Московский государственный инженерно-физический институт (технический университет)
     Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31
     Поступила в редакцию 26.03.99 г.

     Описан высокочувствительный быстродействующий абсорбционный газоанализатор углеводородов на основе He-Ne-лазера (диапазон измерений 3-1000 ppm, относительная погрешность измерений в диапазоне 3-10 ppm - <20%, в диапазоне 10-1000 ppm - <10%, время установления показаний <2 с, габариты 600 х 240 х 135 мм, масса 13 кг). Полученные характеристики достигнуты в результате применения двухканальной оптической схемы с двухзеркальной многоходовой кюветой, двухканального синхронного детектирования и цифровой обработки сигналов. Прибор может применяться при поиске утечек газа из подземных газопроводов, а также в экологических исследованиях атмосферы и грунтов, в нефтегазовой геологоразведке.

     Для безопасной эксплуатации газотранспортных систем необходимо патрулирование газопровода с целью своевременного обнаружения утечек газа. В городских условиях о герметичности газовой сети судят по концентрации газа, накапливающегося в подземных инженерных сооружениях (подвалах, колодцах, коллекторах). Немало колодцев расположено на проезжей части дорог и улиц, вдоль которых обычно и прокладываются распределительные газопроводы. В этих случаях незаменимы автомобильные лаборатории-искатели, способные вести непрерывный контроль на ходу.

     Последнее обстоятельство налагает особые требования к автомобильному газоанализатору: отсутствие помех в режиме транспортировки, экспрессность и производительность применяемой газоаналитической аппаратуры для возможности контроля магистралей большой протяженности. Чувствительность по газу должна быть на уровне долей естественного фона метана (~10^-5 % об. = 0.1 ppm), поскольку отбор проб на ходу сопровождается многократным разбавлением атмосферным воздухом. Кроме того, необходима высокая селективность анализа, так как состав почвенных газов, являющихся буферной средой при обследовании подземных сооружений, сильно варьируется по кислороду (от 1 до 20% об.) и углекислому газу (от 0,03 до 30% об.), что искажает показания таких детекторов, как плазменно-ионизационные или полупроводниковые.

     Напротив, исключительно благоприятная спектроскопическая ситуация в области 3.4 мкм обеспечивает в оптических газоанализаторах углеводородов (метана) на основе He-Ne-лаэеров высокую чувствительность и селективность измерений. Тем не менее, задача детектирования фоновых концентраций метана до настоящего времени не нашла достаточно простого решения, позволяющего сделать такие измерения массовыми, - известные лазерные газоанализаторы [1, 2] сложны и в техническом, и в эксплуатационном отношениях. Цель нашей работы - создание компактного и недорогого лазерного абсорбционного газоанализатора углеводородов (ЛГАУ), пригодного для непрерывных измерений фоновых концентраций метана как автономно, так и в составе автолаборатории или на борту самолета или вертолета.

     В основу прибора положены прямой абсорбционный метод детектирования углеводородов, двухканальная оптическая схема с двухзеркальной многоходовой кюветой (м.х.к.), двухканальное синхронное детектирование и цифровая обработка сигнала. В м.х.к. измеряется ослабление излучения одной из наиболее сильных линий генерации He-Ne-лазера с длиной волны 3,3922 мкм (2947,9 см^-1), которая попадает в полосу поглощения углеводородов и практически совпадает с центральной частотой линии F₁⁽²⁾ перехода Р(7) полосы V₃ поглощения метана [3]. Ширина спектра генерации лазера во много раз меньше отдельных линий поглощения газов, поэтому такое совпадение обеспечивает высокую чувствительность и селективность по отношению к основным составляющим атмосферы, включая углекислый газ и водяной пар. Чувствительность к другим углеводородным газам примерно одинакова [4].

     Оптическая часть ЛГАУ (см. рис. 1) идентична оптической части аналоговой версии прибора [5] и содержит источник излучения 1 - лазер, излучающий на длине волны 3,3922 мкм, три сферических зеркала 2,5, 6, м.х.к. 3 и два фотоприемника 7, 8. Оптическая часть выполнена на жестком основании корпуса прибора из дюралюминиевого двутавра. Особое внимание уделено подавлению влияния интерференции в оптических элементах [6] и в м.х.к. [7]: прозрачные элементы выполнены клиновидными, а число ходов в м.х.к. ограничено 26.

     Число юстируемых и прозрачных элементов сведено к минимуму, подвижные узлы отсутствуют. Зеркала и фотоприемники попарно объединены в моноблоки, жестко укрепленные на основании. Узлы крепления зеркал обеспечивают возможность регулировки их наклона.

     Промодулированное излучение лазера 1 направляется зеркалом 2 в м.х.к. 3 сквозь входное окно 4. Вышедший из нее измерительный пучок направляется зеркалом 5 на измерительный фотоприемник 7. Опорный пучок направляется зеркалом 6 на опорный фотоприемник 8, минуя м.х.к. По обоим оптическим каналам на фотоприемниках формируются изображения одного и того же сечения исходного лазерного пучка с равными увеличениями. Измерительный фотоприемник оптически сопряжен с задней главной плоскостью м.х.к., а опорный - с плоскостью, удаленной от лазера как передняя главная плоскость м.х.к. Увеличение подобрано из условия отсутствия апертурных ограничений на приемной площадке фотоприемника для светового пятна максимального размера.

