Устройство для измерения концентрации метана в смеси газов
DEVICE FOR MEASURING METHANE CONCENTRATION IN GASES MIXTURE

Изобретение относится к области абсорбционной спектроскопии и может быть использовано для обнаружения и измерения концентрации метана в природных газах и газовых смесях, а также в атмосфере. Особенностью принципа работы устройства является одновременное измерение поглощения на совокупности всех или большинства линий в инфракрасных (ИК) колебательно-вращательных полосах. Изобретение позволяет обнаруживать метан с чувствительностью, превосходящей более чем на порядок существующие методы абсорбционной спектроскопии. При соответствующем изменении геометрических параметров элементов устройства оно может быть использовано для обнаружения и измерения концентрации иных молекул, опасных для экологии среды обитания и здоровья человека, в реальном масштабе времени. В связи с широким использованием природного газа, основным компонентом которого является метан, в промышленности и повышенной опасностью его выделения в условиях добычи в шахтах обнаружение следов метана рассматривается как одна из самых актуальных проблем.
При разработке устройства измерения концентрации по поглощению основная задача сводится к созданию источника света, линии излучения которого совпадают с линиями поглощения молекулы, формированию геометрии светового пучка и измерению доли поглощенной его энергии при распространении по трассе, в том числе искусственно ограниченной специальными кюветами. Для решения задачи определения концентрации именно метана существует большее число устройств, подтвержденных патентами. Основные недостатки существующих систем - это низкая чувствительность и значительный дрейф параметров, требующий регулярной калибровки.
Чаще всего для измерений используются источники излучения со сплошным спектром в ближней ИК области. Чтобы повысить чувствительность, из сплошного спектра этих источников выделяют узкий участок, близкий к полосе или линии поглощения метана. Для этого применяются разнообразные фильтры, например интерференционные [1], однако отношение суммы ширин линий полосы поглощения метана к ширине выделенного участка спектра очень мало, поэтому реальная чувствительность большинства оптических абсорбционных методов недостаточна для решения многих задач. Устройства, основанные на применении перестраиваемых универсальных спектрометров, выделяющих одну или две линии из всей полосы, можно применять лишь в стационарных установках и в лабораторных условиях.
Для повышения надежности устройств измерения концентрации метана идут по пути увеличения числа компонентов молекулярной полосы, на которых производятся измерения, и увеличения яркости источников. Основная тенденция - это применение источников перестраиваемого по частоте квазимонохроматического излучения, либо группы из нескольких источников, работающих на разных частотах. Все известные устройства, использующие специальные светодиоды [2], лазеры и излучатели со сплошным спектром в комбинации с узкополосным фильтром либо концентрируют внимание на одной компоненте полосы поглощения, либо регистрируют поглощение в очень широком участке спектра. Оба варианта предопределяют низкую чувствительность метода в сравнении с предельно-возможной, так как игнорируется множество остальных компонентов полосы, содержащей много десятков линий.
Все предложенные спектрально-абсорбционные методы имеют общую схему конструкции: источник излучения, область пространства, в которой это излучение селективно поглощается молекулами метана, и система измерения величины светового потока, прошедшего после поглощения. Основное различие кроется именно в источнике и его свойствах, в то время как две последующие повторяются. Задача повышения чувствительности и обнаружительной способности устройств для измерения концентрации метана может быть сведена, в значительной степени, к созданию специальных источников излучения, оптимизированных для поиска молекул метана.
Цель изобретения состоит в разработке устройства, многократно повышающего чувствительность обнаружения метана спектральными методами путем использования специальных полихроматических источников, свойства излучения которых согласованы со спектром поглощения метана.
Известно устройство [3], в котором для измерения концентрации сложных молекул применяется комбинация нескольких независимых источников света с фиксированной частотой излучения. Внешняя универсальность самого метода и основанного на нем устройства не отвечает требованиям реальных, не лабораторных, систем измерения в силу своей громоздкости и невозможности устойчивого согласования спектра источника со спектром метана.
Известно и устройство [4], обладающее аналогичным недостатком, в котором применена линейка светодиодов, каждый из которых имеет очень широкую полосу излучения, что предопределяет низкую чувствительность всей системы.
Известны устройства для обнаружения утечек метана, использующие различные методы, основанные на поглощении излучения специально созданных лазеров. Примером может служить изобретение [5], в котором используется поглощение лазерного излучения на одной из линий слабой полосы метана в области 1,66 мкм. Очевидным недостатком этого устройства является применение узкоспециального лазера и малая чувствительность метода, так как соответствующая полоса относится к очень слабым.
Известно портативное устройство [6], предназначенное для детектирования метана по поглощению, также содержащее в качестве источника излучения лазер, настроенный только на одну линию поглощения молекулярной полосы. Аналогичным недостатком обладает и устройство [7], в котором применяется перестраиваемый полупроводниковый лазер.
Известно устройство [8], в котором для измерения поглощения применен инфракрасный излучающий диод. Спектральная полоса излучения светодиодов, как известно, имеет ширину, намного превосходящую ширину всей молекулярной полосы поглощения исследуемого газа, а поскольку интегральное поглощение в полосе определяется отношением суммарной ширины линий поглощения к ширине полосы излучения источника, чувствительность подобной системы весьма невелика и может быть увеличена только путем увеличения длины трассы поглощения, например, путем применения многоходовой кюветы, резко снижающей механическую стабильность системы в целом.
