КР-газоанализатор
RAMAN GAS ANALYSER

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для проведения качественного и количественного анализа состава газовых сред.
За счет своих преимуществ, среди которых отсутствие расходных материалов, высокая скорость анализа, а также возможность одновременного контроля всех типов молекул, концентрация которых превышает порог чувствительности аппаратуры, перспективными газоанализаторами являются устройства, основанные на спектроскопии комбинационного рассеяния (КР). Суть данного метода заключается в рассеянии молекулами среды возбуждающего лазерного излучения на частотах, соответствующих их внутреннему строению, при этом интенсивности рассеянных сигналов прямопропорциональны концентрации молекул. Основным недостатком КР-газоанализаторов является сравнительно низкая интенсивность информативных сигналов КР, ввиду чего для улучшения их метрологических характеристик необходимы специальные технические решения, направленные на увеличение уровня регистрируемых сигналов. Поскольку интенсивность сигналов КР линейно связана с углом сбора рассеянного излучения и величиной рассеивающего объема, являющегося областью взаимодействия лазерного луча и газа, рассеянный свет из которой собирается оптической системой, то их увеличение приведет к пропорциональному увеличению сигналов КР.
Известен анализатор состава природного газа [Патент РФ №126136, 2013 г., G01N 21/00], основанный на спектроскопии КР. Устройство имеет в своем составе лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету, голографический фильтр, блок управления, сопряженный с ПК, а также светосильный спектральный прибор с плоской дифракционной решеткой, сопряженной с ПЗС-матрицей. Основным недостатком данного анализатора является низкая интенсивность регистрируемых сигналов, обусловленная малой величиной рассеивающего объема, а также малым углом сбора рассеянного света, ввиду использования одного объектива.
Известен светосильный КР-газоанализатор [Патент РФ №2583859, 2016 г., G01N 21/65, G01J 3/44], основанный на методе спектроскопии КР. Данное устройство имеет в своем составе лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету, ловушку для лазерного излучения, сферическое зеркало, голографический фильтр, спектральный прибор, ПЗС-матрицу и блок управления, сопряженный с ПК. По сравнению с анализатором, описанным выше, за счет использования светосильного зеркала вместо объектива, угол сбора рассеянного излучения выше. Однако недостатком данного устройства также является низкая интенсивность регистрируемых сигналов, обусловленная малой величиной рассеивающего объема.
Наиболее близким по принципу действия к патентуемому устройству является газоанализатор, описанный в работе [Ваньков А.Б., Губарев С.И., Кирпичев В.Е., Морозова Е.Н., Ханнанов М.Н., Кулик Л.В., Кукушкин И.В. // Прикладная физика. 2019. №4. С. 87-92]. Указанное устройство имеет в своем составе лазер, дихроическое зеркало, полый фотонно-кристаллический световод, являющийся газовой кюветой, линзы, предназначенные для фокусировки лазерного излучения и сбора рассеянного излучения, и спектральный прибор, оснащенный многоканальным фотодетектором. Основным преимуществом данного газоанализатора, по сравнению с устройствами, описанными выше, является существенно увеличенный рассеивающий объем за счет того, что лазерное излучение взаимодействует с газом на протяжении всей длины световода, при этом все возникшее в данном случае рассеянное излучение собирается оптической системой.
Основным недостатком данного газоанализатора является высокий сигнал фонового излучения, обусловленный рассеянием лазерного излучения от стенок фотонно-кристаллического световода, внутри которого находится анализируемый газ, а также от области взаимодействия лазерного излучения с дихроическим зеркалом. Это приводит к следующим нежелательным последствиям. Во-первых, поскольку регистрируемый спектр представляет собой сумму сигналов КР газовых компонентов и данного фонового излучения, которое в свою очередь обладает шумом, величина которого тем больше, чем больше интенсивность, то наличие интенсивного фонового излучения приводит к погрешностям в определении интенсивностей сигналов КР газовых компонентов и, следовательно, к погрешностям определения концентраций. Во-вторых, за счет того, что интенсивность данного фонового излучения, как правило, тем больше, чем ближе частота к лазерному излучению, то в этом случае, практически, невозможен анализ молекул, полосы КР которых имеют малый частотный сдвиг (т.е. расположены вблизи частоты лазерного излучения). В-третьих, в спектре возможно появление ложных пиков, обусловленных люминесценцией, которые могут быть восприняты за полосы КР определенных молекул.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является уменьшение фонового сигнала при сохранении интенсивности сигналов КР.
Технический результат – улучшение отношения сигнал/шум и повышение достоверности проводимого газоанализа.
