СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕРКИ РАБОТЫ СИСТЕМЫ TDLAS
METHOD AND APPARATUS FOR VERIFYING OPERATION OF A TDLAS SYSTEM

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ОБ АВТОРСКОМ ПРАВЕ
Часть описания настоящего патентного документа содержит материал, на который распространяется защита авторского права. Владелец авторских прав не возражает против факсимильного воспроизведения кем-либо патентного документа или описания патента, как он фигурирует в архиве или реестре Бюро по регистрации патентов и товарных знаков, но в остальном полностью сохраняет за собой все авторские права.
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее описание относится к системе лазерной абсорбционной спектроскопии на базе настраиваемого диода (TDLAS) и более конкретно к устройству и способу для проверки работы системы TDLAS.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Лазерную абсорбционную спектроскопию на базе настраиваемого диода (TDLAS) широко используют в областях как лабораторного, так и промышленного применения, в которых необходимо измерение характеристик газообразных соединений, таких как температура или концентрация. Система TDLAS состоит из одного или более диодных лазеров, каждый из которых генерирует свет с тщательно регулируемыми длинами волн, который проецируется в технологическую камеру для измерения конкретных молекул в газовой фазе. Длину волны каждого лазера обычно настраивают в узком интервале длин волн, охватывающем всю гауссову огибающую спектра, пик которой находится на выбранной длине волны (в совокупности называемые в настоящем документе «выбранная длина волны»), и измеряют количество проходящего света по всей выбранной длине волны. Соединения газовой фазы, которые поглощают некоторую часть света, вызывают резкое падение количества проходящего света при сканировании длины волны («провал поглощения»), и количественное выражение провала поглощения позволяет рассчитать концентрацию соединения, зная длину пути и коэффициент, описывающий количество поглощенного света при выбранной длине волны и температуре. Спектр или профиль провала поглощения для какой-либо молекулы можно рассматривать как отличительный признак. Профиль поглощения в зависимости от длины волны является характерной особенностью каждой молекулы, поэтому метод TDLAS может быть в достаточной степени избирательным, обеспечивая обнаружение интересующего соединения в среде, содержащей множество других молекул.
Одним из важных применений системы TDLAS является мониторинг и диагностика процесса горения. Горение используется для осуществления многих промышленных процессов - от выработки энергии до производства стали и стекла. На нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах горение используется для доведения реакций до завершения. В некоторых случаях системы TDLAS стали весьма сложными, и их используют в промышленных применениях, в которых очень важны эффективность, надежность и безопасность процессов. Представляющие интерес молекулы, участвующие в процессе горения, включают О2, СО, СО2 и Н2О, и все они могут быть измерены с помощью TDLAS. Кроме того, температуру можно измерить по отношению интенсивностей спектральных линий - такие приемы известны в данной области. Данные TDLAS можно использовать в контуре управления для изменения соотношения компонентов смеси «топливо/воздух» с целью оптимизации эффективности процесса горения при одновременном обеспечении безопасных условий эксплуатации. При использовании системы TDLAS для оптимизации процесса горения сбой системы или полученные с ее помощью ошибочные результаты могут иметь катастрофические последствия. В некоторой степени эту проблему можно смягчить за счет проектирования интеллектуального управления процессом; тем не менее риски сохраняются. Вследствие этого желательно иметь способ калибровки системы и проверки работы системы, позволяющий удостовериться, что система TDLAS функционирует надлежащим образом, и что генерируемые данные являются точными и надежными.
Одним из известных средств проверки системы TDLAS является предоставление для системы образца газовой фазы для осуществления измерения в среде, моделирующей среду, в которой проводят измерения. В простейших случаях для проверки правильности осуществления измерений системой можно использовать небольшую герметично закрытую спектроскопическую кювету с окошками для прохождения лазерного луча, содержащую газообразное соединение при требуемой температуре, давлении и концентрации. Однако для повышенных температур горения герметичная спектроскопическая кювета не подходит, поскольку при повышении температуры повышается и давление, а параметры спектра поглощения чувствительны к давлению. Вместо герметичной кюветы в качестве стандарта для калибровки и проверки можно использовать проточную кювету. Проточную кювету можно нагревать до температур, близких к температуре горения, и можно вводить газовые смеси, приблизительно соответствующие среде горения. На практике система такого типа хорошо работает в условиях лабораторных испытаний и может быть использована для валидации системы. Однако такая система требует крупных капиталовложений - как минимум десятки тысяч долларов. Кроме того, она не является портативной или особенно удобной для пользователя. Что еще более важно, крайне дорогостоящей стала бы модификация такой системы для использования ее вне контролируемых лабораторных условий.
