант расположения, когда узел зеркала скользит по верхней части искривленной поверхности с большим диаметром. Возможно, это приведет к наличию большего расстояния между поверхностью центрального зеркала и точкой перемещения и меньшему диапазону регулировки.
Дополнительный метод реализации системы с двумя лазерами, как показано на фигурах 2 и 3, может быть предусмотрен с использованием центрального зеркала с двумя отражающими поверхностями под углом между ними. Первая поверхность может иметь покрытие, которое обеспечивает отражение в диапазоне 760 им при передаче других длин волн. Другая поверхность, возможно, задняя поверхность под другим углом отражает весь свет. Данный вариант расположения может обеспечить возможность установки систем лазера и детектора, отличной от примеров, показанных на фигурах 2 и 3. Системы лазера и детектора могут устанавливаться с большей степенью автономности, исключительно в зависимости от углов между различными поверхностями центрального зеркала.
Один вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает вертикально-излучающий лазер (1100) в диапазоне около 760 им, луч, попадающий в расщепитель луча (2740), отражающий обычно 90% света из лазера, и передающий некоторое количество видимого света из центрирующего лазера (1200). Лазер с распределенной обратной связью (1000) в диапазоне около 2,3 мкм излучает свет на расщепитель луча (2720), отражающий около 90% света в диапазоне 2.3 микрона, данный расщепитель луча также включает антибликовое покрытие для диапазона 760 им таким образом, чтобы обеспечивалась передача света из первого лазера (1100). Зеркало (2600) направляет свет в сторону центрального зеркала (2100). Расщепитель луча (2720) также передает некоторое количество видимого света для центрирующего лазера (1200).
Свет, поступающий на систему детектора, достигает расщепителя луча (2700), отражающего свет в диапазоне 760 им на детектор (3100). Тот же расщепитель луча имеет антибликовое покрытие, оптимизированное для диапазона 2,3 микрона, а свет из лазера (1000) достигает детектора (3000).
Можно вставить кювету, в которой содержится газ СО, в кювете между расщепителем луча (2700) и детектором (3000). Может использоваться для отслеживания линии и проверки пределов измерений или верификационной проверки.
Газовые кюветы (2910, 2920) совместно с детекторами (3200, 3300) могут использоваться для отслеживания линии и/или проверок пределов измерений или верификационных проверок. Все указанные кюветы могут устанавливаться на постоянной основе или вставляться с использованием системы исполнительных механизмов. Проверка нулевой установки может осуществляться без кювет. Кюветы могут быть сквозными или герметичными
Настоящее изобретение обладает преимуществом, которое позволяет включать в тот же оптический путь больше одного лазера, позволяя одному прибору контроля газа, таким образом, проводить измерения для нескольких компонентов газа, несмотря на то, что линии поглощения для этих газов расположены далеко друг от друга и не могут сканироваться при помощи одного лазера. Группа вариантов осуществления, включая два различных лазера, работающих в различных диапазонах длин волн, является типичной для применения настоящего изобретения.
2
2
2
2
4
Одним из примеров является прибор для анализа процесса горения, первый лазер которого работает в диапазоне 760 н.м для измерения кислорода (О), а второй лазер которого работает в диапазоне 2327 им для измерения оксида углерода (СО). Лазер, работающий в диапазоне 760 им, может сканировать больше одной линии кислорода, что позволяет измерять температуру газа при помощи спектроскопических средств. В целом, он может сканировать линию NO, что позволяет измерять О, NO и температуру при помощи первого лазера. Посредством выбора диапазона длин волн второго лазера для сканирования линии СО, линии метана (СH) и линии водяного пара, второй лазер дает возможность измерения еще трех газов при помощи того же прибора контроля газа, а также измерения температуры при помощи двух линий поглощения воды. Благодаря этому существует возможность измерения 6 компонентов, 5 газов и температуры при помощи одного прибора, для которого требуется всего одно отверстие в выпускной трубе или канале для работы на месте.
В определенном варианте применения, например, когда при высокой температуре технологической среды в стеклоплавильной печи необходимо избежать непосредственного контакта анализатора и технологических каналов, измерение температуры при помощи линии кислорода является неприменимым, так как лазерный луч пройдет как через технологическую среду, так и через воздух между лазером и технологическим каналом. В таком варианте применения вместо линий кислорода в диапазоне 760 им для измерения температуры можно использовать линию водяного пара в диапазоне 2300 им.
В соответствии с настоящим изобретением, в приборе может размешаться целый ряд различных типов лазеров, к примеру, но не ограничиваясь, вертикально-излучающие, с распределенной обратной связью, квантово-каскадные и межзонные каскадные лазеры, резонаторы Фабри-Перо, а также различные виды матричных лазеров. Данные лазеры могут работать во всех диапазонах длин волн, доступных для лазеров, а также в которых находятся линии поглощения для определения соответствия газа. Любые сочетания лазеров и диапазонов длин волн возможны, если прохождение через оптические окна, линзы и субстраты расщепителя луча является соответствующим для работы. Прибор контроля газа настоящего изобретения может использоваться в различных конфигурациях, таких, как открытый путь, поперечная выпускная труба с ретроотражателем или в однофланцевом решении с головкой со встроенным ретроотражателем. Решение с однофланцевой головкой может включать в себя средства для недопущения попадания частичек в оптический путь или луч. Это позволяет работать во внешних условиях, обладающих пылевой нагрузкой слишком высокой для работы оптических систем.