PL235262B1 - Laserowy detektor gazów oraz sposób detekcji gazów - Google Patents
Laserowy detektor gazów oraz sposób detekcji gazów Download PDFInfo
- Publication number
- PL235262B1 PL235262B1 PL426146A PL42614618A PL235262B1 PL 235262 B1 PL235262 B1 PL 235262B1 PL 426146 A PL426146 A PL 426146A PL 42614618 A PL42614618 A PL 42614618A PL 235262 B1 PL235262 B1 PL 235262B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- laser
- measuring
- beams
- excitation
- gas
- Prior art date
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 70
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 46
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 28
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 18
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 18
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 88
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 20
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 9
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 claims 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 abstract 1
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 229910009372 YVO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L calcium difluoride Chemical compound [F-].[F-].[Ca+2] WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910001634 calcium fluoride Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000010895 photoacoustic effect Methods 0.000 description 1
- 238000004867 photoacoustic spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000001094 photothermal spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Laserowy detektor gazów, który zawiera laserowe tory optyczne: tor wzbudzający i tor pomiarowy, przy czym tor wzbudzający zawiera laser wzbudzający, natomiast tor pomiarowy zawiera laser pomiarowy, oraz na końcu toru układ do mierzenia częstotliwości pracy lasera pomiarowego, zaś na części wspólnej dróg optycznych obu torów znajduje się badany gaz, a ponadto częstotliwość pracy lasera wzbudzającego jest taka sama jak częstotliwość rezonansowa którejkolwiek z linii absorpcyjnych badanego gazu, charakteryzuje się tym, że badany gaz (1) znajduje się wewnątrz wnęki rezonansowej (2) lasera pomiarowego, a wiązka lasera wzbudzającego (4) jest doprowadzona punktowo, wzdłużnie bądź obszarowo do wnęki rezonansowej (2) lasera pomiarowego. Sposób detekcji gazu, w którym badany gaz oświetla się światłem laserowym o częstotliwości zgodnej z którąkolwiek z linii absorpcyjnych badanego gazu, co wywołuje jego wzbudzenie i wykorzystujący efekt fototermiczny, charakteryzuje się tym, że uprzednio badany gaz (1) umieszcza się wewnątrz wnęki rezonansowej (2) lasera pomiarowego, a po wzbudzeniu gazu (1) i wyindukowaniu efektu fototermicznego zmienia się droga optyczna w laserze pomiarowym oraz częstotliwość jego pracy, a następnie mierzy się częstotliwość lub zmianę częstotliwości lasera pomiarowego, po czym określa się koncentrację badanego gazu (1) jako proporcjonalną do tak zmierzonej zmiany częstotliwości według wzoru albo poprzez odniesienie do pomiaru kalibracyjnego dokonanego z wykorzystaniem referencyjnej mieszanki gazu o znanej koncentracji.
Description
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest laserowy detektor gazów oraz sposób detekcji gazów.
Z wynalazku CN20101278768 znane jest rozwiązanie, które wykorzystuje układ światłowodowego lasera z wewnątrzwnękową komórką absorpcyjną. Laser światłowodowy stymulowany jest do emitowania długości fali determinowanej charakterystyką siatki Bragga. Długość fali przestrajana jest przez maksimum linii absorpcyjnej gazu poprzez zmianę napięcia na pieozelemencie, który fizycznie wydłuża siatkę Bragga. Układ wymaga stosowania piezoceramicznych elementów przestrajających siatkę Bragga. Umożliwia wyłącznie detekcję gazów posiadających widma absorpcyjne w paśmie pracy lasera Erbowego ~1.5 um.
Z opisu US2002197708 jest znany system i sposób monitorowania stężenia medium w co najmniej jednym pojemniku z zastosowaniem spektroskopii fototermicznej. Medium może być gazem, takim jak tlen lub dwutlenek węgla, ciałem stałym lub cieczą. System i metoda wykorzystuje urządzenie emitujące energię, takie jak laser, które emituje pierwszy sygnał energetyczny w kierunku pojemnika z medium. Pierwszy sygnał energii ma długość fali, która jest zasadniczo równa długości fali, przy której medium absorbuje pierwszy sygnał energii, tak że absorpcja pierwszego sygnału energii zmienia współczynnik załamania medium. System i metoda również wykorzystuje drugie urządzenie emitujące energię, przystosowane do emitowania drugiego sygnału energetycznego w kierunku pojemnika z medium, podczas gdy współczynnik załamania części jest zmieniany przez pierwszy sygnał energetyczny, oraz detektor, przystosowany do wykrywania części drugiego sygnału energetycznego, który przechodzi przez medium. Wraz ze wzrostem stężenia medium zmienia się współczynnik refrakcji, przez co zmienia się intensywność drugiego sygnału energetycznego co jest przedmiotem detekcji.
