close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY7676

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 7676
(13) C1
(19)
(46) 2006.02.28
(12)
7
(51) G 01N 21/39
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
ЛАЗЕРНЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР
(21) Номер заявки: a 20030074
(22) 2003.01.30
(43) 2003.09.30
(71) Заявитель: Белорусский государственный университет (BY)
(72) Автор: Козлов Владимир Леонидович (BY)
(73) Патентообладатель: Белорусский государственный университет (BY)
(56) RU 1795737 C, 1995.
BY 4270 C1, 2001.
RU 2073849 C1, 1997.
RU 2069349 C1, 1996.
SU 1811287 A1, 1995.
JP1307639 A, 1989.
BY 7676 C1 2006.02.28
(57)
Лазерный газоанализатор, содержащий лазер с блоком питания, обеспечивающий генерацию на двух различных длинах волн, и оптически связанный с лазером фотоприемник, соединенный с вычислительным блоком, связанным с блоком питания лазера,
отличающийся тем, что фотоприемник, связанный с лазером посредством уголкового отражателя, соединен с усилителем, выход которого соединен со входом компаратора, выход которого соединен со входом блока питания лазера, вычислительным блоком, первым
входом логического элемента "И" и, через линию задержки, со вторым входом логического элемента "И", выход которого соединен с вычислительным блоком, соединенным со
входом управления величиной порога срабатывания компаратора.
BY 7676 C1 2006.02.28
Изобретение относится к области оптического спектрального приборостроения и может быть использовано для трассового измерения концентрации различных газов в атмосфере, например в городе над автомобильными магистралями с интенсивным движением.
Известен метод измерения концентрации газа на основе дифференциального поглощения [1], сущность которого состоит в том, что через среду пропускают две длины волны
зондирующего излучения, одно излучение в центре полосы поглощения контролируемого
газа, другое вне полосы поглощения, причем концентрацию поглощающих частиц газа
определяют из отношения интенсивностей зарегистрированных зондирующих сигналов.
Недостатком устройств, реализующих данный способ, является невысокая точность измерений, обусловленная флуктуациями параметров лазеров и каналов обработки сигналов.
Наиболее близким является способ определения концентрации газов и устройство для
его осуществления [2], заключающееся в том, что газ просвечивают ИК-лучами от сменных источников излучения и по отношению амплитуд прошедших сигналов определяют
концентрацию газовых компонент. Устройство содержит набор сменных источников излучения, фотоприемник, блок обработки сигнала, оптическую кювету. Недостатком [2]
является ограниченная точность измерений, обусловленная невысокой точностью измерения амплитуды импульсов, неидентичностью и флуктуациями параметров источников излучения, различием оптических путей прохождения среды зондирующим излучением,
неидентичностью каналов приема сигнала.
Задача изобретения - повышение точности измерения концентрации газа в среде.
Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность непрерывного трассового измерения малых концентраций газа на уровне предельно допустимых, например в черте города
над автомобильными магистралями с интенсивным движением, а также измерение длины
контролируемой трассы, что расширяет функциональные возможности устройства и
обеспечивает более высокую точность трассовых измерений.
Для решения поставленной задачи в качестве источника излучения используется полупроводниковый лазер, обеспечивающий генерацию на двух различных оптических длинах
волн. В устройстве реализуется режим оптико-электронной рециркуляции одновременно
на двух оптических длинах волн, причем одна длина волны излучения расположена в центре полосы поглощения контролируемого газа, другая - вне полосы поглощения. При этом
в устройство вводится компаратор с порогом срабатывания, расположенным на участке
максимальной крутизны фронта дистанционного импульса. В результате поглощения газом
зондирующего изучения изменится амплитуда дистанционного импульса, следовательно,
появится задержка срабатывания компаратора, что приводит к изменению частоты рециркуляции на данной длине волны. Таким образом, по разности частот рециркуляции на
двух длинах волн можно определить отношение амплитуд дистанционных импульсов на
этих длинах волн, а следовательно, рассчитать концентрацию контролируемого газа. Измеряя частоту (период) рециркуляции на длине волны вне полосы поглощения газа определяется длина контролируемой трассы. Для реализации режима оптико-электронной
рециркуляции одновременно на двух оптических длинах волн, обеспечения измерения
концентрации газа и длины контролируемой трассы, в устройство вводятся компаратор,
линия задержки и элемент "И", а также осуществляются соответствующие функциональные связи и алгоритм обработки сигналов.
