ДИСТАНЦИОННЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР МЕТАНА

Изобретение относится к измерительной лазерной технике и предназначено для измерения удельной концентрации примесных газов в окружающем воздухе дистанционным методом, в частности газа метана. Известен газоанализатор, содержащий параболическое зеркало, фотоприемник, диодный лазер, оптический объектив, расщепитель луча, реперный канал [1]. Устройство работает следующим образом. Диодный лазер излучает в импульсном режиме с длительностью импульсов 1 мсек на длине волны 1,65 мкм. При этом длина волны излучения диодного лазера сканируется в течение импульса в окрестности одной из сильных узких линий поглощения метана. Лазерный пучок, сформированный прибором, отражается топографическим объектом (земля, трава, лес, и т.д.), попадает на приемное параболическое зеркало и фокусируется на фотоприемник. После фотоприемника по величине провала в линейно нарастающем сигнале вычисляется интегральная концентрация метана на трассе распространения. Также детектор метана включает в себя реперный канал, в котором часть лазерного пучка проходит через кювету с метаном и фокусируется на другом фотоприемнике (ФП).
Недостатком данного устройства является большая погрешность измерения удельной концентрации метана на пути лазерного луча, поскольку расстояние до отражающей поверхности не измеряется, а считается постоянным. Недостаточна оперативность измерений из-за низкой скорости обзора пространства газоанализатором. Ограничена дальность действия.
Известен газоанализатор, содержащий блок лазерного излучателя, блок приема аналитического сигнала, блок управления приема и обработки данных, дальномер [2]. Недостатком данного устройства является низкое быстродействие (1 миллисекунда на одно измерение), малая дальность действия из-за малой мощности лазерного излучателя. К тому же дальномер входит в схему как совершенно отдельное устройство, из-за чего его оптическая ось не совпадает с оптической осью газоанализатора и поэтому снижается точность определения расстояния до диффузно отражающего объекта.
Известен лазерный газоанализатор метана, содержащий лазер, стабилизированный на линии метана, фотоприемник, предающий телескоп, приемный объектив, модулятор-контроллер, опорный генератор, два усилителя, два синхронных детектора, регистратор интегральной концентрации [3], рис.1.
Устройство работает следующим образом. При модуляции лазера сигналом частоты f из-за нелинейности принимаемого сигнала при наличии метана на трассе измерения, возникает вторая гармоника 2f в спектре принимаемого сигнала. Частоты f и 2f после фотоприемника синхронно детектируются и по соотношению продетектированных сигналов на частотах f и 2f в регистраторе интегральной концентрации измеряется интегральная концентрация газа на трассе измерения.
Недостатком данного устройства является большая погрешность измерения удельной концентрации метана на пути лазерного луча, поскольку расстояние до отражающей поверхности не измеряется, а считается постоянным. Устройство имеет малую дальность действия. Недостаточна оперативность измерений из-за низкой скорости обзора пространства.
Целью изобретения является повышение дальности действия, точности и достоверности измерения удельной концентрации метана, а также повышение оперативности измерений. На рис.2 представлена блок-схема устройства, содержащая: 1 - лазер, стабилизированный на линии метана, 2 - передающий телескоп, 3 - приемный объектив, 4 - фотоприемник, 5 - модулятор-контроллер, 6 - опорный генератор, 7, 8 - усилители, 9, 10 - синхронные детекторы, 11 - регистратор интегральной концентрации, 12 - аналоговый переключатель, 13 - третий усилитель, 14 - третий синхронный детектор, 15 - регистратор дальности, 16 - регистратор удельной концентрации, 17 - делитель частоты, 18 - отклоняющая система с блоком управления, 19 - оптический усилитель.
Устройство работает следующим образом. При модуляции лазера сигналом частоты f из-за нелинейности принимаемого сигнала в случае наличия метана на трассе измерения, возникает вторая гармоника 2f в спектре принимаемого излучения. Частоты f и 2f после фотоприемника синхронно детектируются и по соотношению продетектированных сигналов f и 2f в регистраторе интегральной концентрации определяется интегральная концентрация на трассе измерения. Аналоговый переключатель, работая синхронно с модулятором-контроллером попеременно переключают прибор в режим измерения интегральной концентрации метана и в режим измерения дальности до отражающей поверхности. Эти величины поступают на регистратор удельной концентрации, где определяется удельная концентрация на трассе распространения и тем самым повышается точность и достоверность измерения удельной концентрации метана (реальная, а не приближенная плотность газового облака), поскольку расстояние до отражающей поверхности определяется не «на глазок», а с точностью до сантиметра. Такая точность обеспечивается за счет того, что оптическая ось газоанализатора и дальномера одна и та же, а скорость одного измерения быстрее чем 0.1 миллисекунда.
В процессе измерения дальности лазер с помощью модулятора контроллера отстраивается от линии метана посредством скачкообразной подачи на лазер увеличенного напряжения. Тем самым измерение дальности происходит при отсутствии поглощающих линий атмосферных газов на линии излучения лазера, что существенно повышает точность измерения расстояния. Одновременно повышается оперативность измерений, поскольку синхронно с частотой срабатывания аналогового переключателя срабатывает и блок управления отклоняющей системы и луч лазера перенацеливается в следующую точку, то есть луч быстро сканируется по пространству и определяется пространственная картина распределения метана в исследуемом объеме. Дальность действия повышается за счет введения в устройство оптического усилителя работающего на длине волны поглощения метана.
Проведенные исследования газоанализатора показали, что его точность и достоверность в 2-3 раза лучше, чем у прототипа, а оперативность измерений и дальность действия повышаются на порядок. Особенно это улучшение заметно в гористой местности, где перепады высот до объекта отражения отличаются в несколько раз даже за небольшое время в процессе пролета и сканирования газовых облаков.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. http://pergam.kiev.ua/dls.htm
2. Патент №2285251 G01N 21/61, G01N 21/39
3. Applied Optics, vol.31, №6, 20 February 1992. p.809.