Требуется недорогое, долговечное и готовое к работе в полевых условиях средство для проверки надлежащей работы системы TDLAS и надежности выдаваемых ею результатов. Необходимые система и способ TDLAS должны создавать референсный профиль или спектр поглощения, имитирующие провал поглощения на выбранной частоте лазерной генерации или вблизи нее для интересующего газообразного соединения. Частое сопоставление референсного спектра пропускания со спектром, создаваемым целевым соединением, позволяет заметить любые изменения. Пока референсный спектр поглощения не изменяется в зависимости от времени или любого другого параметра, сопоставление позволяет пользователю определить состояние исправности системы. Референсный спектр поглощения должен быть получен при помощи системы, которая является небольшой, легкой и твердофазной и не изменяется со временем. Теоретически одним из средств обеспечения такого референсного профиля поглощения является тонкопленочный фильтр, в котором для фильтрации света в данном диапазоне используется интерференция между многими слоями с переменными значениями показателя преломления и толщины. Хотя это теоретически осуществимо, для реального воплощения концепции тонкопленочного фильтра необходимы сложные и дорогостоящие исследования и разработки.
Настоящее изобретение направлено на преодоление одной или более из описанных выше проблем.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Описано сенсорное устройство, содержащее по меньшей мере один диодный лазер, создающий выходной луч первой выбранной частоты лазерной генерации, подаваемый на вход оптоволоконного кабеля. Контроллер луча на стороне излучения, содержащий по меньшей мере одно из делителя луча или оптического переключателя, имеет по меньшей мере один вход, оптически связанный с выходом оптоволоконного кабеля, и по меньшей мере два выхода. По меньшей мере один из по меньшей мере двух выходов оптически связан с излучающим оптическим устройством, функционально связанным с технологической камерой и ориентированным для проецирования выходного луча по меньшей мере одного диодного лазера через технологическую камеру. Приемное устройство представляет собой оптическое устройство, функционально связанное с технологической камерой с оптической связью с излучающим оптическим устройством, для приема выходного луча по меньшей мере одного диодного лазера, проецируемого через технологическую камеру. На стороне приема предусмотрен оптоволоконный кабель, имеющий сторону входа, оптически связанную с каждым приемным оптическим устройством, и сторону выхода. Контроллер луча на стороне приема, содержащий оптический переключатель, имеет по меньшей мере два входа и один выход. Выходная сторона оптоволоконного кабеля на стороне приема оптически связана с одним из входов. Детектор оптически связан с выходом контроллера луча, причем детектор чувствителен к выбранной частоте лазерной генерации. Оптоволоконный кабель с волоконной брэгговской решеткой (ВБР), имеющий вход и выход, содержит по меньшей мере одну волоконную брэгговскую решетку, образованную в сердечнике оптоволоконного кабеля с ВБР. По меньшей мере одна волоконная брэгговская решетка выполнена с возможностью частичного отражения лазерного луча первой выбранной частоты лазерной генерации с пропусканием по меньшей мере части лазерного луча. Остальная часть лазерного луча характеризуется профилем пропускания ВБР, моделирующим провал поглощения, вызванный интересующей характеристикой газообразного соединения, на выбранной частоте лазерной генерации или вблизи нее. Вход оптоволоконного кабеля с ВБР оптически связан с одним из по меньшей мере двух выходов контроллера луча на стороне излучения, а выход оптоволоконного кабеля с ВБР оптически связан со входом контроллера луча на стороне приема.