В качестве источника излучения дальномера предлагается использовать полупроводниковый лазерный диод с асимметричной квантово-размерной гетероструктурой, обеспечивающий генерацию на двух различных оптических длинах волн [3]. Переключение длины
волны излучения в импульсе λ1 на λ2 происходит при скачкообразном изменении амплитуды тока накачки в импульсе с I1 до I2. Разность длин волн генерации ∆λ = λ1 - λ2 для
асимметричных квантово-размерных лазерных диодов достигает значений 20-70 нм.
На фигуре представлена функциональная схема предлагаемого устройства.
2
BY 7676 C1 2006.02.28
Устройство содержит: источник лазерного излучения 1, блок питания лазера 2, уголковый отражатель 3, приемник излучения 4, усилитель 5, вычислительный блок 6,
компаратор 7, элемент "И" 8, линию задержки 9.
Устройство работает следующим образом. В начальный момент времени по сигналу с
вычислительного блока 6, блок питания лазера 2 формирует два импульса, разнесенные во
времени на интервал T + tz., с амплитудами тока I1 и I2 для поочередной генерации лазера
на длинах волн λ1 и λ2. Причем одна длина волны излучения λ1 расположена в центре полосы поглощения контролируемого газа, другая λ2 - вне полосы поглощения. Оптические
импульсы от лазера 1 на длинах волн λ1 и λ2 поочередно проходят через контролируемую
среду, отражаются от уголкового отражателя 3, попадают на приемник изучения 4, усиливаются усилителем 5, регистрируются компаратором 7 и поступают в блок питания 2, где
формируются импульсы для очередного запуска лазера 1 и направления излучения в среду.
При этом зарегистрированный импульс на длине волны λ1 запускает лазер на длине волны λ1,
а импульс на длине волны λ2 запускает лазер на λ2. Таким образом, при замкнутой петле
оптической обратной связи в системе устанавливается процесс рециркуляции, период τ
которой определяется оптической задержкой излучения в среде 3 при постоянной электрической задержке в блоках 2, 4, 5, 7. На дистанцию поочередно посылаются оптические
импульсы на различных длинах волн λ1 и λ2, поэтому в устройстве реализуется режим оптико-электронной рециркуляции одновременно на двух оптических длинах волн.
Период рециркуляции на длинах волн λ1, λ2 будет определяться следующим образом
τ=2Ln/c+te+tk,
(1)
где L - длина контролируемой трассы, n - коэффициент преломления воздуха для длин
волн излучения λ1, λ2, c - скорость света в вакууме, te - время электрической задержки в
блоках 2, 4, 5, tk - время задержки в компараторе 7.
Время задержки в компараторе 7 будет равно
tk =
Up
Us
tф ,
(2)
где Up - порог срабатывания компаратора, Us - амплитуда импульсов, пришедших с дистанции, tф - длительность фронта импульса. Порог срабатывания компаратора Up выбирается на участке максимальной крутизны фронта дистанционного импульса и составляет
величину Up ≈ 0,5... 0,7Us
При одинаковых амплитудах дистанционных импульсов Us1 = Us2 на длинах волн λ1,
λ2 (отсутствие поглощения в среде на длине волны λ1) задержки в компараторе 7 будут
также равны tk1 = tk2, а следовательно, будут равны периоды рециркуляции τ1 = τ2 на длинах волн λ1, λ2. Если в среде появляется поглощающий газ на длине волны λ1, то амплитуды дистанционных импульсов не будут равны Us1 < Us2, также не будут равны задержки в
компараторе tk1 > tk2, а значит, не будут равны периоды рециркуляции τ1 > τ2. Разность периодов рециркуляции ∆τ = τ1 - τ2 из (1), (2) можно выразить следующим образом:
∆τ = t k1 − t k 2 =
U s 2 − U s1 U p
tф .