Известно также устройство [9], предназначенное для спектральных измерений путем последовательной перестройки специально разработанного лазера между компонентами колебательно-вращательного спектра метана и других молекул. Таким образом, реально в каждый конкретный момент времени измерения производятся по только одной спектральной линии. Необходимость наличия самого лазера, представляющего собой сложную прецизионную оптико-механическую систему, комбинации дополнительных эталонов и прокачки исследуемого газа через измерительную кювету лишают эту систему возможности реального применения в полевых (шахтных) условиях, ограничивая диапазон лабораторными условиями.
Известен газоанализатор [10], предназначенный для обнаружения и определения концентрации газов, заявленной целью которого является повышение надежности измерения, основанное на определении концентрации метана, по поглощению излучения источника квазимонохроматического излучения, настроенного на одну линию абсорбционного спектра, либо перестраиваемого последовательно между разными линиями. Имея повышенную механическую стабильность, такая система обладает низкой чувствительностью по описанным выше причинам.
Известны способ и устройство [11], в котором используется сравнение величин поглощения излучения системы лазеров на нескольких длинах волн. В данном устройстве измерение каждого из тестируемых газов основано на поглощении только одной линии полосы поглощения молекулы и сравнении результата измерения с рассеянием излучения на нескольких линиях вне полосы. Необходимость системы нескольких специальных лазеров, настраиваемых на необходимые частоты, резко ограничивает возможности применения данного устройства. Оговоренный в патенте тип лазера в настоящее время требует высоковольтного источника питания, что исключает его применение в условиях повышенной опасности эксплуатации.
Показано [12], что если измерять сигнал одновременно на множестве линий, принадлежащих данной молекуле, то чувствительность способов обнаружения возрастает прямо пропорционально числу используемых линий, поэтому наиболее перспективны устройства, в которых для измерений одновременно используется большое число линий поглощения.
Известен патент на источник полихромного излучения [13], содержащий светоизлучающие элементы, микрооптическую сборку и комбинацию двух дифракционных элементов, объединяющих систему световых пучков, идущих от светоизлучающих элементов, в общий пучок. При всей привлекательности системы она обладает малой чувствительностью по отношению к измерению поглощения в молекулярных полосах, так как источники света (светодиоды), используемые в ней, имеют широкий спектр излучения, каждый из которых перекрывает всю молекулярную полосу. Устройство сложно в настройке и не обладает достаточной вибростойкостью, чтобы его можно было применять в сложных условиях эксплуатации, в том числе - полевых и шахтных. Применение двойной дифракции излучения в этом устройстве резко снижает энергетическую эффективность использования излучения источников.
Задача заключается, таким образом, в создании устройства, содержащего источник, генерирующий полихромное стабильное по интенсивности и составу излучение, состоящее из узких спектральных линий, одновременно совпадающих со всеми линиями поглощения колебательно-вращательного спектра молекулы, и оптически суммирующее сигналы всех линий на одном фотоприемнике. Устройство должно обеспечивать высокую чувствительность, стабильность параметров, простоту и надежность конструкции. Одновременно такое устройство позволит решить проблему уменьшения роли мешающих компонентов спектров иных молекул, которые могу оказаться вблизи используемой полосы или внутри нее.
Известен универсальный источник полихромного оптического излучения [14], принятый за прототип заявленного изобретения, в котором применена линейка светоизлучающих элементов, свойства которых, правда, не оговорены, оптические элементы для управления геометрическими характеристиками пучка, дифракционный элемент и средства позиционирования. Указанные средства позиционирования каждого из излучателей имеют три степени свободы. Устройство предназначено для формирования направленного оптического излучения с заданными спектральными, энергетическими, пространственными, поляризационными и временными характеристиками. Стремление авторов известного изобретения [14] к абсолютной универсальности источника излучения приводит к тому, что суммарное количество механических степеней свободы излучателей, необходимое для применения его в анализе сколько-нибудь сложных атомных и, тем более, молекулярных систем, становится невообразимо большим и, соответственно, как настройка, так и устойчивая эксплуатация его даже в лабораторных условиях маловероятна. К тому же предложенный способ решения задачи в [14] требует прецизионного пространственного согласования пучков во множестве излучающих и оптических компонентах относительно одного общего дифракционного элемента, обеспечивающего сложение пучков. Соответственно, возрастают потери мощности излучения, обусловленные необходимым уменьшением телесного угла, в котором распространяется излучение каждого из первичных источников.
Задачи промышленной и полевой эксплуатации спектроанализатора, регистрирующего метан, требует создания простого по конструкции, стабильного устройства, не требующего высоких напряжений питания и удобного в использовании. На решение этой задачи направлено заявляемое изобретение.
Техническим результатом заявленного изобретения является многократное увеличение чувствительности обнаружения метана в атмосфере и соответствующее повышение точности измерения концентрации за счет реализации, во-первых, высокой спектральной селективности и, во-вторых, одновременного использования абсолютного большинства линий молекулярного спектра. Реализация технического результата осуществляется путем согласованной фильтрации излучения источника сплошного спектра.
Указанный технический результат достигается путем создания источника излучения, спектр которого состоит из совокупности большого числа узких линий, частоты которых совпадают с частотами большинства линий поглощения полосы молекулы метана в ближней ИК области спектра. В отличие от перечисленных выше и иных известных устройств, предлагаемое устройство учитывает особенности структуры молекулярного колебательно-вращательного спектра метана, а именно: постоянство разности частот Δσ между отдельными компонентами (Фиг. 1), равное удвоенной постоянной вращательной энергетической структуры молекулы (Здесь и далее знаком σ обозначена частота, выраженная в обратных сантиметрах, как это принято в молекулярной спектроскопии). Для создания такого спектра используется особенность интерференции излучения пучков с широкополосным спектром, при которой многократное повторение одной и той же реализации световой волны, в том числе обычного теплового источника, приводит к преобразованию спектра, выражающемуся в появлении максимумов и минимумов, характеристики которых зависят от числа повторений. В частности, при двукратном повторении этот эффект хорошо известен как образование «канавчатого» спектра [15, 16].
