УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ВЫЯВЛЕНИЯ ПАРОВ И АЭРОЗОЛЕЙ ВЕЩЕСТВ В ОТКРЫТЫХ И ЗАМКНУТЫХ ГАЗОВЫХ СРЕДАХ

Полезная модель относится к аналитическому приборостроению, а именно к спектральным приборам, и может быть использована для химического анализа веществ, например, для дистанционного выявления через различные прозрачные среды паров летучих веществ и аэрозолей в открытых и замкнутых объемах, а также в движущихся объектах.
Дистанционный контроль качества атмосферы является сегодня одной из приоритетных аналитических задач не только из-за выброса предприятиями вредных веществ, но и из-за техногенных аварий и катастроф. Значительные концентрации загрязняющих веществ в ряде случаев затрудняют пробоотбор из-за возможности негативного воздействия на персонал. Часто отбор проб невозможен в силу физической недоступности объекта контроля. По этим причинам разработка и создание дистанционных аналитических методик и аппаратуры, работающих в режиме реального времени и сочетающих высокую мобильность и автоматизм, чрезвычайно актуальны. Среди аналитической аппаратуры лидируют приборы, основанные на оптических дистанционных методах контроля состава атмосферы. Они подразделяются на активные и пассивные. Активные методы используют внешние мощные просвечивающие источники, пассивные - регистрируют и анализируют излучение атмосферы и исследуемого объекта.
Известен спектрометр [см. патент РФ на полезную модель №81320, МПК G01J 3/00 (2006.01), опубл. 10.03.2009], содержащий корпус с входным окном, внутри которого установлена оптическая система. На выходе оптической системы установлен многоэлементный фотодетектор, соединенный с электронным блоком управления и обработки выходных сигналов. Данное техническое решение может быть использовано, например, для создания малогабаритного, высокочувствительного и широкополосного многоканального спектрометра. Известный спектрометр характеризуется тем, что давление инертного газа внутри корпуса превышает атмосферное на 0,1-2 атм. и для его контроля установлен датчик давления, например манометр. Уровень вакуума спектрометра может составлять не более 0,5 атм., для его контроля также установлен датчик давления, например манометр. Многоэлементный фотодетектор спектрометра может быть установлен на охлаждаемую поверхность термоэлектрического холодильника Пельтье, нагреваемая поверхность которого установлена в тепловом контакте с корпусом спектрометра. Входное окно спектрометра может быть выполнено в виде пластины из прозрачного в рабочем спектральном диапазоне материала и загерметизировано по периметру. Электрические контакты многоэлементного фотодетектора через соединительный кабель и вакуумно плотный разъем, установленный в стенке корпуса, соединены с блоком управления и обработки выходных сигналов. Спектрометр может быть выполнен на базе оптической схемы Эберта-Фасти и многоэлементного фотодетектора.
Известен также многоканальный спектрометр [см. патент РФ на полезную модель №81800, МПК C01J 3/00 (2006.01), опубл. 27.03.2009], который может быть использован, например, для создания малогабаритного, высокочувствительного и широкополосного многоканального спектрометра. Многоканальный спектрометр содержит корпус с горизонтальной оптической схемой, включающей входную щель, находящуюся в фокусе вогнутого входного зеркала, оптически связанного с плоской дифракционной решеткой, которая расположена на расстоянии 0,85 фокусного расстояния вогнутого выходного зеркала. В фокусе вогнутого выходного зеркала расположен многоэлементный фотодетектор, соединенный с электронным блоком управления фотодетектора и обработки его выходных сигналов. Дифракционная решетка и выходное зеркало установлены с возможностью вращения относительно оси, проходящей через центры их поверхностей и перпендикулярные меридиональной плоскости. Особенностью спектрометра является то, что дифракционная решетка и выходное зеркало установлены на поворотных платформах с возможностью вращения относительно оси, проходящей через центры их поверхностей и перпендикулярные меридиональный плоскости. Поворотные платформы оборудованы ограничителями поворота, при этом ограничители поворота выходного зеркала не допускают попадание нормали, восстановленной к краю зеркальной поверхности выходного зеркала, ближайшего к входному зеркалу, на рабочую поверхность дифракционной решетки.
Недостатком описанных выше известных спектрометров является сложность, а зачастую, и невозможность их использования для дистанционного анализа. Эта проблема объясняется тем, что в известных устройствах отсутствуют фокусирующие объективы и источники излучения. Кроме того, корпус спектрометра по полезной модели RU 81320 выполнен в герметичном исполнении и наполнен инертным газом с избыточным давлением. Это обстоятельство усложняет технологию изготовления корпуса спектрометра, а, кроме того, в процессе проведения измерений для проверки герметичности устройства необходимо постоянно контролировать давление внутри корпуса спектрометра.
