CC BY
155
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАНА: РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
С.А. Миронов
Представлены результаты расчета основных характеристик волоконно-оптического датчика концентрации метана, использующего принцип дифференциального оптического поглощения в диапазоне длин волн 1,33 мкм, в зависимости от параметров использованных компонентов.
Введение
Безопасность в горнодобывающем и нефтегазовом комплексах зависит от наличия системы быстрого обнаружения и регистрации увеличения концентрации взрывоопасных и горючих газов. Специфика работ в этих отраслях промышленности требует организации контроля химического состава воздуха сразу на нескольких участках и быстрой передачи этих данных к центральному контрольному пункту, удаленному иногда на несколько километров от рабочей зоны.
Одним из самых опасных газов воздушной среды производственных участков является метан (СН4). Он не только токсичен для рабочего персонала, но и образует с воздухом взрывоопасную смесь с нижним пределом взрыва (НПВ) 5% об. СН4.
Применяемые в настоящее время для обнаружения метана традиционные электрохимические и термокаталитические датчики [1] имеют ряд существенных недостатков - низкое быстродействие, малая чувствительность, низкая селективность по газам, быстрое отравление катализатора, необходимость частых калибровок, незащищенность от воздействия электромагнитных помех. Поэтому проводятся интенсивные исследования по созданию волоконно-оптических датчиков (ВОД) концентрации метана [2], основанных на принципе спектрального оптического поглощения. ВОД свободны от указанных недостатков электрических датчиков, кроме того, они органически сопрягаются с современными волоконно-оптическими системами передачи информации, что обеспечивает возможность дистанционного контроля метана в атмосфере.
В настоящее время известно несколько схем построения ВОД [3-10], однако детального анализа достижимых характеристик в зависимости от параметров использованных компонентов приведено не было. В представленной работе приведены результаты расчета минимальной обнаружимой концентрации метана и длины волоконного тракта для одной из простых схем ВОД, представляющей интерес для практического применения.
Схема датчика
Рассматриваемый ВОД концентрации метана основан на принципе дифференциального оптического поглощения, который был предложен в [7]. Функциональная схема устройства приведена на рис.1. В качестве источника излучения с широким спектром используется светоизлучающий диод (СИД). По входному оптическому волокну (ОВ) излучение поступает в измерительную газовую ячейку, которая сообщается с внешней атмосферой. При наличии в ячейке некоторого количества метано-воздушной смеси происходит селективное поглощение распространяющегося излучения, при этом величина поглощения зависит от концентрации метана. После прохождения газовой ячейки излучение по выходному ОВ поступает на механический модулятор. В модуляторе излучение проходит через последовательно сменяемые оптические интерференционные фильтры с узкой полосой пропускания, соответствующей рабочей (сигнальной) и опорной длинам волн. После модулятора импульсные оптические сигналы рабочего и опорного каналов, разделенные во времени, поступают на фотоприемное уст-
ройство, где происходит их усиление и обработка. На выходе ВОД создается напряжение, пропорциональное величине уменьшения сигнала на рабочей длине волны из-за поглощения метаном в измерительной ячейке.
Рис. 1. Функциональная схема волоконно-оптического датчика для дистанционного измерения концентрации метана методом дифференциального оптического поглощения: 1 - светоизлучающий диод, 2 - входное оптическое волокно, 3 - измерительная газовая ячейка, 4 - выходное оптическое волокно, 5 - механический модулятор, 6 - оптический фильтр, выделяющий сигнальную (рабочую) длину волны, 7 - оптический фильтр, выделяющий опорную длину волны, 8 - фотоприемное устройство
Методика расчета характеристик
Основное уравнение для расчета измеряемой концентрации метана по методу дифференциального поглощения имеет следующий вид [7]:
N Рг4)- Рг<4) , (1)
[<7(4)-<(4)]] Рг(4)
где N - парционное давление (концентрация) метана в воздушной смеси ^ = 760 Торр соответствует концентрации С = 100%), 4 - длина волны, соответствующая линии поглощения метана (рабочая длина волны), 4 - опорная длина волны, лежащая вне спектра поглощения, 1 - длина измерительной ячейки с газом, Рг( 4), 1 = 1,2 - принятая оптическая мощность на длине волны 4, <(4)- сечение поглощения метана на длине волны 4.