Использованием в заявленном устройстве для обнаружения метана в атмосфере селективного источника с множеством равноотстоящих узких линий излучения достигается многократное повышение чувствительности измерения концентрации метана по поглощению излучения, так как линии излучения совпадают по частоте с соответствующими линиями поглощения колебательно-вращательного спектра метана. Расчеты, приведенные в [12], показывают, что суммарный выигрыш чувствительности обнаружения при одновременной регистрации множества линий примерно пропорционален числу линий. В случае метана он может составить более 20 раз.
Физическую основу работы заявленного устройства для обнаружения и измерения содержания метана в атмосфере составляет интерференционное преобразование спектра сигнала с исходно сплошным спектром, например излучения теплового источника или ультракороткого импульса, в набор дискретных равноотстоящих максимумов и минимумов спектральной плотности при периодическом повторении исходного сигнала [17]. В простейшем случае двукратного повторения [16] это приводит к косинусоидальному распределению в спектре частот I(σ):
0
с огибающей I(σ), совпадающей с исходным спектром излучателя сплошного спектра. Однако, хотя устройства с таким спектром и обладают максимумами, совпадающими с линиями поглощения метана, имеют очень низкую эффективность, так как ширина максимумов равна приблизительно половине расстояния между линиями, т.е. они обладают недостатками, свойственными всем описанным выше устройствам.
Необходимо реализовать многократное повторение исходного сигнала, что приведет, в результате сложения волн, к уменьшению ширины максимумов пропорционально числу повторений. Параллельно уменьшается средняя величина интенсивности спектра в промежутках между линиями, т.е. растет их контраст. Подробная теория формирования спектра дана в Приложении 1 к данному тексту описания.
Построенное на описанных в Приложении 1 принципах устройство для измерения концентрации метана должно включать в себя следующие элементы:
- корпус, в котором размещаются элементы устройства для измерения концентрации метана,
- излучатель сплошного спектра, создающий первичный источник сигнала ϕ(t),
- оптический разветвитель, создающий набор точных копий исходного сигнала,
- устройство задержки во времени копий сигнала, содержащее набор оптических линий задержки, выполняющее функции преобразователя входных копий исходного пучка в набор их повторений, сдвинутых во времени одна относительно другой на фиксированный интервал τ, равный обратной величине постоянного расстояния Δσ между колебательно-вращательными компонентами избранной для измерений полосы молекулы метана (τ=1/Δσ),
- оптические элементы, формирующие распространяющийся в общем направлении общий пучок из пучков, полученных на выходе из устройства задержки и взаимодействующий с молекулами метана,
- просвечиваемый объем с четко заданными размерами, например кювета, в котором содержатся молекулы метана, поглощающие излучение,
- оптический сумматор, обеспечивающий сложение амплитуд всех пучков, прошедших через поглощающую среду, и направляющий суммарное излучение на фотоприемник,
- устройство для измерения и регистрации сформированного фотоприемником сигнала,
- устройство электропитания и управления.
k+1
k
Общая принципиальная схема заявленного устройства для измерения концентрации метана в смеси газов приведена на Фиг. 2. Она включает в себя размещенные в общем корпусе и оптически связанные: излучатель оптического сигнала 1 со сплошным спектром и преобразователь 2 оптического сигнала в набор N одинаковых во времени сигналов, число которых N определяется отношением ширины Δσ спектрального интервала между линиями колебательно-вращательного спектра метана к ширине этих линий; оптические элементы 3 для освещения полученным набором одинаковых сигналов входов дифракционного элемента 4, состоящего из N каналов распространения сигналов 4, причем оптическая длина (nl) каждого последующего (k+1)-ого канала распространения рассчитывается по формуле (nl)=(nl)+c/Δσ, где n - показатель преломления вещества, из которого выполнен k-й канал, l - геометрическая длина канала, c - скорость света, а выходы всех каналов дифракционного элемента с помощью оптических элементов 5 сопряжены с оптическим сумматором 6, формирующим общий параллельный пучок излучения; снабженную системой прокачки газа прозрачную кювету 7 со смесью газов, содержащей метан; оптические элементы 8, передающие прошедший сигнал на вход оптического элемента 9, фокусирующего прошедший сигнал на фотоприемник 10 с системой регистрации и обработки полученного электрического сигнала, а также устройство электропитания и управления 11, причем каналы дифракционного элемента 4 выполнены в виде набора прозрачных оптических световодов, а между выходами оптических световодов и оптическим сумматором 5 размещено оптическое устройство 12 управления амплитудами световых сигналов, выполненное в виде пространственно-неоднородного транспаранта с пропусканием, различным для каждого из каналов с целью управления формой контуров линий сформированного суммарного сигнала.