Известны также способ и устройство для обнаружения газов, частиц и/или жидкостей [см. патент на изобретение РФ №2461815, МПК G01N 21/39 (2006.01), опубл. 20.09.2012]. Данное техническое решение относится к системам сигнализации и основано на использовании четырехкомпонентного настраиваемого лазера, работающего в средней части инфракрасного (ИК) диапазона для одновременного измерения и частиц, и газа. Измерение выполняют в пределах пространства, в котором газ, представляющий интерес, поглощает излучение, соответствующее средней части ИК диапазона. Газообразный метан снижает интенсивность излучения на определенной длине волны этого устройства, тогда как частицы/туман снижают интенсивность всех длин волн. В этом случае туман не включает сигнал тревоги, в то время как обнаружение метана включает. Благодаря широкой перестройке излучаемой длины волны лазера некоторые длины волн могут быть измерены для того, чтобы точно найти и состав газа, и концентрацию частиц с помощью одного датчика, основанного на применении лазера.
Известное устройство может включать лазер Фабри-Перо, либо другие типы лазеров, например, лазер на гетероструктуре, лазер с квантовыми ямами или квантовый каскадный лазер.
2
3
x
2
4
Устройство может быть использовано для обнаружения CO, CO, NH, NO, SO, CH, газообразных/жидких углеводородов или подобных веществ, имеющих вид дыма или частиц.
Достоинством известного устройства является его способность обнаруживать некоторые вредные для человека газы. Кроме того, известное устройство может быть использовано в качестве сигнализатора при появлении в атмосфере или помещении опасных газов.
При этом одним из основных недостатков известной схемы является ее сложность, обусловленная обязательным наличием сложного четырехкомпонентного лазера, который является источником излучения, а также блока управления этим лазером. Однако последние достижения ведущих производителей в области приемников ближнего ИК диапазона на InGaAs показали, что существует возможность создания спектральных приборов с узким диапазоном порядка 25-30 нм с разрешающей способностью 0,12 нм. Такие спектральные приборы можно использовать в газоанализаторах, заменив полупроводниковые диодные лазеры, см., например, сайт www.hamamatsu.com, на котором представлены новейшие достижения японских производителей в области производства приемных линеек, в частности, в ближнем ИК диапазоне.
К недостаткам известной схемы следует также отнести ограниченность ее функциональных возможностей, которая заключается в следующем: при необходимости проведения измерений в различных диапазонах потребуется устанавливать в устройство лазер с другим спектральным диапазоном излучения, а также блок управления указанным лазером.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для измерения содержания паров веществ в газовой среде [см. патент РФ на изобретение №2330266, МПК G01N 21/31 (2006.01), опубл. 20.10.2007]. Известное техническое решение относится к области химического анализа веществ, а более конкретно - к устройствам для измерения концентрации и состава паров химических веществ в атмосфере и других газовых средах.
Устройство содержит оптическую систему, ограничивающую рабочий спектральный диапазон и фокусирующую поступающее на вход устройства излучение на газовую ячейку с корреляционным газом и на пустую, не содержащую корреляционного газа, ячейку. В каждую газовую ячейку введен эшелетт (отражательная фазовая дифракционная решетка). Дифракционная решетка раскладывает излучение, прошедшее через соответствующую газовую ячейку, в спектр и фокусирует его на двумерную матрицу фотоприемников прибора с зарядовой связью или прибора с инжекцией заряда, или фотодиодов, таким образом, что каждой спектральной линии или полосе излучения из рабочего спектрального диапазона, прошедшего через газовые ячейки, соответствует один или несколько фоточувствительных элементов матрицы, позволяющих отфильтровать при последующей обработке информации сигналы от части излучения в тех спектральных линиях и полосах, которые пересекаются со спектральными линиями и полосами от посторонних (фоновых не анализируемых) газов.
Недостатком известного технического решения является сложность его конструкции, которая заключается в использовании для химического анализа корреляционного газа. Система включает две газовые ячейки (одна из ячеек наполняется корреляционным газом, а другая - пустая) и две дифракционные решетки (в каждой из газовых ячеек установлена отражательная фазовая дифракционная решетка). К недостаткам известной системы следует также отнести необходимость перенастройки спектральных диапазонов, которая осуществляется путем перенастройки указанных выше дифракционных решеток (фокусирующих эшелеттов).
Применение в известном техническом решении сложной двухмерной матрицы фотоприемников также следует отнести к недостаткам технического решения, выбранного в качестве прототипа.
