ИЗМЕРИТЕЛЬ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАНА МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ОПТОВОЛОКОННЫЙ

Полезная модель относится к оптическим диагностическим приборам, предназначенным для измерения концентрации метана в воздухе. Полезная модель может быть использована для обеспечения пожарной безопасности в условиях жилых и производственных помещений, а также для контроля степени взрывоопасности объектов.
Уровень техники
Из существующего уровня техники известен ряд оптоволоконных систем удаленного измерения концентрации метана. Например, система, состоящая из источника света, механического модулятора, оптоволоконной линии, газовой ячейки и оптоэлектронной системы приема сигнала [«Remote Fiber-Optic Methane Monitor», Т.Н. Dubaniewicz, J.Ε. Chilton, «Report of investigations №9407», 1992].
Также известны оптоволоконные системы мониторинга подземных угольных шахт, состоящие из головного многофункционального блока и разветвленной сети оптоволоконных пассивных сенсоров, а также оптоволоконной кабельной инфраструктуры [«Development and utilisation of fibre optic-based monitoring systems for underground coal mines», S.M. Aminossadati, M. Amanzadeh, M.S. Kizil, T. Liu, «Coal Operators Conference», 2014].
Также известен экспериментальный образец оптоволоконного детектора метана на основе фотонно-кристаллических волокон (Mettler-Toledo International Inc), состоящий из источника излучения, газовой камеры, измерителя давления и системы подачи метана, оптоволоконной линии, чувствительного фотонно-кристаллического волокна, оптического детектора и устройства обработки.
Также известна система, описанная в [«Fiber optic methane gas detection system», Hitachi cable review №25, august 2006], принятая за прототип. Система удаленного измерения концентрации метана в воздухе выполнена в виде раздельных блоков оптоволоконного детектора и оптоволоконного сумматора. Недостаток данного технического решения-прототипа заключается в отсутствии прецизионной подстройки и удержания длины волны лазера вблизи пика поглощения метана.
Общими недостатками всех перечисленных известных систем являются ограниченная применимость в условиях жилых застроек и производственных помещений, сопровождающаяся высокой стоимостью и сложностью в эксплуатации.
Ближайшим аналогом предлагаемого технического решения является волоконно-оптический газоанализатор [заявка на изобретение 94030252/25 от 16.08.1994], который содержит последовательно установленные и оптически связанные излучатель, входное оптическое волокно, многоходовую кювету, состоящую из трех сферических зеркал, выходное оптическое волокно, блок регистрации и обработки информации. Недостатком данной системы является наличие большого количества зеркал и дополнительных элементов, что значительно усложняет юстировку системы и ее стоимость.
Раскрытие полезной модели
В основу настоящей полезной модели положено решение задачи, направленной на создание коммерчески доступного высокочувствительного измерителя концентрации метана оптоволоконного, обеспечивающего контроль концентрации метана в жилых и производственных помещениях.
Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения, заключается в значительном уменьшении размеров системы, минимизации количества элементов системы, отсутствии необходимости поддержания постоянной температуры элементов схемы, увеличении чувствительности измерений и расширении модельного ряда оборудования, представленного на рынке.
Для решения поставленной задачи предложен измеритель концентрации метана многоканальный оптоволоконный, измеряющий концентрации метана в воздухе в подключенных по независимым волоконно-оптическим линиям к нему оптических сенсорах посредством пропускания через них монохроматического оптического лазерного излучения, длина волны которого изменяется по задаваемому периодическому закону; при этом параметры лазера устанавливаются через обратную связь, организованную путем отвода части излучения посредством оптоволоконного разветвителя и пропускания его через герметично запаянную юстировочную кювету с метаном в составе головного блока устройства; кроме того, прием излучения от независимых сенсоров производится посредством последовательного опроса и анализа сигналов, получаемых от массива фотоприемников, количество которых соответствует количеству измерительных каналов с учетом канала опорного сигнала и канала калиброванной кюветы с метаном. Головной блок может устанавливаться в телекоммуникационную стойку.