Отметим, что в качестве оптического разветвителя может выступать как специальная система световодов, так и линзовый или зеркальный объектив. Параметры оптических линий задержки выбираются такими, что в результате преобразования исходного сигнала на выходе оптических линий задержки формируется набор одинаковых по зависимости от времени копий сигнала, созданного излучателем сплошного спектра, сдвинутых во времени одна относительно другой на интервал 1/Δσ. Затем сигнал либо дифрагирует с концов световодов и образованные волны, перекрываясь, формируют суммарный сигнал, либо дифрагированные волны поступают на вход оптического элемента, например зеркального объектива, затем поступают в оптический смеситель, состоящий, например, из вспомогательного световода и с дополнительного объектива, формирующего параллельный пучок. На этом этапе спектр излучения становится полихроматическим, состоящим из отдельных линий, спектральный интервал между которыми равен Δσ - интервалу между линиями поглощения колебательно-вращательного спектра метана, затем сформированный параллельный полихроматический пучок освещает прозрачные кюветы 7, снабженные системой прокачки смеси газов, содержащей метан. Вышедший из кювет и измененный в результате поглощения молекулами метана полихроматический пучок поступает на вспомогательные оптические элементы 8, например систему зеркал, и далее фокусируется с помощью оптического элемента, показанного на Фиг. 2, линзовым объективом 9 на фотоприемник 10 с системой обработки и регистрации полученного сигнала. В промежутке между выходами оптических световодов и оптическим сумматором, который может быть выполнен как линзовым, зеркальным, так и световодным, размещается дополнительное оптическое устройство 12 управления амплитудами пучков, присутствующее в заявленном устройстве и отсутствующее во всех известных устройствах. Оно представляет собой специальный пространственный фильтр (транспарант), индивидуально регулирующий амплитуды прошедших по разным оптическим световодам сигналов, и обеспечивает возможность управления формой контуров спектральных линий в устройстве для измерения концентрации метана, главным образом, с целью уменьшения интенсивности спектра в промежутках между линиями. Этот процесс, называемый аподизацией контуров, позволяет на порядок величины, по крайней мере, увеличить контраст спектра и тем самым подавить сигнал поглощения на линиях иных, кроме метана, молекул, имеющихся в смеси. Все устройство для измерения концентрации метана управляется системой управления 11, которая позволяет изменять величину сигнала источника 1 путем регулировки тока через него, модулировать во времени излучение, корректировать и стабилизировать величину интенсивности излучения, устранять или уменьшать влияние внешних помех и т.д.
Наличие дифракционного элемента, оптического сумматора и блока измерения прошедшего излучения является обязательным и общим для всех рассмотренных ниже систем, поэтому при описании реализации заявленного устройства ниже рассматриваются примеры апробации в реальных условиях, отвечающих сформулированным выше требованиям.
При расчете компонентов устройства необходимо учитывать время задержки сигнала не только в блоке оптических линий задержки, но и полную длину оптического пути от излучателя сплошного спектра до выхода оптического сумматора 6. При рассмотрении примера апробации с использованием в качестве разветвителя одного объектива и в качестве оптического сумматора также одного объектива достаточно учесть длину оптического пути в оптических линиях задержки и сопряженных с ними участках пространства от выхода световода до входной поверхности объектива - оптического сумматора.
i
i
i
i
i
i
i
Пример апробации устройства для измерения концентрации метана в этом примере апробации иллюстрируется Фиг. 3. Его основой является дифракционный элемент 4, состоящий из набора оптических линий задержки волны, полученной от излучателя оптического сигнала 1 со сплошным спектром, выполненных в виде световодов, имеющих различную длину оптического пути nl (где n - показатель преломления прозрачного вещества i-го световода, а l - его длина). Каждый световод задерживает исходную волну на фиксированное время t=nl/c (c - скорость света в вакууме) с учетом промежутка между концом световода и оптическим элементом 5, формирующим параллельный пучок данного световода. Входные концы световодов объединяются и освещаются излучателем 1 сплошного спектра непосредственно, либо через промежуточную оптическую систему 2, образующую вместе с входами световодов оптический разветвитель 3, при этом обеспечивается пространственная когерентность излучения, падающего на входные концы световодов. Выходные концы световодов снабжаются каждый своим оптическим элементом 5, зеркальным или линзовым, как это показано на Фиг. 3, объективом, формирующим общий параллельный пучок излучения, причем оптические оси всех полученных пучков параллельны друг другу. В результате на некотором расстоянии от системы объективов пучки перекладываются (например, вследствие дифракции при идеальном качестве оптических элементов) и формируется общий пучок, содержащий все копии исходного излучения источника сплошного спектра с задержкой во времени τ=1/Δσ друг относительно друга. Расчет длины световодов учитывает полную оптическую длину путей распространения света от излучателя оптического сигнала 1 со сплошным спектром до общей точки выходного пучка, сформированного оптическим элементом 9, фокусирующим полученный световой сигнал на фотоприемник 10 с системой регистрации и обработки полученного электрического сигнала, в частности, до точки фокуса показанного на Фиг. 3 объектива 9. Время распространения для разных оптических путей различается на постоянную величину τ=1/Δσ.
Возможен вариант конструкции оптического сумматора, когда выходные концы световодов совмещаются и помещаются в точку переднего фокуса выходного объектива оптического сумматора 6, создающего общий световой пучок, проходящий через прозрачные кюветы 7, содержащие смесь газов и метана. Затем прошедший пучок фокусируется оптическим элементом 9 на фотоприемник непосредственно, или на выходные оптические элементы 8, передающие суммарный сигнал на оптический элемент 9. В качестве такого устройства может применяться система зеркал, призм, или световод. Роль оптического сумматора может выполнять также световодный сумматор, оптические длины его компонентов должны учитываться при расчете компонентов блока оптических линий задержки. Так же, как и в приведенной схеме на Фиг. 2 в устройстве для измерения концентрации метана по Фиг. 3 установлено устройство управления амплитудами пучков 12, осуществляющее аподизацию контуров линий излучения, проходящего через кюветы 7 со смесью газов, содержащей метан.
