ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР УТЕЧКИ ХЛАДОНА

Полезная модель относится к технике аналитического и измерительного приборостроения для обнаружения и определения концентрации газов и может быть использована для определения в воздушной среде относительной объемной концентрации следующих газов:
2
4
2
1) Хладон 114В2 - химическая формула CFBr, иностранный аналог-HALON 2402, ГОСТ, 15899-79
3
2) Хладон 13В1 - химическая формула СFВr, иностранный аналог-HALON 1301, ТУ 6.02.96. Областью применения предлагаемой полезной модели являются системы пожаротушения двигателей самолетов и др. техники, в которых используются хладоны, промышленные системы заморозки и охлаждения, в которых используются хладоны.
Известен волоконно-оптический газоанализатор, содержащий последовательно установленные и оптически связанные излучатель, входное оптическое волокно, многоходовую кювету, состоящую из трех сферических зеркал, выходное оптическое волокно, блок регистрации и обработки информации, в котором дополнительно между выходным оптическим волокном и блоком регистрации установлен спектральный интегральный демультиплексор, при этом на двойном фокусном расстоянии от двух зеркал-объективов кюветы находится зеркало-коллектив, на продолжении сферы которого в непосредственной близости от его края с одной стороны установлены торцы входного и выходного оптических волокон, оба зеркала-объектива установлены с возможностью совместного поворота относительно центра кривизны зеркала-коллектива в общей меридианальной плоскости всех зеркал, а излучатель выполнен импульсным (заявка РФ №94030252, МПК G01N 21/61, опубл. 20.06.1996). Это техническое решение не может быть использовано для определения концентрации хладона, т.к. использование спектрального демультиплексора увеличивает габариты устройства, снижает быстродействие и чувствительность датчика, что принципиально важно в системе пожаротушения двигателей самолетов. Отсутствие датчиков температуры и давления не позволяют определять концентрации газов при большом перепаде температур и низких давлениях (двигатель самолета в полете). Кроме того, параметры газоанализатора снижает использование импульсного источника излучения.
В основу полезной модели положена задача создания волоконно-оптического газоанализатора утечки хладона, в котором за счет использования поглощения на длине волны 222 нм (использование излучения с длиной волны 222 нм), наличия полупроводникового фотоприемника, а также датчиков температуры и давления возможно осуществлять постоянный мониторинг объемной концентрации хладона.
Очень высокая скорость отклика системы - сотые доли секунды - связана с тем, что не требуется спектрального преобразования сигнала, накопления сигнала, и скорость определяется только скоростью оптического сигнала и его преобразования в электрический. Такая высокая скорость позволяет одновременно отслеживать десятки датчиков.
Технический результат обеспечивается тем, что в волоконно-оптическом газоанализаторе утечки хладона, содержащем последовательно установленные и оптически связанные монохроматический источник излучения, входное оптическое волокно, оптическую систему для измерения степени поглощения окружающей среды, выходное оптическое волокно, блок регистрации и обработки информации, дополнительно в оптическую систему для измерения степени поглощения окружающей среды установлен датчик температуры, в блок регистрации и обработки информации включены источник излучения с длиной волны 222 нм, фотоприемник на УФ оптический диапазон с максимумом чувствительности в области 200-340 нм, датчик давления, интерфейс и компьютер, а в качестве световодов использовано оптоволокно с областью оптического пропускания 200-1200 н При этом в качестве источника излучения может быть выбрана эксимерная лампа на хлориде криптона с длиной волны 222 нм и полушириной полосы 5 нм.
За счет использования особенностей поглощения хладонов в ультрафиолетовой области спектра и создания условий для измерения этого поглощения полезная модель обеспечивает автоматическое измерение концентрации хладонов в удаленных, труднодоступных местах и температурах от - 50ºС до +250ºС; позволяет осуществлять постоянный мониторинг объемной концентрации хладона. При этом для предлагаемой полезной модели характерна очень маленькая скорость отклика системы - сотые доли секунды и маленькие размеры системы. Система адаптивна для измерений концентраций хладонов других марок (требуется только смена длины волны излучения).
