RU171814U1 - Источник оптического излучения для измерения концентрации молекул метана в газовой фазе - Google Patents
Источник оптического излучения для измерения концентрации молекул метана в газовой фазе Download PDFInfo
- Publication number
- RU171814U1 RU171814U1 RU2017103218U RU2017103218U RU171814U1 RU 171814 U1 RU171814 U1 RU 171814U1 RU 2017103218 U RU2017103218 U RU 2017103218U RU 2017103218 U RU2017103218 U RU 2017103218U RU 171814 U1 RU171814 U1 RU 171814U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- concentration
- measuring
- methane
- source
- radiation
- Prior art date
Links
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 50
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 31
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 24
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 20
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 abstract 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 abstract 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 9
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- PLXMOAALOJOTIY-FPTXNFDTSA-N Aesculin Natural products OC[C@@H]1[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H]1Oc2cc3C=CC(=O)Oc3cc2O PLXMOAALOJOTIY-FPTXNFDTSA-N 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000010905 molecular spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 150000002825 nitriles Chemical class 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000001686 rotational spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/10—Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/255—Details, e.g. use of specially adapted sources, lighting or optical systems
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Источник оптического излучения для измерения концентрации молекул метана в газовой фазе содержит источник, оптические элементы для управления геометрическими параметрами и спектральными характеристиками пучка, дифракционную решетку эшелле и средства для ее позиционирования. Для увеличения контраста линий спектра источника осуществляется аподизация их контуров, с помощью пространственного фильтра переменной оптической плотности изменяется эффективность освещения и рассеяния света различными штрихами решетки.Технический результат заключается в обеспечении высокой спектральной селективности. 3 фиг.
Description
Полезная модель относится к устройствам для обнаружения молекул в газовой фазе или измерения их концентрации по спектрам поглощения. Поиск минимальных количеств некоторых молекул в сложных смесях газов является актуальной задачей техники, медицины, экологии и техники безопасности. Малые концентрации некоторых молекул смертельны для человека (например цианиды), или могут вызывать крупномасштабные аварии (взрывы метана в шахтах). Как показывает опыт, именно метан является причиной многих техногенных катастроф. Необходимость не только измерять концентрацию молекул метана, но и иметь возможность обнаружить их наличие в минимальных концентрациях. Наиболее распространенным и надежным методом обнаружения является измерение поглощения света.
Устройства для определения содержания молекул метана в газах в большинстве случаев основаны на измерении поглощения инфракрасного излучения на одной или нескольких линиях молекулярной полосы в ближней инфракрасной (ИК) области спектра. Для этого используются источники излучения со сплошным спектром или специальные лазеры. Чтобы повысить чувствительность из сплошного спектра выделяют узкий участок, охватывающий полосу поглощения метана. С этой целью применяются разнообразные фильтры, например интерференционные [1], однако они дают возможность измерить поглощение лишь в совокупности узких линий полосы метана, разделенных широкими прозрачными интервалами. Отношение суммарной ширины линий полосы к выделенному фильтром участку спектра мало, что определяет результирующую низкую чувствительность метода по сравнению с возможным пределом. Отсутствует также селективность по отношению к поглощению молекулами иного вида в полосах, лежащих в той же области спектра.
Для повышения чувствительности устройств измерения концентрации метана применяются также специальные излучающие диоды [2] и лазеры, настроенные на одну или несколько из множества компонент колебательно-вращательной структуры спектра.
Ограниченность возможностей разработанных на этой основе устройств обусловлена тем, что игнорируются все остальные компоненты полосы, содержащей много десятков линий. Применяемая в некоторых системах линейка светодиодов, каждый из которых имеет очень широкую полосу излучения, по указанным выше причинам определяет низкую чувствительность системы измерений концентрации молекул метана по поглощению.
Известно портативное устройство [3], предназначенное для детектирования метана по поглощению света, содержащее в качестве источника излучения лазер, настроенный на одну из линий поглощения молекулярной полосы, и не использующее остальные линии, что понижает потенциально высокую чувствительность лазерных методов. Аналогичным недостатком обладает и устройство [4], в котором применяется перестраиваемый полупроводниковый лазер. Кроме того, подобные системы обладают систематическими ошибками, обусловленными температурным дрейфом частоты излучения соответствующих ИК лазеров, что требует регулярной калибровки устройств.
Известно также устройство [5], в котором для измерения концентрации нескольких типов молекул применяется комбинация системы независимых источников света с фиксированными частотами излучения. Внешняя универсальность метода и устройства не отвечает требованиям, предъявляемым к реальным, не лабораторным, устройствам в силу своей громоздкости и невозможности устойчивого согласования спектра источников с молекулярной структурой газообразных простых молекул, к которым относится метан.
