ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ КЮВЕТА

Полезная модель относится к технике аналитического и измерительного приборостроения для обнаружения и определения концентрации молекул газов или жидкостей, в том числе при высоких давлениях (тысячи атмосфер), и может быть использована в химической, нефтеперерабатывающей, газовой и других отраслях промышленности.
Известна, выбранная в качестве аналога, многоходовая волоконно-оптическая кювета, состоящая из трех сферических зеркал, входного оптического волокна, оптически связанного с излучателем, выходного оптического волокна, связанного с блоком регистрации и обработки информации (патент RU 2091764, G01N 21/61, публ. 27.09.1997). Между выходным оптическим волокном и блоком регистрации установлен спектральный интегральный демультиплексор, а на продолжении сферы зеркала-коллектора в непосредственной близости от его края с одной стороны установлены торцы входного и выходного оптических волокон, два зеркала-объектива установлены с возможностью совместного поворота относительно центра кривизны зеркала-коллектора в общей меридиональной плоскости всех зеркал.
Недостатками аналога являются необходимость юстировки трех сферических зеркал и невозможность работать при высоких давлениях исследуемого вещества (кювета рассчитана на давления, близкие к атмосферному).
В качестве прототипа выбрана оптическая кювета FOPFC (Fiber Optic Process Flow Cell) фирмы "Avantes" (www.avantes.ru\production\accessories\tec\9.php), содержащая корпус, в котором выполнены центральный осевой канал и сообщающиеся с ним два радиальных канала. В радиальных каналах установлены штуцера, в которых расположено оптическое волокно, один конец которого оптически связан через уплотненные стеклянные окна с полостью канала. Также кювета содержит оптические коннекторы для стыковки входного и выходного оптического волокна, коллимирующую оптику.
Недостатком кюветы-прототипа является сложность изготовления и юстировки коллимирующей оптики. Кроме того, присутствие стеклянных окон, по которым производится уплотнение, приводит к тому, что минимальный размер центрального канала кюветы, а также толщина ее стенок ограничены размером самих окон, что, в свою очередь, определяет предельное давление исследуемой смеси в кювете, которое составляет всего лишь 500 атм.
Для определения предельного давления в трубопроводе существует множество формул. Например (Л.М. Качанов. Основы теории пластичности. М.: изд-во "Наука", 1969, 420 с.)
где
P - предельное максимальное давление в трубопроводе,
σ - предел прочности материала трубопровода,
нар
d - наружный диаметр трубопровода,
внутр
d - внутренний диаметр трубопровода.
Ключевым параметром для оценки предельного давления является логарифм отношения наружного диаметра трубопровода к внутреннему диаметру. Таким образом, уменьшение внутреннего диаметра приводит к увеличению рабочего давления кюветы или трубопровода.
Другим недостатком прототипа является то, что для снятия полезного сигнала используется только один оптический выход. Использование дополнительных выходов позволило бы увеличить интенсивность регистрируемого сигнала, за счет охвата большего телесного угла.
Задачей настоящей полезной модели является повышение предельного давления исследуемой среды (газа или жидкости) в кювете при одновременном упрощении конструкции.
При использовании полезной модели достигается следующий технический результат:
- возможность определения состава среды газа или жидкости, транспортируемой по трубопроводу при давлении до 4000 атм;
- увеличена интенсивность снимаемого полезного сигнала за счет увеличения количества регистрирующих оптических волокон;
- порог чувствительности составил 0,1% от максимального давления (~4 атм);
- простота изготовления и эксплуатации кюветы.
Для решения указанной задачи и достижения технического результата в корпусе кюветы выполнены центральный осевой канал и сообщающиеся с ним, по крайней мере, два радиальных канала. В радиальных каналах установлены штуцеры, в которых расположено оптическое волокно, один конец которого оптически связан с полостью канала. Согласно полезной модели, торец оптического волокна, расположенного в центральном осевом канале, установлен в одной плоскости с его внутренней поверхностью, при этом оптическое волокно установлено в штуцерах герметично.