U s1
U s2
(3)
Следовательно, рециркулирующие импульсы на длине волны λ1 будут сдвигаться во
времени относительно импульсов на длине волны λ2 каждый период рециркуляции на величину ∆τ, т.е. импульсы на длине волны λ2 будут "догонять" импульсы на длине волны
λ1. Для фиксации момента накопления разности временных задержек до величины T в
устройство вводится элемент "И" 8 и линия задержки 9. В начальный момент запуска системы импульсы на длинах волн λ1 и λ2 разнесены во времени на интервал T + tz., где tz. 3
BY 7676 C1 2006.02.28
длительность задержки линии задержки 9. В режиме рециркуляции происходит накопление разности временных задержек ∆τ. За число периодов рециркуляции N разность задержек станет равной T = N ∆τ, т.е. импульсы на длинах волн λ1 и λ2 совпадут во времени на
входах элемента "И" 8 и на его выходе появится сигнал, поступающий в вычислительный
блок 6, где регистрируется значение числа N. После того, как число периодов рециркуляции станет равным
N = Т/∆τ,
(4)
система заканчивает первый этап измерения концентрации газа.
Введение линии задержки 9 обусловлено необходимостью исключить одновременное
появление на входе блока питания лазера 2 и вычислительного блока 6 импульсов на различных длинах волн, что обеспечит большую надежность работы системы. Импульсы на
длинах волн λ1 и λ2 не сблизятся во времени больше чем на величину tz. Длительность
задержки tz. блока 9 определяется быстродействием блока питания 2 и длительностью лазерного импульса.
Так как предполагается измерение очень малых концентраций газа на уровне и менее
предельно допустимых, то концентрацию контролируемого газа можно определить следующей формулой [1, с.314]
U − U s1 1
(5)
C x = s2
,
U s1
2∆KL
где Us1 - амплитуда дистанционных импульсов на длине волны λ1 (в центре полосы поглощения контролируемого газа), Us2 - амплитуда дистанционных импульсов на длине
волны λ2 (вне полосы поглощения), ∆K - дифференциальный коэффициент поглощения
газа, L - длина контролируемой трассы. Множитель 2 в знаменателе появляется вследствие двукратного прохождения излучения через среду. Используя (3), (4), получаем
U s 2 − U s1
U
T
.
= s2
(6)
U s1
Uptф N
Подставляя (6) в (5), получаем искомую концентрацию контролируемого газа
U
T 1
.
C x = s2
(7)
U p t ф N 2∆KL
В выражении (7) параметры T, ∆K, tф, - известны, N - определяется в процессе измерений, а отношение амплитуды Us2 к порогу Up и длина контролируемой трассы L определяются на втором этапе измерений следующим образом. После измерения числа N лазер
работает только на длине волны λ2 (вне полосы поглощения). Так же как и на первом этапе
измерений по сигналу с вычислительного блока 6, блок питания лазера 2 формирует два
импульса на длине волны λ2, разнесенные во времени на интервал T1 + tz. Первый импульс
регистрируется при пороге компаратора Up, второй - при уменьшенном в два раза пороге
Up2 = 0,5Up. Затем импульсы с компаратора поступают на вход блока питания лазера. Порог компаратора управляется сигналом с вычислительного блока 6 и изменяется поочередно после регистрации каждого последующего дистанционного импульса. Таким
образом, при замкнутой петле оптической обратной связи в системе устанавливается два
процесса рециркуляции, один с периодом τ2 при пороге компаратора Up, а другой - с периодом рециркуляции τ'2 при пороге компаратора Up2 = 0,5Up. Так как задержки в компараторе 7 при разных порогах будут не равны, то будут не равны периоды рециркуляции
τ2≠τ'2. Разность периодов ∆t = τ2 - τ'2, полученная из выражений (1)-(3), будет равна
Up
U p2
0,5U p
∆t =
tф −
tф =
tф .
(8)
U s2
U s2
U s2
4
BY 7676 C1 2006.02.28
В режиме рециркуляции происходит накопление разности временных задержек ∆t и за
число периодов рециркуляции N1 разность задержек станет равной T1 = N1∆t, т.е. как и на
первом этапе импульсы совпадут во времени на входах элемента "И" 8 и на его выходе
появится сигнал, поступающий в вычислительный блок 6, где регистрируется значение
числа N1.
Неизвестное отношение из формулы (7) будет равно
U s2
0,5 0,5 N1
.