Интенсивность света излучателя сплошного спектра может изменяться устройством электропитания и управления 11, в частности излучение может модулироваться во времени по периодическому или кодовому закону дополнительным прерывателем потока излучения, либо путем изменения тока через источник сплошного спектра.
Техническим результатом применения описанной конструкции полихромного устройства для обнаружения метана в атмосфере является значительное повышение чувствительности обнаружения метана за счет одновременного использования многих линий колебательно-вращательного спектра и возможность исполнения всех элементов в виде оптоэлектронной планарной микросхемы, обладающей миниатюрностью и стабильностью параметров во времени. Общим недостатком световодных систем являются проблемы согласования излучателя сплошного спектра с входом в световод, приводящие к большим потерям светового потока и соответственному ухудшению отношения сигнал/шум при регистрации.
i
i
Еще один пример апробации заявленного устройства для измерения концентрации метана (Фиг. 3) может быть представлен с использованием объемных световодов (Фиг. 4), при этом исключается один из компонентов (3), обеспечивающий в схеме Фиг. 3 пространственную когерентность пучков и, соответственно, тождественность сигналов, распространяющихся по световодам. В качестве преобразователя 2 оптического сигнала используется совершенный объектив, в фокусе которого помещен источник сплошного спектра 1, и входные концы объемных световодов. Источник 1 создает расходящуюся сферическую волну, которая преобразуется оптическим элементом 2 - линзовым или зеркальным объективом - в плоскую. Плоская волна освещает входы дифракционного элемента 4, выполненного в виде набора оптических линий задержки, представляющих собой коаксиально расположенные прозрачные цилиндры разной длины с оптическими длинами nl, отвечающими сформулированному выше условию постоянства разности времен задержки световой волны. Еще один пример апробации представлен на Фиг. 5, где входные поверхности коаксиальных прозрачных цилиндров совместно с объективом 2 образуют оптический разветвитель, и на выходе из одного общего плоского фронта получается набор равноотстоящих во времени волн с кольцевой формой фронтов.
Как следует из материалов, изложенных выше и детально описанных в Приложении 1, плоские кольцевые волны, несущие сигнал, эквивалентный сигналу источника, должны быть сложены в общий комбинированный сигнал. Такое сложение может происходить по-разному, в зависимости от общей конструкции устройства для измерения концентрации метана. Если исследуется смесь газов в снабженных системой прокачки кюветах, то после коаксиальных прозрачных цилиндров устанавливается система, аналогичная примеру апробации, представленному на Фиг. 2: оптический элемент - объектив - 5 и оптический сумматор 6, состоящий, например, из световода и объектива (линзового или зеркального), формирующего параллельный пучок, проходящий через снабженные системой прокачки газа прозрачные кюветы 7, а выходящий из кювет пучок с помощью вспомогательных оптических элементов 8 фокусируется оптическим элементом 9 на фотоприемник 10 с системой регистрации и обработки сигнала. Дополнительное оптическое устройство 12, установленное между системой коаксиальных прозрачных цилиндров дифракционного элемента 4 и оптическим элементом 5, концентрирующим выходное излучение на вход оптического сумматора 6, управляет амплитудами сигналов, выходящих из системы коаксиальных прозрачных цилиндров, с целью аподизации получающихся в результате суммирования контуров спектральных линий.
Такой пример апробации демонстрирует преимущество заявленного устройства для обнаружения метана в атмосфере с более полным использованием светового потока источника сплошного спектра, что имеет следствием увеличение отношения сигнал/шум при регистрации и соответствующее увеличение чувствительности обнаружения метана.
k
Этот пример апробации в отличие от рассмотренного выше с иллюстрацией на Фиг. 3 со световодами, поясняет, что площади входной поверхности цилиндров возрастают с ростом радиуса, если толщина цилиндров одинакова. Соответственно, при фокусировке оптическим сумматором амплитуды выходящих волн тоже будут возрастать с ростом радиуса цилиндра, что нарушает условие формирования узких линий. Эту зависимость легко устранить, выбирая радиусы r так, чтобы площадь входных кольцевых поверхностей оставалась постоянной. Необходимо выполнить следующее условие для радиусов соседних - k и k+1 - цилиндров:
.
Для компенсации указанного неравенства амплитуд при постоянной толщине цилиндров можно также использовать дополнительный оптический элемент 12 с соответствующими пространственными характеристиками пропускания. Недостатком такого способа (как показала, в том числе, и апробация) является общая потеря светового потока при использовании ослабителей.
Очевидно, что порядок изменения радиусов цилиндров в примере апробации с объемными световодами не имеет значения, и в равной степени возможно применение набора прозрачных цилиндров, длина которых как возрастает, так и убывает при росте радиуса. При наличии оптического контакта между цилиндрами и одинаковых показателях преломления материала такое устройство вполне может быть выполнено и в виде моноблока. Технология производства подобных оптических устройств известна.