Оптическое волокно может быть установлено в штуцерах на клеевом соединении. В корпусе оптимально может быть выполнено четыре радиальных канала.
Для ввода и вывода оптического излучения используется оптическое волокно (в отличие от прототипа, где кроме волокон используются стеклянные окна и коллимирующая оптика). Торцы оптического волокна, находятся в одной плоскости со стенкой центрального осевого канала, за счет чего становится возможным уменьшить диаметр этого канала, а также выполнить дополнительные оптические выходы в корпусе кюветы. За счет уменьшения диаметра центрального осевого канала кюветы и увеличения толщины стенок корпуса становится возможным достижение рабочего давления кюветы до 4000 атм, а также появляется возможность выполнить дополнительные оптические выходы. Использование дополнительных оптических выходов позволяет увеличить интенсивность снимаемого полезного сигнала примерно в три раза, по сравнению с конструкцией, где используется только один оптический выход.
Совокупность заявляемых признаков полезной модели позволяет при значительном упрощении конструкции кюветы повысить предельное давление исследуемой среды до 4000 атм.
На фиг.1 показано изображение заявляемой волоконно-оптической кюветы.
Кювета состоит из корпуса 1, в котором выполнен центральный осевой канал 2, по которому проходит анализируемый газ или жидкость. С торцов корпуса 1 к центральному осевому каналу 2 проходят радиальные каналы, в которых установлены штуцеры 3. Уплотнение штуцеров 3 осуществляется металлической прокладкой 4, которая раздавливается кольцом 5 и гайкой 6. В штуцеры 3 вклеено оптическое волокно 7. Место клеевого соединения обозначено областью 8. Торец оптического волокна находится в одной плоскости со стенкой осевого канала 2.
Внешний выход оптического волокна, расположенного в одной из вставок связан с источником возбуждения (на фигуре не показан), а внешние выходы остальных волокон оптически связаны со спектрометром (на фигуре не показан).
Предлагаемая кювета работает следующим образом. По центральному осевому каналу 2 диаметром 2 мм проходит поток исследуемого вещества. Монохроматическое непрерывное излучение от излучателя (лазера) передается по одному из оптических волокон 7 в центральный канал 2. Это излучение возбуждает в молекулах среды, проходящей по каналу 2, характеристическое излучение (в нашем случае - спектр комбинационного рассеяния света), которое, попадая в остальные оптические волокна, передается на анализатор.
Изготовлен опытный образец заявляемого устройства. Детали кюветы выполнены из высоколегированной стали. Диаметр осевого канала кюветы равняется 2 мм. В штуцеры кюветы вклеено оптическое волокно с напыленным алюминиевым покрытием, диаметр световодной части волокна равняется 400 мкм. Согласно результатам испытаний на прочность и герметичность, клеевое соединение волокна со штуцером осталось герметичным при давлении водорода 4000 атм. С помощью заявляемой кюветы были получены спектры комбинационного рассеяния протия и дейтерия при давлениях до 500 атм.
Отметим здесь некоторые характерные особенности заявляемой оптической кюветы:
- благодаря диаметру 2 мм центрального осевого канала, торцы оптических волокон расположены практически вплотную друг к другу, это позволяет получить высокую интенсивность полезного сигнала без применения коллимирующей оптики;
- отсутствие промежуточных оптических окон и объективов позволяет значительно уменьшить габариты кюветы, а также уменьшить аберрации и энергетические потери полезного излучения из-за многократных отражений;
- предложенная оптическая кювета может быть применима для широкого спектра оптических исследований, в том числе и при высоких давлениях, где требуется ввод и вывод излучения в объем кюветы, например, для спектроскопии инфракрасного поглощения, спектроскопии комбинационного рассеяния, исследований прозрачности среды и т.д.