=
=
(9)
U p t ф ∆t
T1
Подставляя (9) в (7), получаем формулу для расчета концентрации газа
0,5TN1 1
Cx =
.
(10)
T1 N 2∆KL
Длина контролируемой трассы L вычисляется из значения периода рециркуляции τ'2
при пороге 0,5Up на длине волны λ1
c
L=
(τ 2 − t e − ∆t ) .
(11)
2n
Время электрической задержки te определяется при калибровке системы на нулевом
расстоянии. Чтобы ограничить увеличение частоты рециркуляции при измерениях на малых трассах (L≈ единицы метров) и обеспечить стабильный режим работы лазера, необходимо установить время электрической задержки te в блоке 2 равным te ≈ 0,5... 1 мкс, при
этом максимальное значение частоты рециркуляции составит 1-2 МГц. От периода τ'2 в
формуле (11) также вычитается величина ∆t = T1/N1. Это позволяет аппроксимировать
временное положение дистанционного импульса к нулевой точке фронта (моменту появления импульса), что обеспечивает независимость измерения длины L от амплитуды дистанционного импульса, а следовательно, повышает точность измерения L.
Так как частоту f следования импульсов можно измерить более просто и с большей
точностью, чем временной интервал τ между импульсами, то в системе измеряется частота рециркуляции импульсов, а период следования импульсов определяется τ = 1/f.
В общем случае временные сдвиги между импульсами T и T1 на первом и втором этапах измерений могут быть равны T = T1. Отметим, что на втором этапе измерений принципиально не обязательно уменьшать порог компаратора именно в два раза, необходимо
просто уменьшить порог и сделать равным Up2 = kUр, где k = 0,3...0,9. При этом в расчетной формуле (10), вместо множителя 0,5 должен стоять множитель (1-k), а в формуле (11)
величину ∆t необходимо умножить на коэффициент (k/1-k). Окончательная расчетная
формула концентрации газа будет иметь вид
(1 − k ) N1 1
(12)
Cx =
N
2∆KL
Если взять T = T1 = 300 нс , длительность фронта импульса t ф ≈3 нс, длину кон тролируемой трассы L≈30 м, изменение амплитуды импульсов за счет поглощения
Us2-Us1 = (10-2...10-3)Us1, то для измерения концентрации газа необходимо будет порядка
104...105 периодов рециркуляции, т.е полное время измерений составит приблизительно
0,1 с.
Как видно из расчетной формулы, в нее не входят амплитуды дистанционных импульсов, величина порога компаратора, длительность фронта импульса. Поэтому одновременное
изменение амплитуды дистанционных импульсов на длинах волн λ1 и λ2, обусловленное,
например, изменением параметров окружающей среды, задымленностью, изменением параметров приемно-передающего тракта и т.п., не будет влиять на точность измерений, что
повышает надежность работы системы и улучшает точность измерений.
5
BY 7676 C1 2006.02.28
Повышение точности измерений концентрации газа по сравнению с известным устройством обусловлено тем, что в заявляемом устройстве не происходит прямого измерения амплитуды дистанционного импульса, а изменения амплитуды информационного
импульса преобразуется в изменения частоты рециркуляции на данной длине волны. При
этом значение частоты можно легко измерить с погрешностью 10-5…10-6, а погрешность
измерения амплитуды импульса равняется 10-2... 10-3. За счет этого достигается повышение точности измерений.
Таким образом, использование в заявляемом устройстве режима оптико-электронной
рециркуляции одновременно на двух оптических длинах волн позволяет повысить точность трассовых измерений малых концентраций газа, например в черте города над автомобильными магистралями с интенсивным движением, а также обеспечивает измерение
длины контролируемой трассы, что расширяет функциональные возможности устройства.
Источники информации:
1. Лазерный контроль атмосферы / Под ред. Э.Д. Хинкли; Пер. с англ. - M.: Мир, 1979,
С. 124-127,313-316.
2. Патент РФ 1795737, 1995.
3. Ikeda S., Shimizu A., Hara T. Asymmetric dual quantum well laser - wavelength switching controlled by injection current // Аррl.Phy.Lett.-1991.-Vоl.59. - №5. - P 504- 507.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
96 Кб
Теги
by7676, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа