ЛАЗЕРНЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР

МПК G01N 21/65, G01J 3/44
ЛАЗЕРНЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР
Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для проведения качественного и количественного анализа газовых сред.
Среди разнообразных методов газоанализа особое место занимает метод, основанный на спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) света. В первую очередь его отличает отсутствие расходных материалов и сложной пробоподготовки, высокое быстродействие, а также возможность одновременного контроля всех молекулярных соединений анализируемой газовой среды, содержание которых превышает порог чувствительности аппаратуры. Благодаря этим преимуществам данный тип газоанализаторов является на сегодняшний день одним из наиболее перспективных.
Вместе с тем, достоверность газоанализа с помощью спектроскопии КР, а также значения пороговых пределов обнаружения газовых компонентов зависит от качества и интенсивности регистрируемых аппаратурой спектров КР.
Известен лазерный газоанализатор, основанный на методе спектроскопии комбинационного рассеяния света (свидетельство на полезную модель №10462, G01N21/25, 1999 г). Несмотря на то, что данное устройство предназначено для анализа природного газа, оно способно осуществлять диагностику и других газовых сред. Данный анализатор содержит лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету, конденсорный объектив, голографический фильтр, полихроматор, содержащий вогнутую дифракционную решетку, приемный блок, содержащий распределительный элемент и фотодиодные линейки, а также ЭВМ для управления анализатором. Суть его работы заключается в регистрации спектра комбинационного рассеяния света исследуемой газовой среды для проведении качественного и количественного анализа. Основным недостатком данного устройства является низкая достоверность анализа, обусловленная низкой интенсивностью регистрируемых спектров КР. Данное обстоятельство, в свою очередь, обуславливается использованием объектива для сбора рассеянного света с малой светосилой (1:6), и спецификой полихроматора, использующего вогнутую дифракционную решетку и, соответственно, обладающего также малой светосилой.
Наиболее близким по принципу действия (прототипом) является анализатор состава природного газа по патенту РФ №126136, 2013 г, G01N 21/00. Данный анализатор также основан на спектроскопии комбинационного рассеяния света и имеет потенциал анализа любых молекулярных соединений. Данный анализатор частично лишен недостатка устройства, описанного выше, в части малой светосилы полихроматора. Устройство-прототип содержит лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету, голографический фильтр, блок управления, а также светосильный спектральный прибор с плоской дифракционной решеткой, сопряженный с ПЗС-матрицей.
Недостатком прототипа является низкая достоверность анализа, обусловленная слабой интенсивностью регистрируемых спектров КР, что вызвано малым углом сбора рассеянного излучения. Устройство-прототип имеет в своем составе светосильный объектив со светосилой 1:1,8 однако это не обеспечивает большого угла сбора рассеянного излучения, что отражается на относительно низкой интенсивности регистрируемых спектров КР.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель является повышение достоверности результатов газового анализа.
Указанный результат достигается путем повышения интенсивности регистрируемых спектров КР за счет увеличения угла сбора рассеянного излучения.
Устройство, как и прототип, содержит непрерывный лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету, голографический фильтр, обеспечивающий ослабление рассеянного излучения на длине волны лазера, спектральный прибор, сопряженный с ПЗС-матрицей, и блок управления. В отличие от известного устройства внутри газовой кюветы установлено эллиптическое зеркало, служащее для сбора рассеянного света и его направления на вход спектрального прибора. Эллиптическое зеркало расположено таким образом, что в его первом фокусе находится область фокусировки лазерного луча, а во втором фокусе - входная щель спектрального прибора.
0
Известно, что интенсивность сигналов комбинационного рассеяния I (см. соотношение 1) линейно зависит от таких параметров, как мощность возбуждающего излучения I, угол сбора рассеянного излучения Ω, концентрация молекул данного сорта N и сечение рассеяния σ:
0
I=INΩσ (1)
Использование эллиптического зеркала с указанным расположением фокусов вместо объектива позволяет значительно увеличить угол сбора рассеянного излучения Ω по сравнению с объективом и обеспечить угол сбора до 2π ср.
На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого лазерного газоанализатора.
Лазерный газоанализатор содержит лазер 1, работающий в непрерывном режиме, фокусирующую линзу 2, газовую кювету 3, эллиптическое зеркало 4 для сбора рассеянного излучения, голографический фильтр 5, спектральный прибор 6, ПЗС-матрицу 7 и блок управления 8. Все перечисленные компоненты газоанализатора располагаются в едином моноблоке и находятся в функциональной взаимосвязи.
Предлагаемый лазерный газоанализатор работает следующим образом. Возбуждающее излучение от лазера 1 фокусируется линзой 2 в центре газовой кюветы 3, где излучение рассеивается на молекулах анализируемого газа. Рассеянное излучение, наибольшая интенсивность которого находится в первом фокусе f1 эллиптического зеркала 4, в силу специфики эллиптической поверхности, направляется во второй фокус f2, который расположен на щели спектрального прибора 6. При этом собранное рассеянное излучение проходит через голографический фильтр 5, роль которого - ослабить интенсивность упругого рассеяния света на частоте возбуждающего излучения (так называемое рэлеевское рассеяние). Спектральный прибор 6 разлагает попавший в него свет в спектр, который далее регистрируется ПЗС-матрицей 7, установленной на его выходе. ПЗС-матрица 7 передает электрические сигналы в блок управления 8. Блок управления 8 обеспечивает питание лазера и ПЗС-матрицы, задает режимы их работы (время экспозиции, частота передачи данных и пр.), а также имеет выход для подключения компьютера для проведения математической обработки, вычисления концентраций газовых компонентов и визуализации результатов.
Технический результат - повышение достоверности газоанализа, что обусловлено регистрацией спектров КР газов с высокой интенсивностью, и соответственно, высоким соотношением сигнал/шум.
Кроме того, стоимость светосильного зеркала значительно ниже стоимости качественного светосильного объектива. Также необходимо отметить, что зеркала, в отличие от некоторых объективов, свободны от хроматических аберраций, что отражается на качестве изображения и, соответственно, на качестве регистрирации спектров КР.