     Лазер изготовлен на основе серийного лазера ЛГИ-201 с возбуждением поперечным высокочастотным полем (завод "Кентавр", Ровно, Украина). Штатные зеркала резонатора заменены сферическими с радиусом кривизны 2 м: "глухое" - на алюминиевое, а выходное - на однослойное германиевое с коэффициентом отражения ~0,8, что обеспечивает генерацию на длине волны 3,3922 мкм при гарантированном подавлении генерации на длине волны 1,15 мкм.

     Модуляция мощности лазера со скважностью 2 на частоте 40 Гц осуществляется путем модуляции напряжения питания от 15 до 27 В. Для усреднения флуктуации мощности генерации лазера, связанных с изменением длины резонатора, применен пассивный модуляционный метод стабилизации, заключающийся в быстрой (по сравнению с постоянной интегрирования прибора) модуляции оптической длины резонатора [8]. Для этого узел выходного зеркала доработан: выходное зеркало закреплено через пьезопакет ПП-4, на который с усилителя сигнала модуляции подается переменное напряжение треугольной формы с амплитудой ~200 В на частоте 83 Гц, что обеспечивает модуляцию длины резонатора с амплитудой ~0.85 мкм.

Рис. 1. Схема оптической части ЛГАУ. 7 - лазер, 2, 5, б - сферические зеркала, 3 - м.х.к., 4 - входное окно, 7,8 - измерительный и опорный фотоприемники.      Высокая жесткость и виброустойчивость двухзеркальной м.х.к. типа Эррио [9] на основе открытого оптического резонатора с внеосевым ходом пучка определили ее выбор. Конструктивно она представляет собой трубу из нержавеющей стали внутренним диаметром 40 мм, заглушенную с двух сторон вогнутыми зеркалами с радиусом кривизны 25 см, в одном из которых выполнено отверстие диаметром 8 мм для ввода и вывода излучения, закрытое кварцевым окном. Для подачи и отвода газовой пробы на корпусе кюветы имеются два штуцера. Конструкция кюветы разборная, но не предусматривает юстировки зеркал. Расстояние между зеркалами кюветы 22 см, общая длина пути 5.7 м, внутренний объем 0.3 л.      Структурная схема электронной части ЛГАУ приведена на рис. 2.      Источники вторичного питания ИВП формируют необходимый набор напряжений для работы схемы. Модулятор-стабилизатор мощности лазера МСМ служит для получения модулированного излучения и, как и усилитель сигнала модуляции УСМ, управляется контроллером.      Рис 2. Структурная схема электронной части ЛГАУ. ИВП - источники вторичного питания, УСМ - усилитель сигнала модуляции, МСМ - модулятор-стабилизатор мощности лазера, ОФП, ИФП - опорный и измерительный фотоприемникн, ДТ - датчик температуры, СП - сигнальный процессор, ПП1, ПП2 - последовательные порты, АЦП - аналогоцифровой преобразователь, ЦАП - цифроаналоговый преобразователь, ЭНЗУ- энергонезависимое запоминающее устройство, ПУ - преобразователь уровней, ПЗУ - постоянное запоминающее устройство, РИОН - регулируемый источник опорного напряжения.      Микропроцессорный контроллер содержит 16-разрядный сигнальный процессор ADSP-2101 (СП) фирмы Analog Devices с тактовой частотой 16 МГц, 8-канальный 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь AD7890 (АЦП), 12-разрядный цифроаналоговый преобразователь КР572ПА2 (ЦАП), энергонезависимую память 93С56 (ЭНЗУ), преобразователь уровней RS-232C типа AD202 (ПУ) и интерфейсную логику с встроенным и выносным пультами (на рис. 2 не показана). При подаче напряжения питания или нажатии кнопки аппаратного сброса сигнальный процессор контроллера загружает программу из внешнего постоянного запоминающего устройства ПЗУ 27С128.      Сигнальный процесс имеет два независимых синхронных последовательных порта ПП1 и ПП2, к одному из которых подключен АЦП, а к другому - энергонезависимая память и преобразователь уровней RS-232C. С помощью АЦП измеряются сигналы, поступающие с усилителей опорного и измерительного каналов фотоприемников ОФП и ИФП и датчика температуры ДТ, а также контролируются напряжение регулируемого опорного источника ЦАП (РИОН) и напряжения питания, получаемые от ИВП. Энергонезависимая память используется для хранения параметров фотометрической схемы, калибровочных данных, уставок предупредительной и аварийной сигнализации и настроек синхронного детектора. Преобразователь уровней RS-232C служит для связи с персональным компьютером (п.э.в.м.) для накопления и дальнейшей обработки полученных данных. Старт-стопный режим обмена эмулируется программным образом. С помощью ЦАП реализован стандартный аналоговый выход 0-5 В на внешний комплекс сбора данных. Концентрация определяется на основе закона Бугера-Бера из соотношения сигналов двух каналов детектирования, Постоянная времени интегрирования 0,5 с.      