Лазерный мир

Владелец патента: Государственное предприятие Техноцентр «Лазерная диагностика и чистые технологии «Научно-исследовательского и конструкторского института энерготехники» // Предприятие по транспортировке и поставкам газа «УралТРАНСГАЗ» // Автор: Вовк С.М. // Начало действия: 1999.01.19

Лазерный газоанализатор обеспечивает определение концентрации азота, кислорода, водорода, сероводорода, диоксида углерода и Ci-Cg углеводородов в смеси газов в автоматическом режиме работы, а также вычисление плотности, калорийности и влажности газа.

Формула изобретения

Лазерный газоанализатор, содержащий систему отбора газа на анализ, аналитическую кювету и оптически с ней связанные твердотельный лазер с накачкой, линзы, зеркала и спектральный фильтр для формирования входного и выходного потоков излучения, спектральный прибор, приемник излучения, а также систему регистрации, электрически соединенную с приемником излучения, и ЭВМ для обработки и отображения данных и управления лазерным анализатором, отличающийся тем, что твердотельный лазер используют с диодной накачкой, в качестве спектрального фильтра применен сдвоенный голографический фильтр, в качестве спектрального прибора используют полихроматор с вогнутой дифракционной решеткой, а в качестве приемника излучения — фотодиодные линейки.

Описание
Лазерный газоанализатор

Полезная модель относится к аналитическому приборостроению и может быть иснользовано для определения компонентного состава и расчета физических параметров природного газа в системах газоизмерительных и газораспределительных станций, а также в АСУ ТП промышленных предприятий.

Известен универсальный лазерный спектрометр, содержащий три лазера и оптически сопряженные с ними оптическую систему, включающую аналитическую кювету для образца, выполненную не менее чем с двумя входными и тремя выходными оптическими окнами, линзы и зеркала для формирования потоков излучения, спектральный прибор, приемник излучения и систему регистрации, электрически соединенную с приемником излучения и лазерами (см. патент РФ № 1780407, приор. 09.01.91г.,G01N 21/25, 21/27).

Настоящий спектрометр позволяет реализовать не менее шести методов спектроскопии для исследования газа и твердого тела, но с его помощью невозможно проводить анализ состава многокомпонентных газовых смесей, имеющих перекрывающиеся спектры комбинационного рассеяния, и определять показатели качества анализируемой газовой смеси.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является лазерный газоанализатор состава и параметров природного газа, состоящий из системы отбора газа на анализ, аналитической кюветы с линзами, зеркалами и спектральным фильтром для формирования входного и выходного потоков излучения, твердотельного непрерывного лазера для возбуждения спектра КРС,спектрального прибора монохроматора, приемника излучения — фотоэлектронного умножителя, системы регистрации, электрически соединенной с фотоэлектронным умножителем, и ЭВМ для обработки и отображения данных и унравления лазерным анализатором (см.Материалы Научно-технического совета РАО Газнром О ходе работ по созданию единой автоматизированной системы учета расхода газа Калининград, июнь 1996г., Москва 1996, стр.47-50).

При испытании известного газоанализатора выявились некоторые недостатки, а именно недостаточная надежность прибора, сложность его обслуживания и обеспечения взрывобезопасности, значительное время измерения спектра, недостаточная сходимость и воспроизводимость измерений, необходимость применения для лазера охлаждающей воды, наличие ошибок в измерениях температуры и давления газа.

Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение точности и скорости измерений компонентного состава и параметров смеси газов в режиме непрерывного и периодического анализа.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что в лазерном газоанализаторе, содержашем систему отбора газа на анализ, аналитическую кювету и оптически с ней связанные, твердотельный лазер с накачкой, линзы, зеркала и спектральный фильтр для формирования входного и выходного потоков излучения,, спектральный прибор, приемник излучения, а также систему регистрации, электрически соединенную с приемником излучения, и ЭВМ для обработки и отображения данных и управления лазерным анализатором, согласно заявленной полезной модели, аналитическая кювета выполнена многоходовой с числом ходов не менее 25, твердотельный лазер используют с диодной накачкой, в качестве спектрального фршьтра применен сдвоенный голографический фильтр, в качгс — спектрального прибора используют полихроматор с вогнутой дифракционной решеткой, а в качестве приемника излучения — фотодиодные линейки.

Выполнение газовой кюветы с числом ходов не менее 25 позволяет без увеличения мощности источника излучения повысить сигнал до уровня, когда квантовая дисперсия сигнала не будет влиять на результаты измерения по сходимости и воспроизводимости.

Применение твердотельного лазера с диодной накачкой позволяет увеличить ресурс работы газоанализатора с 200 ч- 500 час. до 10 000 час. и отказаться от водяного охлаждения лазера, заменив его воздушным.

Для подавления рэлеевской составляющей в спектре рассеянного излучения устанавливается сдвоенный голографический фильтр позволяющий повысить точность измерений.