Другим аспектом настоящего изобретения является способ определения характеристик газообразного соединения внутри технологической камеры. Способ включает стадию, на которой обеспечивают технологическую камеру и селективно проецируют луч первой выбранной частоты лазерной генерации через технологическую камеру. Луч, проецируемый через технологическую камеру, оптически связан с детектором, чувствительным к выбранной частоте лазерной генерации, для обнаружения спектра пропускания процесса, провал поглощения которого, вызванный интересующей характеристикой газообразного соединения, находится на выбранной частоте лазерной генерации. Луч также селективно проецируется через волоконную брэгговскую решетку, образованную в сердечнике оптоволоконного кабеля, причем волоконная брэгговская решетка выполнена с возможностью частичного отражения по меньшей мере части лазерного луча первой выбранной частоты лазерной генерации с пропусканием остальной части лазерного луча. Остальная часть лазерного луча характеризуется спектром пропускания ВБР, моделирующим провал поглощения, вызванный интересующей характеристикой газообразного соединения, на выбранной частоте лазерной генерации или вблизи нее. Остальная часть лазерного луча оптически связана с детектором. Выходные сигналы детектора отслеживаются для сопоставления спектра пропускания ВБР с любым спектром пропускания процесса, полученным в технологической камере.
Волоконные брэгговские решетки способны создавать провал поглощения на заданной длине волны заданной амплитуды с контролируемой спектральной шириной в чрезвычайно простом легком модуле. Решетка записывается в сердечник одномодового волоконного световода, обычно путем воздействия эксимерным лазером на фотошаблон, созданный фотолитографическим способом. Полученные периодические повреждения в сердечнике создают периодическое изменение показателя преломления, которое выступает в качестве дифракционной решетки, отражающей некоторые длины волн и пропускающей другие в зависимости от периода решетки, масштаба изменения показателя преломления и количества чирпа в решетке (изменение периода по решетке). Волоконные брэгговские решетки используются для самых разнообразных целей, включающих среди других применений: компенсацию дисперсии в телекоммуникационных системах, фильтрацию по длинам волн в телекоммуникационных системах (фильтры вставки-вывода), селекцию по длинам волн для волоконных лазеров. В отличие от применений, связанных с фильтрацией/селекцией по длинам волн, в настоящем описании используется волоконная брэгговская решетка, которая не обладает эффективностью 100%. Волоконная брэгговская решетка пропускает 100% света за пределами соответствующего диапазона частот для представляющей интерес молекулы. Однако в пределах соответствующего диапазона решетка ВБР отражает часть падающего света, создавая точную копию провала поглощения на выбранной частоте лазерной генерации или вблизи нее, вызванного интересующей характеристикой газообразного соединения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Дополнительное понимание характера и преимуществ конкретных вариантов осуществления можно получить посредством ссылки на остальные части описания и чертежи, в которых аналогичные номера позиций используются для обозначения аналогичных компонентов. В некоторых случаях с каким-либо номером позиции связан нижний дополнительный символ для обозначения одного из множества аналогичных компонентов. При ссылке на номер позиции без указания существующего дополнительного символа подразумевают, что он относится ко всему множеству таких аналогичных компонентов.
На Фиг. 1 представлено схематическое изображение влияния волоконной брэгговской решетки, настроенной на выбранную частоту в оптоволоконном кабеле, на луч лазерного света выбранной частоты, пропускаемый через оптоволоконный кабель;
на Фиг. 2 представлен концептуальный график пропускания в зависимости от длины волны, который иллюстрирует, как волоконная брэгговская решетка, представленная на Фиг. 1, создает спектр пропускания, имитирующий провал поглощения целевой молекулы на выбранном диапазоне частоты лазерной генерации или вблизи него;
на Фиг. 3 показана повторяемость профиля пропускания волоконной брэгговской решетки с имитацией провала поглощения на выбранной частоте лазерной генерации, вызванного интересующей характеристикой газообразного соединения; и
на Фиг. 4 представлено схематическое изображение варианта осуществления системы TDLAS, включая способ и устройство для проверки надлежащей работы системы в соответствии с описанием в настоящем документе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
В следующем описании в целях пояснения многочисленные конкретные описания приведены для того, чтобы обеспечить полное понимание описанных вариантов осуществления. Однако специалисту в данной области будет очевидно, что другие варианты осуществления настоящего изобретения можно использовать без некоторых из таких конкретных подробностей. В настоящем документе описано и заявлено несколько вариантов осуществления, и хотя различные признаки приписываются разным вариантам осуществления, следует понимать, что признаки, описываемые в отношении одного варианта осуществления, также могут быть включены в состав других вариантов осуществления. Однако по тем же причинам ни один признак или признаки любого описанного или заявленного варианта осуществления не должны считаться существенными для каждого варианта осуществления настоящего изобретения, поскольку в других вариантах осуществления изобретения такие признаки могут отсутствовать.