При использовании описанного устройства для измерения концентрации метана в мобильных системах для исследования и дальнего зондирования атмосферы, в том числе в условиях шахт, целесообразно дальнейшее упрощение показанной на Фиг. 6 оптической схемы и приведенного примера апробации на Фиг. 7. Как видно из этого примера апробации, сохраняются все принципиальные элементы у заявленного устройства, но для зондирования предлагается использовать непосредственно параллельный пучок, несущий сигнал, вышедший из системы прозрачных коаксиальных цилиндров. Область атмосферы, содержащей метан, иллюстрируется Фиг. 7 пунктирными волнами. В таком примере апробации целесообразно демонстрирование заявленного устройства для измерения концентрации метана в виде двух блоков: первый блок - блок источника излучения - включает в себя в себя источник излучения со сплошным спектром 1, преобразователь оптического сигнала 2 и дифракционный элемент 4 в форме системы прозрачных коаксиальных цилиндров, а также дополнительный оптический элемент 12, осуществляющий аподизацию контуров линий; второй блок - блок приемника - содержит оптические элементы передачи полученного после поглощения пучка излучения на оптический сумматор в виде объектива 9 и фотоприемник с устройством обработки сигнала 10. Оба блока должны быть снабжены устройствами электропитания и связаны системой управления 11 (проводной или радиоволновой).
В примерах апробации заявленного устройства для обнаружения метана в атмосфере с объемными световодами могут применяться зеркальные объективы, обладающие в ИК области спектра преимуществами перед линзовыми. В случае сферических или параболических зеркал расположенный на оптической оси излучатель сплошного спектра с устройствами его крепления затеняет центральную честь зеркала, поэтому его удобно вынести с оси, что необходимо учитывать при расчете конструкции блока оптических линий задержки.
Пример апробации как в линзовом, так и в зеркальном исполнении с целью удобства настройки общей системы для измерения поглощения, работающей в ИК области спектра, центральная часть линзы (зеркала) и иных оптических компонентов может содержать малое отверстие для прохода вспомогательного пучка видимого излучения, так как в большинстве случаев эти компоненты изготавливаются из веществ, непрозрачных в видимой области спектра. Ось этого пучка совпадает с оптической осью полихромного устройства для обнаружения метана в атмосфере. Для современного технологического уровня изготовление подобных линз и зеркал не представляет проблем.
Техническим результатом применения объемных световодов в заявленном устройстве для обнаружения метана в атмосфере является значительное увеличение дальнодействия устройства и повышение его чувствительности за счет полноты использования светового потока от источника сплошного спектра. Пример апробации может быть реализован также в виде достаточно жесткой конструкции, позволяющей применять ее в полевых условиях. Отсутствие элементов, требующих больших токов и высоких напряжений, которые могут быть ограничены при использовании современной элементной базы, величиной ±5 В, позволит применять устройство для измерения концентрации метана в условиях повышенной пожаро- и взрывоопасности.
2
Очевидно, что системы, подобные заявленному устройству для измерения концентрации метана, могут применяться для измерения содержания не только метана, но и иных молекул, таких как NO, HCl, CO и CO, цианиды и пр. Рассмотренные примеры апробации заявленного устройства позволяют обобщить их и на обнаружение молекул по чисто-вращательным спектрам поглощения, лежащим в далеком ИК и миллиметровом диапазоне длин волн, а также и в УФ диапазоне (электронно-колебательно-вращательные спектры).
Принципиальная возможность создания заявленного устройства для обнаружения метана в атмосфере с описанными выше в примерах апробации свойствами была также проверена в следующих экспериментальных исследованиях, проведенных в режиме реального времени и в реальных лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ).
Экспериментальные исследования с волоконным интерферометром
Для создания излучения, обладающего набором эквидистантных максимумов в шкале частот, могут применяться различные интерференционные устройства. Описанное в работе [16] применение интерферометра Майкельсона для измерений в полевых условиях нерационально. Практически оно невозможно, так как известным главным недостатком подобного устройства является чрезвычайно малая механическая стабильность, позволяющая работать лишь в условиях, близких к лабораторным. Возможное использование оптоволоконного интерферометра сопряжено с большими потерями мощности излучения, обусловленными особенностями ввода излучения в одномодовое волокно. Инфракрасная область спектра, к тому же, имеет небогатый выбор типов световодов. Напомним и отмеченное нами ранее малое отношение ширины линий поглощения к ширине спектральных максимумов в двухлучевом интерферометре, снижающее эффективность применения такой системы. Тем не менее варианты комбинации волоконных интерферометров (в частности, интерферометров типа Маха-Цендера) открывают интересные возможности создания миниатюрных систем, одна из которых была нами испытана. Ниже показаны результаты испытаний.
Опыт имел целью демонстрацию возможностей нетривиальной комбинации простых волоконно-оптических интерферометров типа Маха-Цендера, приводящей к увеличению спектральной селективности и согласованию распределения амплитуд максимумов в спектре с распределением показателя поглощения в используемой полосе.
Использовалась комбинация двух световодных двухлучевых интерферометров, выходное излучение которых складывалось оптическим сумматором – объективом. Результатом сложения явилось появление дополнительной модуляции распределения максимумов излучения источника, которое может быть выбрано в строгом соответствии с шириной молекулярной полосы. Схема проведенного опыта показана на Фиг. 8.
Световая волна от источника излучения 1 со сплошным спектром (галогенной лампы с кварцевым баллоном) с помощью оптического разветвителя 2, в данном случае - объектива-коллиматора, освещала входы набора оптических световодов 3, образовывавших два волоконно-оптические интерферометра, размещенных на предметном стекле (обведен черным прямоугольником), для микроскопа с помощью раствора полистирола в толуоле. Оптический сумматор 8 выходного излучения представлял собой одну линзу-конденсор и выходной световод 26, который передавал прошедшее через интерферометры излучение на вход спектрометра. Оптические длины плеч интерферометров путем полировки торцов выполнялись равными с точностью до нескольких микрометров и в конечном варианте несколько отличались друг от друга.
