УСТРОЙСТВО ОПТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ АТМОСФЕРЫ
DEVICE FOR OPTICAL CONTROL OF PRODUCTION ATMOSPHERE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве средства непрерывного измерения концентрации газов и пыли.
Известен волоконно-оптический датчик концентрации газов, содержащий источник оптического излучения, первый волоконный световод, кювету для исследуемой среды, устройство приема и обработки информационного сигнала, преобразователь частоты оптического излучения, расположенный между первым волоконным световодом и кюветой для исследуемой среды, приемник оптического излучения на выходе этой кюветы и устройство передачи информационного сигнала, вход которого соединен с выходом приемника оптического излучения (см. патент РФ на изобретение №2265826 с приоритетом от 16.02.2004 г., МПК 7 G01N 21/17, опубликованный 10.12.2005 г. «Волоконно-оптический датчик концентрации газов»).
Недостатком известного волоконно-оптического датчика является невозможность измерения с его помощью концентрации газов в большом объеме производственного помещения, так как измерения производятся только в объеме кюветы для исследуемой среды, что не позволяет контролировать состояние атмосферы во всем объеме производственного помещения и допускает возможность недостоверных измерений.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является устройство оптического контроля шахтной атмосферы, включающее источник излучения оптических импульсов в виде генератора импульсов и полупроводникового светодиода, оптоволоконный разветвитель и оптическое волокно, соединенное с оптоволоконным разветвителем, выполненным в виде оптического разъема с разветвителем, выносной датчик, включающий корпус и расположенный в нем коллимирующий объектив, соединенный с другим концом оптического волокна, и спектроанализатор в виде фотоприемников с интерференционным фильтром, усилителя сигнала и дискриминатора, а также контроллер для обработки передаваемых и получаемых электрических сигналов (см. журнал "Радиотехника" №5, 2001 г., с.24-25, издательское предприятие редакции журнала "Радиотехника", г.Москва).
Недостатком известного устройства оптического контроля шахтной атмосферы является невозможность измерения с его помощью концентрации газов в большом объеме производственного помещения, так как измерения производятся только в объеме выносного датчика, что не позволяет контролировать состояние атмосферы во всем объеме производственного помещения и допускает возможность недостоверных измерений.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в обеспечении возможности оптического контроля атмосферы в объеме производственного помещения и повышении достоверности измерений при сохранении их точности.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство оптического контроля производственной атмосферы, включающее источник излучения оптических импульсов, спектроанализатор, оптоволоконный разветвитель, выносной датчик, содержащий корпус и расположенный в корпусе коллимирующий объектив, оптическое волокно, соединенное с одной стороны с оптоволоконным разветвителем, а с другой стороны - с выносным датчиком, а также контроллер для обработки передаваемых и получаемых электрических сигналов, согласно изобретению дополнительно содержит временной дискриминатор, источник излучения оптических импульсов выполнен в виде быстродействующих полупроводниковых лазеров, а выносной датчик дополнительно содержит размещенный в его корпусе пучок оптических волокон, образующий с одной стороны оптоволоконный коллектор, расположенный в фокальной плоскости коллимирующего объектива, а с другой стороны соединенный с оптическим волокном, притом что импульсы, излученные в исследуемый объем и частично возвращающиеся к выносному датчику, последовательно проходят коллимирующий объектив, оптоволоконный коллектор, пучок оптических волокон, оптическое волокно и через оптоволоконный разветвитель попадают в спектроанализатор и временной дискриминатор.
