ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗА

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована для корреляционно-оптического измерения содержания газообразного вещества в системах контроля газовых сред, в частности, в газоанализаторах, обладающих высокой селективностью.
Известны устройства для корреляционно-оптического измерения концентрации газообразных веществ, работа которых основана на измерении поглощаемого газом тестового излучения, спектрально сформированного с использованием оптического фильтра, полоса пропускания которого согласована с полосой поглощения исследуемого газа.
Перспективными являются корреляционно-оптические устройства, в которых в качестве оптического фильтра использован интерференционно-поляризационный фильтр (ИПФ). Преимуществом данного фильтра является возможность формирования с его помощью в заданной узкой спектральной области гребенчатого спектра,  соответствующего линейчатому спектру поглощения конкретного исследуемого газа. Это способствует достижению в указанных устройствах высокой селективности измерения концентрации исследуемого газа по отношению к побочным газовым компонентам.
Так, из уровня техники известны корреляционно-оптические устройства для измерения концентрации газа, в составе которых использован ИПФ (см., например, US 5696586, SU 1156467, SU 11293585, RU 2150104).
В качестве ближайшего аналога выбрано оптическое устройство [RU 2150104], содержащее оптически связанные источник света, коллиматор светового пучка, полосовой спектральный фильтр, управляемый ИПФ, включающий входной и выходной поляризаторы, между которыми расположены двулучепреломляющая пластина и электрооптический, в частности, фотоупругий модулятор, а также оптическую однопроходную кювету с исследуемым газом и фотоприемное устройство (ФПУ).
В рассматриваемом устройстве в ИПФ поступает прошедший через полосовой спектральный фильтр коллимированный пучок света, спектр которого лежит в определенной области поглощения исследуемого газа.
Использование в составе ИПФ двулучепреломляющей пластины, подобранной под спектр поглощения исследуемого газа, совместно с электрооптическим модулятором обеспечивает получение прошедшего через ИПФ света в виде квазипериодического гребенчатого спектра, в котором максимумы и минимумы на спектре меняются местами синхронно с сигналом возбуждения модулятора так, что пики поглощения исследуемого газа совпадают во времени то с максимумами прошедшего через ИПФ излучения, то с минимумами.
Сформированный указанным образом опрашивающий спектральный световой сигнал поступает в кювету с исследуемым газом. Прошедший через измерительную кювету свет испытывает поглощение измеряемым газом и поступает на ФПУ. На основании анализа поглощения газа в кювете ФПУ вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный концентрации измеряемого газа.
В рассматриваемом устройстве оптическая однопроходная кювета с исследуемым газом помещена в зону коллимированного светового пучка.
Ввод коллимированного пучка в кювету требует значительного диаметра входного отверстия кюветы и увеличенного, с учетом расходимости светового пучка, диаметра выходного отверстия кюветы, чтобы избежать потерь света, которые негативно влияют на чувствительность прибора. Для обеспечения высокой чувствительности измерения концентрации газа также необходимо увеличивать эффективную длину взаимодействия исследуемого газа и светового излучения, для чего в однопроходной кювете необходимо увеличивать ее длину. Это приводит к значительному увеличению объема кюветы и ее габаритов, что, в свою очередь, приводит к увеличению габаритов устройства, а также, либо к снижению быстродействия измерений, либо к необходимости повышать расход газовой пробы.
Технической проблемой, решаемой при использовании полезной модели, является повышение чувствительности измерения концентрации газа при минимизации габаритов устройства.
Сущность полезной модели заключается в том, что в оптическом устройстве для измерения концентрации газа, содержащем оптически связанные источник света, коллиматор светового пучка, управляемый интерференционно-поляризационный фильтр, включающий входной и выходной поляризаторы, между которыми расположены двулучепреломляющая пластина и электрооптический модулятор, а также оптическую кювету с исследуемым газом и фотоприемное устройство, согласно полезной модели в качестве оптической кюветы использована многоходовая оптическая кювета, при этом устройство содержит фокусирующий оптический элемент, расположенный между выходным поляризатором интерференционно-поляризационного фильтра и многоходовой оптической кюветой.
