Лазерный газоанализатор
LASER GAS ANALYZER

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для проведения качественного и количественного анализа газовых сред.
Среди разнообразных методов газоанализа особое место занимает метод, основанный на спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) света. Спектры КР объясняются рассеянием возбуждающего лазерного излучения молекулами на частотах, соответствующих их внутреннему строению, а интенсивность данных спектров линейно зависит от количества молекул. Таким образом, суть данного метода заключается в регистрации спектров КР и проведении по ним качественного и количественного анализа газовых сред. В первую очередь, данный подход 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 одним из наиболее перспективных на сегодняшний день.
Необходимо отметить, что основным недостатком газоанализа с помощью спектроскопии КР является низкая интенсивность информативных сигналов, что напрямую отражается на величинах пороговых пределов обнаружения газовых компонентов и относительно невысокой достоверности проводимого газоанализа.
Известен лазерный анализатор, основанный на методе спектроскопии комбинационного рассеяния света [свидетельство на полезную модель №10462, 1999 г., G01N21/25]. Несмотря на то, что данное устройство предназначено для газоанализа природного газа, оно способно осуществлять диагностику и других газовых сред. Данный анализатор содержит лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету, конденсорный объектив, деполяризующий клин, голографический фильтр, полихроматор, содержащий вогнутую дифракционную решетку, приемный блок, содержащий распределительный элемент и фотодиодные линейки, а также блок управления и ЭВМ. Суть его работы заключается в регистрации спектра комбинационного рассеяния света исследуемой газовой среды и проведении по нему 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 [Патент 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 использования компонентов с малой светосилой.  Указанное устройство имеет в своем составе лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету, фотообъектив со светосилой 1:1.8, голографический фильтр, блок управления, а также светосильный спектральный прибор с плоской дифракционной решеткой, сопряженный с ПЗС-матрицей.
Тем не менее основным недостатком данного анализатора газа является низкая достоверность анализа, обусловленная относительно низкой интенсивностью регистрируемых спектров КР.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение интенсивности регистрируемых спектров КР за счет увеличения плотности молекул в области взаимодействия лазерного луча и анализируемого газа.
Технический результат – повышение достоверности газоанализа.
Указанный результат достигается тем, что в системе, содержащей непрерывный лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету с входным окном для ввода лазерного излучения и окном для вывода рассеянного излучения под углом 90°, фотообъектив, голографический фильтр, обеспечивающий ослабление рассеянного излучения на длине волны лазера, спектральный прибор, сопряженный с ПЗС-матрицей, и блок управления, в отличие от прототипа, внутренние грани газовой кюветы выполнены таким образом, что они образуют прямоугольный параллелепипед, причем на грани, не имеющей окна и параллельной другой грани, также не имеющей окна, установлен акустический излучатель с частотой, создающий внутри кюветы стоячую звуковую волну, перпендикулярную лазерному лучу и обеспечивающую в области фокусировки область сжатия газа.
Известно, что акустическая волна представляет собой чередующиеся области сжатия и разрежения среды, в которой она распространяется. Выполнение внутренних граней кюветы таким образом, что образуется прямоугольный параллелепипед, а также обеспечение условий для образования внутри нее стоячей волны (см. соотношение 1) позволяет зафиксировать в пространстве данные области, причем за счет резонанса разница давлений в них увеличится.
l=nλ/2,                                                                    (1)
где l – длина распространения акустической волны, λ – длина волны, n – целое нечетное число (1, 3, 5, …), ввиду того, что лазерный луч проходит через центр кюветы.
Таким образом, в области фокусировки лазерного луча внутри кюветы обеспечивается область сжатия газа, характеризующаяся повышением плотности молекул и, соответственно, их концентрацией, что обеспечивает повышение интенсивности сигналов КР в силу соотношения 2.
0
I=INΩσ,                                                                  (2)
0
где I – интенсивность сигналов КР, I – интенсивность возбуждающего лазерного излучения, Ω – угол сбора рассеянного излучения, N – концентрация молекул данного сорта, σ – сечение рассеяния.
В свою очередь повышение интенсивности информативных сигналов КР гарантированно ведет к повышению достоверности проводимого газоанализа.
На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого лазерного газоанализатора (вид сбоку).
На фиг. 2 приведена блок-схема газоанализатора (вид сверху).
Лазерный газоанализатор содержит лазер (1), работающий в непрерывном режиме, фокусирующую линзу (2), газовую кювету (3), оснащенную окном для ввода лазерного излучения (4) и окном для вывода рассеянного света (5), акустический излучатель (6),  фотообъектив (7) для сбора рассеянного излучения, голографический фильтр (8), спектральный прибор (9), ПЗС-матрицу (10) и блок управления (11).
Предлагаемый лазерный газоанализатор работает следующим образом. Возбуждающее излучение от лазера 1 фокусируется линзой 2 в центре газовой кюветы 3, проходя сквозь входное окно 4. Внутри кюветы 3 установлен акустический излучатель 6, генерирующий акустические волны. В силу его расположения от противоположной грани кюветы на расстоянии, кратном половине длины акустической волны, внутри кюветы образуется стоячая акустическая волна с областью сжатия в области фокусировки лазерного луча. Лазерное излучение, в свою очередь, рассеивается на молекулах анализируемого газа, находящегося внутри кюветы. Данное рассеянное излучение, наибольшая плотность мощности которого находится в центре кюветы, выходит через окно 5 и собирается фотообъективом 7. Данный объектив направляет собранное излучение на входную щель спектрального прибора 9, сквозь голографический фильтр 8, роль которого ослабить интенсивность упругого рассеяния света на частоте возбуждающего излучения. Спектральный прибор 9 разлагает попавший в него свет в спектр, который далее регистрируется ПЗС-матрицей 10. Последняя передает электрические сигналы в блок управления 11, где возможны их обработка и хранение.
Непосредственно вычисление качественного и количественного состава анализируемой газовой среды по зарегистрированному спектру КР может быть осуществлено либо в блоке управления, либо передано из него на компьютер.
Предлагаемое изобретение характеризуется более высокой достоверностью анализа, обусловленной регистрацией спектров КР газов с более высокой интенсивностью и, соответственно, более высоким соотношением сигнал/шум.