Излучение источника, проходя через одну пару световодов, набирает разность хода между двумя путями. Складываясь с помощью оптического сумматора 8, выходящие волны интерферируют, и спектр излучения преобразуется в канавчатый, состоящий из периодической последовательности максимумов и минимумов, частота которых определяется разностью хода лучей в плечах каждого интерферометра.
Аналогичным образом формируется спектр во втором интерферометре, причем частота его полос несколько отличается от первого из-за несовпадения величины разностей хода. Когда сигналы двух интерферометров суммируются, формируется картина спектра с биениями амплитуды полос спектра. Путем настройки разности хода внутри каждого интерферометра можно получить спектр, максимумы которого совпадают с максимумами линий поглощения молекулы. Изменяя величину разности между частотами полос двух интерферометров, можно добиться того, что узлы совместной интерференционной картины лежат на расстоянии, равном ширине всей молекулярной полосы. Тем самым обеспечивается выполнение условий оптимальной фильтрации спектральных составляющих с учетом их яркости: центральные, наиболее сильные линии проходят через оптические элементы источника полихромного оптического излучения с меньшими потерями, чем более слабые, что обеспечивает лучшее отношение сигнал/шум при измерении общего светового потока.
Экспериментальные исследования, как было указано выше, осуществлялись в СПбГУ непосредственно в лаборатории кафедры оптики физического факультета. Полученный от одного интерферометра спектр показан на Фиг. 9, а. Не 100%-ная модуляция объясняется трудностью соблюсти равенство амплитуд волн в плечах в простой жесткой модели из тонких оптических световодов.
При формировании спектра во втором интерферометре частота полос канавчатого спектра несколько отличается от первого из-за несовпадения разностей хода. Действуя совместно, два интерферометра формируют картину спектра с биениями полос (Фиг. 9, б).
Полученная картина измерялась неоднократно, в лаборатории не предпринималось никаких специальных мер по защите от вибраций, и установка располагалась на обычном письменном столе. Согласно произведенным измерениям, на длине волны 800 нм разность хода в каждом интерферометре составила 155 мкм, а различие двух интерферометров равно 2,8 мкм при ожидавшейся при изготовлении величине не более 5 мкм.
Результаты экспериментов подтверждают возможность увеличения спектральной селективности в результате согласования распределения амплитуд максимумов в спектре с распределением по частоте показателя поглощения в используемой полосе, а также высокую механическую стабильность интерферометра. Спектральная селективность может быть увеличена применением волоконных интерферометров Фабри-Перо или волоконных дифракционных решеток.
Техническо-экономическая эффективность завяленного изобретения состоит в повышении чувствительности обнаружения и измерения концентрации молекул метана по колебательно-вращательному спектру поглощения. Расчеты, приведенные в [13], показывают, что соответствующее повышение может достигать в конкретном случае метана нескольких десятков раз. Как показывают приведенные выше оптические схемы, устройство содержит в большинстве своем только стандартные оптические элементы, просто в изготовлении и настройке, а требования по его стабильности соответствуют общепринятым в оптике требованиям и выполняются элементарно.
Путем введения дополнительных элементов устройство может формировать излучение, в котором частоты испускаемых линий одновременно меняются на всех линиях излучения, что позволяет путем использования узкополосных регистрирующих радиотехнических устройств дополнительно повысить чувствительность измерений и понизить чувствительность по отношению к мешающим спектрам иных молекул. Основным потребителем электроэнергии в устройстве является источник излучения со сплошным спектром, что позволяет использовать его в условиях повышенной взрыво- и пожароопасности, например в угольных шахтах.
Использованные источники информации
1. http://www.elstandart.spb.ru/Core/300/300_2_filters.htm
2. Попов А.А., Шерстнев В.В., Яковлев Ю.П. 2.35 мкм светодиоды для измерения метана. // Письма в ЖТФ, 1998, Т. 24, №2, С. 72-75.
3. Light sensor with modulated radiant polychromatic source (патент CA 2487115).
4. Polychromatic light emitter diode ray bright colored lantern signs a legal statement the construction (патент CN 203628508).
5. Lng (liquefied natural gas) detecting device and detecting method thereof (патент CN 103592254).
6. Camera system and camera mount (патент JP 2013128185).
7. Measuring low levels of methane in carbon dioxide (патент US 2007259440).
8. Газоанализатор и оптический блок, используемый в нем (патент RU 2451285).
9. Способ и устройство для анализа газов с использованием интерференционного лазера (патент RU 2010141803).
10. Волоконно-оптический газоанализатор (патент RU 94030252).
11. Способ и устройство для обнаружения газов, частиц и/или жидкостей (патент RU 2461815).
12. Пермякова Е.С., Толмачев Ю.А. Применение методов оптимального приема сигналов и импульсного метода анализа работы оптических систем для развития нового метода спектрального анализа // Химическая физика, 2015, Т. 34, №8, с. 78-82.
13. Источник полихромного излучения с управляемым спектром (патент RU 2478871).
14. Универсальный источник полихромного оптического излучения (патент RU 2287736) – прототип.
15. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. / Пер. с англ.; под ред. Г.П. Мотулевич, М.: Наука, 1970, 856 с.
16. Лукин К.А., Татьянко Д.Н., Мачехин Ю.П. Создание сеток оптических частот на основе метода спектральной интерферометрии. // СВIТЛОТЕХНIКА ТА ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИКА. 2011, №.3, С. 26-30.
17. Харкевич А.А. Спектры и анализ. Изд. 5-е. - М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. - 240 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Пояснительная часть к описанию заявленного изобретения на “Устройство для измерения концентрации метана в смеси газов”
Рассмотрим теоретические основы получения излучения с описанными выше необходимыми свойствами. Предположим, что излучение исходного излучателя во времени описывается некоторой функцией ϕ(t), в том числе случайной, если речь идет о термическом излучателе. Направим свет от этого излучателя, следуя [16], в интерферометр Майкельсона, имеющий импульсный отклик
h(t,τ)=δ(t)+δ(t+τ),
где τ - фиксированная задержка, вызванная разностью хода между двумя пучками интерферометра. Тогда реакция интерферометра на излучение ϕ(t) есть
r(t,τ)=ϕ(t)⊗h(t,τ)=ϕ(t)+ϕ(t+τ).
Здесь значком ⊗ обозначена математическая операция свертки двух функций.
Преобразование Фурье полученного соотношения есть произведение спектров функций h(t,τ) и ϕ(t). Обозначим спектр функции ϕ(t) как Ф(ν), спектр дельта-функции единичен для всех частот, в итоге получаем, что спектр функции h(t,τ) есть H(ν,τ)=1+exp(i2πντ). Соответственно, для спектра мощности, наблюдаемого с помощью обычного фотоприемника, получаем
2
S(ν,τ)=2|Ф(ν)|[1+cos(2πντ)],
2
что совпадает с результатом [16]. В результате преобразования спектр изменяется: он имеет вид косинусоиды, модулированной по амплитуде исходным спектром излучателя. Как предлагают авторы [16], величину τ можно выбрать так, чтобы максимумы в спектре совпадали с частотами молекулярного спектра. При этом предполагается, что исходный спектр интенсивности излучения источника |Ф(ν)| перекрывает весь спектр поглощения данной полосы молекулы. Результаты измерения поглощения со сформированным таким образом канавчатым спектром по эффективности будут всего в 2 раза отличаться от результатов измерений со сплошным спектром, так как ширина полученных максимумов намного превосходит ширину линий поглощения молекулы.
Приведенный математический вывод позволяет легко найти обобщение, которое дает возможность получить набор узких спектральных линий источника, совпадающих с линиями поглощения молекулы. Для этого рассмотрим некоторое устройство, которое позволяет получить многократное повторение исходного света излучателя, в нашей записи - функции ϕ(t). Импульсный отклик такого устройства должен описываться соотношением
1
h(t,τ)=comb(t/τ),
где символом comb обозначена «гребенка» Дирака, она состоит из бесконечного набора дельта-функций, расстояние во времени между которыми равно τ. Спектр такой функции есть (опуская постоянный множитель):
1
h(t,τ)=comb(τν).
Он состоит из бесконечного набора дельта-функций, расстояние между их частотами равно 1/τ. Если выбрать τ=1/Δσ, то частоты полученного спектра источника и линий колебательно-вращательного спектра молекулы совпадут, и мы получаем полихроматический селективный источник света, частоты линий излучения которого согласованы (совпадают) с линиями поглощения молекул метана.
Реальный спектр и реальное устройство будут отличаться от результатов написанных идеальных формул: линии молекулярного спектра метана имеют конечную ширину и расстояние между их частотами несколько изменяется, а реализация бесконечного повторения света исходного излучателя, т.е. функции ϕ(t), также нереальна. Необходимо выбрать оптимум, учитывающий обе особенности.
1
1
1
Простейшее решение сформулированной задачи заключается в ограничении числа повторений ϕ(t). Учесть математически соответствующий эффект можно, умножив h(t,τ) на некоторую весовую функцию, которая обращается в нуль за границами интервала времени, содержащего несколько или много повторений ϕ(t) с равными интервалами τ. Роль подобной операции хорошо известна в фурье-спектроскопии. Для простоты будем предполагать, что весовая функция во времени имеет форму прямоугольника, т.е. имеется конечный набор повторений во времени ϕ(t), взятых с равным весом, каждое из них задержано на время τ по отношению к предыдущему. Вместо h(t,τ) получаем новую функцию в виде произведения h(t,τ) и функцию-прямоугольник, длительностью T - т.е. rect(t/T).
1
1
h(t,τ,T)=h(t,τ)rect(t/T),
где
.
Соответственно, спектр излучения полихроматического селективного источника света описывается теперь сверткой двух фурье-образов:
1
H(ν,τ,T)=comb(t/τ)⊗sinc(νT),
где sinc(νT)=sin(πνT)/(πνT). Каждая k-я компонента спектра полихроматического селективного источника «растягивается» и представляет собой не дельта-функцию, а функцию
.
Если принять за ширину полученной функции расстояние до первого ее нуля, то соответствующая величина равна
.
Ширина каждого компонента полученного спектра уменьшается обратно пропорционально суммарной длительности сформированного колебания T, т.е. обратно пропорционально количеству повторений сигнала ϕ(t) исходного излучателя.
2
Обратим внимание на то, что исходный спектр излучателя Ф(σ) действует на общую форму распределения амплитуд компонентов спектра полихроматического селективного источника света как огибающая полученного результата, т.е. исходный спектр интенсивности излучения источника |Ф(ν)| должен перекрывать весь спектр поглощения данной полосы молекулы.