Управление газоанализатором осуществляется при помощи шести кнопок встроенного пульта на передней панели. Текущее состояние прибора, значения концентрации, измеренные усредненные напряжения на входах АЦП, настройки синхронного детектора, а также параметры фотометрической схемы и уставки предупредительной и аварийной сигнализации отображаются на дисплее встроенного пульта. В связи с тем, что в контроллере использован сигнальный процессор с эффективной системой команд, для упрощения схемотехники применена программная динамическая индикация и сканирование клавиатуры пульта.      Предусмотрено пять режимов работы: запуск; измерение, индикация и передача вычисленных значений текущей концентрации, температуры, напряжений питания, а также измеренных напряжений по всем входам АЦП; коррекция показаний; коррекция нуля сигналов; просмотр и коррекция параметров. Передача данных по последовательному каналу осуществляется по окончании цикла измерений. В пакет данных общим размером 210 байт входят 30 параметров и констант, скорость передачи 38400 бод, цикл передачи 0,5 с, длительность передачи ~0,1 с.      Выносной пульт ЛГАУ, использующийся при работе в составе автолаборатории, имеет индикатор, показывающий значение текущей концентрации, световую и звуковую сигнализации превышения концентрацией заданных уровней и единственную кнопку коррекции нуля.      Прибор может применяться автономно, или в составе авто- или авиалабораторий экологического контроля для оперативного обследования трасс магистральных и городских газопроводов с целью обнаружения утечек газа, а также в задачах поиска нефтегазовых месторождений. Питание может осуществляться от сети постоянного тока номинальным напряжением 24 или 27 В (автомобильного аккумулятора напряжением 24 В или бортовой авиационной сети напряжением 27 В). Рабочий Диапазон температур от -10 до +40°С. Показания не зависят от положения газоанализатора в пространстве.      Метрологические характеристики нормированы для метана: диапазон измерений 3-1000 ppm, относительная погрешность измерений в диапазоне 3-10 ppm - <20%, а в диапазоне 10-1000 ррm -<10%, время установления показаний <2 с, время прогрева <2. мин, потребляемая мощность <40 Вт, габариты 600 х 240 х 135 мм, масса ~13 кг. Прибор метрологически аттестован.      Опытные работы по поиску утечек газа проводились совместно с городскими газовыми службами Рязани и Санкт-Петербурга. Прибор размещался в автофургоне "УАЗ-452" и питался от аккумулятора 24 В. В Санкт-Петербурге ЛГАУ использовался в автолаборатории "Искатель" одновременно со штатным серийным газоанализатором с общей системой пробоотбора.      Испытаниями было установлено, что газоанализатор ЛГАУ устойчив к тряске и вибрациям, не реагирует на перепады температуры, влажности и атмосферного давления, а по сравнению с газоанализаторами ЛГА и 323 ЛА 03 (разработки УкрНИИАП) обладает более высокой стабильностью и воспроизводимостью показаний, на порядок более низким дрейфом нуля (в том числе после длительных перерывов в работе), втрое меньшей массой и вчетверо меньшим объемом.      Разработка прибора частично финансировалась по программе министерства общего и профессионального образования РФ "Конверсия и высокие технологии. 1997-2000 гг." и имела поддержку грантом 1995 г. по фундаментальным исследованиям в области приборостроения. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ McManus J.B., Kebabian P.L., Kolb C.E., // Appl. Optics. 1989. V. 28. № 23. P. 5016. Anderson S.M., Zahniser M.S. // Proc. of Soc. of Photo-Optical Instrumentation Engineers. 1991. V. 1433. P. 167. Dang-Nhu M., Pine A.S., Robiette A.G. // J. of Molecular Spectroscopy. 1979. V, 77. № 1. P. 57. Попов А.И., Садчихин А.В. // Журн. прикл. спектроскопии. 1991. Т. 55. № 3. С. 426. Бубличенко И.А. // Приборы и системы управления. 1998. № 9. С. 81. Бубличенко И.А. // Оптика и спектроскопия. 1990. Т. 68. №5. С. 1126, McManus J.B., Kebabian PL. // Appl. Optics. 1990. V. 29. № 7. P. 898. Козубовский B.P., Эрдеви H.M., Булыга A.A., Попадинец Ю.Ю, // Приборы и системы управления. 1983. №12. С. 24. Herriott D.R., Kogelnik H., Kompfner R. // Appl, Optics. 1964.V.3.№4.P. 523.      Бубличенко И. А., Мохноножкин Б.Е. Лазерный газоанализатор для поиска утечек газа из подземных газаопроводов. - Московский государственный инженерно-физический институт (технический университет). Приборы и техника эксперимента, 1999, №5, с. 126-129. http://ecsoft.mephi.ru/product/lgau2_article1.htm