ЛАЗЕРНЫЙ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР

Полезная модель относится к анализаторам состава газов, которые могут использоваться, в том числе в составе течеискателей.
2
2
Известен «ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЙ ЛАЗЕРНЫЙ ТЕЧЕИСКАТЕЛЬ» (ПМ RU 38228) [1], включающий абсорбционную ячейку, снабженную входом и выходом для воздуха, средство принудительного прокачивания воздуха через абсорбционную ячейку, газовый импульсно-периодический СO лазер, установленный таким образом, что его излучение поступает в абсорбционную ячейку и проходит через прокачиваемый через нее воздух, детектор, формирующий электрические сигналы о наличии в прокачиваемом воздухе гексафторида серы, блок обработки и индикации, который принимает электрические сигналы детектора и формирует фоновый сигнал при отсутствии в прокачиваемом воздухе гексафторида серы и информационный сигнал - при наличии в прокачиваемом воздухе гексафторида серы, абсорбционная ячейка совмещена с детектором и выполнена в форме оптико-акустического детектора, резонансная частота которого совпадает с частотой следования импульсов излучения СО лазера, а блок обработки и индикации выполнен таким образом, что информационным сигналом является сигнал, превышающий фоновый сигнал.
Недостатком известного устройства является наличие зависимости выходного сигнала датчика от мощности лазерного излучения, что приводит к искажению результатов измерений при изменении мощности и длины волны лазерного излучения и необходимости частой калибровки прибора.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является «ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР ГАЗОВ» (ПМ RU 10461) [2], содержащий лазер с модуляцией мощности излучения, две оптико-акустические ячейки, через которые проходит лазерное излучение, снабженные микрофонами, смонтированными на боковых стенках ячеек, устройство для обработки сигналов от микрофонов, к которому подключены микрофоны ячеек (п.п.1, 2).
Недостатком известной конструкции является зависимость величины выходного сигнала от мощности и частоты лазерного излучения, длины волны, температуры окружающей среды и анализируемого газа, приводящая к увеличению погрешности измерений, необходимости частой калибровки устройства, отсутствие эталонной точки измерения, вблизи которой можно точно измерить концентрацию анализируемого газа.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение пороговой чувствительности прибора, повышение точности измерения концентрации анализируемого газа.
Технический результат достигается тем, что одна ячейка выполнена нерезонансной и заполнена анализируемым газом с известной концентрацией, вторая ячейка выполнена резонансной и в ней находится анализируемый газ с измеряемой концентрацией.
Схема предлагаемого газоанализатора изображена на фиг.1, где:
1 - лазерный излучатель с модуляцией мощности излучения;
2 - ячейка с анализируемым газом;
3 - эталонная ячейка, заполненная газом с известной концентрацией;
4 - микрофон ячейки с анализируемым газом;
5 - микрофон эталонной ячейки;
6 - устройство для обработки сигналов от микрофонов.
Устройство действует следующим образом: модулированное излучение лазерного излучателя 1 проходит через ячейки 2 и 3, заполненные анализируемым газом, вызывая акустические волны на частоте модуляции лазера 1, улавливаемые микрофонами 4 и 5. Величина сигнала от микрофона 4 измерительной ячейки пропорциональна концентрации измеряемого газа в ячейке, мощности лазерного излучения и коэффициенту поглощения газа на длине волны излучения лазера. Величина сигнала от микрофона 4 увеличена вследствие применения резонансной ячейки, что повышает пороговую чувствительность прибора.
Величина сигнала с микрофона 5 эталонной широкополосной ячейки с исследуемым газом известной концентрации пропорциональна мощности лазерного излучения, зависит от флуктуаций длины волны лазерного излучателя 1. Устройство для обработки сигналов от микрофонов 6 определяет отношение сигналов от микрофона 4 и 5 и выдает обработанный сигнал, зависящий от сравниваемых сигналов. Такая процедура позволяет уменьшить зависимость сигнала от микрофона 4 от флуктуации мощности и длины волны лазерного излучателя 1, что дает увеличение точности измерений концентрации исследуемого газа.
В качестве лазера можно использовать волноводный лазер на углекислом газе, работающий на длине волны в области 10,6 мкм, а в качестве анализируемого газа можно использовать гексафторид серы. При этом длина волны излучения лазера совпадает с центром полосы поглощения газа, что дополнительно увеличивает пороговую чувствительность прибора.
Ячейки могут быть расположены последовательно вдоль луча лазера. Такое расположение ячеек минимизирует оптическую схему и позволяет изготовить компактный и надежный прибор.
Устройство для обработки сигналов от микрофонов может содержать устройство индикации и интерфейс связи с персональным компьютером. Устройство индикации оперативно оповещает пользователя о превышении (или понижении) концентрации исследуемого газа, наличие компьютера позволит усложнить алгоритм обработки сигнала, приблизив его к нуждам потребителя.
Газоанализатор может содержать воздушный насос, глушитель, воздушный фильтр, выносной пульт.
Для непрерывного поступления измеряемого газа можно использовать вакуумный (всасывающий) насос с глушителем, причем на газовом входе газоанализатора может быть установлен воздушный фильтр. Забор газа может осуществляться с выносного пульта. Газоанализатор с указанным набором дополнительных устройств позволяет прокачивать газ через ячейку без загрязнения примесями от насоса, глушитель повышает чувствительность прибора благодаря уменьшению уровня акустических помех в измерительной ячейке, а воздушный фильтр повышает долговечность устройства благодаря отсеиванию посторонних примесей, загрязняющих прибор. Указанный набор устройств позволяет пользоваться газоанализатором непрерывно, что позволяет использовать его в качестве течеискателя, например при наполнении испытываемого объема под давлением анализируемым газом или смесью анализируемого газа и воздуха.
Схема устройства с использованием п.п.1-5 формулы показана на фиг.2, где:
7 - устройство индикации;
8 - интерфейс связи с персональным компьютером;
9 - насос;
10 - глушитель;
11 - воздушный фильтр;
12 - выносной пульт.
Промышленное применение. Полезная модель может быть с успехом применена для создания газоанализаторов, например при производстве течеискателей.