В частном случае выполнения полезной модели в качестве многоходовой оптической кюветы использована кювета с изменяемым числом прохода света внутри нее.
В частном случае выполнения полезной модели двулучепреломляющая пластина выполнена термостатированной.
В частном случае выполнения полезной модели она дополнительно содержит полосовой спектральный фильтр, расположенный по ходу светового пучка.
Наличие в заявляемом устройстве оптически связанных источника света, коллиматора, а также управляемого ИПФ, включающего входной и выходной поляризаторы, между которыми расположены двулучепреломляющая пластина и электрооптический модулятор, обеспечивает формирование опрашивающего излучения с квазипериодическим гребенчатым спектром, расположенным в определенной узкой спектральной области квазиэквидистантного линейчатого спектра поглощения конкретного измеряемого газа.
При этом в опрашивающем излучении максимумы и минимумы на спектре меняются местами синхронно с сигналом возбуждения электрооптического модулятора так, что пики поглощения исследуемого газа совпадают во времени то с максимумами прошедшего через ИПФ излучения, то с минимумами.
Наличие в заявляемом устройстве оптической кюветы и фотоприемного устройства (ФПУ) обеспечивает проведение анализа поглощения света находящимся 8' кювете газом и осуществление измерения концентрации исследуемого газа на основании проведенного анализа.
Преимуществом заявляемого устройства является наличие в нем многоходовой оптической кюветы и фокусирующего оптического элемента.
Фокусирующий оптический элемент, в частности, выполненный в виде собирающей линзы, формирует оптимальный для работы многоходовой оптической кюветы сходящийся световой пучок.
За счет неоднократного прохода светового излучения внутри многоходовой кюветы увеличивается эффективная длина взаимодействия света с поглощающим его газом, что обуславливает увеличение чувствительности измерения концентрации газа при обеспечении минимизации габаритов и внутреннего рабочего объема кюветы.
Кроме того, при введении сходящегося светового пучка в многоходовую кювету практически минимизируются потери светового излучения, которые могут наблюдаться при введении коллимированного светового пучка в однопроходную кювету одинакового объема. И, хотя при каждом из многократных отражений светового пучка от зеркал многоходовой кюветы происходит частичная потеря интенсивности света, основным фактором, влияющим на увеличение чувствительности измерения, является не абсолютная величина светового сигнала, а существенное увеличение эффективной длины взаимодействия газа и света, обусловленная неоднократным проходом света внутри кюветы.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации полезной модели, является увеличение чувствительности измерения концентрации газа при минимизации габаритов устройства.
В частном случае полезной модели использована многоходовая оптическая кювета с изменяемым числом прохода света, что позволяет регулировать эффективную длину взаимодействия газа и светового излучения, влияющую на чувствительность измерения концентрации газа.
В частном случае полезной модели двулучепреломляющая пластина, входящая в состав ИПФ, выполнена термостатированной. Это позволяет исключить спектральное смещение гребенчатого опрашивающего светового излучения при изменении температуры внутри устройства.
В частном случае полезной модели устройство содержит полосовой спектральный фильтр, расположенный по ходу светового пучка. Полосовой спектральный фильтр обеспечивает формирование гребенчатого спектра опрашивающего излучения в той спектральной области, где исследуемый газ имеет квазиэквидистантный линейчатый спектр поглощения.
На фигуре представлена структурная схема заявляемого устройства.
Устройство содержит оптически связанные источник 1 света, коллиматор 2, полосовой спектральный фильтр 3, управляемый ИПФ 4, включающий скрещенные входной и выходной поляризаторы соответственно 5 и 6, между которыми размещены двулучепреломляющая пластина 7 и электрооптический модулятор 8, а также фокусирующий оптический элемент 9, многоходовую оптическую кювету 10 и ФПУ И.
