PL172996B1

PL172996B1 - Laserowy miernik zanieczyszczenia gazów

Info

Publication number: PL172996B1
Application number: PL94302177A
Authority: PL
Inventors: Stanisław Kuźmiński
Original assignee: Politechnika Wroclawska
Priority date: 1994-02-07
Filing date: 1994-02-07
Publication date: 1998-01-30
Also published as: PL302177A1

Abstract

Laserowy miernik zanieczyszczenia gazów, posiadający półprzewodnikowy laser i przewód pomiarowy wypełniony badanym gazem oraz wyposażony w półprzepuszczalną dla światła płytkę, usytuowaną pod kątem 45° do kierunku wiązki promieniowania lasera, a ponadto posiadający na końcu pomiarowego przewodu ukośnie usytuowane dwa płaskie zwierciadła i dwa selektywne półprzewodnikowe detektory z elektronicznym układem pomiarowym, znamienny tym, że dwa selektywne detektory (8) i (9) są połączone elektronicznie jedną z elektrod z metalową płytką (13) i umieszczone po przeciwnych stronach tej płytki (13), a równocześnie detektory te są usytuowane po tej samej stronie półprzepuszczalnej płytki (7), natomiast na końcu drogi wiązki promieniowania lasera (4) ma trzecie zwierciadło (12) umieszczone w hermetycznej komorze (2).

Description

Przedmiotem wynalazku jest laserowy miernik zanieczyszczenia gazów, a zwłaszcza powietrza, przeznaczony do pomiarów stężeń zarówno dużych jak i bardzo małych, szczególnie pyłów i dymów w halach fabrycznych, młynach, cementowniach oraz w obiektach użyteczności publicznej, w których wymagany jest wysoki stopień czystości powietrza takie jak: sale operacyjne w szpitalach lub fabryki przyrządów półprzewodnikowych.

Znany z polskiego zgłoszenia patentowego nr P - 295 773, laserowy miernik zanieczyszczenia gazów, składa się z lasera półprzewodnikowego, układu optycznego, elektronicznego układu pomiarowego i przewodu pomiarowego wypełnionego badanym gazem. Na drodze wiązki promieniowania laserajest umieszczona pod kątem 45° półprzepuszczalna płytka. Po obu stronach tej płytki są umieszczone detektory selektywne, połączone z elektronicznym układem pomiarowym. Przewód pomiarowy jest wykonany w postaci perforowanej rurki, która stanowi część przewodu transportującego badany gaz. Na końcu przewodu pomiarowego jest umieszczone płaskie zwierciadło. Laser, płytka i detektory są umieszczone w hermetycznej komorze. Elektroniczny układ pomiarowy stanowią dwa wzmacniacze wstępne, których wyjścia są połączone przez układ dzielący ze wzmacniaczem logarytmicznym. Miernik końcowy układu pomiarowego może stanowić rejestrator, komputer lub miernik cyfrowy.

Zasadniczą niedogodnością znanego miernika jest brak stabilizacji zera podczas dłuższej pracy przyrządu, co powoduje obniżenie z czasem jego czułości i dokładności pomiarów.

Znany z niemieckiego opisu patentowego nr 2 438 294, laserowy miernik zanieczyszczenia gazów, charakteryzuje się tym, że wiązka promieniowania z lasera poprzez płytkę półprzepuszczalną dociera do końca przewodu pomiarowego, który ma ukośnie usytuowane dwa płaskie zwierciadła. Po odbiciu od drugiego zwierciadła wiązka promieniowania jest skierowana do detektora. Detektor jest połączony z elektronicznym układem pomiarowym.

Przedmiotem wynalazku jest laserowy miernik zanieczyszczenia gazów, posiadający półprzewodnikowy laser i przewód pomiarowy wypełniony badanym gazem oraz wyposażony w półprzepuszczalną dla światła płytkę, usytuowaną pod kątem 45° do kierunku wiązki promieniowania lasera, a ponadto posiadający na końcu pomiarowego przewodu ukośnie usytuowane dwa płaskie zwierciadła i dwa selektywne półprzewodnikowe detektory z elektronicznym układem pomiarowym.

Istota miernika polega na tym, że dwa selektywne detektory są połączone elektrycznie jedną z elektrod z metalową płytką i umieszczone po przeciwnych stronach tej płytki. Równocześnie detektory te są usytuowane po tej samej stronie półprzepuszczalnej płytki. Na końcu drogi wiązki promieniowania lasera ma trzecie zwierciadło umieszczone w hermetycznej komorze.