Известно устройство [6], предназначенное для формирования направленного оптического излучения с заданными спектральными, энергетическими, пространственными, поляризационными и временными характеристиками, поэтому оно принято нами за прототип изобретения.
Техническим результатом устройства [6] является возможность одновременного измерения поглощения на нескольких линиях спектра метана, что должно приводить к повышению надежности его обнаружения и/или увеличению точности определения его концентрации. В данном устройстве применена линейка светоизлучающих элементов, свойства которых не оговорены, оптические элементы для управления геометрическими характеристиками пучка, дифракционный элемент и средства позиционирования. Указанные средства позиционирования каждого из излучателей имеют реально пять степеней свободы. Недостаток данного источника полихромного излучения является продолжением его универсальности: количество степеней свободы его узлов, необходимое для применения в спектроскопическом определении концентрации молекул, является невообразимо большим. Соответственно, как настройка, так и устойчивая эксплуатация такого устройства даже в лабораторных условиях маловероятна. Предложенный авторами способ пространственного прецизионного согласования пучков от множества излучающих и оптических компонентов относительно одного общего дифракционного элемента, обеспечивающего сложение пучков, приводит к потерям мощности излучения, обусловленным уменьшением телесного угла, в котором должно распространяться излучение каждого из первичных источников.
Техническим результатом заявленной полезной модели источника оптического излучения для измерения концентрации молекул метана в газовой фазе является увеличение чувствительности обнаружения метана в атмосфере, а также повышение точности измерения концентрации за счет реализации высокой спектральной селективности и использования для измерений абсолютного большинства линий молекулярного спектра. Реализация технического результата осуществляется путем согласованной фильтрации излучения источника сплошного спектра.
Указанный технический результат достигается тем, что в модели широкополосное излучение теплового источника направляется на одну дифракционную решетку, работающую в очень высоких порядках дифракции, при этом использован известный эффект переложения высоких порядков решетки, а в освещающем решетку параллельном пучке размещен плоскопараллельный пропускающий фильтр, оптическая плотность которого возрастает от центра к краям пучка, и дополнительные оптические элементы, которые обеспечивают одновременное согласование формы и частоты контуров всех линий излучения источника с параметрами линий поглощения [7]. В полезной модели реализуется высокая механическая устойчивость всей системы измерений за счет минимизации числа подвижных деталей.
Полезная модель Источник оптического излучения для измерения концентрации молекул метана в газовой фазе решает задачу создания простого по конструкции стабильного устройства, не требующего высоких напряжений питания, и удобного в использовании для промышленной и полевой эксплуатации.
Сущность заявляемой полезной модели иллюстрируется фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3.
На фиг. 1 показана оптическая схема предлагаемого устройства.
На фиг. 2 показан рассчитанный спектр излучения от источника сплошного спектра на выходе заявленного устройства.
На фиг. 3 показан измеренный с помощью быстродействующего осциллографа спектр излучения на выходе источника оптического излучения для измерения концентрации молекул метана в газовой фазе, в котором установлен источник сплошного спектра.
Заявленная полезная модель содержит корпус 1 с оптическим окном 2 для выхода излучения, внутри которого размещены источник питания, блок управления, оптические элементы, источник излучения 3 со сплошным спектром, полупрозрачное зеркало 4 или иной эквивалентный ему светоделитель, коллимирующий объектив 5, дифракционную решетку эшелле 6, перестраиваемую или фиксированную щель 7, установленную в фокусе выходного объектива, выходной объектив 8 и плоскопараллельный фильтр 9 переменной оптической плотности, помещенный между объективом коллиматора и решеткой в параллельном пучке, перекрывающий сечение пучка и изменяющий интенсивность излучения по сечению в направлении, перпендикулярном штрихам решетки. Пропускание фильтра уменьшается от центра к краю по заранее заданному закону, например линейному [8].
Работа заявляемой полезной модели осуществляется следующим образом. Излучение источника со сплошным спектром с помощью поворотного полупрозрачного зеркала или конструктивно иного аналогичного по действию устройства направляется на коллимирующий объектив. Образованный параллельный пучок освещает дифракционную решетку эшелле с пространственным периодом b, установленную под углом α к падающему пучку и работающую в высоких порядках дифракции. Сформированные световые пучки, отраженные от компонентов решетки элементарными зеркалами-штрихами, из которых состоит решетка эшелле, имеют разности хода несколько сот длин волн фильтруемого излучения. Они направляются через фильтр назад на полупрозрачное зеркало через тот же коллимирующий объектив, проходят через узкую щель, установленную в его фокусе, которая отфильтровывает только пучки, идущие под определенным углом от решетки. Все остальные пучки отрезаются, и на выходе объективом-коллиматором формируется слабо расходящийся пучок излучения, спектр которого состоит из отдельных линий с частотами σk, отвечающими условию:
2bσk sin α = k,
где k - натуральное число, не равное нулю.