Указанный результат достигается тем, что в устройстве, содержащем непрерывный лазер, два линзовых объектива, предназначенных для сбора рассеянного излучения, между которыми установлен светофильтр, блокирующий излучение в области длины волны лазера, спектральный прибор, сопряженный с многоканальным фотодетектором, и блок управления, газовая кювета выполнена в виде полого параллелепипеда, в котором вместо двух противоположных граней установлены окна для ввода и вывода лазерного излучения, а остальные грани с внутренней стороны имеют зеркальное покрытие. Данная кювета ориентирована таким образом, чтобы лазерный луч, проходя сквозь нее, не имел отражений, при этом на оптической оси лазерного излучения со стороны входного окна кюветы установлена линза, фокусирующая излучение в центр кюветы, а со стороны выходного окна установлено вогнутое зеркало, фокус которого совпадает с фокусом линзы и, соответственно, с центром кюветы. Для сбора рассеянного света между выходным окном кюветы и вогнутым зеркалом установлено плоское зеркало с отверстием в центре, ориентированное таким образом, чтобы лазерный луч беспрепятственно проходил сквозь него, а рассеянный свет, идущий из кюветы, направлялся на линзовый объектив, предназначенный для сбора рассеянного света, фокус которого с учетом отражения от данного зеркала совпадает с центром выходного окна кюветы. Помимо этого между входной щелью спектрального прибора и линзовым объективом, направляющим излучение на нее, установлен оптоволоконный преобразователь, на входном торце которого волокна ориентированы в геометрическую фигуру, повторяющую поперечное сечение кюветы, а на выходном торце они ориентированы в вертикальную линию, которая совмещена с входной щелью спектрального прибора.
При таком взаимном расположении оптических элементов отсутствует взаимодействие лазерного луча с поверхностями, которые могут дать дополнительное рассеяние или люминесценцию. Это приводит к отсутствию мешающего паразитного фона в регистрируемых спектрах. При этом за счет использования в качестве газовой кюветы полого параллелепипеда с зеркальным покрытием внутренних граней, поперечное сечение которого существенно меньше продольного, в предлагаемом устройстве сохраняются все преимущества прототипа в части увеличения интенсивности сигналов КР, ввиду увеличенного рассеивающего объема. В свою очередь, за счет того, что перед входной щелью спектрального прибора установлен волоконный преобразователь, на входном торце которого волокна ориентированы в геометрическую фигуру, повторяющую поперечное сечение кюветы, а на выходном торце они ориентированы в вертикальную линию, которая совмещена с входной щелью спектрального прибора, устранены возможные потери света, обусловленные большим, по сравнению с прототипом, внутренним размером используемой кюветы. Помимо этого, за счет установленного вогнутого зеркала, которое приводит к двукратному увеличению интенсивности лазерного излучения в кювете, для достижения интенсивности сигналов КР, аналогичных прототипу, длина кюветы может быть в два раза меньше, а в случае аналогичной длины интенсивность сигналов КР будет в два раза больше, чем в прототипе.
На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого КР-газоанализатора.
КР-газоанализатор содержит непрерывный лазер 1, линзу 2, газовую кювету 3, плоское зеркало с отверстием 4, вогнутое зеркало 5, два линзовых объектива 6, 8, светофильтр 7, оптоволоконный преобразователь 9, спектральный прибор 10, многоканальный фотодетектор 11 и блок управления 12.
Предлагаемый КР-газоанализатор работает следующим образом.
Возбуждающее излучение от непрерывного лазера 1 фокусируется линзой 2 в центре газовой кюветы 3, внутри которой оно рассеивается на молекулах анализируемого газа. Данное лазерное излучение, проходя сквозь отверстие в плоском зеркале 4, попадает на вогнутое зеркало 5, фокус которого находится в центре кюветы и совмещен с фокусом линзы 2. За счет этого происходит удвоение интенсивности лазерного излучения внутри кюветы, что приводит к увеличению интенсивности рассеянного излучения. Возникшее рассеянное излучение выходит из кюветы сквозь выходное окно и, отражаясь от плоского зеркала 4, попадает на линзовый объектив 6, фокус которого совпадает с центром выходного окна кюветы 3. Сформировавшийся с помощью данного объектива параллельный пучок света направляется на объектив 8, проходя сквозь светофильтр 7, блокирующий излучение на длине волны лазера. Линзовый объектив 8 фокусирует рассеянное излучение на входной торец оптоволоконного преобразователя 9, ориентация волокон на котором повторяет поперечное сечение кюветы 3. Учитывая, что выходной торец данного оптоволоконного преобразователя совмещен с входной щелью спектрального прибора 10, а его волокна на выходе ориентированы в вертикальную линию, повторяющую геометрию входной щели, то, проходя сквозь оптоволоконный преобразователь 9, рассеянное излучение без потерь достигает входной щели спектрального прибора 10, внутри которого оно разлагается в спектр и регистрируется многоканальным фотодетектором 11. В свою очередь электрические сигналы, зарегистрированные фотодетектором 11, передаются в блок управления 12, где возможны их обработка и хранение. Непосредственно вычисление качественного и количественного состава анализируемого газа по зарегистрированным спектрам КР может быть осуществлено либо в блоке управления, либо передано из него на компьютер.
2
2
На фиг. 2 приведена иллюстрация регистрации спектра диоксида углерода (СО) эквивалентной концентрации посредством устройства, которое приводит к возникновению интенсивного фонового излучения, обусловленного отражениями лазерного излучения от стенок кюветы (напр., прототип) и посредством устройства, свободного от данного недостатка (напр., предлагаемое устройство). Можно видеть, что в случае отсутствия фона интенсивность полос СО будет определена более корректно, следовательно, достоверность проводимого газоанализа будет выше. Символами (*) обозначены ложные пики, обусловленные люминесценцией.