–Ш–љ–ґ–µ–љ–µ—А–љ—Л–є –¶–µ–љ—В—А –Ь–Ш–§–Ш
–Ш–љ–ґ–µ–љ–µ—А–љ—Л–є –¶–µ–љ—В—А –Ь–Ш–§–Ш
–Ы–Њ–≥–Њ—В–Є–њ

—тать€ Ћ√ј” є1

–Њ —Д –Є —Ж –Є –∞ –ї —М –љ —Л –є    —Б –∞ –є —В
на уровень выше
—тать€ Ћ√ј” є1
—тать€ Ћ√ј” є2
пїњ–Ю –љ–∞—Б | пїњ–†–∞–Ј—А–∞–±–Њ—В–Ї–Є | пїњ–Я–Њ–і–і–µ—А–ґ–Ї–∞ | пїњ–Ъ–Њ–љ—В–∞–Ї—В—Л |

/пїњ–†–∞–Ј—А–∞–±–Њ—В–Ї–Є/Ћ√ј”-02/—тать€ Ћ√ј” є1


ѕ–»Ѕќ–џ » “≈’Ќ» ј Ё —ѕ≈–»ћ≈Ќ“ј, 1999, є5, с. 126-129

‘»«»„≈— »≈ ѕ–»Ѕќ–џ ƒЋя Ё ќЋќ√»», ћ≈ƒ»÷»Ќџ, Ѕ»ќЋќ√»»




”ƒ  681.785.4:621.378

Ћј«≈–Ќџ… √ј«ќјЌјЋ»«ј“ќ– ƒЋя ѕќ»— ј ”“≈„≈  √ј«ј »« ѕќƒ«≈ћЌџ’ √ј«ќѕ–ќ¬ќƒќ¬



© 1999 г. ». ј. Ѕубличенко, Ѕ. ≈. ћохноножкин

ћосковский государственный инженерно-физический институт (технический университет)
–осси€, 115409, ћосква,  аширское ш., 31
ѕоступила в редакцию 26.03.99 г.

ќписан высокочувствительный быстродействующий абсорбционный газоанализатор углеводородов на основе He-Ne-лазера (диапазон измерений 3-1000 ppm, относительна€ погрешность измерений в диапазоне 3-10 ppm — <20%, в диапазоне 10-1000 ppm - <10%, врем€ установлени€ показаний <2 с, габариты 600 × 240 х 135 мм, масса 13 кг). ѕолученные характеристики достигнуты в результате применени€ двухканальной оптической схемы с двухзеркальной многоходовой кюветой, двухканального синхронного детектировани€ и цифровой обработки сигналов. ѕрибор может примен€тьс€ при поиске утечек газа из подземных газопроводов, а также в экологических исследовани€х атмосферы и грунтов, в нефтегазовой геологоразведке.


ƒл€ безопасной эксплуатации газотранспортных систем необходимо патрулирование газопровода с целью своевременного обнаружени€ утечек газа. ¬ городских услови€х о герметичности газовой сети суд€т по концентрации газа, накапливающегос€ в подземных инженерных сооружени€х (подвалах, колодцах, коллекторах). Ќемало колодцев расположено на проезжей части дорог и улиц, вдоль которых обычно и прокладываютс€ распределительные газопроводы. ¬ этих случа€х незаменимы автомобильные лаборатории-искатели, способные вести непрерывный контроль на ходу.

ѕоследнее обсто€тельство налагает особые требовани€ к автомобильному газоанализатору: отсутствие помех в режиме транспортировки, экспрессность и производительность примен€емой газоаналитической аппаратуры дл€ возможности контрол€ магистралей большой прот€женности. „увствительность по газу должна быть на уровне долей естественного фона метана (~10-5 % об. = 0.1 ppm), поскольку отбор проб на ходу сопровождаетс€ многократным разбавлением атмосферным воздухом.  роме того, необходима высока€ селективность анализа, так как состав почвенных газов, €вл€ющихс€ буферной средой при обследовании подземных сооружений, сильно варьируетс€ по кислороду (от 1 до 20% об.) и углекислому газу (от 0.03 до 30% об.), что искажает показани€ таких детекторов, как плазменно-ионизационные или полупроводниковые.

Ќапротив, исключительно благопри€тна€ спектроскопическа€ ситуаци€ в области 3.4 мкм обеспечивает в оптических газоанализаторах углеводородов (метана) на основе He-Ne-лаэеров высокую чувствительность и селективность измерений. “ем не менее, задача детектировани€ фоновых концентраций метана до насто€щего времени не нашла достаточно простого решени€, позвол€ющего сделать такие измерени€ массовыми, — известные лазерные газоанализаторы [1, 2] сложны и в техническом, и в эксплуатационном отношени€х. ÷ель нашей работы — создание компактного и недорогого лазерного абсорбционного газоанализатора углеводородов (Ћ√ј”), пригодного дл€ непрерывных измерений фоновых концентраций метана как автономно, так и в составе автолаборатории или на борту самолета или вертолета.

¬ основу прибора положены пр€мой абсорбционный метод детектировани€ углеводородов, двухканальна€ оптическа€ схема с двухзеркальной многоходовой кюветой (м.х.к.), двухканальное синхронное детектирование и цифрова€ обработка сигнала. ¬ м.х.к. измер€етс€ ослабление излучени€ одной из наиболее сильных линий генерации He-Ne-лазера с длиной волны 3.3922 мкм (2947.9 см-1), котора€ попадает в полосу поглощени€ углеводородов и практически совпадает с центральной частотой линии F1(2) перехода –(7) полосы V3 поглощени€ метана [3]. Ўирина спектра генерации лазера во много раз меньше отдельных линий поглощени€ газов, поэтому такое совпадение обеспечивает высокую чувствительность и селективность по отношению к основным составл€ющим атмосферы, включа€ углекислый газ и вод€ной пар. „увствительность к другим углеводородным газам примерно одинакова [4].

ќптическа€ часть Ћ√ј” (см. рис. 1) идентична оптической части аналоговой версии прибора [5] и содержит источник излучени€ 1 — лазер, излучающий на длине волны 3.3922 мкм, три сферических зеркала 2,5, 6, м.х.к. 3 и два фотоприемника 7, 8. ќптическа€ часть выполнена на жестком основании корпуса прибора из дюралюминиевого двутавра. ќсобое внимание уделено подавлению вли€ни€ интерференции в оптических элементах [6] и в м.х.к. [7]: прозрачные элементы выполнены клиновидными, а число ходов в м.х.к. ограничено 26.

„исло юстируемых и прозрачных элементов сведено к минимуму, подвижные узлы отсутствуют. «еркала и фотоприемники попарно объединены в моноблоки, жестко укрепленные на основании. ”злы креплени€ зеркал обеспечивают возможность регулировки их наклона.

ѕромодулированное излучение лазера 1 направл€етс€ зеркалом 2 в м.х.к. 3 сквозь входное окно 4. ¬ышедший из нее измерительный пучок направл€етс€ зеркалом 5 на измерительный фотоприемник 7. ќпорный пучок направл€етс€ зеркалом 6 на опорный фотоприемник 8, мину€ м.х.к. ѕо обоим оптическим каналам на фотоприемниках формируютс€ изображени€ одного и того же сечени€ исходного лазерного пучка с равными увеличени€ми. »змерительный фотоприемник оптически сопр€жен с задней главной плоскостью м.х.к., а опорный — с плоскостью, удаленной от лазера как передн€€ главна€ плоскость м.х.к. ”величение подобрано из услови€ отсутстви€ апертурных ограничений на приемной площадке фотоприемника дл€ светового п€тна максимального размера.

Ћазер изготовлен на основе серийного лазера Ћ√»-201 с возбуждением поперечным высокочастотным полем (завод « ентавр», –овно, ”краина). Ўтатные зеркала резонатора заменены сферическими с радиусом кривизны 2 м: «глухое» — на алюминиевое, а выходное — на однослойное германиевое с коэффициентом отражени€ ~0.8, что обеспечивает генерацию на длине волны 3.3922 мкм при гарантированном подавлении генерации на длине волны 1.15 мкм.

ћодул€ци€ мощности лазера со скважностью 2 на частоте 40 √ц осуществл€етс€ путем модул€ции напр€жени€ питани€ от 15 до 27 ¬. ƒл€ усреднени€ флуктуации мощности генерации лазера, св€занных с изменением длины резонатора, применен пассивный модул€ционный метод стабилизации, заключающийс€ в быстрой (по сравнению с посто€нной интегрировани€ прибора) модул€ции оптической длины резонатора [8]. ƒл€ этого узел выходного зеркала доработан: выходное зеркало закреплено через пьезопакет ѕѕ-4, на который с усилител€ сигнала модул€ции подаетс€ переменное напр€жение треугольной формы с амплитудой ~200 ¬ на частоте 83 √ц, что обеспечивает модул€цию длины резонатора с амплитудой ~0.85 мкм.

—хема оптической части Ћ√ј”
–ис. 1. —хема оптической части Ћ√ј”. 7 - лазер, 2, 5, б — сферические зеркала, 3 — м.х.к., 4 — входное окно, 7,8 — измерительный и опорный фотоприемники.

¬ысока€ жесткость и виброустойчивость двухзеркальной м.х.к. типа Ёррио [9] на основе открытого оптического резонатора с внеосевым ходом пучка определили ее выбор.  онструктивно она представл€ет собой трубу из нержавеющей стали внутренним диаметром 40 мм, заглушенную с двух сторон вогнутыми зеркалами с радиусом кривизны 25 см, в одном из которых выполнено отверстие диаметром 8 мм дл€ ввода и вывода излучени€, закрытое кварцевым окном. ƒл€ подачи и отвода газовой пробы на корпусе кюветы имеютс€ два штуцера.  онструкци€ кюветы разборна€, но не предусматривает юстировки зеркал. –ассто€ние между зеркалами кюветы 22 см, обща€ длина пути 5.7 м, внутренний объем 0.3 л.

—труктурна€ схема электронной части Ћ√ј” приведена на рис. 2.

»сточники вторичного питани€ »¬ѕ формируют необходимый набор напр€жений дл€ работы схемы. ћодул€тор-стабилизатор мощности лазера ћ—ћ служит дл€ получени€ модулированного излучени€ и, как и усилитель сигнала модул€ции ”—ћ, управл€етс€ контроллером.

—труктурна€ схема электронной части Ћ√ј”
–ис 2. —труктурна€ схема электронной части Ћ√ј”. »¬ѕ — источники вторичного питани€, ”—ћ — усилитель сигнала модул€ции, ћ—ћ — модул€тор-стабилизатор мощности лазера, ќ‘ѕ, »‘ѕ - опорный и измерительный фотоприемникн, ƒ“ — датчик температуры, —ѕ - сигнальный процессор, ѕѕ1, ѕѕ2 — последовательные порты, ј÷ѕ - аналогоцифровой преобразователь, ÷јѕ — цифроаналоговый преобразователь, ЁЌ«”- энергонезависимое запоминающее устройство, ѕ” — преобразователь уровней, ѕ«” — посто€нное запоминающее устройство, –»ќЌ — регулируемый источник опорного напр€жени€.

ћикропроцессорный контроллер содержит 16-разр€дный сигнальный процессор ADSP-2101 (—ѕ) фирмы Analog Devices с тактовой частотой 16 ћ√ц, 8-канальный 12-разр€дный аналого-цифровой преобразователь AD7890 (ј÷ѕ), 12-разр€дный цифроаналоговый преобразователь  –572ѕј2 (÷јѕ), энергонезависимую пам€ть 93—56 (ЁЌ«”), преобразователь уровней RS-232C типа AD202 (ѕ”) и интерфейсную логику с встроенным и выносным пультами (на рис. 2 не показана). ѕри подаче напр€жени€ питани€ или нажатии кнопки аппаратного сброса сигнальный процессор контроллера загружает программу из внешнего посто€нного запоминающего устройства ѕ«” 27—128.

—игнальный процесс имеет два независимых синхронных последовательных порта ѕѕ1 и ѕѕ2, к одному из которых подключен ј÷ѕ, а к другому — энергонезависима€ пам€ть и преобразователь уровней RS-232C. — помощью ј÷ѕ измер€ютс€ сигналы, поступающие с усилителей опорного и измерительного каналов фотоприемников ќ‘ѕ и »‘ѕ и датчика температуры ƒ“, а также контролируютс€ напр€жение регулируемого опорного источника ÷јѕ (–»ќЌ) и напр€жени€ питани€, получаемые от »¬ѕ. Ёнергонезависима€ пам€ть используетс€ дл€ хранени€ параметров фотометрической схемы, калибровочных данных, уставок предупредительной и аварийной сигнализации и настроек синхронного детектора. ѕреобразователь уровней RS-232C служит дл€ св€зи с персональным компьютером (п.э.в.м.) дл€ накоплени€ и дальнейшей обработки полученных данных. —тарт-стопный режим обмена эмулируетс€ программным образом. — помощью ÷јѕ реализован стандартный аналоговый выход 0-5 ¬ на внешний комплекс сбора данных.  онцентраци€ определ€етс€ на основе закона Ѕугера-Ѕера из соотношени€ сигналов двух каналов детектировани€, ѕосто€нна€ времени интегрировани€ 0.5 с.

”правление газоанализатором осуществл€етс€ при помощи шести кнопок встроенного пульта на передней панели. “екущее состо€ние прибора, значени€ концентрации, измеренные усредненные напр€жени€ на входах ј÷ѕ, настройки синхронного детектора, а также параметры фотометрической схемы и уставки предупредительной и аварийной сигнализации отображаютс€ на дисплее встроенного пульта. ¬ св€зи с тем, что в контроллере использован сигнальный процессор с эффективной системой команд, дл€ упрощени€ схемотехники применена программна€ динамическа€ индикаци€ и сканирование клавиатуры пульта.

ѕредусмотрено п€ть режимов работы: запуск; измерение, индикаци€ и передача вычисленных значений текущей концентрации, температуры, напр€жений питани€, а также измеренных напр€жений по всем входам ј÷ѕ; коррекци€ показаний; коррекци€ нул€ сигналов; просмотр и коррекци€ параметров. ѕередача данных по последовательному каналу осуществл€етс€ по окончании цикла измерений. ¬ пакет данных общим размером 210 байт вход€т 30 параметров и констант, скорость передачи 38400 бод, цикл передачи 0.5 с, длительность передачи ~0.1 с.

¬ыносной пульт Ћ√ј”, использующийс€ при работе в составе автолаборатории, имеет индикатор, показывающий значение текущей концентрации, световую и звуковую сигнализации превышени€ концентрацией заданных уровней и единственную кнопку коррекции нул€.

ѕрибор может примен€тьс€ автономно, или в составе авто- или авиалабораторий экологического контрол€ дл€ оперативного обследовани€ трасс магистральных и городских газопроводов с целью обнаружени€ утечек газа, а также в задачах поиска нефтегазовых месторождений. ѕитание может осуществл€тьс€ от сети посто€нного тока номинальным напр€жением 24 или 27 ¬ (автомобильного аккумул€тора напр€жением 24 ¬ или бортовой авиационной сети напр€жением 27 ¬). –абочий ƒиапазон температур от -10 до +40°—. ѕоказани€ не завис€т от положени€ газоанализатора в пространстве.

ћетрологические характеристики нормированы дл€ метана: диапазон измерений 3-1000 ppm, относительна€ погрешность измерений в диапазоне 3-10 ppm — <20%, а в диапазоне 10-1000 ррm -<10%, врем€ установлени€ показаний <2 с, врем€ прогрева <2. мин, потребл€ема€ мощность <40 ¬т, габариты 600 × 240 х 135 мм, масса ~13 кг. ѕрибор метрологически аттестован.

ќпытные работы по поиску утечек газа проводились совместно с городскими газовыми службами –€зани и —анкт-ѕетербурга. ѕрибор размещалс€ в автофургоне «”ј«-452» и питалс€ от аккумул€тора 24 ¬. ¬ —анкт-ѕетербурге Ћ√ј” использовалс€ в автолаборатории «»скатель» одновременно со штатным серийным газоанализатором с общей системой пробоотбора.

»спытани€ми было установлено, что газоанализатор Ћ√ј” устойчив к тр€ске и вибраци€м, не реагирует на перепады температуры, влажности и атмосферного давлени€, а по сравнению с газоанализаторами Ћ√ј и 323 Ћј 03 (разработки ”крЌ»»јѕ) обладает более высокой стабильностью и воспроизводимостью показаний, на пор€док более низким дрейфом нул€ (в том числе после длительных перерывов в работе), втрое меньшей массой и вчетверо меньшим объемом.

–азработка прибора частично финансировалась по программе министерства общего и профессионального образовани€ –‘ « онверси€ и высокие технологии. 1997-2000 гг.» и имела поддержку грантом 1995 г. по фундаментальным исследовани€м в области приборостроени€.

—ѕ»—ќ  Ћ»“≈–ј“”–џ

1. McManus J. B., Kebabian P. L., Kolb C. E., // Appl. Optics. 1989. V. 28. № 23. P. 5016.
2. Anderson S. M., Zahniser M. S. // Proc. of Soc. of Photo-Optical Instrumentation Engineers. 1991. V. 1433. P. 167.
3. Dang-Nhu M., Pine A. S., Robiette A. G. // J. of Molecular Spectroscopy. 1979. V, 77. № 1. P. 57.
4. ѕопов ј. »., —адчихин ј. ¬. // ∆урн. прикл. спектроскопии. 1991. “. 55. № 3. —. 426.
5. Ѕубличенко ». ј. // ѕриборы и системы управлени€. 1998. № 9. —. 81.
6. Ѕубличенко ». ј. // ќптика и спектроскопи€. 1990. “. 68. № 5. —. 1126,
7. McManus J. B., Kebabian PL. // Appl. Optics. 1990. V. 29. № 7. P. 898.
8.  озубовский B. P., Ёрдеви H. M., Ѕулыга A. A., ѕопадинец ё.ё, // ѕриборы и системы управлени€. 1983. № 12. —. 24.
9. Herriott D. R., Kogelnik H., Kompfner R. // Appl, Optics. 1964.V.3.№ 4.P. 523.

 опии статей: вариант на русском €зыке, вариант на английском €зыке.



Copyright © 1998-2005 –Ш–љ–ґ–µ–љ–µ—А–љ—Л–є –¶–µ–љ—В—А –Ь–Ш–§–Ш
e-mail: webmaster@ecsoft.mephi.ru