способ оптического определения содержания компонентов газовой среды

Формула изобретения

1. Способ оптического определения содержания компонентов газовой среды, включающий размещение в газовой среде, облучаемой излучением от области, создаваемой продуктами горения углеводородов, по меньшей мере двух фотоприемников, спектральная чувствительность по меньшей мере одного из которых имеет максимум в средней инфракрасной области спектра на длине волны, соответствующей максимуму оптической плотности определяемого газового компонента, а спектральная чувствительность другого соответствует отличной от первого оптической плотности определяемого газового компонента, измерение сигналов от каждого из упомянутых фотоприемников при расположении их на расстоянии от этой области, обеспечивающем плотность излучения на фотоприемниках не ниже порогового значения, и совмещении направления максимальной чувствительности фотоприемников с вектором фотоприемник - область излучения, и последующее определение содержания искомого компонента путем сравнения измеренных упомянутых сигналов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно проводят калибровку фотоприемников и с помощью полученных калибровочных зависимостей определяют концентрацию компонента(ов).

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере один из фотоприемников устанавливают с подветренной стороны от области излучения.

4. Cпocoб по п.2 или 3, отличающийся тем, что в качестве области излучения используют объекты, имеющие с продуктами горения тепловой и/или радиационный обмен.

5. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что используют дополнительную область излечения в виде объектов, имеющих с продуктами горения тепловой и/или радиационный обмен.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники, конкретно - к оптическому газовому анализу в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра, и может найти применение в приборах и методах газового анализа, в том числе количественного, в частности в нефтяной, газовой промышленности и в экологии.

Известен способ оптического определения содержания компонентов газовой среды, включающий установку в газовую среду системы, состоящей по крайней мере из двух фотоприемников, чувствительность по крайней мере одного из которых имеет максимум в средней инфракрасной области спектра на длине волны, соответствующей максимуму полосы поглощения измеряемого газового компонента, а чувствительность другого соответствует отличной от первого оптической плотности на вышеупомянутой длине волны, использование области излучения, создаваемой инжекцией и последующей рекомбинацией носителей заряда вблизи от p-n перехода, расположенной от фотоприемников на расстоянии, обеспечивающем плотность излучения на фотоприемниках не ниже порогового значения, совмещение направления максимальной чувствительности фотоприемников с вектором “фотоприемник - область излучения”, регистрацию излучения, измерение сигналов от каждого из упомянутых фотоприемников и определение содержания искомых компонентов путем сравнения упомянутых сигналов [1]. В этом способе для измерения концентраций измеряют оптические сигналы, сформированные перестраиваемым диодным лазером, излучение которого направляют на три практически идентичных фотодетектора, один из которых расположен за кюветой с измеряемой средой, а два других принимают излучение, не прошедшее через исследуемую среду, т.е. характеризующееся отличной от первого оптической плотностью и служащее для формирования опорных сигналов. Последние необходимы для коррекции длины волны и интенсивности излучения диодного лазера. Определение концентрации газа осуществляют на основе известных данных о коэффициенте поглощения компонента путем сравнения полученных сигналов и применения закона Бера. Способ позволяет проводить высокоточные измерения на уровне десятков ppbv окислов азота (N₂O, NO_x) на значительных расстояниях от источника выброса этих веществ в атмосферу.

Недостатками известного способа являются его сложность из-за использования полупроводникового лазера и, как следствие, высокая стоимость проведения измерений, делающая невозможным непрерывный контроль, а также проведение измерений только в закрытом канале (кювете), а не в окружающей среде.

В известном способе [2], взятом за прототип, для определения содержания компонентов по критерию “ЕСТЬ” - “НЕТ” устанавливают систему, состоящую из двух фотоприемников, на летательный аппарат (самолет), двигающийся вдоль трубопровода, т.е. в газовой среде, содержащей измеряемые компоненты. В качестве области излучения в известном способе выбрана почва вблизи от трубопровода, прогреваемая солнцем, причем высота (расстояние до источника) и скорость полета существенным образом зависят от чувствительности фотоприемника. Чувствительность фотоприемника выбирают в одной из следующих областей: 3-5 мкм и/или 8-14 мкм. Выбор областей измерения связан с наличием в атмосфере “первого” и второго “окна прозрачности”, т.е. с возможностью регистрировать излучение со значительных расстояний в силу отсутствия заметного атмосферного поглощения. Высоту и скорость полета можно оценить исходя из оценок плотности потока лучистой энергии, определяемой законом Планка, законами распространения лучистой энергии в пространстве (т.е. законами геометрической оптики) и обнаружительной способности фотоприемной системы (NEP), определяющей нижний предел для регистрируемой мощности (пороговая плотность радиационной мощности Джонса). Обычным требованием к системам подобного рода является превышение плотности лучистого потока над пороговой мощностью. Традиционным способом повышения чувствительности является охлаждение фотоприемников и увеличение времени накопления сигнала. При движении самолета производят непрерывное совмещение направления максимальной чувствительности фотоприемников с вектором “фотоприемник - область излучения” вблизи от трубопровода и измеряют по крайней мере два сигнала, по крайней мере один из которых U₁ соответствует интенсивности оптического излучения источника на длине волны 3.4 мкм - спектральной области вблизи характеристической полосы поглощения углеводородов - и прошедшего через газообразный компонент, а другой U₂ соответствует отличной от первого длине волны, т.е. отличной от первого фотоприемника оптической плотности в вышеуказанной спектральной области, и также прошедший через измеряемый газообразный компонент. Обычно второй сигнал называют опорным (или “reference signal"), имея в виду его слабую связь со свойствами анализируемой среды (например, из-за слабого поглощения, вызванного выбором фотоприемника с максимумом чувствительности вдали от области поглощения компонента), но испытывающего одинаковое воздействие от изменения свойств источника (главным образом интенсивности излучения). Оба сигнала поступают в схему регистрации и измерения двух сигналов. Для сравнения сигналов производят деление одного сигнала на другой (U₁/U₂) и оперативное оповещение (например, звуковое) пилота (оператора) об отклонении отношения от нормального значения (U⁰₁/U⁰₂), определяемого как среднестабильное (слабо меняющееся во времени) значение.

Место утечки определяется как место, вблизи которого происходит быстрое отклонение сигнала от нормального значения.

Достоинством известного способа являются его простота и возможность установления местоположения утечек углеводородов на трубопроводах при разумных затратах (стоимости) измерений.

Недостатком способа является то, что он не позволяет провести измерения в ночных условиях, при наличии сильной облачности и/или снежного покрова. Последний в силу высокого коэффициента отражения солнечных лучей не прогревается и не создает излучения в нужном спектральном диапазоне. Кроме того, способ не позволяет определять концентрацию газовых компонентов.

Задачей изобретения является обеспечение возможности непрерывного контроля за содержанием компонентов газовой среды в течение суток и в любое время года.

Задача решается тем, что способ оптического определения содержания компонентов газовой среды включает размещение в газовой среде, облучаемой излучением от области, создаваемой продуктами горения углеводородов, по меньшей мере двух фотоприемников, спектральная чувствительность по меньшей мере одного из которых имеет максимум в средней инфракрасной области спектра на длине волны, соответствующей максимуму оптической плотности определяемого газового компонента, а спектральная чувствительность другого соответствует отличной от первого оптической плотности определяемого газового компонента, измерение сигналов от каждого из упомянутых фотоприемников при расположении их на расстоянии от этой области, обеспечивающем плотность излучения на фотоприемниках не ниже порогового значения, и совмещении направления максимальной спектральной чувствительности фотоприемников с вектором “фотоприемник - область излучения”, и последующее определение содержания искомого компонента путем сравнения измеренных упомянутых сигналов.

По п.2 задачей является расширение функциональных возможностей способа за счет обеспечения возможности количественного анализа состава газовой среды.

Для этого в способе по п.1 предварительно проводят калибровку фотоприемников и с помощью полученных калибровочных зависимостей определяют концентрацию компонента(ов).

По п.3 решается задача определения содержания компонентов, образуемых в процессе горения.

Для этого в способе по п.1 или 2 по меньшей мере один из фотоприемников устанавливают с подветренной стороны от области излучения.

По п.4 решается задача увеличения точности определения концентрации компонента(ов).

Для этого в способе по п.2 или 3 в качестве области излучения используют объекты, имеющие с продуктами горения тепловой и/или радиационный обмен.

По п.5 решается задача увеличения точности определения концентрации компонента(ов).

Для этого в способе по п.2 или 3 используют дополнительную область излучения в виде объектов, имеющих с продуктами горения тепловой и/или радиационный обмен.

Способ по п.1 поясняется чертежом на Фиг.1, где:

1 - фотоприемник №1, соединенный со схемой выделения полезного сигнала, его регистрации и обработки;

2 - фотоприемник №2, соединенный со схемой выделения полезного сигнала, его регистрации и обработки;

3 - продукты горения, образующиеся, например, при сгорании нефти или природного газа;

4 - направление распространения излучения, совпадающее с направлением максимальной чувствительности фотоприемников;

5 - измеряемый(ые) газообразный(ые) компонент(ы).

Новым в предлагаемом способе по п.1 является выбор области излучения, создаваемой продуктами горения углеводородов. Измерение ослабления этого излучения при прохождении через газовую среду позволяет определять содержание газовых компонентов вне области с нагретыми продуктами горения углеводородов, что позволяет производить определение содержания газовых компонентов непрерывно в течение суток и независимо от времени года.

В заявляемом способе авторы изменили функцию места утечки углеводородов: вместо искомого места в прототипе место утечки, а в нашем случае это - продукты горения (или пламя, или факел), возникающие в месте выхода углеводородов из трубы (трубопровода), стало источником зондирующего излучения, взаимодействующего с веществами, находящимися на оптическом пути “фотоприемники - область излучения”. Это привело к возможности проведения измерений вне зависимости от времени суток и сезона, т.е. независимо от наличия солнца, облаков и снежного покрова. Это связано с тем, что источник излучения является управляемым, а для большинства процессов непрерывным, а также с тем, что источник излучения имеет прогнозируемые излучательные свойства, определяемые, в основном, составом сжигаемой смеси и температурой ее сжигания. Примером такого процесса является крекинг нефти со сжиганием части отходящих углеводородов. Другим примером является использование газонефтяного факела, зажигаемого на определенных стадиях разработки месторождений углеводородов. В силу устойчивости указанных свойств продуктов горения (пламени) появляется свойство непрерывного определения газовых компонентов.

Со свойством непрерывности источника связана возможность предварительной калибровки системы и получение калибровочных зависимостей, по которым определяют концентрацию компонента(ов) п.2 формулы изобретения. Значения концентрации могут быть выражены как в величинах произведения концентрации на оптический путь или длину трассы (C*L), так и в объемных долях (процентах (v/v%), ppm, ppb и т.д.). В последнем случае для калибровки можно использовать локализацию газового компонента в кювете с известной (фиксированной) оптической длиной. Самая простая калибровка в данном случае состоит в напуске в кювету эталонного газа и проведении регистрации и измерения оптических сигналов. Возможным способом проведения калибровки при определении трассовой концентрации (C*L) является прямое измерение концентрации эталонным прибором при известных расположении по отношению к продуктам горения, скорости и направлении ветра, температуре и давлении окружающей среды. Реальное измерение должно учитывать изменение всех указанных параметров, что можно сделать, создав таблицы для разных условий и/или используя известные физические законы, например пропорциональную зависимость оптической плотности от давления (закон Бера).

В способе по п.3 заложена возможность определения содержания компонентов, образуемых в процессе горения. Для этого по меньшей мере один из фотоприемников устанавливают с подветренной стороны от области излучения. Авторы предугадали, что продукты горения, создающие интенсивное излучение в месте горения, при удалении от области излучения начинают поглощать излучения в силу понижения их температуры по мере распространения от места горения. В силу того, что при охлаждении газа спектр поглощения сдвигается в длинноволновую область, один и тот же газ может являться как поглотителем излучения, так и удобным для его измерения источником. К таким компонентам относится, прежде всего, углекислый газ, концентрация которого в пламени и в атмосферном воздухе достаточно хорошо известна. Поэтому измерения сигналов с фотоприемников, чувствительных к излучению вблизи от 4.3 мкм - характеристической полосы поглощения - дает возможность проводить измерения, используя его в качестве “маркера” оптического пути. При этом можно определить концентрацию других компонентов, например угарного газа (СО), образующегося при горении. Аналогичная методика “маркировки” или калибровки используется при определении концентрации выхлопов автомобилей (СО, C_nH_m, NO_x) при зондировании с помощью намеренно созданного источника излучения (лазера, накального источника, светодиода и др.), как это описано в ряде патентов [3].

Увеличение точности определения компонентов - п.4 формулы изобретения - достигается при использовании в качестве области излучения объектов, имеющих с продуктами горения тепловой и/или радиационный обмен. Такой теплообмен может быть конвекционным или радиационным. В первом случае принимают излучение от нагретых пламенем/отходящими газами тел, к которым относятся прежде всего ограничители потоков - дымовые трубы. При выборе дымовой трубы в качестве источника излучения появляется преимущество, состоящее в использовании источника излучения с большой постоянной времени, т.е. со стабильной во времени излучательной способностью и со спектром, отличным от спектра продуктов горения. Появляется возможность измерять сигналы на длинах волн, где интенсивность излучения от продуктов горения мала, что приводит к повышению точности измерения компонентов, имеющих полосы поглощения вдали от максимума излучения продуктов горения. К таким компонентам относится, например, окись азота (NO) с полосой поглощения при 5.5 мкм. При радиационном теплообмене создается излучение, отраженное от поверхностей окружающих пламя тел. Так, например, можно измерять интенсивность излучения от отражателя (уголкового, сферического и т.д.). Это дает возможность управлять оптическим путем, например, последовательно совмещать направления максимальной чувствительности с рядом отражателей. расположенных на разном удалении от продуктов горения (пламени) и производить измерения. Вариант, при котором появляется возможность проведения измерений со значительных расстояний от пламени, состоит в установке сферического отражателя, направленного на пламя и расположенного с наветренной стороны от фотоприемника, расположенного в фокусе отражателя. При этом увеличивается точность определения для компонентов, имеющих малые концентрации, поскольку увеличивается оптический путь.

Задача дополнительного увеличения точности определения концентрации компонента(ов) достигается тем, что в способе по п.5 используют дополнительную область излучения в виде объектов, имеющих с продуктами горения тепловой и/или радиационный обмен. При использовании нескольких областей излучения возрастает количество измерений за счет измерений для разных оптических путей и/или разных спектральных областей, что увеличивает количество независимых данных и точность измерений.

Для осуществления способа существует много вариантов конкретного воплощения, каждый из которых выбирается исходя из условий измерения. Так, например, опорный сигнал при возможности измерения при различных оптических путях предпочтительнее измерять с фотоприемника, идентичного первому фотоприемнику. При наличии однонаправленного потока воздуха примером такой системы может служить пара фотоприемников, расположенных с противоположных сторон от места утечки (появления в атмосфере). Фотоприемник с наветренной стороны является измерительным, а с подветренной - опорным. При невозможности видоизменить оптический путь, например при сильном удалении от продуктов горения (пламени), предпочтительным является использование фотоприемников с различающейся спектральной чувствительностью. Естественно, что могут существовать комбинации схем, использующие как разные оптические пути, так и разные спектральные характеристики фотоприемников.

Чем выше требования к точности измерения, тем требуемое количество измерений (конфигураций измерений) больше. Так, для грубого анализа концентрации достаточно двух сигналов; для более точных - три и более. Отметим, что можно пользоваться ограниченным набором широкополосных фотоприемников, а различия в спектральных характеристиках/оптических плотностях анализируемых компонент формировать за счет смены фильтров, расположенных на пути к источнику. Это можно осуществить, например, вращая диск с узкополосными фильтрами, последовательно перекрывающими поток излучения [4]. Такой способ полностью эквивалентен способу, в котором используется набор фотоприемников. Возможно также сочетание нескольких фотоприемников с вращающимся диском(абтюраторов) имеющим и/или не имеющим узкополосных фильтров.

Необходимо иметь в виду, что на точность измерений влияет характер распределения газообразных компонент в оптическом канале (или на “трассе”). Это распределение может быть получено на основе дополнительных измерений, например измерений на длинах волн, соответствующих компонентам с известной концентрацией, или измерений в точках, расположенных на разном удалении от продуктов горения. В последнем случае для анализа концентрации газов, формирующихся, например, в пламени нефтяного факела, установку фотоприемников можно осуществить как показано на Фиг.2, где цифрами обозначены:

1 - фотоприемник №1;

2 - фотоприемник №2;

3 - продукты горения (пламя);

5 - измеряемый(ые) газообразный(ые) компонент(ы) и/или путь, проделываемый продуктами горения при наличии ветра, направленного слева направо;

6 - расстояние от пламени до фотоприемника №1 в момент измерения;

7 - расстояние между фотоприемниками в момент измерения;

8 - фотоприемник №1 в момент калибровки;

9 - фотоприемник №2 в момент калибровки;

10 - расстояние между фотоприемниками в момент калибровки;

11 - расстояние от пламени до фотоприемника №1 в момент калибровки.

На Фиг.2 показано, что два идентичных фотоприемника 1 и 2 устанавливаются так, что направление максимальной чувствительности совпадает с вектором “пламя-диод”; при этом диоды находятся с подветренной стороны от пламени 3 на расстоянии L(6) и (L(6)+L(7)) соответственно.

Процесс калибровки состоит в измерении сигнала фотоприемников после их перемещения в надветренную часть от пламени (позиция 8 и 9) и измерения сигнала при расстоянии до пламени, равном L(11)=L(6) и L(10)+L(11)=L(6)+L(7).

После указанной установки вновь измеряются интенсивности фотосигналов с фотодиодов 8(2) и 9(1), а искомая средняя концентрация газа в области пространства между фотодиодами 1 и 2 находится из соотношения

х₁₂=-1n()/ *(L₇),

где U_i - фотосигнал с диодов 1, 2, 8, 9;

- средний коэффициент поглощения определяемого компонента, вычисляемый на основе спектра фоточувствительности и спектра коэффициента поглощения аналогично предложенному в [5] методу, a L₇ - расстояние между диодами 1 и 2. Из приведенной формулы и из самых общих рассмотрений поглощения ясно, что повышение точности определения концентрации можно добиться, уменьшая расстояние между диодами 1 и 2. Вполне понятно, что калибровку можно проводить непрерывно, увеличивая тем самым точность измерений; для этого необходимо увеличить по крайней мере вдвое количество используемых фотоприемников (на Фиг.2 - это фотоприемники, обозначенные цифрами 8 и 9, соответственно).

Пример 1. Пример осуществления способа по п.1 был выполнен в Физико-техническом институте РАН. Для определения содержания газа метана была использована система, содержащая фотодиоды из InAs и InAsSbP с иммерсионными линзами на основе CdSb диаметром 3.5 мм, полученные в лаборатории инфракрасной оптоэлектроники и описанные в работах [6, 7] соответственно. В качестве определяемого компонента был взят метан, имеющий фундаментальную полосу поглощения с максимумом при 3.32 мкм. Диод из InAs имел максимум спектральной чувствительности при длине волны 3.3-3.4 мкм, что соответствовало максимальной оптической плотности метана и/или его смесей с воздухом в спектральной области 3-5 мкм, где сосредоточена основная часть радиационного потока от нагретых продуктов горения (пламени), а чувствительность диода из InAsSbP имела максимум при 2.9 мкм, т.е. соответствовала отличной от первого диода оптической плотности на длинах волн 3.3-3.4 мкм. Для дополнительного усиления различия в оптической плотности для вышеупомянутых фотоприемников на приемную площадку диода из InAsSbP устанавливалась пленка полиэтилена толщиной 300 мкм. При этом из-за поглощения вблизи 3.4 мкм, вызванного присутствием в оптическом канале полиэтилена/углеводорода, фотодиод InAsSbP утрачивал чувствительность в длинноволновой части спектра вблизи от длины волны, равной 3.4 мкм, так, как показано на левом графике Фиг.3, где цифрами обозначены: 12 - исходный спектр чувствительности; 13 и 14 - спектры чувствительности при толщине пленки полиэтилена, равной 100 мкм и 300 мкм, соответственно; 15 - спектр чувствительности диода из InAs. При этом было установлено, что фотосигнал в диоде InAsSbP не зависел от наличия/присутствия метана в оптическом канале, т.е на пути излучения от области излучения к фотоприемнику. Указанный прием намеренной модификации оптической плотности, выполненный благодаря сужению спектральной чувствительности за счет дополнительного поглощения, известен как “негативная фильтрация” и широко применяется в газовом анализе (см., например [8]). В качестве области излучения были выбраны продукты горения - пламя медицинской спиртовки, расположенной на расстоянии 30 см от обоих фотодиодов. Указанное расстояние обеспечивало получение плотности излучения на фотоприемниках, превышающую пороговые значения, поскольку отношение сигнал/шум при совмещении направления максимальной чувствительности с вектором “фотоприемник - область излучения” значительно превышало единицу. Поток лучистой энергии от спиртовки модулировался механическим прерывателем потока (вращающимся диском с прорезями) с частотой прерывания 630 Гц. ФотоЭДС, регистрируемая на выводах диодов, усиливалась и измерялась селективным вольтметром У2-8, настроенным на частоту прерывания потока. С помощью котировочных винтов и перемещения спиртовки получали максимально возможный для данного удаления пламени от диодов сигнал на вольтметре, т.е. совмещали направления максимальной чувствительности диодов с вектором “фотоприемник - источник излучения”. Измеряли сигналы от фотодиодов из арсенида индия (U⁰₁) и InAsSbP (U⁰₂) и вычисляли отношение (U⁰₁/U⁰₂), активизировали струю метана, направленную поперек вектора “фотоприемник - источник излучения” и повторяли вышеуказанные измерения с получением значений U₁ и U₂. Вычисляли величину {(U⁰₁/U⁰₂)-(U₁/U₂)}, которая оказалась больше нуля. По знаку разности {(U⁰₁/U⁰₂)-(U₁/U₂)} определили, что в газовой среде находятся углеводороды (в данном случае - метан). Закрытие струи метана приводило к регистрации нулевого значения разности {(U⁰₁/U⁰₂)-(U₁/U₂)}, что свидетельствовало об отсутствии метана в газовой среде.

Пример 2. Были повторены все операции, перечисленные в примере 1, однако была дополнительно проведена калибровка (п.2 формулы). Для проведения калибровки между пламенем и диодами на пути луча устанавливали кювету с оптической длиной (путем) 10 см и с возможностью заполнения ее газом. Измерялись величины оптических сигналов при заполнении кюветы атмосферным воздухом (фаза “воздух”), при заполнении кюветы газовой смесью, содержащей 0.53% v/v метана и воздух (фаза “метан”) и при закрытии оптического канала (фаза “ноль”). Сигнал с фотодиода InAsSbP был одинаков для фаз “воздух” и “метан”, что свидетельствовало о достаточно хорошей степени “негативной” фильтрации. Относительное изменение сигнала с фотодиода из InAs при переходе из фазы “воздух” в фазу “метан” составляло (dU/=0.027)_к (t=20 C) при значении произведения оптического пути L на концентрацию С, равного (C*L)_к=0.053 см. По завершении процесса калибровки кювета изымалась из оптического пути лучей, выходящих из пламени спиртовки и принимаемых фотодиодами, и производились измерения оптического сигнала (U₁, фаза “воздух”). В область пространства, занимаемого ранее кюветой, направлялась струя метана с начальным диаметром 4 мм и вновь измерялся оптический сигнал (U₂, фаза “метан”). Полученное значение (dU/=0.005)_и было меньше значения, полученного при калибровке. Это означало, что в условиях измерения струя газа создавала меньшую, чем при калибровке оптическую плотность и можно было пользоваться линейной интерполяцией, поскольку (C*L)_к.и<<1 и dU/<<1, где - коэффициент поглощения, превышающий в средней ИК-области 10 см^-1. Таким образом “трассовая концентрация” на линии “пламя-фотодиод” составляла в нашем опыте (C*L)_и=0.053*(0.05/0.027)=0.0098 см. Можно использовать все процедуры вышеприведенного примера, однако фотодиоды включить навстречу друг другу, т.е. с общими катодами или анодами (схема протекания тока: “катод 1-анод1-анод2-катод2” или “анод1-катод1-катод2-анод2”). Вышеуказанная схема включения позволяет вычитать два сигнала аналоговым образом, что полностью эквивалентно раздельному измерению сигналов и последующему вычитанию, однако встречное включение диодов дает некоторые преимущества при проектировании и настройке усилителей, поскольку можно выровнять сигналы в исходном состоянии и повысить таким образом чувствительность схемы. Недостатком последовательного встречного включения диодов является зависимость показаний от интенсивности пламени, а также от небольшого отклонения от направления на пламя.

Пример 3. Фотодиод из InAsSb, имеющий максимум чувствительности на длине волны 4.3 мкм и описанный в [9], и фотодиод из InAs, описанные в примере 1, устанавливались по отношению к пламени спиртовки аналогично первому примеру, но на расстоянии 10 см от него. Калибровка по п.2 производилась путем расчетов с использованием спектра насыщенных паров спирта, измеренного на спектрометре ИКС-29 при длине кюветы 10 см, показанного на Фиг.4, где 16 - спектр пропускания спирта, 17 - спектр чувствительности фотоприемника, 18 - произведение спектра чувствительности фотодиода из арсенида индия на спектр пропускания спирта. Для расчета величины чувствительности (dU/)_к вычислялась площадь, занимаемая спектром чувствительности диода U₁, показанная пунктирной линией, и площадь под кривой, представляющей произведение чувствительности на спектр пропускания U₂. Очевидно, что параметр, равный U/U=(U₁-U₂)/U₁, есть чувствительность фотодиода к спирту (аналогичный подход при вычислении dU/ был нами описан ранее в работе [Remennyi 2003]). Для простоты спектр пламени предполагался не имеющим особенностей в показанном на Фиг.4 диапазоне длин волн. Оценки по описанному методу дали значение dU/=0.162 для насыщенных паров спирта при длине пути 10 см. При проведении измерений измерялся сигнал с обоих фотодиодов, после чего под линией луча устанавливалась плоская кювета размерами 10*5 см, в которой был налит спирт. Пары спирта, испаряясь на воздухе, попадали в оптический канал и изменяли сигнал диода из арсенида индия на 3%. При этом сигнал с диода InAsSb практически не изменялся. Таким образом, можно было заключить, что концентрация паров спирта в воздушном канале составляла 0.03/0.162 19% от концентрации насыщенных паров при данной температуре.

Пример 4. Для реализации способа по п.2 фотодиод из InAsSb, имеющий максимум чувствительности на длине волны 4.3 мкм, описанный в примере 3, и фотодиод из InAs, описанный в примере 1, устанавливались по отношению к пламени спиртовки аналогично первому примеру. Для повышения чувствительности к углекислому газу перед фотодиодом из InAsSb устанавливался узкополосный интерференционный фильтр, имеющий спектр пропускания, показанный на Фиг.5, где цифрами обозначены: 19 - спектр чувствительности диода из InAsSb, 20 - спектр пропускания фильтра, 21 - спектр пропускания атмосферного воздуха (0.03% об.) при длине пути 170 см. Калибровка производилась аналогично второму примеру. Отличие состояло в том, что из кюветы откачивался атмосферный воздух. При этом сигнал на фотодиоде (фаза “углекислый газ”) возрастал относительно состояния с заполненной атмосферным воздухом кюветой (фаза “воздух”) на величину (dU/)_к =-0.186, что соответствовало суммарной “трассовой концентрации”, равной C*L=-0.0003*10=-0.003 см. Величина C*L получилась отрицательной из-за определения понятия “поглощения”. Сигнал с фотодиода из арсенида индия не изменялся при откачке воздуха из кюветы. По завершении калибровки кювета изымалась из оптического пути, измерялась величина U₁ (фаза “воздух”), в область пространства, ранее ею занимавшего, вдувалась смесь, содержащая углекислый газ, измерялся сигнал U₂ (фаза “углекислый газ”) аналогично первому примеру. Сигнал на фотодиоде из арсенида индия не изменялся при переходе от фазы “воздух” в фазу “углекислый газ”, что свидетельствовало с большой долей вероятности о том, что смесь не содержит иных, кроме углекислого газа и воздуха, компонентов. Величина сигнала на фотодиоде InAsSb при вдувании смеси уменьшалась, причем (dU/)_и=0.3. Аналогично первому примеру находим, что “трассовая концентрация” углекислого газа составляет (C*L)_и=0.00483 см.

Пример 5. Для определения наличия в оптическом канале продуктов горения (п.3 формулы изобретения) два идентичных диода из InAsSb, имеющих максимальную спектральную чувствительность на длине волны 4.3 мкм, описанных в примере 4, устанавливались так, что направление максимальной чувствительности каждого из них совпадало с направлением на спиртовку. Перед одним из диодов устанавливали пленку фторопласта толщиной 200 мкм, изменяющую спектр чувствительности, как показано на Фиг.6, где цифрами обозначены: 19 - спектр чувствительности фотодиода, измеренного в условиях атмосферного воздуха на расстоянии 170 см от источника; 22 и 23 - спектры чувствительности в тех же условиях, но при толщине пленки фторопласта 200 и 550 мкм, соответственно.

Производили измерение отношения двух фотосигналов при слабом потоке воздуха, направленным поперек луча “пламя-фотодиод”, относящим продукты горения прочь от оптического пути. Изменяли направление потока воздуха так, что продукты горения попадали в оптический тракт. При этом величина фотосигнала на диоде с “негативной фильтрацией” не изменялась, в то время как наблюдали падение сигнала на фотодиоде, не закрытом пленкой фторопласта, что свидетельствовало об увеличении концентрации углекислого газа в оптическом тракте. Этот опыт имитирует обнаружение продуктов горения, относимых ветром от нефтяного факела на буровых вышках/платформах.

Пример 6. Для реализации способа по п.4 два идентичных фотодиода из InAsSb с иммерсионными линзами, описанные в вышеприведенном примере 5, снабженные узкополосными фильтрами, пропускающими излучение на длине волны 4.3±0.1 мкм и обозначенные на Фиг.7 соответственно цифрами 1 и 2, пламя спиртовки 3 и сферическое зеркало 24 устанавливались так, что направление максимальной чувствительности диодов 1 и 2 было направлено на пламя спиртовки 3, причем диод 2 находился в фокусе лучей, испущенных пламенем 3 по направлению 4 и отраженных от зеркала 24 по направлению 4. Процесс калибровки состоял в помещении вместо спиртовки накального источника и измерения соотношения сигналов (U₁/U₂), получаемых с диодов при включении накального источника. Путем юстировки коэффициентов усиления системы добивались чтобы (U₁/U₂)=1. Зажигали спиртовку и устанавливали ее вместо накального источника так, как описано выше. При этом (U₁/U₂) было равно 1.06, из чего следовало, что содержание углекислого газа в оптическом ходе лучей системы увеличивалось за счет диффузии продуктов горения. Изображенная на Фиг.7 система чувствительна к изменению концентрации поглощающего газа, потому что ход лучей от источника до приемника (L) существенно неодинаков для диодов 1 и 2. Так, исходя из Фиг.7 можно считать, что L₂ 4L₁. Действительно, повышение концентрации углекислого газа путем намеренного замедления вытяжки из помещения, где находились установка и персонал, приводило к увеличению соотношения U₁/U₂, что свидетельствовало о превалирующем повышении поглощения в более длинном оптическом канале. Вдувание струи метана в установку приводило к уменьшению U₁/U₂ из-за вытеснения углекислого газа из оптического канала (тракта).

Пример 7. В непосредственной близости от пламени спиртовки на расстоянии 1 см от нее со стороны, противоположной направлению “пламя-фотоприемники” нами была помещена полированная медная пластинка диаметром 30 мм и были повторены все операции, описанные в примере 6. При этом из-за радиационного (отражение от пластины) и теплового (нагрев пластины) контакта с пламенем (п.5) произошло увеличение плотности радиационного излучения вблизи 4.3 мкм, падающего на фотоприемники, и увеличение отношения сигнал/шум на 5% и, соответственно, ожидаемое возрастание точности определения компонента по сравнению с примером 6.

Литература

l. James Podolske & Max Loewenstein. "Airborne tunable diode laser spectrometer for trace-gas measurements in the lower stratosphere", Applied Optics Vol 32 No 27, September 1993.

2. Gleason Romans. "Method of detecting pipe line leaks", USA patent 3,032,655 patented May 1, 1962.

3. Jack, M. D., et. al. (1998) Method and Apparatus for Remote Measurement of Exhaust Gas, US pat.5,831,267, Nov. 3, 1998.

4. И.И.Марков, Б.А.Матвеев, А.А.Тарасова. “Способ определения качественного и количественного состава среды”. Авт. свид. СССР SU 1819348 A3, опубликовано 30.05.93. Бюл.№20.

5. B.A.Matveev, G.A.Gavrilov, V.V.Evstropov, N.V.Zotova, S.A. Karandashov, G.Yu.Sotnikova, N.M. Stus’, G.N.Talalakin and J.Malinen, "Mid-infrared (3-5 mm) LEDs as sources for gas and liquid sensors", Sensors and Actuators В 38-39 (1997) 339-343.

6. Matveev, Boris A.; Zotova, Nonna V.; Karandashev, Sergey A.; Remennyi, Maxim A.; Stus’, Nikolai M.; Talalakin, Georgii N. "Backside illuminated In(Ga)As/InAsSbP DH photodiodes for methane sensing at 3.3 um", Proc. SPIE Vol 4650. p.173-178, Photodetector Materials and Devices VII (2002).

7. Boris A. Matveev, Meyrhan Aydaraliev, Nonna V. Zotova, Sergey A. Karandashov, Natalia D. Il"inskaya. Maxim A. Remennyi, Nikolai M. Stus’, Georgii N. Talalakin “Flip-chip bonded InAsSbP and InGaAs LEDs and detectors for the 3 m Spectral Region". - Принято к опубликованию в IЕЕ Optoelectronics Journal, 2003 (special issue on MIOMDV).

8. "Прикладная ИК-спектроскопия"/Под ред. Д.Кендала. - М.: Мир, 1970, стр.229.

9. M.A.Remennyi, N.V.Zotova, S.A.Karandashev, B.A.Matveev, N.M.Stus, G.N.Talalakin. "Low voltage episide down bonded mid-IR diode optopairs for gas sensing in the 3.3-4.3 т spectral range”. - Принято к опубликованию в "Sensors & Actuators", 2003.