Следует отметить, что А < = <( 4) - <( 4) = 2,8-10 -3 1/Торр для рабочей длины
волны 4 = 1,667 мкм и А <= 1,4-10-3 1/Торр для 4 = 1,332 мкм.
Минимальная обнаружимая концентрация метана (при отсутствии флуктуаций сигнала) определяется уровнем шума приемной системы Рп и соответствует условию Рг(4 )-Р2(4)=Рп. В этом случае выражение (1) может быть записано в виде:
N ■ =-—-, (2)
тш [<(4)-<(4)]/Рг(4) где мощность Рг( 4 ), поступающая на фотоприемник, рассчитывается с учетом потерь во всех элементах ВОД.
Другим основным параметром ВОД, характеризующим возможность дистанционных измерений, является длина волоконного тракта. Длина тракта определяется энергетическим потенциалом - разностью между мощностью источника излучения и чувствительностью приемника, выраженной в дБ:
дэ =Рис - Рпр, (3)
где Рис - мощность, введенная от источника во входное оптическое волокно, дБм, а Рпр - порог чувствительности фотоприемного устройства, дБм.
При составлении энергетического баланса ВОД его потенциал должен соответствовать сумме потерь во всех элементах тракта передачи и аппаратурного запаса:
п
= ^ Аг + дзап, (4)
1=1
где Аг[дБ] - потери в оптических устройствах, входящих в тракт передачи, п - число устройств в тракте, дзап - аппаратурный запас [дБ].
В случае ослабления оптического сигнала на входе приемника до его порога чувствительности аппаратурный запас затухания дзап = 0.
Для рассматриваемого ВОД расчет энергетического баланса производится по формуле:
дэ = 2Аов + Аяч + Амод + Аиф, (5)
где Аов - потери во входном и выходном ОВ, Аяч - потери в газовой ячейке, Амод -потери в модуляторе, Аиф - потери в интерференционном фильтре.
Величина оптической мощности, поступающей на фотоприемное устройство, равна
Рг = Рис - 2Аов - Аяч - Амод - Аиф (6)
Соотношение, связывающее длину ОВ и потери в нем, имеет вид (Ь - Ьстр )
Аов = аов ■ Ь + ас ■ ---, (7)
Ьстр
где аов - коэффициент затухания ОВ, дБ/км, Ь - длина ОВ, км, Ьстр - строительная длина ОВ, км, ас - затухание в местах соединения строительных длин, дБ.
Во многих случаях на практике Ь < Ьстр, тогда при расчетах вторым слагаемым в (7) можно пренебречь и рассчитывать длину волоконного тракта по формуле:
Ь = Аов/2 а = 1/2 а (Рис - Рг - Аяч - Амод - Аиф) (8)
Обсуждение результатов
Зависимости предельной длины волоконно-оптического тракта ВОД Ь(С) для осуществления регистрации заданной концентрации метана С от мощности шумов приемной системы приведены на рис. 2 для двух типов кварцевого ОВ с коэффициентами затухания 1 дБ/км и 5 дБ/км. При этом в качестве источника излучения на рабочей длине волны 1,332 мкм предполагается СИД типа АЛ 132А, обеспечивающий мощность, вводимую в ОВ, Рис=20мкВт. Потери в других элементах ВОД: Аяч = 6 дБ(1=0,5м), Амод=4 дБ, Аиф=3 дБ.
Как видно из рис. 2, в этом случае ВОД может обеспечивать обнаружение концентрации метана С = 5% (что соответствует НПВ) при длине волоконного тракта от излучателя до измерительной ячейки Ь(5%)=11,4 км, если мощность шумов приемника составляет 1,4-10-11 Вт (охлажденный диод ФД-112, Т=0°С) и при Ь(5%)=8,8 км, если мощность шумов 4,5-10-11 Вт (Т=20°С). Из рис. 2 видно также, что концентрация метана С=0,1% может быть обнаружена ВОД при длине тракта Ь(0,1%)= 2,9 км, если используется охлажденный до 0°С ФД-112 и при Ь(0,1%)= 0,36 км, если используется тот же фотодиод при комнатной температуре.
