Высокочувствительное детектирование и мониторинг газов
Решения для создания высокочувствительных систем детектирования различных газов и взвесей, а также их мониторинга, для применений в производстве и безопасности.
За последние несколько десятилетий проблема загрязнения окружающей среды возникла в разной степени во всем мире, например, загрязнение атмосферы, морской и городской сред. С глобализацией экономики и торговли проблема загрязнения окружающей среды становится всё более интернационализированной. Чтобы контролировать загрязнение окружающей среды, были найдены новые технологичные способы обнаружения опасных газов, таких как CH4, CO2, CO, HNO2, H2S и HCl. Одна из них – лазерное детектирование газов и создание датчиков на основе этого типа сенсинга.
Система детектирования и мониторинга различных газов использует узкие полосы поглощения, которые есть у большинства газов в NIR-области спектра. Лазеры с распределенной обратной связью (DFB) и с распределенным брэгговским отражателем (DBR) широко используются в этой области из-за их способности точно подстраиваться по частоте под нужную длину волны. Такая система способна производить т.н. диодно-лазерную абсорбционную спектроскопию (сокр. ДЛАС или ДЛС, англ. TDLS) и может измерять концентрацию, температуру и давление различных газов в суровых физических условиях с хорошим временным разрешением, чувствительностью и селективностью.
Базовая TDLS-установка состоит из:
- перестраиваемого диодного лазера(-ов)
- передающей оптики
- исследуемой поглощающей среды
- приёмной оптики и детектора(-ов)
Длина волны излучения лазера настраивается на длину волны максимального поглощения исследуемого газа. По мере прохождения лазерного луча через среду интенсивность света снижается за счёт поглощения на атомах этого газа. Это изменение интенсивности света фиксируется с помощью детектора и используется для определения концентрации компонентов газа и других его характеристик.
Описанная схема работы и основные структурные компоненты TLDAS-системы представлены на рис.1.
Рис. 1 - Схема работы TLDAS-системы.
Излучение поглощается на молекулах газа, что приводит к исчезновению из выходного спектра поглощаемой спектральной составляющей.
Спектры поглощения некоторых химических соединений приведены далее.
Рис. 2 - Водяной пар (H2O)
Рис. 3 - Диоксид углерода (CO2)
Рис. 4 - Монооксид углерода, угарный газ (CO)
Рис. 5 - Метан (CH4)
Рис. 6 - Кислород (O2)
Рис. 7 - Ацетилен (C2H2)
Рис. 8 - Формальдегид (CH2O)
Рис. 9 - Сероводород (H2S)
Рис. 10 - Хлороводород (HCl)
Рис. 11 - Фтороводород (HF)
Рис. 12 - Оксиды азота (NO, N2O, NO2)
Рис. 13 - Диоксид серы (SO2)
Рис. 14 - Этан (C2H6)
Рис. 15 - Аммоний (NH3)
Рис. 16 - Пример визуализации утечки метана
Импульсные лазеры для систем детектирования и мониторинга газов
Для генерации оптических импульсов определённой длины волны используют лазерные DFB и DBR модули. При выборе необходимо обращать внимание на следующие основные оптические характеристики:
- Центральная длина волны и точность её расположения
- Ширина оптического спектра
- Оптическая мощность
- Тип корпуса и оптического вывода
Подходящие решения
Центральная длина волны | Ширина спектра | Точность центральной длины волны | Оптическая мощность | Детектируемые вещества | ||
|
1590 - 1653 нм | 10 МГц | ±0.1 нм | 6 - 20 мВт |
CH4, CO2, NH3, H2O, HF, H2S, CO
|
|
|
1650 - 1850 нм |
<1 нм |
±0.1 нм |
5 мВт |
H2O, CH4, HCl, NXOX |
|
1653.5 нм |
<10 МГц |
±1.5 нм |
8 мВт |
CO2, CH4 | ||
|
2330 нм |
<2 МГц |
±2 нм |
1 мВт |
O2, CO | |
|
1877 нм |
<2 МГц |
±2 нм |
2 мВт |
CO2, H2O |
|
|
1742 нм |
<2 МГц |
±2 нм |
5 мВт |
HCl |
|
DFB квантово-каскадные лазеры, 6000-14000 нм, 3 мВт | 6000-14000 нм | <1 нм | ±0.1 нм | 3 мВт |
NO, NO2 NH3, C2H2, H2O |
Фотодетекторы для сенсинга и мониторинга
Для регистрации оптического сигнала, прошедшего через среду необходимы высокочувсвительные фотодетекторы. В основе таких детекторов лежат фотодиоды, принцип работы которых заключается в регистрации образующегося тока из-за инициировавших этот ток поглощённых фоточувствительной площадкой фотодиода фотона.