172 996

W konstrukcji laserowego miernika zanieczyszczenia gazów, zastosowano optymalny wybór drogi wiązki promieniowania lasera, wzdłuż której wykorzystano osłabienie wiązki przez cząstki zanieczyszczeń oraz zastosowano niekonwencjonalny sposób usytuowania receptorów, co umożliwia wielokrotne zwiększenie czułości pomiarowej, jak również znaczne obniżenie poziomu szumów w porównaniu ze znanymi miernikami co w znaczący sposób rozszerza zakres stosowalności miernika. Laserowy miernik zanieczyszczenia gazów, według wynalazku, charakteryzują niewielkie wymiary, a w przypadku zastosowania karty analogowo-cyfrowej składa się tylko z niewielkiej części optycznej i komputera. Mały ciężar, praca przy niskich napięciach, duża dokładność i stabilność pomiarów, możliwość wykonania układu pomiarowego technologią obwodów scalonych daje szeroki zakres pomiarowy a więc szerokie możliwości aplikacyjne. Brak mechanicznych części ruchomych wpływa na zwiększenie niezawodności działania i ułatwia obsługę miernika.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat układu optycznego laserowego miernika zanieczyszczenia gazów, fig. 2 - schemat blokowy elektronicznego układu pomiarowego miernika.

Laserowy miernik zanieczyszczenia powietrza ma metalową obudowę 1, wewnątrz której znajduje się hermetyczna komora 2, dwa elektroniczne układy wzmacniaczy wstępnych 3, półprzewodnikowy laser 4 o mocy 10 mW o działaniu ciągłym i stabilizowany przy pomocy stabilizatora mocy lasera 14. Hermetyczna komora 2 jest wyposażona w dwa szklane okna 5 i 6, umieszczone na tej samej ścianie. Wewnątrz hermetycznej komory 2 między laserem 4 a szklanym oknem 5 jest umieszczona półprzepuszczalna dla światła płytka 7, która jest usytuowana pod kątem 45° w stosunku do wiązki promieniowania półprzewodnikowego lasera 4 i umieszczona na drodze tej wiązki. Po jednej stronie półprzepuszczalnej dla światła płytki 7 i na tej samej wysokości co ta płytka 7, w kierunku wiązki odbitej od niej znajdują się półprzewodnikowe selektywne detektory 8 i 9, z których każdy połączony jest z wejściem jednego z dwóch elektronicznych układów wzmacniaczy wstępnych 3. Półprzewodnikowe selektywne detektory 8 i 9, połączone są jedną z elektrod o tym samym znaku, z metalową płytką 13, stanowiącą radiator, przy czym umieszczone one są po przeciwnych stronach metalowej płytki 13. Półprzewodnikowy detektor selektywny 8 jest umieszczony prostopadle do kierunku wiązki promieniowania lasera 4 odbitej od półprzepuszczalnej dla światła płytki 7, a drugi półprzewodnikowy detektor selektywny 9 prostopadle do wiązki promieniowania lasera 4 odbitej od płaskiego zwierciadła 12, umieszczonego pod kątem 45° do kierunku wiązki pomiarowej, wychodzącej z komory pomiarowej 22. Część metalowej obudowy 1 stanowi perforowaną od spodu komorę pomiarową 22, w której naprzeciw wylotowego szklanego okna 5 hermetyczne komory 2 umieszczono pod kątem 45° do kierunku padającej wiązki promieniowania lasera I, płaskie zwierciadło 10, a naprzeciw okna szklanego 6, również pod kątem 45° do kierunku wiązki promieniowania lasera 1 lecz odbitego od płaskiego zwierciadła 10, umieszczono płaskie zwierciadło 11. Na tej samej wysokości, lecz wewnątrz hermetycznej komory 2 umieszczono pod kątem 45° płaskie zwierciadło 12, z możliwością regulacji tego kąta w stosunku do wiązki promieniowania lasera 4 odbitej od płaskiego zwierciadła 11.

Elektroniczny układ pomiarowy miernika, analizujący sygnał z dwóch elektronicznych układów wzmacniaczy wstępnych 3, których wyjścia są połączone z układem dzielącym 15, skąd sygnał jest podawany na układ logarytmujący 16, a następnie wzmacniany przez wzmacniacz operacyjny 17, którego wyjście jest połączone z miernikiem cyfrowym 18, układem programującym 19 oraz komputerem 20 lub rejestratorem 21.

Pomiar zanieczyszczenia powietrza w badanym pomieszczeniu przebiega następująco. Stabilizowana stabilizatorem mocy lasera 14 wiązka promieniowania lasera 4 pada na półprzepuszczalną dla światła płytkę 7. Część wiązki promieniowania lasera 4 ulega odbiciu i pada na półprzewodnikowy selektywny detektor 8, pozostała część po przejściu przez szklane okno 5 przechodzi do wnętrza komory pomiarowej 22, po czym odbija się od płaskich zwierciadeł 10 oraz 11 i powraca przez szklane okno 6 do hermetycznej komory 2, wewnątrz której odbija się od płaskiego zwierciadła 12 i pada na drugi półprzewodnikowy selektywny detektor 9. Wiązka promieniowania lasera 4 o natężeniu I ulega podziałowi, w wyniku czego część wiązki o stałym natężeniu promieniowania I1 w czasie, zależna tylko od współczynnika odbicia półprzepuszczal4