Пучок оптических волокон, размещенный в корпусе выносного датчика, образующий с одной стороны оптоволоконный коллектор, расположенный в фокальной плоскости коллимирующего объектива, а с другой стороны соединенный с оптическим волокном, обеспечивает возможность распространения импульсов излучения в направлении контролируемого пространства и приема отраженных импульсов, а также необходимое соотношение сигнал/шум за счет уменьшения влияния фазового и амплитудного шума, чем достигается технический результат - обеспечение возможности оптического контроля атмосферы в объеме производственного помещения с линейными размерами в пределах от 0,5 до 100 метров при сохранении точности измерений амплитуды отраженных импульсов за счет уменьшения влияния фазового и амплитудного шума. Источник излучения оптических импульсов, выполненный в виде быстродействующих полупроводниковых лазеров, позволяет производить измерения короткими импульсами, обеспечивая необходимую дальность измерений и приемлемую среднюю мощность излучения. Временной дискриминатор позволяет определять временную задержку отраженных импульсов и, тем самым, определять размер контролируемого пространства, за счет чего достигается технический результат - повышение достоверности измерений. При этом необходимая точность измерения временной задержки импульсов сохраняется благодаря использованию пучка оптических волокон за счет уменьшения влияния фазового и амплитудного шума.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности как «новизна». Заявляемые существенные признаки, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности как «изобретательский уровень». Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждено на примере конкретного осуществления заявляемого приемо-передающего устройства оптической атмосферной линии связи.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом, где схематично представлено устройство оптического контроля производственной атмосферы.
Устройство оптического контроля производственной атмосферы включает источник излучения оптических импульсов 1, спектроанализатор 2, оптоволоконный разветвитель 3, выносной датчик 4, содержащий корпус 5 и расположенный в корпусе 5 коллимирующий объектив 6, оптическое волокно 7, соединенное с одной стороны с оптоволоконным разветвителем 3, а с другой стороны - с выносным датчиком 4. Выносной датчик 4 дополнительно содержит размещенный в его корпусе 5 пучок оптических волокон 8, соединенный с одной стороны с оптическим волокном 7, а с другой стороны образующий оптоволоконный коллектор 9, расположенный в фокальной плоскости 10 коллимирующего объектива 6, при этом источник излучения оптических импульсов 1 выполнен в виде быстродействующих полупроводниковых лазеров, а устройство оптического контроля производственной атмосферы дополнительно содержит временной дискриминатор 11. Обработка передаваемых и получаемых электрических сигналов осуществляется контроллером 12. Выносной датчик 4 размещен в исследуемом объеме производственной атмосферы 13, ограниченном стеной 14 (препятствием).
Устройство оптического контроля производственной атмосферы работает следующим образом. Источник излучения оптических импульсов 1 генерирует импульсы зондирующего излучения в диапазонах длин волн, соответствующих полосам поглощения контролируемых газовых примесей. Импульсы излучения имеют наносекундную длительность. Импульсы излучения от источника 1 распространяются через оптоволоконный разветвитель 3 и оптическое волокно 7 в направлении выносного датчика 4, проходят пучок оптических волокон 8 и излучаются через оптоволоконный коллектор 9 и коллимирующий объектив 6 в исследуемом объеме производственной атмосферы 13. При этом часть энергии излучения отражается от торца оптоволоконного коллектора 9 в обратном направлении в сторону спектроанализатора 2 и временного дискриминатора 11. Импульсы, излученные в исследуемый объем производственной атмосферы 13, проходят до отражающего препятствия 14 и частично возвращаются к выносному датчику 4, затем проходят последовательно коллимирующий объектив 6, оптоволоконный коллектор 9, пучок оптических волокон 8 и распространяются по оптическому волокну 7 и через оптоволоконный разветвитель 3 попадают в спектроанализатор 2 и временной дискриминатор 11. Для анализа сигналов производят операции временной и амплитудной селекции импульсов. В качестве опорного выделяется первый импульс отражения от торца оптоволоконного коллектора 9 выносного датчика 4 по известному времени распространения импульса в оптическом волокне 7 и ожидаемой амплитуде. Второй импульс отражения от препятствия 14 в исследуемом объеме производственной атмосферы 13 выделяют по данным предварительной калибровки и анализируют по амплитуде и временному сдвигу относительно опорного. Временной сдвиг дает информацию о расстоянии от торца оптоволоконного коллектора 9 до отражающего препятствия 14, которое вычисляют по формуле: L=C*(t2-t1)/2, где L - расстояние от торца оптоволоконного коллектора 9 до отражающего препятствия 14, С - скорость света в атмосфере, t1 - время прихода опорного импульса, t2 - время прихода отражения от препятствия 14. По расстоянию L судят об исследуемом объеме производственной атмосферы 13. Отношение амплитуд первого и второго импульсов излучения на длине волны поглощения по сравнению с таким же отношением импульсов на длине волны пропускания дает информацию о концентрации примеси измеряемого газа в исследуемом объеме производственной атмосферы 13.