Z dokumentu US7245380B2 znane jest rozwiązanie, które wykorzystuje efekt fototermalny/fotoakustyczny. W wyniku oświetlania gazu wiązką lasera, którego częstotliwość optyczna pokrywa się z częstotliwościami widm absorpcyjnych mierzonych gazów, wyindukowane zostają lokalne zmiany temperatury gazu - a co za tym idzie ciśnienia. Poprzez modulowanie amplitudowe lub częstotliwościowe wiązki lasera indukowane zmiany ciśnienia przyjmować mogą charakter periodycznych fal akustycznych. W opisywanym wynalazku fale akustyczne wykrywane są poprzez zastosowanie w układzie kwarcowego kamertonu, pomiędzy którego ramionami znajduje się gaz oraz transmitowana jest wiązka lasera wzbudzającego. Zastosowany kamerton posiada charakterystyczną dla siebie częstotliwość rezonansową - zwykle około 32 kHz. To pociąga za sobą konieczność stosowania wyłącznie ściśle określonych częstotliwości modulujących wiązkę lasera wzbudzającego gaz. Ponadto, czułość detektora zależy w znacznym stopniu od ciśnienia mierzonego gazu. Z tego powodu układy tego typu pracują praktycznie zawsze przy niskich ciśnieniach rzędu <100 Tora, nigdy w ciśnieniu atmosferycznym. Zastosowanie małych kamertonów wymaga ponadto odpowiednie formowanie wiązki lasera wzbudzającego (ogniskowanie) co w przypadku laserów o znacznych mocach jest kłopotliwe.
Problemem technicznym, który nie został dotąd rozwiązany jest zwiększenie czułości pomiaru, przy wyeliminowaniu szeregu dodatkowych elementów optycznych, jakich wymagają znane układy interferometryczne, eliminacji skomplikowanych układów fazoczułych czy uniezależnieniu dokładności pomiaru od ciśnienia mierzonego gazu.
Istota laserowego detektora gazów, według wynalazku, który zawiera laserowe tory optyczne: tor wzbudzający i tor pomiarowy, przy czym tor wzbudzający zawiera laser wzbudzający, natomiast tor pomiarowy zawiera laser pomiarowy, oraz na końcu toru układ do mierzenia częstotliwości pracy lasera pomiarowego, zaś na części wspólnej dróg optycznych obu torów znajduje się badany gaz, a ponadto częstotliwość pracy lasera wzbudzającego jest taka sama jak częstotliwość rezonansowa którejkolwiek z linii absorpcyjnych badanego gazu, polega na tym, że badany gaz znajduje się wewnątrz wnęki rezonansowej lasera pomiarowego, a wiązka lasera wzbudzającego jest doprowadzona punktowo, wzdłużnie bądź obszarowo do wnęki rezonansowej lasera pomiarowego.
Korzystnie, badany gaz wewnątrz wnęki rezonansowej lasera pomiarowego znajduje się w przestrzeni ograniczonej ściankami transparentnymi dla częstotliwości pracy lasera pomiarowego i wzbudzającego.
Korzystnie, badany gaz wewnątrz wnęki rezonansowej lasera pomiarowego znajduje się w szczelinie powietrznej.
Korzystnie, zbiór częstotliwości pracy lasera pomiarowego jest rozłączny ze zbiorem częstotliwości rezonansowych badanego gazu.
Korzystnie, tor wzbudzający i tor pomiarowy przecinają się prostopadle.
PL 235 262 B1
W wariancie wynalazku, kierunki propagacji w torze wzbudzającym i torze pomiarowym są zgodne.
Korzystnie, do wnęki rezonansowej lasera pomiarowego podłączony jest układ pompujący gazu.
Korzystnie, do wnęki rezonansowej lasera pomiarowego doprowadzone są analogiczne niezależne tory wzbudzające do detekcji różnych gazów.
W wariancie wynalazku, laser pomiarowy jest dwuwiązkowy i wyposażony jest w dwie niezależne wiązki pompujące, dwuwiązkowe medium wzmacniające a obie wiązki lasera pomiarowego są odseparowane przestrzennie, równolegle wobec siebie i połączone ponownie we wspólną wiązkę za pomocą elementów optyki łączących obie wiązki bezpośrednio przed układem do mierzenia częstotliwości pracy lasera pomiarowego, przy czym wiązka lasera wzbudzającego jest doprowadzona do jednej z tak rozdzielonych wiązek pomiarowych.
W kolejnym wariancie wynalazku, laser pomiarowy jednowiązkowy pomiędzy medium wzmacniającym a wnęką rezonansową posiada element rozdzielający polaryzację na dwie wiązki o polaryzacji ortogonalnej a jednocześnie obie wiązki lasera pomiarowego są rozdzielone przestrzennie, równoległe wobec siebie i ponownie połączone we wspólną wiązkę za pomocą elementów optyki łączących obie wiązki bezpośrednio przed układem do mierzenia częstotliwości pracy lasera pomiarowego, przy czym wiązka lasera wzbudzającego jest doprowadzona do jednej z tak rozdzielonych wiązek pomiarowych.