172 996 nej dla światła płytki 7, który jest wartością stałą, pada na półprzewodnikowy selektywny detektor 8, a druga część wiązki o osłabionym przez zanieczyszczenia natężeniu promieniowania I2, uzależnionym od stopnia zanieczyszczenia gazu, pada na półprzewodnikowy selektywny detektor 9. Umieszczenie po przeciwnych stronach płytki metalowej 13 półprzewodnikowych selektywnych detektorów 8 i 9 oraz połączenie z nią jednej z elektrod o tym samym znaku, dla każdego z tych detektorów 8 i 9 stwarza identyczne warunki pracy pod względem termicznym i elektrycznym i daje bardzo dobrą izolację sygnałów padających na nie. Wynikiem tego jest bardzo dobra stabilizacja pracy układu i jego wysoka czułość.

Część wiązki o osłabionym przez zanieczyszczenia natężeniu promieniowania I2 podczas przechodzenia przez wnętrze komory pomiarowej 22 ulega osłabieniu, które jest proporcjonalne do logarytmu stosunku natężeń wiązek 11 do I2, czyli do stopnia zanieczyszczenia badanego gazu. Wyjściowe sygnały U1 i U2 półprzewodnikowych selektywnych detektorów 8 i 9 są więc proporcjonalne do natężenia odpowiednich części wiązki I1, I2 i natężenia promieniowania lasera I, który jest zasilany sygnałem stabilizującym moc lasera U3. Sygnały U1 i U2 po wstępnym wzmocnieniu w elektronicznym układzie wzmacniaczy wstępnych 3 są podawane poprzez układ dzielący do układu logarytmującego 16 i wzmacniacza 17. Sygnał wyjściowy wzmacniacza 17 jest proporcjonalny do koncentracji stężenia zanieczyszczenia badanego gazu, co pozwala na odpowiednie wyskalowanie końcowych mierników, takichjak miernik cyfrowy 18, komputer 20 czy rejestrator 21 w bezwzględnych lub względnych jednostkach zawartości mierzonych zanieczyszczeń. Układ programujący 19 pozwala zaprogramować minimalny dopuszczalny zgodnie z normą poziom zanieczyszczeń gazu, powyżej którego zostają uruchomione odpowiednie urządzenia wentylacyjno-klimatyzacyjne sterowane miernikiem według wynalazku. Szybką wymianę gazów w komorze pomiarowej zapewnia umieszczony wewnątrz niej wentylator 23. Czas pracy wentylatora 23 jest regulowany zależnie od szybkości zmian koncentracji zanieczyszczenia badanych gazów.

Laserowy miernik zanieczyszczeń gazów stosuje się również w przewodach kominowych i wentylacyjnych. W takich przypadkach stanowią one komorę pomiarową bez konieczności stosowania wentylatora.

Wykaz oznaczeń

- metalowa obudowa

- hermetyczna komora

- elektroniczny układ wzmacniaczy wstępnych

- laser półprzewodnikowy

- okno szklane

- płytka półprzepuszczalna dla światła

- Półprzewodnikowy detektor selektywny

- płaskie zwierciadło

- metalowa płytka

- stabilizator mocy lasera

- układ dzielący s układ logrnytmujący s wzmacniacz s miernik cyfrowy s układ programujący

- komputer

- r'^^jtϊίttlalt^or

- komora pomiarowa

- wentylator

I - natężenie wiipkd promieniowania lasera

II - część wiązki o stałym natężeniu promieniowania

I2 - część wu^ki o osłabionym przez zanieczyszczenia natężeniu promieniowania

U1 - sygnał wyjściowy detektora

U2 - sygnał wyjściowy drugiego detektora

U3 - sygnał stabilizujący moc lasera

172 996 υ₃ u₂

Ul

Fig. 2

172 996

Fig. 1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims

Zastrzeżenie patentowe

Laserowy miernik zanieczyszczenia gazów, posiadający półprzewodnikowy laser i przewód pomiarowy wypełniony badanym gazem oraz wyposażony w półprzepuszczalną dla światła płytkę, usytuowaną pod kątem 45° do kierunku wiązki promieniowania lasera, a ponadto posiadający na końcu pomiarowego przewodu ukośnie usytuowane dwa płaskie zwierciadła i dwa selektywne półprzewodnikowe detektory z elektronicznym układem pomiarowym, znamienny tym, że dwa selektywne detektory (8) i (9) są połączone elektronicznie jedną z elektrod z metalową płytką (13) i umieszczone po przeciwnych stronach tej płytki (13), a równocześnie detektory te są usytuowane po tej samej stronie półprzepuszczalnej płytki (7), natomiast na końcu drogi wiązki promieniowania lasera (4) ma trzecie zwierciadło (12) umieszczone w hermetycznej komorze (2).