К.т.н. Яремчук В.Ф., к.т.н.
Кравчук Н.С., Смишный С.Н., Яцышен С.О.
Винницкий государственный педагогический университет
имени М.М. Коцюбинского, Украина
Сенсор концентрации газа
Применение волоконных трактов в составе
спектрометров и хроматографов чрезвычайно расширяет технические возможности применения спектральных
методов исследования веществ в промышленности. В частности, используя
волоконные сенсоры (ВС), можно проводить измерение во многих точках
одновременно. При низкой концентрации исследуемых веществ целесообразно
применять многопроходные ячейки. Благодаря этому резко повышается
чувствительность. Например, удается измерять концентрацию метана с погрешностью
не больше ±0,05 % при длине ВС до 3 км [1].
На данный момент вопрос развития волоконно-оптических сенсоров
концентрации газа очень перспективный, что обусловлено улучшением всех технических параметров.
В основном для анализа газа оптическим методом
используют принцип дифференциального оптического поглощения излучения и принцип оптико-абсорбционного метода в диапазоне разных длин волн в зависимости от параметров
использованных компонентов и исследуемого газа.
Оптико-абсорбционный
метод заключается в способности газов поглощать инфракрасные лучи в строго
определенных для каждого газа участках спектра благодаря наличию колебательно
вращательных полос поглощения [2]
Метод дифференциального
оптического поглощения базируется на поочередном измерении мощности излучения
на длине волны, которая поглощается газом и длине волны которая находится в
окне прозрачности газа, и последующей их разнице.
Работа представленного волоконно-оптического сенсора
(ВОС) концентрации газа основывается на принципе дифференциального оптического
поглощения, который был предложен в [3]. Основное
уравнение для расчета измеряемой концентрации газа за методом дифференциального
поглощения имеет следующий вид [3]:
, (1)
где N – парциальное давление (концентрация) газа в воздушной
смеси (N=760 Торр соответствует концентрации С=100%); 
– длина волны, что отвечает линии поглощения газа (робочая длина волны); 
– опорная длина волы, что лежыт за
границами поглощения; 
– оптичиская длина луча в измерительной кювете
(канале) с газом; 
(где i = 1,2)
– оптическая мощность на длине волны 
, 
- розрез поглощения газа на длине волны
.
Функциональная схема устройства
представлена на рис.1.
Рис.1. Функциональная схема волоконно-оптического преобразователя концентрации газа (дифференциальный метод).
Генератор
импульсов 1 периодически включает светоизлучательные диоды 3 и 
с длинами волн соответственно 
и 
,которые распространяются по световодам 2 разветвителя 4. После разветвителя излучение через один из
световодов двухжильного кабеля 5 попадает в измерительную кювету (канал) 6.
Поскольку апертура излучения, которое выходит из волокна, совпадает с апертурой
входного и исходного излучения измерительной кюветы, то оптическое излучение,
пройдя предварительно установленную в кювете длину оптического пути,
фокусируется металлическим зеркалом 7 и 
на торец
исходного оптического волокна двухжильного волоконного кабеля 5, который
находится в одной со входным волокном плоскости, и распространяясь далее по
световоду попадает на приемник оптического излучения 8. Дальше из приемника
электрические сигналы поступают к блоку микропроцессора (контролера) 9, который
их обрабатывает и выдает значение концентрации газа N.
Минимальная обнаруженная концентрация газа (при
отсутствии флуктуаций сигнала) определяется уровнем шума
приемной системы Рп и отвечает условию 
. В этом случае
выражение (1) может быть записано в виде:
, (2)
где
мощность 
что поступает на фотоприемник,
рассчитывается с учетом потерь во всех
элементах ВОС (при общей длине световодов менее 0,1 км, можно считать, что
потери энергии излучения в световоде равны нулю).
и равна
мощности излучения, которое поступает к приемнику 8 и при неизменной длине измерительного канала 
, исходя из (2)
имеем:
, (3)
где 
. Тогда
концентрация газа Сх :
(%). (4)
В качестве элемента,
который отражает инфракрасное излучение, избрано металлическое сферическое и
плоское зеркало, поскольку само металлическое зеркало не смещает ход луча и не
влияет на характеристики оптического излучения [4].
Выводы. Представлена конструкция волоконно-оптического преобразователя концентрации газа и его математическая модель, который использует принцип
дифференциального оптического поглощения в диапазоне разных длин волн. Такая
схема позволяет значительно упростить сам метод, а устройство не нуждается в
модуляторах, оптических фильтрах. Представленный ВОС концентрации метана
призначен как для дистанционного так и для локального измерения. Поскольку излучатель и приемник оптического
излучения могут находиться в одном блоке, который находится вне взрывоопасной
зоны, то безопасность использования такого прибора является чрезвычайно
высокой.
Технические характеристики оптических волокон и
полупроводниковых лазеров, которые серийно выпускаются, позволяют реализовать
волоконно-оптическую систему для регистрации определенного газа в воздухе,
экономически соизмеримую со стоимостью обычных каналов оптической связи.
Литература:
1. Мікроелектронні
сенсори фізичних величин: Науково-навчальне видання. В 3 томах. Том 3. Книга 2
/ [В. Вуйцік, З.Ю. Готра, О.З.
Готра, В.В. Григор’єв, В. Каліта, О.М. Мельник, Є. Потенцкі, В.В. Черпак]; За редакцією З.Ю. Готри. - Львів: Ліга-Прес, 2007. - 367
с.
2. Алексеев В.А.
Опыт создания переносных многокомпонентних газоанализаторов с использованием оптического абсорбционного метода / В.А. Алексеев,
В.А. Яценко // Радиотехника. -2006. -Вып
146.– С. 192-197.
3. Chan K., Ito H., Inaba H. Remote sensing system for near-infrared differential absorption of CH4 gas using low-loss optical fibre link // Appl. Opt., 1984, v.23 №19,
p.3415-3420.
4. Ландсберг Г.С. Оптика: [учеб. пособие для вузов.] / Григорий Самуилович Ландсберг.–
[6-ое изд., стереот.]. - М.: ФИЗМАТЛИТ,
2003. - 848 с.