ЛАЗЕРНЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР

Лазерный газоанализатор
Полезная модель относится к аналитическому приборостроению и может быть иснользовано для определения компонентного состава и расчета физических параметров природного газа в системах газоизмерительных и газораспределительных станций , а также в АСУ ТП промышленных предприятий .
Известен универсальный лазерный спектрометр , содержащий три лазера и оптически сопряженные с ними оптическую систему , включающую аналитическую кювету для образца , выполненную не менее чем с двумя входными и тремя выходными оптическими окнами , линзы и зеркала для формирования потоков излучения , спектральный прибор, приемник излучения и систему регистрации , электрически соединенную с приемником излучения и лазерами (см. патент РФ № 1780407, приор. 09.01.91г. ,G01N 21/25, 21/27).
Настоящий спектрометр позволяет реализовать не менее шести методов спектроскопии для исследования газа и твердого тела , но с его помощью невозможно проводить анализ состава многокомпонентных газовых смесей , имеющих перекрывающиеся спектры комбинационного рассеяния , и определять показатели качества анализируемой газовой смеси .
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является лазерный газоанализатор состава и параметров природного газа , состоящий из системы отбора газа на анализ , аналитической кюветы с линзами , зеркалами и спектральным фильтром для формирования входного и выходного потоков излучения , твердотельного непрерывного лазера для возбуждения спектра КРС ,спектрального прибора монохроматора , приемника излучения - фотоэлектронного умножителя , системы регистрации , электрически соединенной с фотоэлектронным
умножителем, и ЭВМ для обработки и отображения данных и унравления лазерным анализатором (см.Материалы Научно-технического совета РАО Газнром О ходе работ по созданию единой автоматизированной системы учета расхода газа  Калининград , июнь 1996г., Москва 1996 , стр.47-50).
При испытании известного газоанализатора выявились некоторые недостатки , а именно недостаточная надежность прибора , сложность его обслуживания и обеспечения взрывобезопасности , значительное время измерения спектра , недостаточная сходимость и воспроизводимость измерений , необходимость применения для лазера охлаждающей воды , наличие ошибок в измерениях температуры и давления газа .
Технической задачей , на решение которой направлена полезная модель , является повышение точности и скорости измерений компонентного состава и параметров смеси газов в режиме непрерывного и периодического анализа.
Поставленная техническая задача решается за счет того , что в лазерном газоанализаторе , содержашем систему отбора газа на анализ , аналитическую кювету и оптически с ней связанные , твердотельный лазер с накачкой , линзы , зеркала и спектральный фильтр для формирования входного и выходного потоков излучения, , спектральный прибор , приемник излучения , а также систему регистрации , электрически соединенную с приемником излучения, и ЭВМ для обработки и отображения данных и управления лазерным анализатором , согласно заявленной полезной модели , аналитическая кювета выполнена многоходовой с числом ходов не менее 25 , твердотельный лазер используют с диодной накачкой , в качестве спектрального фршьтра применен сдвоенный голографический фильтр, в качгс -- спектрального
прибора используют полихроматор с вогнутой дифракционной решеткой , а в качестве приемника излучения - фотодиодные линейки .
Выполнение газовой кюветы с числом ходов не менее 25 позволяет без увеличения мощности источника излучения повысить сигнал до уровня, когда квантовая дисперсия сигнала не будет влиять на результаты измерения по сходимости и воспроизводимости .
Применение твердотельного лазера с диодной накачкой позволяет увеличить ресурс работы газоанализатора с 200 ч- 500 час. до 10 000 час. и отказаться от водяного охлаждения лазера , заменив его воздушным .
Для подавления рэлеевской составляющей в спектре рассеянного излучения устанавливается сдвоенный голографический фильтр позволяющий повысить точность измерений .
Использование вместо монохроматора с фотоэлектронным умножителем полихроматора с вогнутой дифракционной решеткой и многоканальной системой регистрации сигнала на фотодиодных линейках позволяет снять требования по стабилизации мошпости источника излучения и исключает из общей погрешности измерения случайные ошибки в измерениях температуры и давления газа .
При многоканальной системе регистрации отсутствует перемещение дифракционной решетки при сканировании спектра , что значительно повышает надежность прибора в эксплуатации и упрощает его обслуживание .
Замена фотоэлектронного умножителя на фотодиодные линейки позволяет исключить из прибора высоковольтный блок питания , что упрощает задачу по обеспечению взрывобезопасности прибора в целом .