В качестве источника 1 света, в частности, может быть использован источник излучения, имеющий спектральную полосу, расположенную вблизи области квазиэквидистантного линейчатого спектра поглощения исследуемого газа.
В качестве коллиматора 2, в частности, может быть использован коллиматор линзового или зеркального типа.
В качестве полосового спектрального фильтра 3 использован оптический фильтр, пропускающий свет с длинами волн, соответствующими выбранной области квазиэквидистантного линейчатого спектра поглощения света контролируемым газом.
В качестве двулучепреломляющей пластины 7 может быть использована пластина, изготовленная из двулучепреломляющего кристалла, обладающего прозрачностью в выбранном спектральном диапазоне и оптимальной величиной двулучепреломления.
В качестве фазового электрооптического модулятора 8, в частности, может быть использован акустооптический фотоупругий модулятор, включающий пластину из фотоупругого материала, механически соединенную с пьезоэлектрическим преобразователем (на чертеже не показаны).
В качестве фокусирующего оптического элемента 9 может быть использована линза, зеркало или линзово-зеркальная система.
В качестве многоходовой оптической кюветы 10, в частности, могут быть использованы модифицированные кюветы Уйта или Барской.
ФПУ 11 обеспечивает преобразование интенсивности измеряемого излучения в величину электрического сигнала и включает (на чертеже не показаны) фотодетектор, спектральная чувствительность которого соответствует спектру опрашивающего излучения (света), и усилитель-формирователь электрического сигнала, пропорционального концентрации исследуемого газа.
Устройство работает следующим образом.
Свет от источника 1 проходит через коллиматор 2 и полосовой спектральный фильтр 3 и поступает на вход ИПФ 4 в виде коллимированного пучка света, спектр которого лежит в выбранной области квазиэквидистантного линейчатого спектра поглощения исследуемого газа.
Параметры входящей в состав ИПФ 4 двулучепреломляющей пластины 7 (ее толщина, вид материала, пространственная ориентация осей) подобраны таким образом, что ИПФ формирует на своем выходе свет с гребенчатым спектром, максимумы которого соответствуют спектральному положению линий поглощения исследуемого газа. Фазовый акустооптический фотоупругий модулятор 8 работает как управляемая модулирующим сигналом фазовая +λ/2 - -λ/2 пластина, в результате чего, синхронно с сигналом возбуждения модулятора 8, меняются местами положения максимумов и минимумов на спектре прошедшего через ИПФ 4 света.
Таким образом, использование в составе ИПФ 4 подобранной под спектр Поглощения исследуемого газа двулучепреломляющей пластины 7 совместно с модулятором 8 обеспечивает формирование на выходе ИПФ 4 квазипериодического гребенчатого светового сигнала, в котором спектральные максимумы и минимумы на спектре меняются местами синхронно с сигналом возбуждения модулятора 8 так, что пики поглощения исследуемого газа совпадают во времени то с максимумами прошедшего через ИПФ 4 излучения, то с минимумами.
Сформированный в ИПФ 4 опрашивающий световой сигнал поступает в фокусирующий оптический элемент 9, который обеспечивает оптимальную геометрию сходящегося светового пучка, вводимого в многоходовую оптическую кювету 10.
В многоходовой оптической кювете 10 на каждом из проходов происходит поглощение поступающего с выхода ИПФ 4 света исследуемым газом.
С помощью ФПУ И, включающего усилитель-формирователь электрического сигнала (на чертеже не показан), производится выработка электрического сигнала, величина которого пропорциональна концентрации измеряемого газа.
При формировании электрического сигнала, когда спектральные максимумы света совпадают с пиками поглощения газа, формируется сигнал, пропорциональный концентрации газа, а, когда спектральные максимумы света смещены и находятся между пиками поглощения газа, поглощения света измеряемым газом не происходит, и формируется опорный сигнал. Разность этих двух сигналов пропорциональна концентрации исследуемого газа.