КР-газоанализатор
RAMAN-GAS ANALYZER

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для проведения качественного и количественного анализа состава газовых сред.
Среди разнообразных методов газоанализа особое место занимает метод, основанный на спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) света. Спектры КР объясняются рассеянием возбуждающего лазерного излучения молекулами, на частотах соответствующих их внутреннему строению, при этом интенсивность рассеянных сигналов линейно зависит от концентрации соответствующих молекул. Таким образом, суть данного аналитического метода заключается в регистрации спектров КР и проведении по ним качественного и количественного анализа газовых сред. В первую очередь, данный подход отличает отсутствие расходных материалов и сложной пробоподготовки, высокое быстродействие, а также возможность одновременного контроля всех молекулярных соединений анализируемой газовой среды, содержание которых превышает порог чувствительности аппаратуры. Основным недостатком данного метода, ввиду крайне низких сечений рассеяния, является низкая интенсивность информативных сигналов КР. В свою очередь от их величины зависит достоверность КР-газоанализа, а также значения пороговых пределов обнаружения газовых компонентов. Данный недостаток может быть преодолен посредством увеличения интенсивности лазерного излучения в локальной точке пространства являющейся рассеивающим объемом, увеличением угла сбора рассеянного излучения, либо увеличением плотности молекул в рассеивающем объеме. Необходимо отметить, что данные методы при их одновременном использовании обеспечивают мультипликативный эффект.
Известен анализатор состава природного газа [Патент РФ №126136, 2013 г, G01N 21/00] основанный на спектроскопии КР. Указанное 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 сопряженный с ПЗС-матрицей. Основным недостатком данного анализатора является низкая интенсивность регистрируемых сигналов КР, обусловленная одним проходом лазерного излучения сквозь анализируемую газовую среду, невозможностью ее сжатия, а также малым углом сбора рассеянного света, ввиду использования одного объектива.
Известен анализатор состава выдыхаемого воздуха [Патент РФ №2555507, 2015 г, G01N 21/65] основанный на спектроскопии КР. В отличие от устройства указанного выше кювета данного анализатора дополнительно снабжена нагревательным элементом, сменным мундштуком, краном, промежуточной эластичной камерой, электроклапаном и двумя сферическими зеркалами, имеющими общий центр кривизны и расположенными на одной оптической оси таким образом, чтобы через кювету обеспечивалось многократное прохождение лазерного луча. Основным недостатком данного анализатора также является низкая интенсивность регистрируемых сигналов КР обусловленная использованием одного объектива для сбора рассеянного света при отсутствии возможности сжатия анализируемой газовой среды. Во-вторых, несмотря на установленные зеркала, которые обеспечивают многократное прохождение лазерного излучения сквозь кювету, количество рассеянного света, которое собирает объектив, малое. Это объясняется тем, что свет, который будет зарегистрирован объективом, собирается из одной точки. Соответственно, для увеличения интенсивности КР в данной точке должна обеспечивается высокая интенсивность лазерного излучения. Однако в данном анализаторе этого не происходит, поскольку ввиду направления внутрь кюветы, оснащенной двумя сферическими зеркалами с общим центром кривизны (т.е. зеркала отстоят друг от друга на расстояние 4f, где f-их фокусное расстояние), параллельного излучения, значительного увеличения его интенсивности в какой-либо локальной точке кюветы происходить не будет.
Наиболее близким по принципу действия к патентуемому устройству является газоанализатор природного газа основанный на спектроскопии КР [D.V. Petrov, I.I. Matrosov. Raman gas analyzer (RGA): Natural gas measurements // Applied Spectroscopy. 2016. V. 70. N 10. P. 1770-1776]. Указанное устройство имеет в своем составе лазер, фокусирующую линзу, поворотную призму, газовую кювету, пару объективов предназначенных для сбора и направления рассеянного света, между которыми установлен голографический фильтр, блок управления сопряженный с ПК, а также спектральный прибор сопряженный с ПЗС-матрицей. В отличие от двух указанных выше анализаторов, в данном приборе для сбора рассеянного света используются два объектива, что позволяет удвоить угол сбора рассеянного света и, соответственно, интенсивность регистрируемых сигналов КР. Основным недостатком данного газоанализатора является низкая интенсивность регистрируемых сигналов КР, ввиду одного прохода лазерного излучения сквозь анализируемую газовую среду, а также невозможность ее сжатия.
Задачами на решение которых направлено изобретение являются повышение интенсивности возбуждающего лазерного излучения в локальной точке внутри газовой кюветы, а также обеспечение возможности увеличения плотности анализируемого газа за счет его сжатия.
Технический результат - повышение интенсивности регистрируемых спектров КР.