концентрации метана от уровня шумов приемника для волокна с различным затуханием. Рабочая длина волны 1,332 мкм, мощность источника 20 мкВт (СИД АЛ 132А): 1 - С = 5%, аов = 1 дБ/км, 2 - С = 2%, аов = 1 дБ/км, 3 - С = 0,1%, аов = 1дБ/км, 4 - С = 5%, аов = 5дБ/км, 5 - С = 2%, аов = 5дБ/км, 6 - С = 0,1%,
аов = 5дБ/км.
Ь, км 14 12
10
§
6 4 2
1 10~3 0.01 рис , мВт 0.1
Рис.3 Зависимость длины волоконного тракта ВОД при обнаружении заданной концентрации метана от мощности источника для различной мощности шумов приемника. Рабочая длина волны 1,332 мкм, затухание ОВ 1 дБ/км. 1 - С = 0,1%, Рп = 4,5-10-11 Вт, 2 - С = 0,1%, Рп = 1,4-10-11 Вт, 3 - С = 2%, Рп = 4,5-10-11 Вт, 4 - С = 5%, Рп = 4,5-10 -11 Вт, 5 - С = 2%, Рп = 1,4-10-11 Вт, 6 - С = 5%, Рп = 1,4-10-11 Вт
Как отмечалось ранее, сечение поглощения метана для рабочей длины волны Х=1,667мкм вдвое превосходит значение на Х=1,332 мкм. Поэтому в соответствии с (2) это приводит к уменьшению минимальной обнаружимой концентрации в 2 раза или к соответствующему увеличению длины волоконного тракта. При использовании волокна с затуханием 1 дБ/км и при сохранении неизменными всех остальных параметров ВОД переход на длину волны 1,667 мкм обеспечивает увеличение дальности передачи на 1,5 км.
Рис. 4. Зависимость длины волоконного тракта ВОД при обнаружении заданной концентрации метана от коэффициента затухания оптического волокна для различной мощности шумов приемника. Рабочая длина волны 1,332мкм, мощность источника
20 мкВт: 1 - С = 0,1%, Рп = 4,5-10-11 Вт, 2- С =0,1%, Рп = 1,4-10-11 Вт, 3 - С =2%, Рп = 4,5-10-11 Вт, 4 - С =5%, Рп = 1,4-10-11 Вт
Зависимости Ь(С) от входной мощности источника Рис приведены на рис. 3 для рабочей длины волны X =1,332 мкм и волокна с коэффициентом затухания 1 дБ/км при двух значениях мощности шумов приемника. Зависимости Ь(С) от коэффициента затухания оптического волокна приведены на рис. 4 для рабочей длины волны Х=1,332 мкм, различных концентраций метана (0,1%, 2%, 5%) и двух значений мощности шумов приемника (1,4-10-11 Вт и 4,5-10-11 Вт). Как видно из рис. 4, увеличение аов приводит к уменьшению Ь. Это уменьшение происходит наиболее быстро в области малых аов (0,5 - 5,0дБ/км). В области аов > 5дБ/км уменьшение Ь(С) происходит медленно, но при этом сама величина Ь(С) становится незначительной (~1км), что снижает возможность практического использования.
На рис. 5 приведены зависимости величины минимальной обнаружимой концентрации метана (парциального давления метана в атмосфере) на рабочей длине волны 1,332 мкм от длины волоконного тракта ВОД.
Полученные результаты показывают, что при использовании в качестве источника излучения СИД с мощностью, вводимой в ОВ, 20 мкВт (~17дБм), минимальная концентрация метана Сшт =0,1% (т.е. 0,02НПВ) может быть обнаружена на расстоя-
нии 0,36 км при мощности шумов приемной системы 4,5-10 -11 Вт и на расстоянии 2,89 км при мощности шумов 1,4-10 -11 Вт. При обнаружении концентрации метана 5% (что соответствует НПВ) при тех же значениях шумов приемника длина волоконного тракта ВОД составляет, соответственно, 8,8 км и 11,4 км. Указанные расчеты проведены для малых концентраций метана (С<5%), где коэффициент дифференциального поглощения Д^ зависит линейно от концентрации газа. Для более высоких концентраций зависимость Д^(С) становится нелинейной, и требуется дополнительное экспериментальное исследование. Однако на практике, исходя из целей безопасности проведения работ, наибольший интерес представляет именно область малых концентраций (С<5% = НПВ).