Полезная модель поясняется с помощью фиг.1-3, на которых показаны принципиальная схема системы волоконно-оптического газоанализатора утечки хладона, а также сечения поглощения вышеупомянутых хладонов в ультрафиолетовой области спектра.
Волоконно-оптический газоанализатор утечки хладона, показанный на фиг.1, содержит последовательно установленные и оптически связанные источник излучения 1, установленный в блоке регистрации и обработки информации 2, входное оптическое волокно 3, по крайней мере одну оптическую систему для измерения степени поглощения окружающей среды 4, выходное оптическое волокно 5, блок регистрации и обработки информации 6, дополнительно в оптическую систему для измерения степени поглощения окружающей среды 4 установлен датчик температуры 7, в блок регистрации и обработки информации 2 включены источник излучения 1 с длиной волны 222 нм, фотоприемник 8 на УФ оптический диапазон с максимумом чувствительности в области 200-340 нм, датчик давления 9, интерфейс 10 и компьютер 11, и использовано оптоволокно с областью оптического пропускания 200-1200 нм. При этом в качестве источника излучения 1 может быть выбрана эксимерная лампа на хлориде криптона с длиной волны 222 нм и полушириной полосы 5 нм.
Каждая выносная оптическая система для измерения степени поглощения окружающей среды 4 (датчик) имеет следующие элементы, обеспечивающие вывод излучения из световода, проход света сквозь детектируемую газовую среду, ввод оптического сигнала в световод) и датчик температуры 7, необходимый для пересчета измеренных значений в объемные доли при нормальных условиях. Данные о давлении, необходимые для пересчета измеренных значений в объемные доли при нормальных условиях, поступают от датчика давления 9. (световод - оптическое волокно в прототипе)
Принцип действия волоконно-оптического газоанализатора утечки хладона основан на измерении оптического поглощения в газовой среде, содержащей хладон на длине волны 222 нм. На фиг.2, 3 приведены сечения поглощения вышеупомянутых хладонов в ультрафиолетовой области спектра.
3
2
4
2
3
2
4
2
∗
-20
∗
-19
2
-2
Согласно приведенным данным сечения поглощения для хладонов CFBr и CFBr на длине волны 222 нм составляют 6.510 и 6.510 см/молекулу соответственно. Таким образом, при использовании фотоприемника, позволяющего детектировать уровень поглощения 10 и реализации оптического пути детектирования длиной 20 см, чувствительность датчика на хладоны CFBr и CFBr составляет 0.03 и 0.003% соответственно. Расчет чувствительности датчика на хладон n - число молекул хладона
N - число молекул в газе
2
Sc - сечение поглощения (см/молекулу)
D - оптическая плотность
m
3
V - объем моля газа (см)
-1
α - коэффициент поглощения (см)
I - длина оптического пути (см)
∗
n=aV/Sc
α=D/I (см-1)
n=D*V/(I*Sc)
A
m
N=N*V/V
m
A
n/N=D*V/(N*I*Sc)
D=0.01
Sc=6.5*10-20 (CF3Br) и 6.5*10-19 (C2F4Br2)
A
23
N=6.023*10
m
3
V=22.4*10
3
23
20
n/N*100%=(0.01*22.4*10/(6.023*10*20*6.5*10-))*100=0.03%
(СР3Вr) и 0.003%(C2F4Br2)
m
3
o
o
Измерение заключается визмеренииоптической плотности на длине волны 222 нм и автоматическом пересчете ее в концентрацию хладона по вышеприведенным формулам с учетом зависимости V от температуры (Т) и давления (Р) (Vm=22.4*10*Ро*T/Р*T, где индекс «» относится к комнатной температуре и атмосферному давлению).