Излучение, прошедшее через щель, выходным объективом 8, таким образом, превращается в полихроматический параллельный пучок, состоящий из линий по частоте, совпадающих с частотами линий поглощения метана, что достигается соответствующим поворотом решетки, и может быть направлено с помощью известных вспомогательных оптических устройств в нужную сторону. Спектр излучения при этом оказывается согласованным со спектром поглощения молекулы, что позволяет измерить концентрацию молекул метана в атмосфере или в специальных кюветах.
Для того, чтобы регулировать интенсивности элементарных пучков, падающих на решетку и отраженных от нее, в параллельном пучке, освещающем решетку, между коллимирующим объективом 5 и решеткой 6 устанавливается дополнительный фильтр 9 в виде плоскопараллельной пластины с переменной по координате оптической плотностью. Плотность фильтра возрастает в направлении, перпендикулярном штрихам решетки от нуля в центре до двух и более на краях по линейному или иному рассчитанному заранее закону. Уменьшение амплитуды отраженных от разных областей решетки эшелле элементарных пучков позволяет осуществить аподизацию контуров линий и повысить контраст их интенсивности в максимумах по отношению к спектральным промежуткам между линиями. В результате повышается также эффективность подавления помех от возможно присутствующих в смесях газов молекул иного рода. Размещение относительно большого фильтра переменной оптической плотности позволяет использовать в устройстве не только малую входную диафрагму или щель, но и растры для увеличения светового потока [9].
Заявленная полезная модель была апробирована в лаборатории молекулярной спектроскопии Санкт-Петербургского государственного университета в режиме реального времени. В результате расчета и экспериментов было подтверждено достижение указанного технического результата: обеспечение на выходе спектра излучения, состоящего из набора эквидистантных в шкале частот линий. Рассчитанная форма контуров линий излучения при использовании фильтра с линейным падением пропускания от центра к краям пучка по амплитуде световой волны (фиг. 2) показывает, что уже при всего 14 штрихах решетки эшелле в середине промежутка между линиями величина интенсивности составляет только 0,7% от максимального значения, в то время как без фильтра она будет не менее 12-15%.
Фиг. 3 показывает, что результаты экспериментальной апробации подтверждают возможность эффективного преобразования исходного сплошного спектра источника в новый, согласованный по частотам с набором линий колебательно-вращательного спектра метана.
Техническо-экономическая эффективность изобретения состоит в понижении порога обнаружения метана и увеличении отношения сигнал/шум при измерении концентрации молекул метана по колебательно-вращательному спектру поглощения. Анализ, осуществленный в [7], показывает, что соответствующее повышение может достигать в конкретном случае использования щелевого варианта нескольких десятков раз. Как показывает фиг. 1, устройство содержит только стандартные оптические элементы и фильтр переменной оптической плотности, просто в изготовлении и настройке, а требования по его стабильности соответствуют общепринятым в оптике требованиям и выполняются элементарно.
Путем введения дополнительных элементов устройство может формировать излучение, в котором частоты испускаемых линий одновременно периодически меняются во времени на всех линиях излучения одновременно, что позволяет путем использования узкополосных регистрирующих радиотехнических устройств дополнительно повысить чувствительность измерений и понизить чувствительность по отношению к мешающим спектрам иных молекул. Отметим, что поворот решетки на определенный угол, согласно приведенной выше формуле, позволяет применить подобный источник для диагностики иных молекул, помимо метана. В представленной на фиг. 1 форме единственным потребителем электроэнергии в устройстве является источник излучения со сплошным спектром, что позволяет использовать его в условиях повышенной взрыво- и пожароопасности, например в угольных шахтах.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:
1. http://www.elstandart.spb.ru/Core/300/300_2_filters.htm.
2. Патент CN 203628508 «Polychromatic light emitter diode ray bright colored lantern signs a legal statement the construction».
3. Патент JP 2013128185 «Camera system and camera mount».
4. Патент US 2007259440 «Measuring low levels of methane in carbon dioxide».
5. Патент CA 2487115 «Light sensor with modulated radiation polychromatic source ».
6. Патент RU 2287736 «Универсальный источник полихромного оптического излучения».
7. Пермякова Е.С., Толмачев Ю.А. Применение методов оптимального приема сигналов и импульсного метода анализа работы оптических систем для развития нового метода спектрального анализа // Химическая физика, 2015, Т. 34, №8, с. 78-82.
8. Jaquinot P., Roizen-Dossier D. Apodisation// Progress in Optics, 1964, Vol. 3. P. 31-187.
9. Жирар А. Спектрометр с селективной модуляцией «Инфракрасная спектроскопия высокого разрешения». В сб. статей под ред. Г.Н. Жижина. Из-во Мир М. 1972, 352 с. С. 306-351.