Краткое описание чертежей
Сущность предлагаемого технического решения поясняется фигурами.
На Фиг. 1 представлена принципиальная схема измерителя концентрации метана многоканального оптоволоконного.
На Фиг. 2 представлены зависимости токов лазера (верхний), опорного фотоприемника (средний) и сигнального фотоприемника (нижний) от времени при наличии метана.
На Фиг. 3 представлена зависимость глубины провала графика тока сигнального фотоприемника от разных концентраций метана, находящегося в измерительном объеме пассивного оптического сенсора (график тока юстировочной кюветы аналогичен).
Осуществление полезной модели
Измеритель концентрации метана многоканальный оптоволоконный на фиг. 1 содержит полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью с оптоволоконным выходом 1 и размещенный под ним блок управления и термостабилизации 2, оптический разветвитель 3, соединенный с фотоприемником опорного сигнала 4 и с оптическим разветвителем 5, который, в свою очередь, соединен с котировочными компонентами: кюветой с метаном 6 и фотоприемником 7, а оптоволоконные линии 8 соединены с пассивными оптическими сенсороми метана 9, которые соединены с сигнальными фотоприемниками 10, установленными на плату фотоприемников 11, обработка сигналов с которой осуществляется платой ПЛИС 12; все компоненты устройства, кроме 8 и 9, размещены в корпусе 13.
Измеритель концентрации метана многоканальный оптоволоконный, принципиальная схема которого представлена на фиг. 1, работает следующим образом.
-1
Полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью с оптоволоконным выходом 1 с центральной длиной волны ~1654 нм, управляемый блоком управления и термостабилизации 2, излучает оптическое излучение, модулируемое по амплитуде и длине волны путем перестройки по току в заданном диапазоне при термостабилизации. Диапазон перестройки длины перекрывает пик спектрального поглощения метана (6055-6059 см). Излучение лазера проходит через оптоволоконный разветвитель 3, где часть его отводится на опорный фотоприемник 4, при этом большая часть излучения попадает на разветвитель 5, где разделяется на n каналов в равной пропорции. Один из каналов замыкается на юстировочную кювету с метаном 6, а излучение, проходящее через кювету, попадает на котировочный фотоприемник 7. По оптоволоконным линиям 8 излучение проходит через пассивные оптические сенсоры метана 9, сигнал поступает на сигнальные фотоприемники 10, поочередно опрашиваемые платой фотоприемников 11, обработка сигналов которой осуществляется ПЛИС 12. Алгоритм работы ПЛИС настроен таким образом, что пик поглощения метана в юстировочной кювете 6 всегда приходится на определенный временной интервал в пределах каждого периода модуляции лазера. В случае смещения этого пика обратная связь осуществляет прецизионную подстройку лазера по току и/или температуре посредством встроенного элемента Пельтье. Это обеспечивает постоянный контроль длины волны лазера и, как следствие, высокую точность измерений. Концентрация метана определяется по относительной глубине провала на графике тока сигнального фотоприемника от концентрации метана, находящегося в измерительном объеме пассивного оптического сенсора.
Тарировка выходных значений может быть произведена путем измерений концентраций поверочных газовых смесей. Результаты измерений могут отображаться посредством встроенного жидкокристаллического дисплея и других средств индикации, а также через удаленный терминал оператора. Головной блок устройства может быть установлен в стандартную телекоммуникационную стойку размером 19'. Пассивный сенсор метана выполнен на основе оптической схемы с применением известных отражающих элементов (зеркало, рефлектор).
Предложенное техническое решение обеспечивает заявленный технический результат, а именно значительное уменьшение размеров системы, минимизации количества элементов системы, отсутствие необходимости поддержания постоянной температуры элементов схемы, увеличение чувствительности измерений и расширение модельного ряда оборудования, представленного на рынке.