Указанный результат достигается тем, что в системе содержащей непрерывный лазер, поворотную призму, линзу, фокусирующую лазерное излучение в центре герметичной кюветы, оснащенной двумя окнами для пропускания лазерного излучения и одним окном для вывода рассеянного света, два объектива, голографический фильтр, блокирующий излучение в области длины волны лазера, спектральный прибор, сопряженный с многоканальным детектором, блок управления и ПК введены следующие дополнительные компоненты. В частности, кювета снабжена двумя электроклапанами (по одному на канал входа и на канал выхода газовой среды) и датчиком давления газа внутри, при этом для забора пробы газа и его напуска в кювету, установлен малогабаритный газовый компрессор. Помимо этого снаружи кюветы, напротив ее окон, предназначенных для пропускания лазерного излучения, установлены два идентичных сферических зеркала, обращенных своими зеркальными поверхностями друг к другу, таким образом, что вкупе с ориентацией поворотной призмы обеспечивается многократное прохождение лазерных лучей сквозь кювету, которые фокусируются и пересекаются в двух точках, расположенных на оптической оси объектива для сбора рассеянного излучения.
Установленные электроклапаны, вкупе с газовым компрессором, обеспечивают возможность сжатия анализируемой газовой среды и регистрации ее спектра КР при повышенном давлении. Данный подход особо актуален при анализе состава газовых сред находящихся при атмосферном давлении (напр., атмосферный воздух, выдыхаемый воздух) и увеличение давления такой газовой среды до 100 атм обеспечит пропорциональное увеличение интенсивности сигналов КР.
Дополнительно установленная пара сферических зеркал для обеспечения многопроходности лазерного луча через кювету обеспечивает повышение интенсивности лазерного излучения в локальном объеме кюветы, вследствие чего обеспечивается увеличение интенсивности регистрируемых спектров КР. Необходимо отметить, что в отличие от известного анализатора выдыхаемого воздуха, приведенного выше [Патент РФ №2555507, 2015 г, G01N 21/65], в данной системе, за счет наличия линзы, которая фокусирует лазерное излучение в центре кюветы, через который также проходит оптическая ось объектива для сбора рассеянного света, отраженные от зеркал лучи будут фокусироваться на оптической оси, а не во всем пространстве кюветы. В дополнение к этому за счет определенной посредством настройки взаимной ориентации зеркал и поворотной призмы, между зеркалами сквозь кювету обеспечивается многократное прохождение лазерных лучей, которые пересекаются в двух точках расположенных на оптической оси объектива. В результате в двух данных точках интенсивность лазерного излучения будет значительно возрастать, и, посредством сбора рассеянного излучения из одной из них, интенсивность зарегистрированных сигналов КР будет также возрастать.
На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства.
КР-газоанализатор содержит малогабаритный газовый компрессор 1, газовую кювету 2, электроклапаны 3 и 4, датчик давления 5, непрерывный лазер 6, фокусирующую линзу 7, поворотную призму 8, сферические зеркала 9 и 10, объективы 11 и 13, голографический фильтр 12, спектральный прибор 14, многоканальный фото детектор 15, блок управления 16 и ПК 17.
Предлагаемый КР-газоанализатор работает следующим образом. При закрытом электроклапане 4 и открытом электроклапане 3 компрессор 1 осуществляет забор пробы газа и наполнение им кюветы 2. При достижении требуемого давления в кювете, контролируемого датчиком давления 5, электроклапан 3 закрывается. Далее осуществляется процесс возбуждения и регистрации спектра КР находящегося в кювете газа. Излучение от лазера 6 направляется поворотной призмой 8 вблизи зеркала 9 сквозь кювету 2 в край зеркала 10, при этом, посредством линзы 7, оно фокусируется в центре кюветы. За счет определенной посредством настройки взаимной ориентации зеркал и поворотной призмы, между зеркалами сквозь кювету обеспечивается многократное прохождение лазерных лучей, которые фокусируются и пересекаются в двух точках расположенных на оптической оси объектива 11. Данным объективом осуществляется сбор рассеянного излучения из одной такой точки пересечения лазерных лучей за счет того, что его фокус располагается в данной точке. Сформировавшийся параллельный пучок собранного рассеянного излучения, проходя через голографический фильтр 12, блокирующий излучение в области длины волны лазера, направляется на объектив 13 который фокусирует его на входной щели спектрального прибора 14. Данный спектральный прибор, в свою очередь, осуществляет его разложение в спектр, который регистрируется многоканальным детектором 15. Детектор передает электрические сигналы в блок управления 16, откуда они направляются на ПК 17 для проведения математической обработки, вычисления концентраций компонентов и визуализации результатов.
Необходимо отметить, что в данном устройстве зеркала целесообразно использовать с диэлектрическим покрытием, обеспечивающем высокий коэффициент отражения лазерного излучения, а компрессор должен быть безмасляным.