W kolejnym wariancie wynalazku, laser pomiarowy jest czterowiązkowy, i wyposażony jest w dwie niezależne wiązki pompujące, dwuwiązkowe medium wzmacniające, następnie element rozdzielający polaryzację na dwie pary wiązek o ortogonalnych polaryzacjach i równocześnie rozdzielający wiązki przestrzennie, po czym wszystkie cztery wiązki lasera pomiarowego są równoległe wobec siebie i połączone ponownie za pomocą elementów optyki łączących wiązki laserowe bezpośrednio przed układem do mierzenia częstotliwości pracy lasera pomiarowego przy czym wiązka lasera wzbudzającego jest doprowadzona do jednej z tak rozdzielonych wiązek pomiarowych.
Sposób detekcji gazu, w którym badany gaz oświetla się światłem laserowym o częstotliwości zgodnej z którąkolwiek z linii absorpcyjnych badanego gazu, co wywołuje jego wzbudzenie i wykorzystujący efekt fototermiczny, polega na tym, że uprzednio badany gaz umieszcza się wewnątrz wnęki rezonansowej lasera pomiarowego, a po wzbudzeniu gazu i wyindukowaniu efektu fototermicznego zmienia się droga optyczna w laserze pomiarowym oraz częstotliwość jego pracy, a następnie mierzy się częstotliwość lub zmianę częstotliwości lasera pomiarowego, po czym określa się koncentrację badanego gazu jako proporcjonalną do tak zmierzonej zmiany częstotliwości według wzoru (w1) albo poprzez odniesienie do pomiaru kalibracyjnego dokonanego z wykorzystaniem referencyjnej mieszanki gazu o znanej koncentracji.
W wariancie wynalazku wiązkę lasera pomiarowego przed przejściem przez wnękę rezonansową rozseparowuje się przestrzennie na dwie równoległe wiązki, a wiązkę wzbudzającą kieruje się na jedną z tak rozseparowanych wiązek pomiarowych, po wzbudzeniu zaś efektu fototermicznego obie rozdzielone wiązki pomiarowe zdudnia się ze sobą bezpośrednio przed pomiarem częstotliwości.
W wariancie wynalazku wiązkę lasera pomiarowego przed przejściem przez wnękę rezonansową rozseparowuje się polaryzacyjnie i jednocześnie przestrzennie na dwie równoległe wiązki o ortogonalnych polaryzacjach, a wiązkę wzbudzającą kieruje się na jedną z tak rozseparowanych wiązek pomiarowych, po wzbudzeniu zaś efektu fototermicznego obie rozdzielone wiązki pomiarowe zdudnia się ze sobą bezpośrednio przed pomiarem częstotliwości.
W kolejnym wariancie, wiązkę lasera pomiarowego rozseparowuje się przestrzennie i polaryzacyjnie na dwie pary równoległych wiązek o ortogonalnych polaryzacjach, a wiązkę wzbudzającą kieruje się na jedną z tak rozseparowanych wiązek pomiarowych, po wzbudzeniu zaś efektu fototermicznego wszystkie rozdzielone wiązki pomiarowe zdudnia się ze sobą bezpośrednio przed pomiarem częstotliwości.
Zaletami rozwiązania są następujące cechy: konstrukcja jest uniwersalna - zjawisko fizyczne będące podstawą metody detekcji (indukowana fototermicznie zmiana współczynnika załamania) jest obserwowalne dla każdego gazu wzbudzanego optycznie (rezonansowo). Pomiar danego gazu wymaga jedynie zastosowania odpowiedniego źródła wzbudzającego gaz, w postaci lasera wzbudzającego, pozostałe elementy konstrukcji pozostają bez zmian. Ponadto konstrukcja sensora nie wyklucza możliwości jednoczesnego pomiaru wielu gazów; jedynym warunkiem jest oświetlenie mierzonego gazu kilkoma laserami wzbudzającymi. Detekcja wybranych molekuł może obywać się w paśmie podczerwieni, gdzie gazy posiadają silne linie absorpcyjne. Jednocześnie, pomiar w proponowanej konfi
PL 235 262 B1 guracji nie wymaga stosowania w układzie bardzo drogich detektorów pracujących w tym zakresie spektralnym (2 - 10 pm). Do zalet niewątpliwie należą też monolityczność i kompaktowe rozmiary. W metodzie QEPAS (quartz enhanced photoacoustic spectroscopy, oferującej porównywalne czułości pomiarów koncentracji) dobroć rezonatora zależy od ciśnienia mierzonego gazu. Proponowany układ nie wprowadza ograniczenia co do ciśnienia mierzonego gazu; umożliwia pomiar gazu w ciśnieniu atmosferycznym. Dodatkowo detektor nie posiada ograniczeń co do częstotliwości modulacji lasera pomiarowego, tak jak w przypadku metody QEPAS. Sposób analizy fototermiczne indukowanej zmiany częstotliwości pracy jednego z laserów przy wykorzystaniu zjawiska zdudniania wiązek oferuje znacznie większą rozdzielczość pomiarową, w porównaniu do układu gdzie zmiana częstotliwości laser pomiarowego jest mierzona bezpośrednio (np. przy wykorzystaniu analizatora widma optycznego).
