[go: up one dir, main page]

RU2568038C1 - Method to detect microconcentrations of flammable and toxic gases - Google Patents

Method to detect microconcentrations of flammable and toxic gases Download PDF

Info

Publication number
RU2568038C1
RU2568038C1 RU2014126202/28A RU2014126202A RU2568038C1 RU 2568038 C1 RU2568038 C1 RU 2568038C1 RU 2014126202/28 A RU2014126202/28 A RU 2014126202/28A RU 2014126202 A RU2014126202 A RU 2014126202A RU 2568038 C1 RU2568038 C1 RU 2568038C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radiation
slave
supports
receiver
pulses
Prior art date
Application number
RU2014126202/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Алексеевич Горбунов
Ювеналий Александрович Крутяков
Семен Анатольевич Литвин
Станислав Филиппович Чалкин
Original Assignee
Михаил Алексеевич Горбунов
Ювеналий Александрович Крутяков
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Михаил Алексеевич Горбунов, Ювеналий Александрович Крутяков filed Critical Михаил Алексеевич Горбунов
Priority to RU2014126202/28A priority Critical patent/RU2568038C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2568038C1 publication Critical patent/RU2568038C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: method includes penetration of infrared radiation via controlled volume on working and reference wave lengths. Wave lengths are chosen so that radiation on the working wave length is absorbed, and on the reference wave length is not absorbed by gas. As sources of radiation they use two semiconductor radiators, which operate in pulse mode. Radiation from sources is focused in the plane of the radiation receiver. Radiators are equipped with interferential filters to narrow the radiation spectrum band. Durations of pulses of working and reference radiation are equal to each other. The radiator on the working wave length is started by clock pulses from the generator directly, and the reference radiator is started with a time delay. Signals received from the receiver of radiation arrive to two amplifiers. At the same time the amplifier for the reference wave length opens with a delay. Outlet signals of amplifiers are compared by a comparison system.
EFFECT: increased sensitivity.
2 cl, 6 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способу обнаружения микроконцентраций горючих газов задолго до образования взрывоопасной смеси с воздухом, токсичных и других газов задолго до образования опасных для жизни концентраций, и может быть использовано в решении задач мониторинга зон с возможными утечками этих газов.The invention relates to measuring technique, and in particular to a method for detecting micro-concentrations of combustible gases long before the formation of an explosive mixture with air, toxic and other gases long before the formation of life-threatening concentrations, and can be used in solving problems of monitoring zones with possible leakages of these gases.

В настоящее время в поисковых системах Интернета (Google, Yandex) можно обнаружить большое число предложений приборов газоанализаторов для широкого спектра горючих и токсичных газов. Так, в работах [1, 2, 3, 4, 5, 6] приведены параметры газоанализаторов, работа которых основана на селективном поглощении газами углеводородной группы излучения инфракрасного (ИК) диапазона с длиной волны 2÷5 мкм. Обнаружение токсичных и других газов опасных для человека, основанное на селективном поглощении этими газами ИК излучения, также возможно предлагаемым способом.Currently, in the Internet search engines (Google, Yandex), you can find a large number of proposals for gas analyzers for a wide range of combustible and toxic gases. So, in [1, 2, 3, 4, 5, 6] the parameters of gas analyzers are given, the operation of which is based on the selective absorption of infrared (IR) radiation with a wavelength of 2–5 μm by gases of the hydrocarbon group. Detection of toxic and other gases hazardous to humans, based on the selective absorption of infrared radiation by these gases, is also possible by the proposed method.

В дальнейшем анализ возможной реализации предлагаемого способа будет производиться на примере обнаружения горючих газов углеводородной группы в диапазоне длин волн ИК излучения 2÷5 мкм.Further analysis of the possible implementation of the proposed method will be carried out on the example of the detection of combustible gases of a hydrocarbon group in the wavelength range of infrared radiation 2 ÷ 5 μm.

В работе [7], в которой также используется абсорбированное поглощение длин волн в указанном диапазоне, предложено повышение точности измерения концентрации газов и повышение надежности работы за счет исключения механических подвижных частей в приборе.In [7], which also uses absorbed absorption of wavelengths in the indicated range, it is proposed to increase the accuracy of measuring gas concentrations and increase the reliability by eliminating mechanical moving parts in the device.

Описанный в [7] ИК газоанализатор может быть принят в качестве прототипа (аналога) предлагаемого способа по техническому исполнению и достигаемому результату.The infrared gas analyzer described in [7] can be adopted as a prototype (analog) of the proposed method for technical performance and the achieved result.

Недостатком прототипа, как и многих анализаторов из [1, 2, 3, 4, 5, 6] является невысокая чувствительность при обнаружении горючих газов (не превышает 2·10-3 атм, что в 10 раз меньше взрывоопасного уровня). Этот недостаток вызван в основном маленькими размерами контролируемого объема (малым расстоянием ИК излучатель - ИК приемник).The disadvantage of the prototype, as well as many analyzers from [1, 2, 3, 4, 5, 6] is the low sensitivity when detecting combustible gases (does not exceed 2 · 10 -3 atm, which is 10 times less than the explosive level). This disadvantage is caused mainly by the small size of the monitored volume (the small distance of the IR emitter - IR receiver).

Другим недостатком прототипа является сложность оптических систем прохождения рабочего и опорного ИК лучей, а также наличие двух ИК приемников при регистрации этих лучей, шумовые характеристики которых могут быть близки, но никогда не совпадают. Последний недостаток важен при регистрации микроконцентраций токсичных газов.Another disadvantage of the prototype is the complexity of the optical systems for transmitting the working and reference IR rays, as well as the presence of two IR receivers when registering these rays, the noise characteristics of which can be close, but never coincide. The latter drawback is important when registering micro-concentrations of toxic gases.

Недостатком газоанализаторов с ИК излучателем в виде He-Ne-лазера является большой вес и высокая стоимость этих приборов.The disadvantage of gas analyzers with an infrared emitter in the form of a He-Ne laser is the high weight and high cost of these devices.

Техническим результатом предлагаемого способа является устранение перечисленных недостатков прототипа.The technical result of the proposed method is to eliminate the above disadvantages of the prototype.

Обнаружение утечек горючих газов задолго до образования взрывоопасной смеси с воздухом не менее 0,0002 атм включает в себя операции пропускания двух близких по значению инфракрасных (ИК) излучений на рабочей λраб и опорной λопор длинах волн через контролируемый объем, в котором излучение на λраб горючие газы поглощают, а на λопор не поглощают, при этом выходные сигналы ИК приемника, на который воздействует излучение на λраб и λопор, формируют системой обработки информационный сигнал о наличии утечки и ее масштабе. В соответствии с предложением ИК излучения на длины λраб и λопор осуществляют двумя полупроводниковыми излучателями, которые работают в импульсном режиме и которые располагают рядом друг с другом так, что оси излучателей направляют на центр ИК приемника, а расстояние ИК излучатели - ИК приемник образует контролируемое пространство, при этом оба ИК излучателя снабжают интерференционными фильтрами, которые «сужают» спектр излучения, а сами излучения фокусируют в плоскости приема этих излучений так, что размер сфокусированных излучений устанавливают из условия Dизл≤5 Dпр, длительности импульсов излучения на λраб и λопор равны друг другу, Δtраб=Δtопор, а тактовую частоту Fт, которая задает импульсный режим работы, устанавливают тактовым генератором из равенстваThe detection of flammable gas leaks long before the formation of an explosive mixture with air of at least 0.0002 atm includes the operation of transmitting two infrared (IR) radiation close in value to the working λ slave and reference λ wavelength supports through a controlled volume in which the radiation at λ the slave absorbs combustible gases, but does not absorb on the pylons , while the output signals of the IR receiver, which is affected by the radiation on the slaves and pylons , form an information signal on the presence of leakage and its scale by the processing system. In accordance with the proposal of IR radiation for the lengths λ, the slave and λ supports are carried out by two semiconductor emitters, which operate in a pulsed mode and which are located next to each other so that the axis of the emitters is directed to the center of the IR receiver, and the distance of the IR emitters - the IR receiver forms a controlled space, while both IR emitters are equipped with interference filters that “narrow” the radiation spectrum, and the radiation itself is focused in the plane of reception of these emissions so that the size of the focused radiation establish from the condition D rad ≤5 D CR , the duration of the radiation pulses at λ slave and λ supports are equal to each other, Δt slave = Δt supports , and the clock frequency F t , which sets the pulse mode of operation, set the clock generator from the equality

Figure 00000001
Figure 00000001

при этом ИК излучатель на λраб запускают тактовыми импульсами от генератора напрямую, а излучатель на λопор запускают тактовыми импульсами, которые задерживают на время в диапазонеin this case, the IR emitter at λ slave is triggered by clock pulses from the generator directly, and the emitter at λ poles is triggered by clock pulses that delay for a time in the range

Figure 00000002
Figure 00000002

и обеспечивают временное разнесение импульсов ИК излучения на λраб и λопор, а выходные импульсные сигналы ИК приемника подают на входы двух усилителей, которые закрыты по входу в исходном состоянии и их открывают синхронно с появлением выходных импульсов ИК приемника, для чего усилитель на λраб открывают тактовыми импульсами напрямую от генератора, а усилитель на λопор открывают тактовыми импульсами, которые задерживают на время Тзад, при этом время работы усилителей устанавливают равным 0,9 Δtраб, а выходные сигналы усилителей сравнивают в схеме сравнения, для чего выходной сигнал усилителя на λраб задерживают на время Тзад; где Dизл и Dпр - соответственно размер сфокусированных излучений на λраб и λопор в плоскости ИК приемника и размер входного окна приемника, Тт - период повторения тактовых импульсов, q - скважность импульсного режима.and provide temporary separation of IR radiation pulses by λ slave and λ supports , and the output pulse signals of the IR receiver are fed to the inputs of two amplifiers, which are closed at the input in the initial state and are opened synchronously with the appearance of the output pulses of the IR receiver, for which the amplifier by λ slave open clock directly from the generator, and an amplifier λ supports open clock that is delayed by a time T back, wherein the operation amplifier is set to 0,9 Δt slave, and the output signals of amplifiers Cf. ivayut in a comparison circuit, which output amplifier λ slave is delayed by a time T back; where D rad and D pr - respectively, the size of the focused radiation on λ slave and λ supports in the plane of the IR receiver and the size of the input window of the receiver, T t - the repetition period of clock pulses, q - duty cycle of the pulse mode.

Еще в одном варианте предложенного способа общее время работы Тсис ограничивают по времени в соответствии с выражениемIn another embodiment of the proposed method, the total operating time T sis is limited in time in accordance with the expression

Figure 00000003
Figure 00000003

а схему сравнения снабжают функцией накопления разностных сигналов, которые возникают на каждом периоде Тт, число которых задают равным N.and the comparison circuit is equipped with a function of accumulating difference signals that occur on each period T t , the number of which is set equal to N.

В дальнейшем пояснение при обосновании реализации предложенного способа подтверждается чертежами.In the following, the explanation when substantiating the implementation of the proposed method is confirmed by the drawings.

Фиг. 1 - спектральные характеристики рекомендуемых ИК излучателей серии ИЛ 151 А на Δраб=3,39 мкм и λопр=3,0 мкм;FIG. 1 - spectral characteristics of the recommended IR emitters of the IL 151 A series at Δ slave = 3.39 μm and λ spec = 3.0 μm;

Фиг. 2а - упрощенная блок-схема ИК излучателей, FIG. 2a is a simplified block diagram of IR emitters,

где 1 и 2 - излучатели на λраб и λопор,where 1 and 2 are emitters on λ slave and λ supports ,

3 и 4 - оптические фильтры на λраб и λопор,3 and 4 - optical filters for λ slave and λ supports ,

5 и 6 - фокусирующие линзы РЖ диапазона,5 and 6 - focusing lenses of the RZ range,

7 и 8 - формирователи импульсов, которые запускают (включают) излучатели 1 и 2,7 and 8 - pulse shapers that trigger (include) emitters 1 and 2,

9 - линия задержки на время Тзад,9 - line delay for the time T ass ,

10 - тактовые импульсы;10 - clock pulses;

Фиг. 2б - временная диаграмма работы блока ИК излучателей;FIG. 2b is a timing diagram of the operation of a block of infrared emitters;

Фиг. 3 - спектральные обнаружительные способности рекомендуемых фотоприемников серии РД-36 и РД-43;FIG. 3 - spectral detection capabilities of the recommended photodetectors of the RD-36 and RD-43 series;

Фиг. 4а - упрощенная блок-схема ИК приемника, FIG. 4a is a simplified block diagram of an IR receiver,

где 11 - фотоприемник серии РД-36 или РД-43,where 11 is the photodetector of the RD-36 or RD-43 series,

12 и 13 - усилители выходных сигналов фотоприемника (закрытых в исходном состоянии),12 and 13 - amplifiers of the output signals of the photodetector (closed in the initial state),

14 и 15 - электронные ключи, отпирающие усилители 12 13 синхронно с приходами на их входе сигналов фотоприемника,14 and 15 - electronic keys, unlocking amplifiers 12 13 synchronously with the arrivals at their input of the signals of the photodetector,

16 - генератор тактовых импульсов с частотой FT (периодом повторения Тт),16 is a clock generator with a frequency of FT (repetition period T t ),

17 - схема сравнения выходных сигналов с усилителей 12 и 13,17 is a diagram for comparing output signals from amplifiers 12 and 13,

18 - усилитель разностного сигнала со схемы сравнения,18 - amplifier differential signal from the comparison circuit,

19 - индикаторный блок с указанием измеренного уровня концентрации токсических газов в контролируемом объеме;19 is an indicator block indicating the measured level of toxic gas concentration in a controlled volume;

Фиг. 4б - временная диаграмм работы блока приемника.FIG. 4b is a timing diagram of the operation of the receiver unit.

Возможность практической реализации предложенного способа далее обосновывается на примерах смеси углеводородов с воздухом. Нижний предел взрывоопасности для таких газов составляет ~2%, то есть при атмосферном давлении опасной считается добавка этих газов (от метана до бутана) в количестве 0,02 атм, как указано [8, 9].The possibility of practical implementation of the proposed method is further justified by examples of a mixture of hydrocarbons with air. The lower explosion limit for such gases is ~ 2%, that is, at atmospheric pressure, the addition of these gases (from methane to butane) in an amount of 0.02 atm is considered dangerous, as indicated [8, 9].

Предлагаемый способ базируется на следующих исходных данных:The proposed method is based on the following source data:

- коэффициент поглощения ИК излучения α углеводородами колеблется от 7 см-1 атм-1 до 23 см-1 атм-1, что позволяет использовать для расчетов среднее значение поглощения - 15 см-1 атм-1 [10];- the absorption coefficient of infrared radiation α hydrocarbons ranges from 7 cm -1 ATM -1 to 23 cm -1 ATM -1 , which allows you to use the average absorption value for calculations - 15 cm -1 ATM -1 [10];

- поглощение ИК излучения подчиняется закону Бугера-Бера [11] вида- the absorption of IR radiation obeys the Bouguer-Beer law [11] of the form

Figure 00000004
Figure 00000004

где Ро и Ρ - соответственно мощность ИК источника излучения и мощность этого излучения на расстоянии L от источника.where P about and Ρ - respectively, the power of the IR radiation source and the power of this radiation at a distance L from the source.

В таблице 1 приведены расчетные значения отношения Р/Ро при различных значениях α и L, при этом содержание углеводородов в воздухе выражено в % и в давлении. Отметим, что содержание горючих газов в воздухе равно 0,2% (2·10-3 атм), в 10 раз меньше взрывоопасного уровня, содержание, равное 0,02% (2·10-4 атм), - в 100 раз меньше взрывоопасного уровня и содержание 0,002% (2·10-5 атм) - в 1000 раз меньше взрывоопасного уровня, что соответствует нормальному их содержанию в атмосфере.Table 1 shows the calculated values of the ratio P / P about at various values of α and L, while the hydrocarbon content in the air is expressed in% and in pressure. Note that the content of combustible gases in the air is 0.2% (2 · 10 -3 atm), 10 times less than the explosive level, the content equal to 0.02% (2 · 10 -4 atm) is 100 times less explosive level and the content of 0.002% (2 · 10 -5 atm) - 1000 times less than the explosive level, which corresponds to their normal content in the atmosphere.

Таблица 1Table 1 Содержание углеводородов в воздухеHydrocarbon content in the air %% 0,0020.002 0,020.02 0,20.2 атмatm 2·10-5 2 · 10 -5 2·10-4 2 · 10 -4 2·10-3 2 · 10 -3 L=50 смL = 50 cm 1,5·10-2 1.5 · 10 -2 0,150.15 1,51,5 α·Lα · L 100 см100 cm 3·10-2 3 · 10 -2 0,30.3 3,03.0 200 см200 cm 6·10-2 6 · 10 -2 0,60.6 6,06.0 L=50 смL = 50 cm 0,990.99 0,86070.8607 0,22310.2231 Р/Ро R / R about 100 см100 cm 0,970.97 0,74080.7408 0,04980,0498 200 см200 cm 0,940.94 0,54800.5480 0,002480,00248

Из табл.1 следует, что с увеличением расстояния прохождения ИК излучения в воздухе L отношение Р/Ро уменьшается, что свидетельствует о росте поглощения мощности в воздухе с различным содержанием горючих газов.From table 1 it follows that with increasing distance of transmission of IR radiation in air L, the ratio P / P о decreases, which indicates an increase in power absorption in air with different contents of combustible gases.

Так, при L=100 см поглощение при содержании газов, равном 2·10-4 и 2·10-5 атм, составляет соответственно 0,26 Ро и 0,03 Ро. Конечно, первое значение поглощения ИК излучения зарегистрировать значительно проще, если Ро имеет достаточно большое значение.So, at L = 100 cm, the absorption at a gas content of 2 · 10 -4 and 2 · 10 -5 atm is 0.26 P about and 0.03 P about , respectively. Of course, the first value of the absorption of IR radiation is much simpler to register if P o is of sufficiently great importance.

Таким образом, целесообразным следует считать расстояние L между ИК измерителем и ИК приемником при реализации предложенного способа в переносном конструктивном исполнении не менее 100 см.Thus, it is advisable to consider the distance L between the IR meter and the IR receiver when implementing the proposed method in a portable embodiment of at least 100 cm.

В качестве ИК излучателей авторы предлагают использовать разработанные и производимые на предприятии ОАО НИИ «Гириконд» (г. Санкт-Петербург) малогабаритные быстродействующие полупроводниковые ИК излучатели серии ИЛ 151 А на основе фрактально структурированных нанокомпозитных пленок соленида свинца и твердых растворов на его основе.As IR emitters, the authors propose using small-sized high-speed semiconductor IR emitters IL 151 A series developed and manufactured at the enterprise of the Scientific Research Institute “Girikond” (St. Petersburg) based on fractally structured nanocomposite films of lead solenide and solid solutions based on it.

Спектральные характеристики предложенных ИК излучателей приведены на фиг. 1, а характеристики источников излучения в таблице 2 (из [12]).The spectral characteristics of the proposed IR emitters are shown in FIG. 1, and the characteristics of the radiation sources in table 2 (from [12]).

Таблица 2table 2 Техническая характеристикаTechnical specifications Ед. изм.Units rev. ИЛ 151 А-ВIL 151 A-B ИЛ 151 А-ДIL 151 A-D Длина волны максимума излученияMaximum radiation wavelength мкмμm 3,43.4 3,003.00 Ширина спектра излучения (на уровне 0,5)The width of the radiation spectrum (at the level of 0.5) мкмμm 0,50.5 0,50.5 Мощность излучения
(непрерывный режим)
Radiation power
(continuous mode)
мВтmW 0,160.16 0,160.16
Мощность излучения (импульсный режим)Radiation Power (Pulse Mode) ВтTue 1,21,2 1,21,2 Постоянное прямое напряжениеDirect forward voltage ВAT 1010 1010 Постоянный прямой токDirect forward current АBUT одod 0,10.1 Импульсный прямой токPulsed Forward Current АBUT 2,02.0 2,02.0 СкважностьGoodness 200200 200200 Длительность импульсаPulse duration МКСISS 100one hundred 100one hundred Время нарастания (спада)
импульсного излучения
Rise (fall) time
pulsed radiation
МКСISS 1010 1010

Длина волны излучения, соответствующая максимуму излучения (то есть фотолюминесценции), находится в прямой зависимости от полупроводникового материала и метода изготовления излучающей пленки. Из фиг. 1 и табл.2 следует, что для предлагаемого способа следует использовать для рабочей длины волны λраб=3,39 мкм излучатель ИЛ 151 А-В с концентрацией CdSe в твердом растворе Pb1-xCdxSe, равной 10%, и излучатель на λопр=3,0 мкм с концентрацией CdSe, равной 20%. Так как ширина спектра поглощения токсичными газами в среднем составляет 20-60 нм [10, 13], то рекомендованный излучатель на λраб необходимо снабдить оптическим интерференционным фильтром, который «сужает» излучаемый спектр (без фильтра спектр на полувысоте составляет 500 нм из табл. 2). Фильтр представляет собой кремниевую пластину толщиной 380 мкм с двусторонним многослойным оптическим покрытием. Ширина спектра узкополостного интерференционного фильтра составляет 40 нм при пропускании не менее 0,7.The radiation wavelength corresponding to the maximum radiation (i.e., photoluminescence) is in direct proportion to the semiconductor material and the method of manufacturing the emitting film. From FIG. 1 and Table 2 it follows that for the proposed method it is necessary to use a radiator IL 151 A-B with a concentration of CdSe in a solid solution of Pb 1-x Cd x Se equal to 10% for a working wavelength λ slave = 3.39 μm, and a radiator at λ opt = 3.0 μm with a CdSe concentration of 20%. Since the width of the absorption spectrum of toxic gases averages 20–60 nm [10, 13], the recommended emitter for λ slave must be equipped with an optical interference filter that “narrows” the emitted spectrum (without a filter, the half-maximum spectrum is 500 nm from Table. 2). The filter is a 380 μm thick silicon wafer with a double-sided multilayer optical coating. The width of the spectrum of a narrow-band interference filter is 40 nm with a transmission of at least 0.7.

Предлагается и на ИК излучателе на λопор установить аналогичный узкополостной фильтр на 3,0 мкм с шириной спектра излучателя 40 мкм и пропусканием не менее 0,7, что существенно упростит настройку на ноль измерительной системы.It is also proposed to install a similar narrow-band filter at 3.0 μm with an emitter bandwidth of 40 μm and a transmittance of at least 0.7 on an IR emitter on λ supports , which will greatly simplify the adjustment to zero of the measuring system.

Важным при реализации способа является возможность изготовления упомянутых фильтров по специальному заказу на том же предприятии «Гириконд».Important in the implementation of the method is the ability to manufacture the mentioned filters by special order at the same enterprise "Girikond".

Полный угол ИК излучения в приборах серии ИЛ 151 А можно принять равным 40° по аналогии с другими ИК излучателями, выпускаемыми в корпусе КТ-2 (см. [12]) предприятия «Гириконд».The full angle of IR radiation in the devices of the IL 151 A series can be taken equal to 40 ° by analogy with other IR emitters manufactured in the KT-2 package (see [12]) of the Girikond enterprise.

При рекомендованном расстоянии РЖ излучатели - ИК приемник L=100 см и угле излучения 40° излучатели в плоскости приемника формируют пятно диаметром ~73 см. При приемной площадке приемника, например, равной ~4·10-2 см на нее в этом случае поступает излучение ~10-5 от излучающей мощности Ро. С учетом других потерь Ро, о которых будет указано далее, необходимость фокусировки на λраб и λοпοр является обязательной. В предложенном способе размер сфокусированных ИК излучений Dизл на λраб и λопор рекомендуется привязать к размеру входного окна ИК приемника Dпр, а выражение для этой связи будет предложено далее в описании.At the recommended distance of the RF emitters - the IR receiver L = 100 cm and the radiation angle of 40 °, the emitters form a spot with a diameter of ~ 73 cm in the plane of the receiver. For example, when the receiving area of the receiver is ~ 4 · 10 -2 cm, it receives radiation ~ 10 -5 of the radiating power R about . Taking into account other losses R о , which will be indicated below, the need for focusing on λ slave and λ οpor is mandatory. In the proposed method, size of focused infrared radiation in rad D λ and λ slave supports recommended bind to the size of the infrared receiver window of the input D, etc., and the expression for this connection will be offered hereinafter.

Таким образом, каждый излучатель следует также снабдить фокусирующей германиевой линзой [11]. При этом оба излучателя на λраб и λопор располагают рядом друг с другом (возможно касание корпусов), но существенным при конструктивном исполнении устройства, реализующего предлагаемый способ, является следующее - оси излучателей и излучений направляют на центр ИК приемника. Для упрощения исполнения этого требования предлагается ИК излучатели и ИК приемник размещать на единой жесткой опоре с конструктивными элементами, которые при смене приемников и излучателей обеспечивают выполнение указанного требования.Thus, each emitter should also be equipped with a focusing germanium lens [11]. In this case, both emitters on λ slave and λ supports are located next to each other (possibly touching the housings), but the following is essential for the design of the device that implements the proposed method - the axis of the emitters and radiation is directed to the center of the IR receiver. To simplify the implementation of this requirement, it is proposed that the IR emitters and the IR receiver be placed on a single rigid support with structural elements that, when exchanging receivers and emitters, ensure that this requirement is met.

Как следует из таблицы 2, максимальную мощность излучения позволяет реализовать импульсный режим излучения, который рекомендуется авторами.As follows from table 2, the maximum radiation power allows you to implement a pulsed radiation mode, which is recommended by the authors.

На фиг. 2а представлена блок-схема работающих в импульсном режиме ИК излучателей, где под 1 и 2 обозначены излучатели на λраб и λοпοр, которые снабжены узкополосными оптическими фильтрами 3 и 4 и фокусирующими линзами 7 и 8. Излучатели 1 и 2 включают формирователи импульсов 7 и 8, которые запускают тактовыми импульсами от генератора. Для временного смещения импульсов излучения на λраб и λопор излучение на λопор задерживают на время Тзад, для чего тактовые импульсы 10 запускают формирователь импульса 8 через линию задержки 9. Так как рекомендуемые ИК излучатели должны работать в импульсном режиме с известными характеристиками (см. табл. 2), то эти характеристики и являются рабочими. Поэтому длительность излучения на λраб и λопор следует устанавливать равными Δtраб=λtопор=100 мкс. Рекомендуемая скважность излучений q=200, тактовая частота Fт тактового генератора оказывается равнойIn FIG. Figure 2a shows a block diagram of pulsed IR emitters, where 1 and 2 denote emitters for λ slave and λ impulse , which are equipped with narrow-band optical filters 3 and 4 and focusing lenses 7 and 8. Radiators 1 and 2 include pulse shapers 7 and 8, which are triggered by clock pulses from a generator. To temporarily shift the radiation pulses by λ slaves and λ poles, the radiation by λ poles is delayed for a time T back , for which clock pulses 10 start the pulse shaper 8 through the delay line 9. Since the recommended IR emitters should work in a pulsed mode with known characteristics (see . tab. 2), then these characteristics are working. Therefore, the radiation duration at λ slave and λ supports should be set equal to Δt slave = λt supports = 100 μs. Recommended duty cycle q = 200, the clock frequency F t of the clock generator is equal to

Figure 00000005
Figure 00000005

где Τт - период повторения импульсов.where Τ t is the pulse repetition period.

Значение Fт может изменяться (для данных табл. 2

Figure 00000006
в связи с этим и импульс излучения может быть длительностью, меньшей 100 мкс, и скважность q может быть больше значения 200 (при этих изменениях параметры излучений не изменяются).The value of F t may vary (for the data of table. 2
Figure 00000006
in this regard, the radiation pulse can also be shorter than 100 μs, and the duty cycle q can be greater than 200 (with these changes, the radiation parameters do not change).

Если длительность ИК излучения λtраб и λtопор взять из табл. 2, то время задержки Тзад авторы предлагают равным Тзад=(0,4÷0,6) Тт. В этом случае при

Figure 00000007
с задержка Тзад=(8÷12)·10-3 с и при ее среднем значении Тзад=0,5 Тт импульсы излучения на λраб и λопор окажутся разведенными по времени и будут восприниматься ИК фотоприемником как импульс с частотой 100 Гц. Предложенный диапазон изменения задержки Тзад связан с тем, что временной интервал между импульсами излучения меньше 0,4 Тт (то есть меньше 8·10-3 с), по мнению авторов, может вызвать затруднения при приеме таких импульсов фотоприемником.If the duration of infrared radiation λt slave and λt supports take from table. 2, the delay time T ass, the authors propose equal to T ass = (0.4 ÷ 0.6) T t In this case, when
Figure 00000007
s delay T ass = (8 ÷ 12) · 10 -3 s and at its average value T ass = 0.5 T t the radiation pulses at λ slave and λ supports will be separated in time and will be perceived by the IR photodetector as a pulse with a frequency of 100 Hz The proposed range of changes in the delay T ass associated with the fact that the time interval between the radiation pulses is less than 0.4 T t (that is, less than 8 · 10 -3 s), according to the authors, can cause difficulties when receiving such pulses with a photodetector.

На фиг. 2б приведена описанная выше временная диаграмма работы блока излучателей. Каждая диаграмма изображает положение основных импульсов в главных точках схемы на временной оси:In FIG. 2b shows the above-described timing diagram of the operation of the emitter unit. Each diagram depicts the position of the main pulses at the main points of the circuit on the time axis:

т.А - импульсы тактового генератора,T.A - pulses of the clock generator,

т.В - тактовые импульсы, задержанные на Тзад и иллюстрация положения импульсов излучения на λраб и λопор на временной оси.tV - clock pulses delayed by T ass and illustration of the position of the radiation pulses on λ slave and λ supports on the time axis.

В качестве приемника излучений на λраб и λопор предлагаются фотоприемники ИК диапазона, которые выпускает компания ООО «АИБИ» (IBSG Co.Ltd) в сотрудничестве с лабораторией ИК оптоэлектроники ФТИ им. А.Ф.Иоффе (г. Санкт-Петербург). На фиг. 3 представлены спектральные распределения обнаружительной способности выпускаемых фотоприемников серии РД-36 или РД-43, у которых чувствительная площадка составляет 2×2 мм, а обнаружительная способность составляет либо 5·109 Вт-1, Гц1/2, см для РД-36, либо 7·108 для РД-43.As a radiation detector for λ slave and λ poles , infrared photo detectors are offered, which are manufactured by AIBI LLC (IBSG Co.Ltd) in collaboration with the IK Optical Electronics Laboratory of the Physicotechnical Institute named after A.F. Ioffe (St. Petersburg). In FIG. Figure 3 shows the spectral distributions of the detection ability of the produced photodetectors of the RD-36 or RD-43 series, in which the sensitive area is 2 × 2 mm, and the detection ability is either 5 · 10 9 W -1 , Hz 1/2 , cm for RD-36 or 7 · 10 8 for RD-43.

Достоинствами предлагаемых фотоприемников следует считать:The advantages of the proposed photodetectors should be considered:

- высокое быстродействие,- high speed

- высокое значение обнаружительной способности,- high value of detection ability,

- комнатная температура работы.- room temperature work.

Так как фотоприемники указанной серии, выполненные в корпусе ТО-5 или ТО-8, имеют внешний размер 1÷2 см (это размер Dпр), то фокусирующие пятна излучений на Δраб и λопор диаметром Dизл в зоне ИК фотоприемника предложено устанавливаться выражениемSince the photodetectors of the indicated series, made in the TO-5 or TO-8 package, have an external size of 1 ÷ 2 cm (this is the size D pr ), it is proposed to install focusing radiation spots on Δ slave and λ supports with a diameter D rad in the zone of the IR photodetector expression

Figure 00000008
Figure 00000008

Например, при Dпр=1 см пятно Dизл не должно превышать 5 см.For example, when D CR = 1 cm, the spot D rad should not exceed 5 cm.

Мощность излучения, которая воздействует на фоточувствительный элемент фотоприемника площадью 4·10-2 см2 при приеме импульсных ИК излучений на λраб и λопор определяется из выраженияThe radiation power that affects the photosensitive element of the photodetector with an area of 4 · 10 -2 cm 2 when receiving pulsed IR radiation at λ slave and λ supports is determined from the expression

Figure 00000009
Figure 00000009

где Ро - мощность излучения; Κ1 - коэффициент пропускания λраб и λопор узкополостными оптическими фильтрами (K1=0,7); К2 - коэффициент пропускания излучений фокусирующей линзой (К2≅0,35); К3 - коэффициент, учитывающий площадь приемной площадки и размер пятна излучений в зоне ИК приемника (например, при Dизл=5 см, Κ3=5,1·10-4); К4 - коэффициент, учитывающий возможное увеличение ширины спектра излучения на λраб и where P o - radiation power; Κ 1 - transmittance λ slave and λ supports narrow-band optical filters (K 1 = 0.7); K 2 - transmittance of radiation by a focusing lens (K 2 ≅ 0.35); K 3 - coefficient taking into account the receiving area and the size of the radiation spot in the area of the IR receiver (for example, when D rad = 5 cm, Κ 3 = 5.1 · 10 -4 ); K 4 - coefficient taking into account a possible increase in the width of the radiation spectrum by λ slave and

λ опор, равной 40 нм, и истиной ширины поглощения углеводородами (примем К4≅0,5).λsupports, equal to 40 nm, and the true width of the absorption of hydrocarbons (take Kfour≅0.5).

Подставив исходные значения коэффициентов при Ρο=1,2·10-3 Вт, мощность ΔΡпр на приемном элементе фотоприемника оказывается равной ~7,5·10-8 Вт, что на порядок превышает обнаружительную способность фотоприемника РД-36 и, следовательно, обеспечивает надежную регистрацию импульсных излучений на λраб и λопор·Substituting the initial values of the coefficients at Ρ ο = 1.2 · 10 -3 W, the power ΔΡ pr at the receiving element of the photodetector turns out to be ~ 7.5 · 10 -8 W, which is an order of magnitude higher than the detecting ability of the RD-36 photodetector and, therefore, provides reliable registration of pulsed radiation at λ slave and λ supports

В предложенном способе присутствие горючих газов в контролируемом пространстве обнаруживают и определяют их концентрацию после установления нуля на шкале отсчета. Этот ноль устанавливают, когда в контролируемой зоне токсичные газы отсутствуют, и выходные сигналы фотоприемника от импульсов на λраб и λопор оказываются равными друг другу. В схему сравнения эти сигналы должны поступать одновременно, для чего выходной сигнал от λраб следует задержать на то же время задержки Тзад.In the proposed method, the presence of combustible gases in a controlled space is detected and their concentration is determined after zero is established on the reference scale. This zero is set when there are no toxic gases in the controlled zone, and the output signals of the photodetector from pulses to λ slave and λ supports are equal to each other. In the comparison circuit, these signals must arrive simultaneously, for which the output signal from λ slave should be delayed by the same delay time T back .

Таким образом, предлагается следующая работа блока ИК приемника, условная схема которого представлена на фиг. 4а. На фиг. 4а под 11 представлен фотоприемник серии РД-36, выходные сигналы которого поступают на два усилителя 12 и 13, закрытых по входу в исходном состоянии. Усилители открывают синхронно с поступлением выходных сигналов фотоприемника электронными ключами 14 и 15, которые запускают тактовыми сигналами от тактового генератора 16 с частотой Fт. При этом тактовые сигналы на электронный ключ, которые открывают усилитель на λопор, подают через линию задержки 9, т.е. задерживают на время Тзад. Электронные ключи открывают усилители на время, равное 0,9Δtpaб, т.е. с задержкой на время 0,1Δtраб импульсов электронных ключей 14 и 15 относительно момента прихода на усилители выходных сигналов фотоприемников. Такая задержка, по мнению авторов, необходима для исключения влияния переходных процессов во входных цепях усилителей 12 и 13 при поступлении переднего фронта выходного сигнала фотоприемника на работу схемы сравнения 17.Thus, the following operation of the IR receiver unit is proposed, the conventional circuit of which is presented in FIG. 4a. In FIG. 4a, under 11, an RD-36 series photodetector is presented, the output signals of which are fed to two amplifiers 12 and 13, which are closed at the input in the initial state. The amplifiers are opened synchronously with the receipt of the output signals of the photodetector by electronic keys 14 and 15, which are triggered by clock signals from the clock generator 16 with a frequency Ft. In this case, the clock signals to the electronic key, which open the amplifier on λsupports, served through the delay line 9, i.e. delayed by time Tass. Electronic keys open amplifiers for a time equal to 0.9Δtpa, i.e. delayed by 0.1Δtslave pulses of electronic keys 14 and 15 relative to the moment of arrival of the output signals of the photodetectors on the amplifiers. Such a delay, according to the authors, is necessary to exclude the influence of transients in the input circuits of amplifiers 12 and 13 when the leading edge of the output signal of the photodetector arrives at the operation of the comparison circuit 17.

Одновременность поступления выходных сигналов усилителей в схему сравнения обеспечивают включением в цепь усилителя на на λраб линии задержки 9 на время Тзад. Разностный сигнал со схемы сравнения усиливают усилителем 18 до уровня, который необходим для индикаторного блока 19, формирующего шкалу измерения концентрации обнаруженных горючих газов.The simultaneous receipt of the output signals of the amplifiers in the comparison circuit is provided by the inclusion in the amplifier circuit on the λ slave delay line 9 for the time T ass . The difference signal from the comparison circuit is amplified by the amplifier 18 to the level that is necessary for the indicator unit 19, which forms a scale for measuring the concentration of detected combustible gases.

Временная диаграмма работы блока приемника представлена на фиг. 4б, где каждая диаграмма изображает положение основных импульсов в главных точках схемы на временной оси: т. Ρ - выходные импульсы с фотоприемника, т. Ε - тактовые импульсы тактового генератора 16, т. F и т. Μ - соответственно импульс электронного ключа 15, открывающего усилитель на λопор 13 и выходной сигнал усилителя 13, т. N - выходной сигнал усилителя на λраб 12, т. Ρ - разностный сигнал на выходе схемы сравнения (18). В кружках на диаграммах в увеличенном виде показано смещение по времени на 0,1Δtpaб относительно прихода сигналов фотоприемника (t.D) импульсов электронных ключей, открывающих усилители 12 и13 на время Δtраб.The timing diagram of the operation of the receiver unit is shown in FIG. 4b, where each diagram depicts the position of the main pulses at the main points of the circuit on the time axis: t. Ρ - output pulses from the photodetector, t. Ε - clock pulses of the clock generator 16, t. F, etc. Μ - respectively, the pulse of the electronic key 15, opening the amplifier on λ supports 13 and the output signal of the amplifier 13, t. N is the output signal of the amplifier on λ slave 12, t. Ρ is the difference signal at the output of the comparison circuit (18). The circles in the diagrams in an enlarged form show a time offset of 0.1Δt pab relative to the arrival of the photodetector signals (tD) of the electronic key pulses opening the amplifiers 12 and 13 for the time Δt slave .

Максимальный выходной сигнал на выходе схемы сравнения 17 получают, когда одно из излучений на λраб или на λопор отсутствует. Как уже отмечалось, при отсутствии горючих газов ноль шкалы измерения концентрации определяют при равенстве мощности излучения на λраб и λопор и равенстве выходных сигналов с фотоприемника, идентичности и равенстве характеристик усилителей 12 и 13.The maximum output signal at the output of the comparison circuit 17 is obtained when one of the emissions at λ slave or at λ supports is absent. As already noted, in the absence of combustible gases, zero concentration measurement scales are determined when the radiation power is equal to λ slave and λ supports and the output signals from the photodetector are equal, the characteristics and characteristics of amplifiers 12 and 13 are identical.

Если при регистрации концентрации горючих газов в 46% или 26% от максимального значения не представляет сложности для специалистов в области электронной схемотехники, то регистрация уровней концентрации 3÷5% сложна.If, when registering a concentration of combustible gases of 46% or 26% of the maximum value, it is not difficult for specialists in the field of electronic circuitry, then registering concentration levels of 3 ÷ 5% is difficult.

Регистрацию и измерение таких низких концентраций предлагается осуществлять, ограничивая общее время регистрации величиной Тсис, которую предложено определять из выраженияIt is proposed to record and measure such low concentrations by limiting the total recording time to T sis , which is proposed to be determined from the expression

Figure 00000010
Figure 00000010

где Ν - число импульсов со схемы сравнения, несущих информацию о наличии горючих газов. Например, если задать число таких импульсов N=200, то общее время Тсис=2 с. Схему сравнения в этом случае следует снабдить функцией накопления разностного сигнала. Подобные накопления используются в аналоговом телевидении, когда строчные синхроимпульсы накапливаются в емкостном накопителе (через диодный ключ) до значения, которое по времени накопления соответствует времени кадровой развертки и моменту ее включения. Определяющим условием накопления таким образом разностного сигнала является стабильность работы ИК излучателей, усилителей сигналов фотоприемника и их порогов, определяющих нулевое значение шкалы отсчетов.where Ν is the number of pulses from the comparison circuit carrying information on the presence of combustible gases. For example, if you set the number of such pulses N = 200, then the total time T sis = 2 s. In this case, the comparison scheme should be equipped with the function of accumulating the difference signal. Similar accumulations are used in analog television, when horizontal sync pulses are accumulated in a capacitive storage (through a diode key) to a value that corresponds to the frame scan time and when it is turned on by the accumulation time. The determining condition for the accumulation of the difference signal in this way is the stability of the operation of IR emitters, amplifiers of the photodetector signals and their thresholds that determine the zero value of the reference scale.

Предложенный импульсный режим работы, ограничение времени измерения низких уровней концентрации токсичных газов Тсис, ограничение по времени работы усилителей выходных сигналов фотоприемника Δtраб, по мнению авторов, позволит осуществить регистрацию токсичных газов с концентрацией 2÷10-5 атм.The proposed pulse mode of operation, the time limit for measuring low levels of toxic gas concentration T sys , the time limit for the operation of amplifiers of the output signals of the photodetector Δt slave , according to the authors, will allow the registration of toxic gases with a concentration of 2 ÷ 10 -5 atm.

Схемы сравнения, усилители разностного сигнала и блок формирования информации о содержании горючих газов (на фиг. 4а элементы 17, 18 и 19) для их содержания до 2·10-4 атм могут быть заимствованы у действующих газоанализаторов, указанных в работах [1÷6]. Для измерения концентраций токсичных газов до 2·10-5 атм могут быть рекомендованы методы и схемы, которые применяют при исследовании далекого космоса, связанные с регистрацией фотонов и накопления этих сигналов в условиях сигнал/шум меньше единицы.Comparison schemes, difference signal amplifiers, and a unit for generating information on the content of combustible gases (elements 17, 18, and 19 in Fig. 4a) for their content up to 2 · 10 -4 atm can be borrowed from existing gas analyzers indicated in [1 ÷ 6 ]. To measure toxic gas concentrations up to 2 · 10 -5 atm, methods and circuits that are used in the study of far space associated with the registration of photons and the accumulation of these signals under signal-to-noise conditions are less than unity can be recommended.

Достоинством предложенного способа следует считать достижение указанного технического результата, а именно:The advantage of the proposed method should be considered the achievement of the specified technical result, namely:

- регистрация и измерение в контролируемом пространстве низких уровней содержания токсичных газов углеводородной группы от 2·10-4 атм (в 100 раз ниже взрывоопасного уровня) до 2·10-5 атм (в 1000 раз ниже взрывоопасного уровня, которое практически соответствует нормальному присутствию горючих газов в атмосфере);- registration and measurement in a controlled space of low levels of toxic gases of the hydrocarbon group from 2 · 10 -4 atm (100 times lower than the explosive level) to 2 · 10 -5 atm (1000 times lower than the explosive level, which practically corresponds to the normal presence of combustible gases in the atmosphere);

- малый вес и габариты устройства, реализующего предложенный способ;- low weight and dimensions of the device that implements the proposed method;

- идентичность РЖ излучателей и фокусирующих линз на λраб и λопор;- the identity of the emitters and focusing lenses on the λ slave and λ supports ;

- идентичность формирователей импульсов, усилителей сигналов фотоприемника, электронных ключей, открывающих усилители, линий задержки на Тзад.- the identity of the pulse shapers, signal amplifiers of the photodetector, electronic keys, opening amplifiers, delay lines on the T ass .

Таким образом, по мнению авторов, предложен способ обнаружения горючих газов задолго до образования взрывоопасной смеси с воздухом и токсичных газов задолго до образования опасных для жизни концентраций.Thus, according to the authors, a method for detecting combustible gases long before the formation of an explosive mixture with air and toxic gases long before the formation of life-threatening concentrations is proposed.

Использованная литератураReferences

1. П.И.Бреслер «Оптические абсорбционные газоанализаторы и их применение» - Л.: «Энергия», Ленин., отд., 1980 г.1. P.I. Bresler "Optical absorption gas analyzers and their application" - L .: "Energy", Lenin., Department, 1980.

2. «Газоанализаторы - течеискатели горючих газов, природного газа», производственно-коммерческая группа «Гранат», http://granat-e.ru/catalog-gtggpg.html; E-mail: mailto:marketing@granat-e.ru.2. "Gas analyzers - leak detectors of combustible gases, natural gas", production and commercial group "Granat", http://granat-e.ru/catalog-gtggpg.html; E-mail: mailto: marketing@granat-e.ru.

3. «Увидеть небольшие утечки углеводородов с безопасного расстояния», http://www.fliimemadia com/MMC/THG/Brohures/Y820587-PH.pdf.3. “See small hydrocarbon spills from a safe distance,” http: //www.fliimemadia com / MMC / THG / Brohures / Y820587-PH.pdf.

4. А.Г.Завадовский, И.И.Плюснин, С.Н.Сысоев «Малогабаритный лазерный локатор утечек метана», журнал «Датчики и системы», Челябинский ОУНБ, №4, 2007 г. (УДК 621.018.8656.56, ББК 31.32+39.7).4. A.G. Zavadovsky, I.I.Plyusnin, S.N.Sysoev “Small-sized laser locator for methane leaks”, “Sensors and Systems” magazine, Chelyabinsk OUNB, No. 4, 2007 (UDC 621.018.8656.56, BBK 31.32 + 39.7).

5. «Газоанализаторы» - «Радикал» г. Воронеж, http://www.radicom.ru/c237-gazoanalizatory.html.5. “Gas analyzers” - “Radical”, Voronezh, http://www.radicom.ru/c237-gazoanalizatory.html.

6. «Газоанализаторы ДВК углеводородов» - «АНАЛИТПРИБОР». RU. Г. Смоленск. http://www.analitpribors.ra/gazoanalizatory-dvk-uglevodorodov. html6. “Gas analyzers DVK hydrocarbons” - “ANALITPRIBOR”. RU. G. Smolensk. http: //www.analitpribors.ra/gazoanalizatory-dvk-uglevodorodov. html

7. А.О.Васильев, В.Г.Шенанин, П.В.Чартий «Инфракрасный детектор для измерения концентраций молекул токсичных газов в воздушном потоке», патент №2484450, G01N 21/35 от 24.11.2011 г., опубл. 10.06.2013 г., бюл. №16.7. A.O. Vasiliev, V. G. Shenanin, P. V. Chartiy “Infrared detector for measuring the concentration of toxic gas molecules in the air flow”, patent No. 2484450, G01N 21/35 from 11.24.2011, publ. 06/10/2013, bull. No. 16.

8. ГОСТ 12.1.011-78, переиздан и утвержден 06.1988 г. (ИУС-5-82, 10-88).8. GOST 12.1.011-78 , reissued and approved on 06.1988 (IUS-5-82, 10-88).

9. «Взрывоопасные газы и калибровочный газ», «Аррас», Франция, 11.2011 г., http://www.oldhamgas.eom/ru/hode/l1048.9. “Explosive Gases and Calibration Gas”, Arras, France, 11.2011, http: //www.oldhamgas.eom/ru/hode/l1048.

10. А.Н.Попов «Лазерный абсорбционный анализ и его применение», препринт - М.: МИФИ, 1982 г.10. A.N. Popov “Laser absorption analysis and its application”, preprint - M .: MEPhI, 1982

11. А.З.Криксунов «Справочник по основам ИК техники» - М.: Сов. радио, 1978 г.11. A.Z. Kriksunov "Reference on the basics of infrared technology" - M .: Sov. radio, 1978

12. Н.Тропинин, А.Тропининд «Полупроводниковые источники излучений для ИК области спектра», журнал «Компоненты и технологии» №11, 2008 г.; E-mail: mailto:tropal@mail.ru.12. N. Tropinin, A. Tropinind “Semiconductor radiation sources for the infrared region of the spectrum”, the journal “Components and Technologies” No. 11, 2008; E-mail: mailto: tropal@mail.ru.

13. Б.Т.Тотуев, В.И.Левченко, О.Н.Гейко, Н.С.Желязо «Использование лазерного абсорбционного метода для определения макроконцентраций углеводородов в воздухе» - Киев, сб. «Аналитическое приборостроение» ВНИИАП, 1985 г.13. B.T. Totuev, V.I. Levchenko, O.N. Geiko, N. S. Zhelyazo “Using the laser absorption method to determine macro-concentrations of hydrocarbons in air” - Kiev, Sat "Analytical Instrumentation" VNIIAP, 1985

Claims (2)

1. Способ обнаружения микроконцентраций горючих и токсичных газов, включающей в себя операции пропускания двух близких по значению инфракрасных (ИК) излучений на рабочей λраб и опорной λопор длинах волн через контролируемый объем, в котором излучение на λраб горючие или токсичные газы поглощают, а на λопор не поглощают, при этом выходные сигналы ИК приемника, на который воздействуют излучения на λраб и λопор, формируют системой обработки информационный сигнал о наличии и концентрации газов, отличающийся тем, что ИК излучения на длинах волн λраб и λопор осуществляют двумя полупроводниковыми излучателями, которые работают в импульсном режиме и которые размещают рядом друг с другом так, что оси излучателей направляют на центр ИК приемника, а расстояние ИК излучатели - ИК приемник образует контролируемое пространство, при этом оба ИК излучателя снабжают интерференционными фильтрами, которыми «сужают» спектр излучения, а сами излучения фокусируют в плоскости приема этих излучений так, что размер сфокусированных излучений устанавливают из условия Dизл≤5Dпр, длительности импульсов излучения на λраб и λопор, равны друг другу, Δtраб=Δtопор, а тактовую частоту Fт, которая задает импульсный режим работы, устанавливают тактовым генератором из равенства
Figure 00000011

при этом ИК излучатель на λраб запускают тактовыми импульсами от генератора напрямую, а излучатель на λопор запускают тактовыми импульсами, которые задерживают на время в диапазоне
Figure 00000012