Использование вместо монохроматора с фотоэлектронным умножителем полихроматора с вогнутой дифракционной решеткой и многоканальной системой регистрации сигнала на фотодиодных линейках позволяет снять требования по стабилизации мошпости источника излучения и исключает из общей погрешности измерения случайные ошибки в измерениях температуры и давления газа.

При многоканальной системе регистрации отсутствует перемещение дифракционной решетки при сканировании спектра, что значительно повышает надежность прибора в эксплуатации и упрощает его обслуживание.

Замена фотоэлектронного умножителя на фотодиодные линейки позволяет исключить из прибора высоковольтный блок питания, что упрощает задачу по обеспечению взрывобезопасности прибора в целом.

Па фиг. изображена упрощенная схема лазерного газоанализатора.

волны излучения 532 нм, фокусирующий объектив 2, аналитическую газовую проточную кювету 3, снабженную системой зеркал, подогревателем газа и датчиком температуры, газовую систему 4 для отбора пробы газа из газопровода, очистки от механических и капельножидкостных загрязнений и транспортировки в аналитическую кювету, конденсорный объектив 5 с относительным отверстием 1 : 6 для сбора рассеянного в исследуемом объеме газа выходного потока излучения, установленное по другую сторону кюветы 3, сферическое зеркало 6 с центром кривизны в точке фокусировки возбужденного излучения, для использования света, рассеянного в противоположном от объектива 5 направлении, расположенные после объектива 5 фильтрующий собранное излучение от рэлеевской составляющей голографический фильтр 7, деполяризующий клин 8 и полихроматор 9 с вогнутой голографической дифракционной решеткой 10 и входной щелью 11, приемный блок 12, содержащий узел оптического согласования 13, распределительный элемент 14 и фото диодные линейки 15 с внещним воздущным охлаждением, а также систему регистрации 16, включающую модуль цифровой обработки зарегистрированного приемником излучения сигнала, модуль цифровой обработки сигналов датчиков и управления узлами лазерного анализатора, модуль связи с ЭВМ и ЭВМ 17 для обработки и отображения данных, расчета по программе параметров газа и управления лазерным газоанализатором.

Лазерный газоанализаторработает следующим образом.

Возбуждающее излучение от лазера 1 фокусируется объективом 2 в центре газовой аналитической кюветы 3. Система зеркал кюветы, обеспечивая многократное прохождение луча через точку фокусировки, образует световой жгут с перетяжкой в центре. При этом возбуждающее излучение рассеивается на молекулах газа, напускаемого в кювету 3 из газовой

системы 4, взаимодействуя с внутренними колебаниями этих молекул. Сбор рассеянного излучения производится нод углом 90 к оси пучка возбуждающего излучения.Рассеянное излучение собирается конденсорным объективом 5, а свет рассеянный в противоположном от конденсора 5 направлении возвращается обратно в конденсор сферическим зеркалом 6. Собранное перед разложением в спектр имеет в своем составе не только спектральную линию, соответствующую упругому рассеянию света без изменения его частоты, но и набор характерных для данного типа молекул линий с частотами, отличающимися от возбуждающей на величины Av, соответствующих внутренним колебаниям молекул. Поток собранного излучения направляется на голографический фильтр 7 для отделения рэлеевской составляющей, которая не несет полезной информации, а ее интенсивность на много порядков превыщает уровень комбинационных составляющих, и деполяризующий клин 8 для исключения влияния поляризационных характеристик дифракционной рещетки. Отфильтрованное излучение фокусируется на входной щели 11 полихроматора 9 таким образом, чтобы в ее плоскости формировалось изображение светящегося жгута с перетяжкой в центре параллельное щели и полностью заполняющее ее по высоте и щирине. После разложения в спектр голографической рещеткой 10 излучение, пройдя узел оптического согласования 13 и распределительный элемент 14 для сщивания соседних участков спектра, регистрируемых разными фотоприемниками, фокусируется на поверхности фото диодных линеек 15, расположенных в приемном блоке 12. После чего усиление и обработка данных с фотоприемника производится системой регистрации 16, а окончательный расчет и получение результатов анализа природного газа в виде протокола измерений производится на ЭВМ 17, который полностью автоматизирует весь процесс анализа и отправляет информацию по сети на компьютер диспетчера технологического процесса.

Использование заявляемой полезной модели позволяет значительно

-сократить время измерений спектра (до долей секунды);

повысить метрологические характеристики и обеспечить требования по сходимости и воспроизводимости измерений ;

-повысить надежность прибора и межремонтный цикл до 5 ч- 10 тыс. часов ;

-полностью автоматизировать и дистанционировать управление прибором ;

-уменьшить затраты на монтаж и обслуживание прибора ;

-обеспечить соответствие прибора требованиям взрывобезопасности.

Источник: https://yandex.ru/patents/doc/RU10462U1_19990716