Существенным недостатком ближайшего аналога является то, что исследуемая газовая среда и газовая ячейка содержат один и тот же газ, что усложняет поиск и определение состава анализируемого газа. Кроме того, известное устройство не обеспечивает возможность проведения исследования в открытых газовых средах.
При этом в случае использования в системе лазерного источника излучения, возникают большие сложности при проведении измерений. Например, при необходимости провести измерения в другом спектральном диапазоне потребуется другой лазер с соответствующим спектральным диапазоном, а также блок управления этим лазером, что существенно усложняет проведение работ на устройстве, а также ограничивает его функциональные возможности.
Задачей, поставленной при создании заявляемой полезной модели, является расширение функциональных возможностей устройства при одновременном упрощении его конструкции, повышении надежности работы, а также снижении материальных затрат на создание устройства для дистанционного выявления паров и аэрозолей веществ в открытых и замкнутых газовых средах.
Для решения указанных задач предлагается устройство для дистанционного выявления паров и аэрозолей веществ в открытых и замкнутых газовых средах, которое, как и наиболее близкое к нему устройство, выбранное в качестве прототипа, содержит: осветитель, включающий источник излучения, и оптическую систему, состоящую из объектива и дифракционной решетки, фотоприемное устройство и блок обработки сигналов.
Особенностью предлагаемой полезной модели, отличающей ее от известного, принятого за прототип устройства, является то, что источник излучения представляет собой источник света, излучающий в широком инфракрасном спектральном диапазоне, осветитель дополнен линзой, формирующей лучи в параллельный пучок, установленной на оптической оси устройства. В оптическую систему устройства дополнительно введены расположенные последовательно вдоль оптической оси устройства входная щель, установленная в фокальной плоскости объектива, первое сферическое зеркало, установленное под углом к оптической оси устройства, и второе сферическое зеркало, расположенное между дифракционной решеткой и фотоприемным устройством. Фотоприемное устройство выполнено в виде приемной линейки и соединено с блоком обработки сигналов.
Источник излучения устройства может быть выполнен в виде галогенной лампы или источника света типа «ГЛОБАР».
Блок обработки сигналов может состоять из последовательно соединенных с приемной линейкой контроллера, аналого-цифрового преобразователя и ЭВМ.
Технический результат, достигнутый в предлагаемой полезной модели, получен за счет следующего.
Важнейшими задачами, которые решались при создании предлагаемой полезной модели, были:
- расширение функциональных возможностей устройства для дистанционного выявления паров и аэрозолей веществ в открытых и замкнутых газовых средах (далее - устройства);
- упрощение конструкции и повышение надежности устройства;
- снижение материальных затрат на его изготовление.
Поставленные задачи были решены за счет следующих конструктивных особенностей устройства.
В отличие от ближайшего аналога, использующего лазерный источник излучения, в предлагаемом устройстве источником излучения является галогенная лампа или другой источник света, обладающий широким спектральным диапазоном излучения, например, источник света типа «ГЛОБАР». Предложенные в заявляемом техническом решении источники света не требуют для своей работы блоков управления, в отличие от лазерного источника излучения, использованного в ближайшем аналоге. Приемником излучения в заявляемом устройстве является спектральный прибор с объективом, который анализирует определенный участок спектрального диапазона.
Предложенное устройство работает в ближнем ИК диапазоне спектра. Ширина анализируемого диапазона составляет от 30 нм до 150 нм. Для анализа других участков диапазона достаточно только перенастроить спектральный прибор путем установки дифракционной решетки в другое положение, соответствующее необходимому спектральному диапазону. При этом в оптической системе ближайшего аналога, в которой использован качестве источника освещения лазер, для анализа участков с другим спектральным диапазоном, потребуется лазер с другой длиной волны, то есть с другим спектральным диапазоном излучения.
Кроме того, необходимо отметить, что полупроводниковые и диодные лазеры не позволяют перестраивать излучение, сохраняя при этом высокое разрешение в широком спектральном диапазоне.
Важнейшей задачей, поставленной и решенной при создании предлагаемого устройства, является расширение функциональных возможностей устройства.
В заявленном устройстве расстояние от приемной части устройства до источника излучения может быть от нескольких сантиметров до сотен метров. При этом источник излучения никак не связан электронной связью со спектральным блоком. Это позволяет значительно расширить область применения заявленного устройства и использовать его, в отличие от технического решения, описанного в ближайшем аналоге, в качестве анализатора веществ в открытом оптическом тракте.
Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленные задачи.
Ниже описан конкретный пример реализации предлагаемой полезной модели.
Полезная модель иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 представлена оптическая схема заявляемого устройства;
на фиг. 2 представлен спектр атмосферы в ближнем ИК диапазоне шириной 30 нм, полученный на заявляемом устройстве;
на фиг.3 представлен спектр паров конкретного вещества (спирта) в ближнем ИК диапазоне, полученный с помощью заявляемого устройства.