Laserowy detektor gazów oraz sposób detekcji gazów są bliżej przedstawione w oparciu o wzór w1, według którego po dokonaniu pomiaru częstotliwości i przy znajomości standardowych, znanych parametrów oczekiwanego gazu wyznacza się jego koncentrację oraz rysunek, którego fig. 1 przedstawia wariant podstawowy detektora z laserem jednowiązkowym, fig. 2 przedstawia wariant detektora w konfiguracji z wieloma laserami wzbudzającymi, umożliwiający pomiar wielu niezależnych gazów, fig. 3 przedstawia wariant detektora w konfiguracji dwuwiązkowej, fig. 4 przedstawia wariant detektora w konfiguracji dwuwiązkowej przy wykorzystaniu polaryzacyjnego rozseparowania dwóch wiązek pomiarowych, fig. 5 przedstawia wariant detektora w konfiguracji wykorzystującej element światłodzielący w celu uzyskania dwóch wiązek pomiarowych, fig. 6 przedstawia wariant detektora w konfiguracji czterowiązkowej, fig. 7 przedstawia wariant detektora ze wzbudzeniem gazu wzdłużnym do propagacji wiązki lasera pomiarowego.
P r z y k ł a d 1
Laserowy detektor gazów zawiera laserowe tory optyczne: tor wzbudzający 11 i tor pomiarowy 22, przy czym tor wzbudzający zawiera laser wzbudzający 4, natomiast tor pomiarowy zawiera laser pomiarowy 3 oraz na końcu toru analizator widma optycznego 8 Yokogawa, AQ6370B. Badany gaz 1 znajduje się wewnątrz wnęki rezonansowej 2 lasera pomiarowego 3, a wiązka lasera wzbudzającego 4 jest doprowadzona punktowo do wnęki rezonansowej 2 lasera pomiarowego 3. Laserem pomiarowym 3 jest laser na ciele stałym pracujący na długości fali 1064 nm. Częstotliwość pracy lasera wzbudzającego 4 jest taka sama jak częstotliwość rezonansowa linii absorpcyjnej badanego gazu, którym jest CO2 i wynosi 2,0025 pm. Badany gaz 1 wewnątrz wnęki rezonansowej 2 lasera pomiarowego 3 znajduje się w pojemniku 5 o ściankach przeźroczystych dla częstotliwości pracy lasera pomiarowego 3 i wzbudzającego 4, wykonanych ze szkła BK7. Tor wzbudzający 11 i tor pomiarowy 22 przecinają się prostopadle. Do pojemnika 5 znajdującego się we wnęce rezonansowej 2 lasera pomiarowego 3 podłączony jest układ pompujący badanego gazu 1 w postaci pompy.
P r z y k ł a d 2
Detektor jak w przykładzie 1, z tą różnicą, że pojemnik 5 jest wykonany z CaF2, ponadto wiązki toru wzbudzającego 11 do wnęki rezonansowej 2 lasera pomiarowego 3 doprowadzone są obszarowo, analogiczne, niezależne tory wzbudzające 33 do detekcji różnych gazów: tor do detekcji gazów NLL, CTL, NO, o parametrach: długość fali dla CH4 3,33 pm, długość fali dla NO 5,25 pm oraz dla NH3 długość fali 6,0 pm.
P r z y k ł a d 3
Detektor jak w poprzednich przykładach, z tym, że laser pomiarowy 3 jest dwuwiązkowy i wyposażony jest w dwie niezależne wiązki pompujące 3a, dwuwiązkowe medium wzmacniające 3b a obie wiązki laserowe 3c toru pomiarowego są odseparowane przestrzennie, przez co wiązki biegną równoległe wobec siebie i połączone są ponownie za pomocą zwierciadła 7c i kostki światłodzielącej 7d bezpośrednio przed układem do mierzenia częstotliwości pracy 8 lasera pomiarowego 3. Wiązka lasera wzbudzającego 4 jest doprowadzona do tylko jednej z tak rozseparowanych wiązek 3c lasera pomiarowego 3.