Фотодетекторы бывают как на видимый диапазон (материал Si/Ge), так и на ближний ИК (материал InGaAs и др.).
На что обращать внимание при выборе фотодетекторов для сенсинга газов? В первую очередь это:
- Диапазон рабочих длин волн
- Темновой ток
- Полоса пропускания
- Тип детекторы (компонент или модуль)
Также имеет смысл обратить внимание на дополнительные опции:
- Пороговая мощность
- Тип оптического ввода (волоконный или free-space)
- Тип оптического коннектора (при его наличии)
Подходящие решения
|
Диапазон длин волн 2 - 12 мкм |
Оптимальная длина волны 10.6 мкм |
Постоянная времени ≤1 нс |
Пиковая чувствительность ≥1.6⋅108 см⋅√Гц/Вт |
|
Диапазон длин волн |
Оптимальная длина волны
4.75/6.5 мкм |
- |
Пиковая чувствительность ≥2⋅108 см⋅√Гц/Вт |
Диапазон длин волн |
Оптимальная длина волны
8/10.6 мкм |
Постоянная времени ≤4 / ≤3 нс |
Пиковая чувствительность ≥6⋅108 /≥2⋅108см⋅√Гц/Вт |
|
Диапазон длин волн |
Оптимальная длина волны
4 - 13 мкм |
Постоянная времени ≤ 2-4000 нс |
Пиковая чувствительность ≥4⋅108 /≥3.2⋅108см⋅√Гц/Вт |
|
|
Диапазон длин волн |
Мощность темнового шума 10 фВт |
Полоса пропускания
DC-250 МГц |
Пороговая мощность
3 мВт |
|
Диапазон длин волн |
Мощность темнового шума
10 пВт |
Полоса пропускания
1-1800 МГц |
Пороговая мощность
10 мВт |
Диапазон длин волн 800 - 2100 нм |
Темновой ток 90 нА |
Полоса пропускания 400 МГц |
- | |
Фотодиод APD0200-17-C |
Диапазон длин волн
950 - 1650 нм |
Темновой ток 5 нА |
Полоса пропускания
400 МГц |
- |
Контроллеры для систем сенсинга и мониторинга
Управление лазерами, а также приём выходных импульсов с детекторов осуществляет специальная синхронизирующая платформа ID900.
Данный контроллер имеет 4 входа/выхода и способен увеличивать это количество посредством параллельного включения этих платформ. В отличие от многих других подобных устройств, синхронизатор ID900 осуществляет обработку поступивших в него данных, что позволяет использовать его в TDLS-системах без дополнительного вычислительного оборудования.
Ключевые особенности:
- Предобработка данных
- Гибкая конфигурация и возможность модернизации версии
- Гистограммирование, временные метки, генерация задержек и паттернов
- Высокоскоростной счёт (1 ГГц)
- Синхронизация устройств до 64 каналов
- 4 входных (от -3 В до +3 В с шагом 1 мВ) и 4 выходных канала (NIM + LVTTL)
- Джиттер до 8 пс (RMS)
- Быстрая передача данных на ПК (100 МГц/с)
- Язык программирования: LabView, Python, Matlab, C/C++
Подходящие решения
Оптические волокна для систем сенсинга и мониторинга
В TDLS-системах для ввода в среду и вывода из неё оптических сигналов необходимо оптическое волокно. Обычное кварцевое волокно непрозрачно в среднем ИК-диапазоне, поэтому необходимо выбирать особое, оптимизированное для конкретных длин волн волокно.
На что обращать внимание при выборе фотодетекторов для сенсинга газов? В первую очередь это:
- Диапазон рабочих длин волн
- Диаметр оболочек и сердцевины
- Величина затухания света в волокне
Подходящие решения
Диапазон длин волн 1850 - 2200 нм |
Диаметр сердцевины 7 мкм |
Диаметр оболочки 125 ± 1 мкм |
Числовая апертура 0.5 |
|
Бессердцевинное волокно Thorlabs |
Диапазон длин волн |
Диаметры стеклянного стержня 125±1 / 250±10 / 400±15 мкм |
Диаметры покрытия 250 мкм ± 5% / 400 ± 20 мкм / 550 ± 20 мкм |
Обратные потери
>65 дБ @ 0.25 м |
|
Диапазон длин волн |
Диаметры сердцевины 7, 9, 14, 18, 22, 28 мкм |
Диаметр оболочки 170 мкм |
Затухание 0.15 дБ/м @ 2.7 мкм; 0.2 дБ/м @ 6 мкм |
|
Диапазон длин волн |
Диаметры сердцевины 70 и 100 мкм |
Диаметр оболочки 170 мкм |
Затухание 0.15 дБ/м @ 2.7 мкм;
0.2 дБ/м @ 6 мкм |