Если не указано иное, все числа, используемые в настоящем документе для выражения количеств, размеров и т.д., следует понимать как дополненные во всех случаях термином «приблизительно». В данной заявке использование единственного числа включает в себя и множественное число, если специально не оговорено иное, а использование слов «и» и «или» означает «и/или», если не указано иное. Более того, использование слова «включая», а также других форм, таких как «включает» и «включенный», должно считаться не исключающим. Кроме того, такие термины, как «элемент» или «компонент», охватывают как элементы и компоненты, содержащие один узел, так и элементы и компоненты, которые содержат более одного узла, если специально не оговорено иное.
На Фиг. 1 представлено схематическое изображение волоконной брэгговской решетки, а на Фиг. 2 представлен концептуальный график пропускания в зависимости от длины волны, который иллюстрирует профиль пропускания, имитирующий провал поглощения на выбранной частоте лазерной генерации или вблизи нее, вызванный интересующим газообразным соединением.
На Фиг. 3 показано, что профиль пропускания, создаваемый волоконной брэгговской решеткой и имитирующий провал поглощения, является повторяемым. Результаты сканирования слева и справа представляют собой зеркальные отражения друг друга, полученные путем сначала увеличения длины волны лазера в сторону более длинных волн с получением указанного профиля пропускания, а затем разворачивания графика в обратном направлении от больших длин волн к меньшим длинам волн. Спектр идентичен при сканировании вверх и вниз, а пик возникает точно на той же самой длине волны. Такая решетка может использоваться в качестве стандарта для проверки системы, поскольку длина волны, амплитуда и ширина пика не меняются со временем. Помимо использования для проверки системы, волоконная брэгговская решетка может использоваться для калибрования системы TDLAS.
На Фиг. 4 представлено схематическое изображение одного варианта осуществления системы TDLAS, включая способ и устройство для проверки правильной работы системы. В соответствии с этим изображением система TDLAS содержит три диодных лазера 12А, 12 В и 12С, каждый из которых создает выходной луч определенной выбранной частоты лазерной генерации. При использовании в настоящем документе термин «выбранная частота лазерной генерации» означает выходной луч, характеризующийся малой шириной гауссова спектра с пиком на определенной частоте лазерной генерации, как это понимают в данной области техники. Каждый из диодных лазеров 12А, 12 В и 12С оптически связан со спектральным мультиплексором 14, который объединяет лучи в один мультиплексный выходной луч 16. Мультиплексный выходной луч 16 оптически связан с контроллером 18 луча на стороне излучения, выполненным с возможностью направления луча мультиплексного света на множество излучающих головок 20A-D. В одном варианте осуществления контроллер луча на стороне излучения представляет собой оптический переключатель, имеющий по меньшей мере один выход, соответствующий каждой из излучающих головок 20A-D, и мультиплексный луч 16 избирательно направляется к каждой из излучающих головок 20A-D. В другом варианте осуществления контроллер луча на стороне излучения может представлять собой делитель луча, который направляет часть луча к каждому из выходов для создания связи с излучающими головками 20A-D. Излучающие головки 20А-D выполнены с возможностью проецирования по меньшей мере части выходного луча диодных лазеров 12А-С через технологическую камеру 22 к соответствующей приемной головке 24A-D. В свою очередь, каждая из приемных головок 24A-D находится в оптической связи со входом контроллера 26 луча на стороне приема в виде оптического переключателя для обеспечения связи различных приемных головок 24A-D с выходом контроллера луча. Контроллер 26 луча, в свою очередь, связан с демультиплексором 28, который спектрально демультиплексирует лучи в соответствии с длиной волны и передает части различных выбранных частот лазерной генерации, которые, в свою очередь, оптически связаны с соответствующими детекторами 30А-С. Каждый из детекторов 30А-С соединен с процессором 32. Электрические сигналы от каждого из детекторов 30А-С обычно оцифровываются и анализируются в процессоре 32. Оцифрованные и проанализированные данные можно использовать для определения физических параметров внутри технологической камеры, включая без ограничений концентрации различных газообразных соединений и температуру горения в технологической камере. Варианты осуществления могут включать процессор 32, используемый для отправки сигналов через контур 35 обратной связи в регулятор 36 процесса горения, функционально связанный с технологической камерой и для активного регулирования посредством этого выбранных параметров процесса в технологической камере 22.