P r z y k ł a d 4
Detektor jak w przykładach 1 lub 2, z tą różnicą, że laser pomiarowy 3 jednowiązkowy pomiędzy medium wzmacniającym 3b a wnęką rezonansową 2 posiada element rozdzielający polaryzację 3d w postaci elementu dwójłomnego na dwie wiązki 3c o ortogonalnych polaryzacjach, pionowej i poziomej, a jednocześnie rozseparowane przestrzennie, biegnące równolegle, przy czym wiązki są ponownie połączone za pomocą elementów optyki 7 łączących wiązki laserowe, to jest: zwierciadła 7c oraz kostki światłodzielącej 7d, bezpośrednio przed układem do mierzenia częstotliwości pracy 8 lasera
PL 235 262 Β1 pomiarowego 3. Wiązka lasera wzbudzającego 4 jest doprowadzona do tylko jednej z tak rozseparowanych wiązek 3c lasera pomiarowego 3.
Przykład 5
Detektor jak w przykładzie 4, z tą różnicą, że jedna z wiązek 3c lasera pomiarowego 3 po rozseparowaniu w pierwszej kostce światłodzielącej 7a ma na swojej drodze optycznej pierwsze zwierciadło 7b zwierciadło umieszczone na zewnątrz wnęki rezonansowej 2 lasera pomiarowego 3 umieszczone pod kątem 45 stopni do kierunku biegu wiązki 3c, przez co rozseparowane wiązki biegną równolegle, a następnie drugie zwierciadło 7c, umieszczone pod kątem 45 stopni do biegu wiązki, po czym wiązka jest doprowadzona do drugiej kostki światłodzielącej 7d, bezpośrednio przed układem do mierzenia częstotliwości pracy 8 lasera pomiarowego.
Przykład 6
Detektor jak w przykładach 1 lub 2, z tą różnicą, że laser pomiarowy 3 jest czterowiązkowy, i wyposażony jest w dwie niezależne wiązki pompujące 3a, dwuwiązkowe medium wzmacniające 3b, następnie element rozdzielający polaryzację 3d na dwie pary wiązek o ortogonalnych polaryzacjach a jednocześnie przestrzennie w postaci kryształu dwójłomnego YVO4. Tak rozseparowane wiązki są równoległe wobec siebie i połączone ponownie za pomocą elementów optyki 7 łączących wiązki laserowe w postaci 7e zwierciadeł oraz kostki światłodzielącej 7d, bezpośrednio przed układem do mierzenia częstotliwości pracy 8 lasera pomiarowego 3. Wiązka lasera wzbudzającego 4 jest doprowadzona do tylko jednej z tak rozseparowanych wiązek lasera pomiarowego 3.
Przykład 7
Detektor jak w przykładzie 1, z tą różnicą, że tor wzbudzający 11 jest przeciwbieżny do toru pomiarowego 22, a wiązka lasera wzbudzającego 4 w obszar wnęki rezonansowej 2 lasera pomiarowego 3 jest doprowadzona wzdłużnie. Badany gaz 1 wewnątrz wnęki rezonansowej 2 lasera pomiarowego 3 znajduje się w szczelinie powietrznej 5.
Przykład 8
Sposób detekcji gazu, w którym badany gaz 1, umieszcza się wewnątrz wnęki rezonansowej 2 lasera pomiarowego 3, oświetla się światłem laserowym o długości fali 2,03 μπι czyli zgodnej z linią absorpcyjną badanego gazu CO2, co wywołuje jego wzbudzenie i generację efektu fototermicznego, po czym zmienia się droga optyczna w laserze pomiarowym 3 oraz częstotliwość jego pracy, a następnie mierzy się częstotliwość lub zmianę częstotliwości lasera pomiarowego, po czym określa się koncentrację badanego gazu 1 jako proporcjonalną do tak zmierzonej zmiany częstotliwości według wzoru dv q c η — 1 PinamN dvtot ~ d-Vn ~ ~ ~ 7 7? ’ Lw ' , o on 2.·ΙΡ0 To 2/pCpiicP gdzie:
Bn — moc lasera wzbudzającego gaz
CTm - przekrój czynny analizowanej linii absorpcyjnej mierzonego gazu p - gęstość gazu
Cp - pojemność cieplna gazu a - promień wiązki lasera f- częstotliwość modulacji lasera Lw- droga interakcji wiązki pomiarowej z wzbudzonym gazem n - współczynnik załamania mierzonego gazu dn - zmiana współczynnika załamania mierzonego gazu w wyniku efektu fototermicznego Lo - długość optyczna rezonatora lasera pomiarowego c - prędkość światła q - rząd modu podłużnego lasera
To - temperatura otoczenia
N - liczba molowa mierzonego gazu
Dla przypadku opisywanego niniejszym przykładem stałe niezbędne do obliczenia indukowanej zmiany częstotliwości pracy lasera przedstawione zostały poniżej. Wartości stałych gazu wyznaczono dla koncentracji równej 1000 ppm CO2 w N2.