и обеспечивают временное разнесение импульсов ИК излучения на λраб и λопор, а выходные импульсные сигналы ИК приемника подают на входы двух усилителей, закрытых по входу в исходном состоянии и их открывают синхронно с появлением выходных импульсов ИК приемника, для чего усилитель на λраб открывают тактовыми импульсами напрямую от генератора, а усилитель на λопор открывают тактовыми импульсами, которые задерживают на Тзад, при этом время работы усилителей устанавливают равным 0,9Δtраб, а выходные сигналы усилителей сравнивают схемой сравнения, для чего выходной сигнал усилителя на λраб задерживают на время Тзад, где Dизл и Dпр - соответственно пятна излучения на λраб и λопор в плоскости ИК приемника и размер входного окна приемника, Тт - период повторения тактовых импульсов, q - скважность импульсного режима работы.
1. A method for detecting microconcentrations of combustible and toxic gases, which includes the operation of transmitting two infrared (IR) radiation, close in value, to the working λ slave and the reference λ wavelength supports through a controlled volume in which combustible or toxic gases are absorbed by λ slave , and they do not absorb the supports on λ, while the output signals of the IR receiver, which are affected by radiation on the λ slave and λ supports , form an information signal on the presence and concentration of gases in the processing system, characterized in that the IR radiation at lengths waves λ slave and λ supports are carried out by two semiconductor emitters, which operate in a pulsed mode and which are placed next to each other so that the axis of the emitters is directed to the center of the IR receiver, and the distance of the IR emitters - the IR receiver forms a controlled space, while both IR emitters provided with interference filters which "narrow" emission spectrum, and themselves in the plane of focus the radiation receiving this radiation so that the size of the focused radiation is set by the condition D rad ≤5D etc., the durations the number of radiation pulses per λ slave and λ supports are equal to each other, Δt slave = Δt supports , and the clock frequency F t , which sets the pulse mode of operation, is set by the clock generator from the equality
Figure 00000011

in this case, the IR emitter at λ slave is triggered by clock pulses from the generator directly, and the emitter at λ poles is triggered by clock pulses that delay for a time in the range
Figure 00000012

and provide temporary separation of IR radiation pulses by λ slave and λ supports , and the output pulse signals of the IR receiver are fed to the inputs of two amplifiers that are closed at the input in the initial state and are opened synchronously with the appearance of the output pulses of the IR receiver, for which the amplifier at λ slave is opened clock pulses directly from the generator, and the amplifier on the λ supports open clock pulses that delay T ass , while the operation time of the amplifiers is set equal to 0.9Δt slave , and the output signals of the amplifiers are compared by the circuit Compare, for which the output signal of the amplifier at λ slave is delayed by time T ass where D rad and D ave - respectively the radiation spot on λ slave and λ supports in the IR receiver plane and the size of the input receiver window, T m - repetition period of clock pulses, q - duty cycle of the pulse mode of operation.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что общее время работы Тсис ограничивают во времени в соответствии с выражением
Figure 00000013

а схему сравнения снабжают функцией накопления разностных сигналов, которые возникают на периоде Тт, число которых за время Тсис задают равным N.
2. The method according to claim 1, characterized in that the total operating time T sis is limited in time in accordance with the expression
Figure 00000013

and the comparison circuit is equipped with a function of accumulating difference signals that occur on the period T t , the number of which during the time T sis is set equal to N.
RU2014126202/28A 2014-06-27 2014-06-27 Method to detect microconcentrations of flammable and toxic gases RU2568038C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014126202/28A RU2568038C1 (en) 2014-06-27 2014-06-27 Method to detect microconcentrations of flammable and toxic gases

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014126202/28A RU2568038C1 (en) 2014-06-27 2014-06-27 Method to detect microconcentrations of flammable and toxic gases

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2568038C1 true RU2568038C1 (en) 2015-11-10

Family

ID=54537292

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014126202/28A RU2568038C1 (en) 2014-06-27 2014-06-27 Method to detect microconcentrations of flammable and toxic gases

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2568038C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2649056C2 (en) * 2016-06-02 2018-03-29 Михаил Алексеевич Горбунов Method of creating a microphone based on selective absorption of infrared radiation by carbon dioxide in atmospheric air
RU2790013C2 (en) * 2017-10-09 2023-02-14 СиСИР (CSIR) System and method for gas detection

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4999498A (en) * 1989-06-05 1991-03-12 Mobay Corporation Remote sensing gas analyzer
RU2068557C1 (en) * 1988-06-08 1996-10-27 Карл Штефан Ринер Process of determination of concentration of ammonia in gas mixture and device for its implementation
EP1605251B1 (en) * 2004-06-09 2009-02-25 Tyco Electronics Raychem GmbH Gas sensor arrangement with reduced settling time
RU2484450C1 (en) * 2011-11-24 2013-06-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВПО "КубГТУ") Infrared detector for measurement of concentration of molecules of toxic gases in air flow

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2068557C1 (en) * 1988-06-08 1996-10-27 Карл Штефан Ринер Process of determination of concentration of ammonia in gas mixture and device for its implementation
US4999498A (en) * 1989-06-05 1991-03-12 Mobay Corporation Remote sensing gas analyzer
EP1605251B1 (en) * 2004-06-09 2009-02-25 Tyco Electronics Raychem GmbH Gas sensor arrangement with reduced settling time
RU2484450C1 (en) * 2011-11-24 2013-06-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВПО "КубГТУ") Infrared detector for measurement of concentration of molecules of toxic gases in air flow

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2649056C2 (en) * 2016-06-02 2018-03-29 Михаил Алексеевич Горбунов Method of creating a microphone based on selective absorption of infrared radiation by carbon dioxide in atmospheric air
RU2790013C2 (en) * 2017-10-09 2023-02-14 СиСИР (CSIR) System and method for gas detection

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2771670C (en) Remote sensing of gas leaks
CN103175808B (en) Laser-induced breakdown spectroscopy analysis system and method
US8772723B2 (en) Optical gas sensor device and method for determining the concentration of a gas
CN110441792B (en) Rayleigh scattering laser radar system capable of measuring wind and temperature simultaneously and related calibration method
US9188534B2 (en) Device with a measurement arrangement for optical measurement of gases and gas mixtures, with compensation of environmental effects
CN105182365B (en) A kind of rotary Raman thermometric laser radar based on dual wavelength single receiving channel
CN103472378A (en) Partial discharge detecting system for all-fiber power transformer and detecting method thereof
CN102879359A (en) Atmospheric visibility measuring system
Wu et al. Mobile multi-wavelength polarization Raman lidar for water vapor, cloud and aerosol measurement
CN102132144A (en) Arrangement adapted for spectral analysis
CN105891840A (en) Laser ranging system
US10724945B2 (en) Laser detection system and method
CN106569227A (en) Atmospheric aerosol particulate matter detection laser radar and retrieval method
CN105137450A (en) Low false-alarm dual-Gm-APD detector photon counting laser radar
JPH04505967A (en) Device for measuring the composition of fluids, e.g. components of exhaust gas from internal combustion engines
CN102661795B (en) Method and implementation device for pumping-probing spectrum of pumping light and signal light synchronously choppered and signal light partitioned and recorded
CN109682795A (en) The method and device of thin film damage is differentiated based on the plasma ignition time
CN105911022A (en) Hazardous chemical substance remote sensing detection method and device based on wide-tuning external cavity quantum cascade laser
CN106483531B (en) Atmosphere Raman-Rayleigh scattering thermometric laser radar and inversion method
RU2568038C1 (en) Method to detect microconcentrations of flammable and toxic gases
CN101109704A (en) Detecting and calibrating method for laser dust monitor using novel spectral filter
Asahi et al. Remote sensing of hydrogen gas concentration distribution by Raman lidar
US10996201B2 (en) Photoacoustic measurement systems and methods using the photoacoustic effect to measure emission intensities, gas concentrations, and distances
Schundler et al. Compact, wide field DRS explosive detector
US11774355B1 (en) System, apparatus and methods for detecting methane leak

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160628