Па фиг. изображена упрощенная схема лазерного газоанализатора .
волны излучения 532 нм , фокусирующий объектив 2 , аналитическую газовую проточную кювету 3, снабженную системой зеркал , подогревателем газа и датчиком температуры , газовую систему 4 для отбора пробы газа из газопровода , очистки от механических и капельножидкостных загрязнений и транспортировки в аналитическую кювету , конденсорный объектив 5 с относительным отверстием 1 : 6 для сбора рассеянного в исследуемом объеме газа выходного потока излучения, установленное по другую сторону кюветы 3 , сферическое зеркало 6 с центром кривизны в точке фокусировки возбужденного излучения , для использования света , рассеянного в противоположном от объектива 5 направлении , расположенные после объектива 5 фильтрующий собранное излучение от рэлеевской составляющей голографический фильтр 7, деполяризующий клин 8 и полихроматор 9 с вогнутой голографической дифракционной решеткой 10 и входной щелью 11, приемный блок 12 , содержащий узел оптического согласования 13 , распределительный элемент 14 и фото диодные линейки 15 с внещним воздущным охлаждением , а также систему регистрации 16 , включающую модуль цифровой обработки зарегистрированного приемником излучения сигнала, модуль цифровой обработки сигналов датчиков и управления узлами лазерного анализатора , модуль связи с ЭВМ и ЭВМ 17 для обработки и отображения данных , расчета по программе параметров газа и управления лазерным газоанализатором .
Лазерный газоанализаторработает следующим образом.
Возбуждающее излучение от лазера 1 фокусируется объективом 2 в центре газовой аналитической кюветы 3 . Система зеркал кюветы , обеспечивая многократное прохождение луча через точку фокусировки , образует световой жгут с перетяжкой в центре . При этом возбуждающее излучение рассеивается на молекулах газа , напускаемого в кювету 3 из газовой
системы 4 , взаимодействуя с внутренними колебаниями этих молекул . Сбор рассеянного излучения производится нод углом 90 к оси пучка возбуждающего излучения .Рассеянное излучение собирается конденсорным объективом 5 , а свет рассеянный в противоположном от конденсора 5 направлении возвращается обратно в конденсор сферическим зеркалом 6 . Собранное  перед разложением в спектр имеет в своем составе не только спектральную линию , соответствующую упругому рассеянию света без изменения его частоты , но и набор характерных для данного типа молекул линий с частотами , отличающимися от возбуждающей на величины Av , соответствующих внутренним колебаниям молекул . Поток собранного излучения направляется на голографический фильтр 7 для отделения рэлеевской составляющей , которая не несет полезной информации , а ее интенсивность на много порядков превыщает уровень комбинационных составляющих , и деполяризующий клин 8 для исключения влияния поляризационных характеристик дифракционной рещетки . Отфильтрованное излучение фокусируется на входной щели 11 полихроматора 9 таким образом , чтобы в ее плоскости формировалось изображение светящегося жгута с перетяжкой в центре параллельное щели и полностью заполняющее ее по высоте и щирине . После разложения в спектр голографической рещеткой 10 излучение , пройдя узел оптического согласования 13 и распределительный элемент 14 для сщивания соседних участков спектра, регистрируемых разными фотоприемниками , фокусируется на поверхности фото диодных линеек 15 , расположенных в приемном блоке 12 . После чего усиление и обработка данных с фотоприемника производится системой регистрации 16 , а окончательный расчет и получение результатов анализа природного газа в виде протокола измерений производится на ЭВМ 17 , который полностью автоматизирует
весь процесс анализа и отправляет информацию по сети на компьютер диспетчера технологического процесса.
Лазерный газоанализатор обеспечивает определение концентрации азота, кислорода , водорода , сероводорода , диоксида углерода и Ci-Cg углеводородов в смеси газов в автоматическом режиме работы , а также вычисление плотности , калорийности и влажности газа .
Использование заявляемой полезной модели позволяет значительно
-сократить время измерений спектра (до долей секунды);
повысить метрологические характеристики и обеспечить требования по сходимости и воспроизводимости измерений ;
-повысить надежность прибора и межремонтный цикл до 5 ч- 10 тыс. часов ;
-полностью автоматизировать и дистанционировать управление прибором ;
-уменьшить затраты на монтаж и обслуживание прибора ;
-обеспечить соответствие прибора требованиям взрывобезопасности.