КР-газоанализатор

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для проведения качественного и количественного анализа состава газовых сред.

Среди разнообразных методов газоанализа особое место занимает метод, основанный на спектроскопии комбинационного рассеянного света (КР). Спектры КР веществ объясняются рассеянием возбуждающего лазерного излучения молекулами, на частотах соответствующих их внутреннему строению, при этом интенсивность рассеянных сигналов линейно зависит от концентрации соответствующих молекул. Таким образом, суть данного аналитического метода заключается в регистрации спектров КР и проведении по ним качественного и количественного анализа газовых сред. В первую очередь, данный подход отличается отсутствием расходных материалов и сложной пробоподготовки, высоким быстродействием, а также возможностью одновременного контроля всех молекулярных соединений анализируемой газовой среды, содержание которых превышает порог чувствительности аппаратуры. Основным недостатком данного метода, ввиду крайне низких сечений рассеяния, является низкая интенсивность информативных сигналов КР, при этом от их величины зависит достоверность осуществляемого газоанализа, а также значения пороговых пределов обнаружения газовых компонентов.

В свою очередь, поскольку интенсивность зарегистрированных сигналов КР линейно зависит от интенсивности лазерного излучения в локальной точке пространства, являющейся рассеивающим объемом, и угла сбора рассеянного излучения, данный недостаток может быть преодолен.

Известен анализатор состава природного газа [Патент РФ №126136, 2013 г, G01N 21/00] основанный на спектроскопии КР. Указанное устройство имеет в своем составе лазер, фокусирующую линзу, газовую кювету, голографический фильтр, блок управления сопряженный с ПК, а также светосильный спектральный прибор с плоской дифракционной решеткой сопряженный с ПЗС-матрицей. Основным недостатком данного анализатора является низкая интенсивность регистрируемых сигналов, обусловленная одним проходом лазерного излучения сквозь анализируемую газовую среду, а также малым углом сбора рассеянного света, ввиду использования одного объектива.

Известен анализатор состава выдыхаемого воздуха [Патент РФ №2555507, 2015 г, G01N 21/65] основанный на спектроскопии КР. В отличие от устройства указанного выше, кювета данного анализатора дополнительно снабжена двумя сферическими зеркалами, имеющими общий центр кривизны и расположенными на одной оптической оси таким образом, чтобы через кювету обеспечивалось многократное прохождение лазерного луча. Основным недостатком данного анализатора также является низкая интенсивность регистрируемых сигналов, обусловленная следующими факторами. Во-первых, в данном устройстве обеспечивается малый угол сбора рассеянного света, ввиду того, что для этого используется один объектив. Во-вторых, несмотря на установленные зеркала, которые обеспечивают многократное прохождение лазерного излучения сквозь кювету, количество рассеянного света, которое собирает объектив, мало. Это объясняется тем, что ввиду специфики работы объектива, свет, который впоследствии будет зарегистрирован, собирается из одной точки. Соответственно, для увеличения уровня зарегистрированных сигналов, в данной точке должна обеспечиваться высокая интенсивность лазерного излучения. Однако в данном анализаторе этого не происходит, поскольку, ввиду направления внутрь кюветы, оснащенной двумя сферическими зеркалами с общим центром кривизны (т.е. зеркала отстоят друг от друга на расстоянии 4f, где f-их фокусное расстояние), параллельного излучения, оно фокусируется в различных точках пространства.

Наиболее близким по принципу действия к патентуемому устройству является газоанализатор описанный в работе [D.V. Petrov, I.I. Matrosov. Raman gas analyzer (RGA): Natural gas measurements // Applied Spectroscopy. 2016. V. 70. N 10. P. 1770-1776]. Указанное устройство имеет в своем составе лазер, фокусирующую линзу, поворотную призму, газовую кювету, пару объективов предназначенных для сбора и направления рассеянного света, между которыми установлен голографический фильтр, блок управления, сопряженный с ПК, а также спектральный прибор, сопряженный с ПЗС-матрицей. В отличие от двух указанных выше анализаторов, в данном приборе для сбора рассеянного света используются два объектива, что позволяет удвоить угол сбора рассеянного света и, соответственно, интенсивность регистрируемых сигналов КР.

Основным недостатком данного газоанализатора является низкая интенсивность регистрируемых сигналов КР, ввиду одного прохода лазерного излучения внутри кюветы и, соответственно, низкой интенсивности лазерного излучения в области из которой осуществляется сбор рассеянного излучения.

Задачей на решение которой направлено изобретение является повышение интенсивности возбуждающего лазерного излучения в локальной точке внутри газовой кюветы.

Технический результат - повышение интенсивности регистрируемых сигналов КР.