На фиг. 1 обозначены:
1 - галогенная лампа, 2 - формирующая линза, образующие осветитель устройства;
3 - приемный объектив, 4 - входная щель, 5 - первое сферическое зеркало, 6 - дифракционная решетка, 7 - второе сферическое зеркало и приемная линейка 8, являющиеся приемной частью устройства;
9 - блок обработки сигналов, 10 - контроллер, 11 - аналого-цифровой преобразователь и 12 - ЭВМ, образующие блок обработки сигналов;
13 - прозрачная среда. В заявляемой полезной модели в качестве источника излучения могут быть использованы низковольтные галогенные лампы со штырьковым цоколем и регулированием силы света HALOSTAR ST 10W 12V G4, фирмы OSRAM GmbH, (Германия). В качестве источника излучения может быть также использован источник типа «глобар», являющийся источником инфракрасного излучения и представляющий собой стержень из карбида кремния диаметром 5 мм и длиной порядка 40 мм, нагреваемый пропускаемым через него электрическим током до температуры порядка 1200-1400°C. Рабочий диапазон излучения глобара 0.8-25 мкм. Источники излучения типа «глобар» предназначены для использования в качестве источников излучения непрерывного спектра в спектроскопии.
В качестве приемного объектива может быть использован двухлинзовый объектив TELECOM ACHROMAT, D=30,0 mm, F=50,0 mm, выпускаемый фирмой THORLABS INC (USA);
- в качестве дифракционной решетки может быть использована дифракционная решетка GR25-1210, выпускаемая также фирмой THORLABS INC (USA) или ее дочерними предприятиями, расположенными в различных странах мира;
- в качестве приемной линейки - InGaAs линейка, работающая в ближнем ИК спектральном диапазоне, модель 09494-2560 с соответствующим этой серии линеек блоком управления C10820 (производитель: HAMAMATSU, Япония).
Устройство для дистанционного выявления паров и аэрозолей веществ в открытых и замкнутых газовых средах работает следующим образом. Источник излучения, например, галогенная лампа 1 излучает в широком спектральном диапазоне (например, в ближнем ИК диапазоне), формирующая линза 2 коллимирует это излучение в диаметр 20 мм и делает его направленным. Далее излучение направляется через прозрачную среду (искусственную или естественную атмосферу) 13, в которой находится анализируемое вещество или газ. Эта среда может составлять десятки и сотни метров. После прохождения среды 13 излучение попадает в приемный объектив 3, который фокусирует излучение на входную щель 4 и пропускает его часть в рабочем интервале спектра. Часть излучения из рабочего спектра поглощается анализируемым веществом и естественной атмосферой. Сфокусированное на щели 4 излучение формируется первым сферическим зеркалом 5 в параллельный пучок и направляется на дифракционную решетку 6, которая выделяет и раскладывает излучение на узкий спектр определенного диапазона с определенной шириной. Ширина полученных спектров может быть от 30 нм до 150 нм. После дифракционной решетки 6 узкий спектр излучения направляется на второе сферическое зеркало 7, которое фокусирует его на приемную линейку 8. Таким образом, на каждый элемент приемной линейки 8 падает излучение соответствующей спектральной области. Так как спектр поглощения индивидуален для каждого вещества, то из сигналов, прошедших через прозрачную среду 13 и попавших на приемную линейку 8, можно построить этот спектр поглощения и сравнить его со спектрами различных веществ из библиотеки спектров. Приемная линейка 8 и контроллер 10 преобразуют оптический сигнал, прошедший спектр излучения, в аналоговый. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) И осуществляет дальнейшее преобразование сигнала из аналоговой в цифровую форму, а также осуществляет первичную обработку сигнала. После первичной обработки в АЦП 11 сигнал поступает на ЭВМ 12, в которой происходит окончательная обработка результатов измерения и вывод информации о наличии, либо об отсутствии искомого вещества в исследуемом объеме (например, в открытом оптическом тракте или в движущемся объекте, например, в автомобиле).
Испытания опытного образца показали, что предлагаемое устройство может быть использовано для автоматического измерения пропускания газов, паров и жидкостей в ближнем ИК диапазоне. С помощью предложенного устройства можно проводить измерения компонентного состава и влажности воздуха и других газовых смесей, а также определять концентрацию токсичных веществ. Кроме того, устройство эффективно работает как в открытом оптическом тракте, так и в замкнутом объеме, обеспечивая, например, обнаружение паров алкоголя через различные термальные стекла в движущемся автомобиле. При этом расстояние от приемной части устройства до источника излучения может составлять от нескольких сантиметров до сотен метров.