PL 235 262 B1
Pin - moc lasera wzbudzającego gaz = 100 mW om - przekrój czynny analizowanej linii absorpcyjnej mierzonego gazu = 4,14 e-24 p - gęstość gazu = 1,842 kg/m3
Cp - pojemność cieplna gazu - 763 J/kg*K a - promień wiązki lasera - 5 e-4 m f - częstotliwość modulacji lasera 1000 Hz
Lw - droga interakcji wiązki pomiarowej z wzbudzonym gazem - 1e-4 m n - współczynnik załamania mierzonego gazu - 1,00044 dn - zmiana współczynnika załamania mierzonego gazu w wyniku efektu fototermicznego Lo - długość optyczna rezonatora lasera pomiarowego - 20e-3 m c - prędkość światła - 299 792 458 m/s q - rząd modu podłużnego lasera - 49000
To - temperatura otoczenia - 298 K
N - liczba molowa mierzonego gazu - 6,02 * 10Λ23
Dla powyższych wartości zmiana częstotliwości pracy lasera wynosi ~306 kHz.
P r z y k ł a d 9
Sposób jak w przykładzie 7, z tym że określa się koncentrację badanego gazu 1 w odniesieniu do pomiaru kalibracyjnego dokonanego z wykorzystaniem referencyjnej mieszanki gazu (o znanej koncentracji).
P r z y k ł a d 10
Sposób jak w przykładzie 7 lub 8, z tym, że wiązkę lasera pomiarowego 3 przed przejściem przez wnękę rezonansową 2 rozseparowuje się przestrzennie na dwie równoległe wiązki 3c, a wiązkę wzbudzającą 4 kieruje się na jedną z tak rozseparowanych wiązek pomiarowych, po wzbudzeniu zaś efektu fototermicznego obie rozdzielone wiązki pomiarowe zdudnia się ze sobą bezpośrednio przed pomiarem częstotliwości. Zdudnianie wiązki polega na kolineamym doprowadzeniu obu wiązek laserowych 3c do struktury światłoczułej urządzenia do mierzenia częstotliwości 8 czułego na zakres spektralny, w którym pracują lasery pomiarowe, w tym przypadku 1064 nm. W wyniku zdudnienia dwóch wiązek laserowych (pracy ciągłej, o różnych częstotliwościach) na wspólnej strukturze fotoczułej, sygnałem elektrycznym wyindukowanym na wyjściu fotodiody jest przebieg sinusoidalny o częstotliwości równej różnicy częstotliwości wiązek zdudnianych.
P r z y k ł a d 11
Sposób jak w przykładzie 7 lub 8, z tym, że wiązkę lasera pomiarowego 3 przed przejściem przez wnękę rezonansową 2 rozseparowuje się polaryzacyjnie i jednocześnie przestrzennie na dwie równoległe wiązki o ortogonalnych polaryzacjach, a wiązkę wzbudzającą 4 kieruje się na jedną z tak rozseparowanych wiązek pomiarowych 3c, po wzbudzeniu zaś efektu fototermicznego obie rozdzielone wiązki pomiarowe 3c zdudnia się ze sobą bezpośrednio przed pomiarem częstotliwości.
P r z y k ł a d 12
Sposób jak w przykładzie 7 lub 8, z tym, że wiązkę lasera pomiarowego 3 rozseparowuje się przestrzennie i polaryzacyjnie na dwie pary równoległych wiązek 3c o ortogonalnych polaryzacjach, a wiązkę wzbudzającą 4 kieruje się na jedną z tak rozseparowanych wiązek pomiarowych 3c, po wzbudzeniu zaś efektu fototermicznego wszystkie rozdzielone wiązki pomiarowe 3c zdudnia się ze sobą bezpośrednio przed pomiarem częstotliwości.
Claims (15)
1. Laserowy detektor gazów, który zawiera laserowe tory optyczne: tor wzbudzający i tor pomiarowy, przy czym tor wzbudzający zawiera laser wzbudzający, natomiast tor pomiarowy zawiera laser pomiarowy, oraz na końcu toru układ do mierzenia częstotliwości pracy lasera pomiarowego, zaś na części wspólnej dróg optycznych obu torów znajduje się badany gaz, a ponadto częstotliwość pracy lasera wzbudzającego jest taka sama jak częstotliwość rezonansowa którejkolwiek z linii absorpcyjnych badanego gazu, znamienny tym, że badany gaz (1) znajduje się wewnątrz wnęki rezonansowej (2) lasera pomiarowego (3), a wiązka lasera wzbudzającego (4) jest doprowadzona punktowo, wzdłużnie bądź obszarowo do wnęki rezonansowej (2) lasera pomiarowego (3).
PL 235 262 B1
2. Detektor według zastrz. 1, znamienny tym, że badany gaz (1) wewnątrz wnęki rezonansowej (2) lasera pomiarowego (3) znajduje się w przestrzeni ograniczonej ściankami (5) transparentnymi dla częstotliwości pracy lasera pomiarowego (3) i wzbudzającego (4).
3. Detektor według zastrz. 1, znamienny tym, że badany gaz (1) wewnątrz wnęki rezonansowej (2) lasera pomiarowego (3) znajduje się w szczelinie powietrznej (5).