Указанный результат достигается тем, что в системе содержащей непрерывный лазер, газовую кювету, два объектива, голографический фильтр, блокирующий излучение в области длины волны лазера, спектральный прибор, сопряженный с многоканальным фотодетектором, и блок управления, внутри кюветы установлено оптоволокно и 4 идентичных собирающих линзы, расположенных на одной оптической оси, ориентированной параллельно щели спектрального прибора, таким образом, что расстояние между центральными линзами равно двойному фокусному, при этом в фокусе крайних линз установлены направленные навстречу друг другу торцы оптоволокна. Помимо этого между соседними линзами, одна из которых является крайней, установлено поворотное зеркало таким образом, что лазерное излучение полностью направляется внутрь оптоволокна, при этом апертурный угол используемых линз не меньше угла, для которого выполняются условия полного внутреннего отражения при распространении лазерного излучения по оптоволокну.

За счет такого расположения оптических элементов внутри кюветы обеспечивается многократное прохождение лазерного излучения по одному пути. В результате этого в области его фокусировки между центральными линзами значительно повышается его интенсивность и, соответственно, интенсивность сигналов КР в данной точке также возрастает.

Величина усиления интенсивности лазерного излучения (К) по сравнению с прототипом в данном случае будет определяться соотношением 1.

где I - интенсивность лазерного излучения в центре кюветы, I₀ - интенсивность лазерного излучения на входе в кювету, q - коэффициент пропускания излучения за один проход.

В предлагаемой системе потери, эквивалентные 1-q, в первую очередь, будут возникать из-за наличия поворотного зеркала. Другими словами соотношение 1 примет вид

где S_L - площадь поверхности линз, S_M - площадь поверхности поворотного зеркала.

Таким образом, можно видеть, что интенсивность лазерного излучения и, соответственно, сигналов КР в предлагаемом устройстве может быть увеличена на 1-2 порядка по сравнению с прототипом.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства.

КР-газоанализатор содержит непрерывный лазер 1, газовую кювету 2, поворотное зеркало 3, оптоволокно 4, собирающие линзы 5-8, объективы 9 и 11, голографический фильтр 10, спектральный прибор 12, многоканальный фото детектор 13 и блок управления 14.

Предлагаемый КР-газоанализатор работает следующим образом. Излучение от непрерывного лазера 1 направляется внутрь газовой кюветы 2. Данное излучение, попадая на поворотное зеркало 3, направляется на линзу 8, которая фокусирует его на торце оптоволокна 4 тем самым направляя его внутрь. Достигая другого конца оптоволокна лазерное излучение выходит из него под углами варьирующимися до значения угла, для которого выполняются условия полного внутреннего отражения при распространении лазерного излучения по нему. Поскольку данный торец оптоволокна находится в фокусе линзы 5, апертурный угол которой превышает максимальный угол под которым выходит лазерное излучение из оптоволокна, то все вышедшее излучение собирается данной линзой и направляется далее в виде параллельного пучка. Далее это излучение попадает на линзу 6, которая фокусирует его в точке, находящейся на оптической оси объектива 9, и направляет на линзу 7. Поскольку фокус линзы 7 находится в этой же точке, ввиду того, что данные линзы идентичны и расположены на двойном фокусном расстоянии друг от друга, то после линзы 7 также формируется параллельный пучок, который попадает на линзу 8 и вновь фокусируется на торце оптоволокна проникая внутрь. Данный процесс многократно повторяется. В области взаимодействия лазера и газовой среды, находящейся внутри кюветы, возникает комбинационное рассеяние света (КР). Данное рассеянное излучение собирается объективом 9 из области сфокусированного лазерного излучения. Сформировавшийся параллельный пучок собранного рассеянного излучения, проходя через голографический фильтр 10, блокирующий излучение в области длины волны лазера, направляется на объектив 11, который фокусирует его на входной щели спектрального прибора 12. Данный спектральный прибор, в свою очередь, осуществляет его разложение в спектр, который регистрируется многоканальным детектором 13. Детектор передает электрические сигналы в блок управления 14, где возможны их обработка и хранение.

Непосредственно вычисление качественного и количественного состава анализируемой газовой среды по зарегистрированному спектру КР (в соответствии с положениями и относительными интенсивностями линий) может быть осуществлено либо в блоке управления, либо передано из него на компьютер.

Необходимо отметить, что в данном устройстве линзы целесообразно использовать с диэлектрическим покрытием, обеспечивающим высокий коэффициент пропускания лазерного излучения, а размер поворотного зеркала должен быть существенно меньше размера линз.

Предлагаемое изобретение характеризуется более высокой достоверностью анализа, обусловленное регистрацией спектров КР газов с более высокой интенсивностью, и соответственно, более высоким соотношением сигнал/шум.