Claims (1)
- Источник оптического излучения для измерения концентрации молекул метана в газовой фазе, содержащий корпус, светоизлучающий элемент, блок питания с устройствами, обеспечивающими возможность регулирования тока, текущего через светоизлучающий элемент, оптические элементы для управления геометрическими и спектральными характеристиками пучка, дифракционную решетку эшелле и средства ее позиционирования, отличающийся тем, что в освещающем дифракционную решетку параллельном пучке размещен плоскопараллельный пропускающий фильтр, оптическая плотность которого возрастает от центра к краям пучка.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017103218U RU171814U1 (ru) | 2017-01-31 | 2017-01-31 | Источник оптического излучения для измерения концентрации молекул метана в газовой фазе |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017103218U RU171814U1 (ru) | 2017-01-31 | 2017-01-31 | Источник оптического излучения для измерения концентрации молекул метана в газовой фазе |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016114757U Division RU169833U1 (ru) | 2016-04-15 | 2016-04-15 | Источник оптического излучения с согласованным спектром для измерения концентрации молекул метана в атмосфере |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU171814U1 true RU171814U1 (ru) | 2017-06-16 |
Family
ID=59068667
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017103218U RU171814U1 (ru) | 2017-01-31 | 2017-01-31 | Источник оптического излучения для измерения концентрации молекул метана в газовой фазе |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU171814U1 (ru) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS61251726A (ja) * | 1985-04-30 | 1986-11-08 | Jeol Ltd | 応力画像システムの自動位相調整方式 |
US5029967A (en) * | 1990-04-09 | 1991-07-09 | The Boeing Company | Optical source for optical sensing system |
WO2005078484A1 (en) * | 2004-02-17 | 2005-08-25 | Oy Optoinspection Ltd | Multi-purpose source of polychromatic optical irradiation |
-
2017
- 2017-01-31 RU RU2017103218U patent/RU171814U1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS61251726A (ja) * | 1985-04-30 | 1986-11-08 | Jeol Ltd | 応力画像システムの自動位相調整方式 |
US5029967A (en) * | 1990-04-09 | 1991-07-09 | The Boeing Company | Optical source for optical sensing system |
WO2005078484A1 (en) * | 2004-02-17 | 2005-08-25 | Oy Optoinspection Ltd | Multi-purpose source of polychromatic optical irradiation |
RU2287736C2 (ru) * | 2004-02-17 | 2006-11-20 | ООО "Интеллектуальные программные системы" | Универсальный источник полихромного оптического излучения |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2016200558A (ja) | ガス濃度分析装置 | |
KR101433497B1 (ko) | 가스 농도 모니터링 | |
JP2005519309A (ja) | 放射エンコーディング及び分析のための方法及び装置 | |
US10094781B2 (en) | Methods and systems to analyze a gas-mixture | |
JP2019074521A (ja) | 分析装置 | |
KR101784474B1 (ko) | 파장분할 필터를 이용한 멀티 가스 검출장치 | |
Rohwedder et al. | iHWG-μNIR: a miniaturised near-infrared gas sensor based on substrate-integrated hollow waveguides coupled to a micro-NIR-spectrophotometer | |
JP2005315711A (ja) | ガス分析装置 | |
RU171814U1 (ru) | Источник оптического излучения для измерения концентрации молекул метана в газовой фазе | |
RU169833U1 (ru) | Источник оптического излучения с согласованным спектром для измерения концентрации молекул метана в атмосфере | |
US20070064230A1 (en) | Broadband laser spectroscopy | |
Schorsch et al. | Detection of flame radicals using light-emitting diodes | |
JP2016125826A (ja) | 分析装置 | |
RU171813U1 (ru) | Устройство для обнаружения молекулярных примесей в атмосфере по колебательно-вращательным спектрам | |
RU2615225C1 (ru) | Устройство для измерения концентрации метана в смеси газов | |
KR101317059B1 (ko) | 멀티가스 분석용 자외선 측정장치 | |
CN109425590B (zh) | 多种气体同时测量tdlas对齐*** | |
US9030666B2 (en) | Non-dispersive gas analyzer | |
Smith et al. | The prospects of LEDs, diode detectors and negative luminescence in infrared sensing of gases and spectroscopy | |
JP6917824B2 (ja) | 分光測定装置及び分光測定方法 | |
Song et al. | Design and implementation of differential mid-infrared carbon monoxide detector | |
Fanchenko et al. | Non-dispersive LED-based methane open path detector capabilities | |
CN112867943A (zh) | 气象观测激光雷达用接收光*** | |
Geiko et al. | Development and implementation of UV absorption gas analysis techniques for ecological monitoring of the atmosphere | |
RU162538U1 (ru) | Источник полихромного оптического излучения для обнаружения и измерения содержания оксидов азота в выхлопных газах |