Сенсорное устройство 10 дополнительно оснащено оптоволоконным кабелем 34 с ВБР, который содержит волоконную брэгговскую решетку, выполненную с возможностью частичного отражения лазерного луча выбранной частоты лазерной генерации, генерируемого одним из диодных лазеров 12А-С. Остальная часть лазерного луча характеризуется профилем пропускания ВБР, моделирующим провал поглощения на выбранной частоте лазерной генерации или вблизи нее, вызванный интересующей характеристикой газообразного соединения, определенной в технологической камере 22. Варианты осуществления оптоволоконного кабеля с ВБР могут включать множество волоконных брэгговских решеток, расположенных последовательно, причем каждая волоконная брэгговская решетка выполнена с возможностью частичного отражения лазерного луча определенной выбранной частоты лазерной генерации, генерируемого одним из диодных лазеров 12А-С. Остальная часть лазерного луча характеризуется профилем пропускания ВБР, моделирующим провал поглощения на выбранной частоте лазерной генерации или вблизи нее, вызванный интересующей характеристикой газообразного соединения, определенной в технологической камере 22. Во всех вариантах осуществления вход оптоволоконного кабеля с ВБР оптически связан с выходом контроллера 18 луча на стороне излучения, а выход оптоволоконного кабеля с ВБР связан со входом контроллера 26 луча на стороне приема. Таким образом мультиплексный луч 16 пропускается через оптоволоконный кабель с ВБР в сочетании с пропусканием мультиплексного луча 16 на излучающие головки 20A-D, в технологическую камеру 22 и на приемные головки 24A-D.
Пример сенсорного устройства 10, показанный на Фиг. 4, может иметь больше или меньше диодных лазеров и соответствующих детекторов и дополнительно может иметь больше или меньше пар излучающих головок и приемных головок, и, таким образом, сенсорное устройство 10 выполнено с возможностью масштабирования для различных областей применения. В самой минимальной конфигурации предусмотрен единственный диодный лазер, что избавляет от необходимости наличия волнового мультиплексора 14 и демультиплексора 28, и в таком варианте осуществления оптоволоконному кабелю 34 с ВБР требуется всего одна волоконная брэгговская решетка, функционально связанная с выбранной частотой лазерной генерации единственного диодного лазера.
Варианты осуществления могут также включать в себя устройство 38 регулирования температуры для поддержания температуры оптоволоконного кабеля 34 с ВБР или волоконных брэгговских решеток внутри него в пределах выбранного температурного диапазона для предотвращения существенного изменения оптических свойств каждой волоконной брэгговской решетки в оптоволоконном кабеле с ВБР. Например, устройство регулирования температуры может обеспечивать поддержание температуры волоконных брэгговских решеток в пределах плюс-минус -18 градусов Цельсия (плюс-минус 0,5 градусов Фаренгейта).
Варианты осуществления могут включать в себя процессор 32, который сообщается с регулятором 36 процесса горения для регулирования входных параметров компонентов горения, таких как топливо и воздух, если процессор 32 обнаружит отклонение характеристик горения, таких как концентрация подлежащих мониторингу соединений газовой фазы или температура, от необходимых технических условий. Такие варианты осуществления могут также включать в себя процессор, который производит сопоставление обнаруженных профилей пропускания лазерных лучей из технологической камеры с профилями провалов поглощения волоконных брэгговских решеток, причем в случае недопустимого отклонения между ними процессор генерирует предупредительный сигнал или даже прекращает процесс горения.
В обсуждаемые варианты осуществления могут быть внесены различные модификации и дополнения без отступления от объема настоящего изобретения. Например, хотя описанные выше варианты осуществления относятся к конкретным признакам, объем настоящего изобретения также включает в себя варианты осуществления, в которых комбинация признаков отличается, и варианты осуществления, включающие в себя не все описанные выше признаки.
Хотя различные аспекты и признаки некоторых вариантов осуществления были кратко изложены выше, в последующем подробном описании более подробно проиллюстрировано несколько вариантов осуществления, чтобы специалист в данной области мог применять такие варианты осуществления на практике. Описанные примеры предложены для целей иллюстрации и не предназначены для ограничения объема изобретения.