Рис. 5. Зависимость минимальной обнаружимой концентрации метана от длины волоконного тракта ВОД для различных значений коэффициента затухания оптического волокна и мощности шумов фотоприемника. Рабочая длина волны 1,332 мкм, мощность источника 20 мкВт: 1 - аов = 1дБ/км, Рп = 4,5-10-11 Вт, 2 - аов = 1 дБ/км, Рп = 1,4-10 -11 Вт, 3 -аов = 1,5дБ/км, Рп = 4,5-10-11 Вт, 4 - аов = 1,5 дБ/км, Рп = 1,4-10-11 Вт
Заключение
Результаты проведенных расчетов показывают, что ВОД концентрации метана, использующий существующую элементную базу и работающий на линии поглощения 1,332 мкм, может обеспечить регистрацию концентрации метана на уровне 0,1% при длине волоконного тракта ~1км, что достаточно для ряда практических применений.
Улучшение характеристик ВОД возможно при переходе на линию поглощения метана 1,667мкм и разработке соответствующих оптоэлектронных компонентов, в первую очередь полупроводниковых источников излучения с мощностью, вводимой в волокно, не менее 100 мкВт и фотодиодов с темновыми токами менее 1нА. Это открывает возможность реализации промышленного ВОД, обеспечивающего измерение концентрации метана на уровне 0,05% (т.е. 1% НПВ) при длине волоконного тракта ~10км.
Представленная методика расчета может быть использована для оценки характеристик ВОД, предназначенных для дистанционного измерения концентрации других горючих и взрывоопасных газов (например, СзЫ8, С2Н4, С2Н2 и др.), полосы поглощения которых расположены в ближней ИК области спектра, где затухание кварцевого волокна мало.
Литература
1. Виглеб Г. Датчики, устройства и применение. / Пер. с нем. М.: Мир, 1989. 196 с.
2. Волоконно-оптические датчики. / Под ред. Окоси Т.. Пер. с япон. Л.: Энергоатомиз-дат, 1990. 256 с.
3. Chan K., Ito Н., Inaba Н., Optical remote monitoring of CH4 gas using low-loss optical fibre link and InGaAsP light emitting diode in 1,33 mkm region // Appl. Phys. Lett., 1983, v.43, №7, p. 634-636.
4. Chan K., Ito H., Inaba H., An optical fiber-based gas sensor for remote absorption measurement of low level CH4 gas in the near-infrared region // Journ. of lightwave Technology, 1984, v.2, №3, p. 234-237.
5. Dakin J.P., Croydon W.F., A fibre optic methane sensor having improved performance // Proc SPIE, 1988, v.949 Fibre Optics'88, p. 200-207.
6. Cassidy D.T., Trace gas detection using 1,3 mkm InGaAsP diode laser transmitter modules // Appl. Opt., 1988, v.27, №3, p. 610-614.
7. Chan K., Ito H., Inaba H., Remote sensing system for near-infrared differential absorption of CH4 gas using low-loss optical fibre link // Appl. Opt., 1984, v.23, №19, p.3415-3420.
8. Stueflatten H.,. Cristensen T, Iversen S.,. Nelvik J, Almos K., Wienand T., Greav A., An infrared fibre optic gas detection system / Proc. 2-nd Inter. Conf. on Opt. Fiber Sensors, Sept. 5-7, 1984, Stuttgart, p.87-90.
9. Alarson M.C., Ito H., Inaba H., All-optical remote sensing of city gas throw CH4 gas absorption employing a low-loss fiber link and InGaAsP light-emitting diode in the near-infrared region // Appl. Phys. B., 1987, v.43, №1, p.79-83.
10. Hopkins F.C., Smiree P.J., Stuart A.D., A fibre optie based continuous mine monitoring system / Proc. 7-th Inter. Conf. on Opt. Fiber Sensors, Dec. 2-6, 1990, Sydney, p.207-210.