4. Detektor według zastrz. 1, znamienny tym, że zbiór częstotliwości pracy lasera pomiarowego (3) jest rozłączny ze zbiorem częstotliwości rezonansowych badanego gazu (1).
5. Detektor według zastrz. 1, znamienny tym, że tor wzbudzający (11) i tor pomiarowy (22) przecinają się prostopadle.
6. Detektor według zastrz. 1, znamienny tym, że kierunki propagacji w torze wzbudzającym (11) i torze pomiarowym (22) są zgodne.
7. Detektor według zastrz. 1, znamienny tym, że do wnęki rezonansowej (2) lasera pomiarowego (3) podłączony jest układ pompujący badanego gazu (1).
8. Detektor według zastrz. 1, znamienny tym, że do wnęki rezonansowej (2) lasera pomiarowego (3) doprowadzone są analogiczne niezależne tory wzbudzające (33) do detekcji różnych gazów.
9. Detektor według zastrz. 1, znamienny tym, że laser pomiarowy (3) jest dwuwiązkowy i wyposażony jest w dwie niezależne wiązki pompujące (3a), dwuwiązkowe medium wzmacniające (3b) a obie wiązki (3c) lasera pomiarowego (3) są odseparowane przestrzennie, równoległe wobec siebie i połączone ponownie we wspólną wiązkę za pomocą elementów optyki (7) łączących obie wiązki bezpośrednio przed układem do mierzenia częstotliwości (8) pracy lasera pomiarowego (3), przy czym wiązka lasera wzbudzającego (4) jest doprowadzona do jednej z tak rozdzielonych wiązek pomiarowych.
10. Detektor według zastrz. 1, znamienny tym, że laser pomiarowy (3) jednowiązkowy pomiędzy medium wzmacniającym (3b) a wnęką rezonansową (2) posiada element rozdzielający polaryzację (3d) na dwie wiązki (3c) o polaryzacji ortogonalnej a jednocześnie obie wiązki lasera pomiarowego są rozdzielone przestrzennie, równoległe wobec siebie i ponownie połączone we wspólną wiązkę za pomocą elementów optyki (7) łączących obie wiązki bezpośrednio przed układem mierzenia częstotliwości (8) pracy lasera pomiarowego (3), przy czym wiązka lasera wzbudzającego (4) jest doprowadzona do jednej z tak rozdzielonych wiązek pomiarowych.
11. Detektor według zastrz. 1, znamienny tym, że laser pomiarowy (3) jest czterowiązkowy, i wyposażony jest w dwie niezależne wiązki pompujące (3a), dwuwiązkowe medium wzmacniające (3b), następnie element rozdzielający polaryzację (3d) na dwie pary wiązek (3c) o ortogonalnych polaryzacjach i równocześnie rozdzielający wiązki przestrzennie, po czym wszystkie cztery wiązki lasera pomiarowego są równoległe wobec siebie i połączone ponownie za pomocą elementów optyki (7) łączących wiązki laserowe bezpośrednio przed układem do mierzenia częstotliwości (8) pracy lasera pomiarowego przy czym wiązka lasera wzbudzającego (4) jest doprowadzona do jednej z tak rozdzielonych wiązek pomiarowych.
12. Sposób detekcji gazu, w którym badany gaz oświetla się światłem laserowym o częstotliwości zgodnej z którąkolwiek z linii absorpcyjnych badanego gazu, co wywołuje jego wzbudzenie i wykorzystujący efekt fototermiczny, znamienny tym, że uprzednio badany gaz (1) umieszcza się wewnątrz wnęki rezonansowej (2) lasera pomiarowego (3), a po wzbudzeniu gazu (1) i wyindukowaniu efektu fototermicznego zmienia się droga optyczna w laserze pomiarowym (3) oraz częstotliwość jego pracy, a następnie mierzy się częstotliwość lub zmianę częstotliwości lasera pomiarowego (3), po czym określa się koncentrację badanego gazu (1) jako proporcjonalną do tak zmierzonej zmiany częstotliwości według wzoru (wl) albo poprzez odniesienie do pomiaru kalibracyjnego dokonanego z wykorzystaniem referencyjnej mieszanki gazu o znanej koncentracji.
13. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że wiązkę lasera pomiarowego (3) przed przejściem przez wnękę rezonansową (2) rozseparowuje się przestrzennie na dwie równoległe wiązki (3c), a wiązkę lasera wzbudzającego (4) kieruje się na jedną z tak rozseparowanych wiązek pomiarowych, po wzbudzeniu zaś efektu fototermicznego obie rozdzielone wiązki pomiarowe (3c) zdudnia się ze sobą bezpośrednio przed pomiarem częstotliwości.
14. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że wiązkę lasera pomiarowego (3) przed przejściem przez wnękę rezonansową (2) rozseparowuje się polaryzacyjnie i jednocześnie prze
PL 235 262 Β1 strzennie na dwie równoległe wiązki (3c) o ortogonalnych polaryzacjach, a wiązkę lasera wzbudzającego (4) kieruje się na jedną z tak rozseparowanych wiązek pomiarowych, po wzbudzeniu zaś efektu fototermicznego obie rozdzielone wiązki pomiarowe (3c) zdudnia się ze sobą bezpośrednio przed pomiarem częstotliwości.
15. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że wiązkę lasera pomiarowego (3) rozseparowuje się przestrzennie i polaryzacyjnie na dwie pary równoległych wiązek o ortogonalnych polaryzacjach (3c), a wiązkę lasera wzbudzającego (4) kieruje się na jedną z tak rozseparowanych wiązek pomiarowych, po wzbudzeniu zaś efektu fototermicznego wszystkie rozdzielone wiązki pomiarowe (3c) zdudnia się ze sobą bezpośrednio przed pomiarem częstotliwości.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL426146A PL235262B1 (pl) | 2018-06-29 | 2018-06-29 | Laserowy detektor gazów oraz sposób detekcji gazów |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL426146A PL235262B1 (pl) | 2018-06-29 | 2018-06-29 | Laserowy detektor gazów oraz sposób detekcji gazów |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL426146A1 PL426146A1 (pl) | 2020-01-02 |
| PL235262B1 true PL235262B1 (pl) | 2020-06-15 |
Family
ID=69160845
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL426146A PL235262B1 (pl) | 2018-06-29 | 2018-06-29 | Laserowy detektor gazów oraz sposób detekcji gazów |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL235262B1 (pl) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20250020585A1 (en) * | 2023-07-11 | 2025-01-16 | Imec Vzw | System and method for open-path sensing of a fluid |
-
2018
- 2018-06-29 PL PL426146A patent/PL235262B1/pl unknown
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20250020585A1 (en) * | 2023-07-11 | 2025-01-16 | Imec Vzw | System and method for open-path sensing of a fluid |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL426146A1 (pl) | 2020-01-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | Doubly resonant sub-ppt photoacoustic gas detection with eight decades dynamic range | |
| US10928313B2 (en) | Optical absorption spectroscopy based gas analyzer systems and methods | |
| RU2716146C1 (ru) | Фототермическое интерферометрическое устройство и соответствующий способ | |
| US9759654B2 (en) | Cavity enhanced laser based isotopic gas analyzer | |
| Chen et al. | Highly sensitive photoacoustic gas sensor based on multiple reflections on the cell wall | |
| Kasyutich et al. | Off-axis continuous-wave cavity-enhanced absorption spectroscopy of narrow-band and broadband absorbers using red diode lasers | |
| EP3427025B1 (en) | Multiple laser optical feedback assisted cavity enhanced absorption spectoscopy systems and methods | |
| US20170268930A1 (en) | Spectroscopic Apparatus and Method | |
| Wang et al. | Cantilever-enhanced dual-comb photoacoustic spectroscopy | |
| EP4509819A1 (en) | Optical cavity-enhanced frequency comb spectroscopy | |
| Dong et al. | Compact portable QEPAS multi-gas sensor | |
| JPH07270308A (ja) | 光学式ガス分析装置 | |
| PL235262B1 (pl) | Laserowy detektor gazów oraz sposób detekcji gazów | |
| He et al. | Ppb-level formaldehyde detection system based on a 3.6 µm interband cascade laser and mode-locked cavity enhanced absorption spectroscopy with self-calibration of the locking frequency | |
| CN113281262A (zh) | 基于无源音叉的全光纤双气体同步探测光声光谱系统及其探测方法 | |
| JP2006125919A (ja) | 分光分析装置及び分光分析方法 | |
| Yang et al. | Detection of dissolved gas in transformer oil based on all-optical photoacoustic spectroscopy | |
| Wang et al. | Doubly resonant photoacoustic spectroscopy: Ultra-high sensitivity meets ultra-wide dynamic range | |
| Waclawek et al. | Compact Trace Gas Sensing Employing Interferometric Cavity-Assisted Photothermal Spectroscopy | |
| Zhang et al. | An asymmetric double-hemispherical cylindrical coupled multi-resonant fiber-optic photoacoustic sensor for simultaneous detection of CH4, C2H2, and CO2 | |
| WO2024234093A1 (en) | Self-calibrating apparatus for measurement of aerosol absorption and methods therefor | |
| Schilt et al. | Fibre-coupled photoacoustic sensor for sub-ppm methane monitoring | |
| CN120009195A (zh) | 用于高灵敏度多组分检测的宽带放大光声光谱系统和方法 | |
| Rosales-García et al. | High Sensitivity Detection using Intra-cavity Mode Beating | |
| Mapranathukaran et al. | Photo-Thermal Spectroscopy with a Wafer-Bonded Fabry-Perot Cavity for Methane Detection |