Современные газотранспортные системы требуют эффективных средств оперативного контроля утечек метана. Традиционные контактные методы обнаружения, основанные на полупроводниковых или электрохимических датчиках, имеют ряд ограничений: необходимость непосредственного присутствия в зоне утечки, чувствительность к климатическим факторам и относительно большое время отклика. В этих условиях дистанционные оптические методы, в частности технология перестраиваемой диодной лазерной абсорбционной спектроскопии ( TDLAS ), приобретают особую актуальность для обследования протяжённых и труднодоступных объектов [1].

Принцип действия TDLAS основан на сканировании узкой спектральной линии излучения полупроводникового лазера в области одной из линий поглощения метана, регистрации ослабления отражённого от цели сигнала и обработке с использованием закона Бугера--Ламберта--Бера. Технология позволяет осуществлять селективное обнаружение метана на расстояниях от нескольких метров до десятков метров с высокой скоростью и чувствительностью [2].

Целью данной работы является описание процесса проектирования оптической системы портативного TDLAS -детектора, включая выбор ключевых параметров, разработку оптической схемы и энергетический расчёт, подтверждающий выполнение требований технического задания.

Исходными требованиями для проектирования служили:

1. Анализируемый компонент: метан ( CH ₄), диапазон измерений 5–65000 ppm·м.
2. Метод измерения: перестраиваемая диодная лазерная абсорбционная спектроскопия ( TDLAS ).
3. Чувствительность: не хуже 5 ppm·м на расстоянии до 10 м.
4. Исполнение: портативное, габариты не более 143×75×37 мм, масса до 450 г.

На основе анализа спектроскопической базы данных HITRAN -2020 и технической документации на коммерческие DFB -лазеры в качестве рабочей области выбрана линия поглощения R (3) в полосе 2 ν ₃ метана с центральной длиной волны 1653,722 нм. Данная линия обладает достаточной интенсивностью, изолированностью от сильных линий паров воды и углекислого газа, а также обеспечена элементной базой.

Для сканирования линии поглощения выбран метод линейной пилообразной модуляции тока накачки DFB-лазера. По сравнению с гармонической модуляцией, линейное изменение длины волны во времени обеспечивает прямое отображение спектрального контура на временную форму сигнала фотоприёмника, что упрощает последующую цифровую обработку в микроконтроллере.

На основе определённых параметров разработана оптическая схема устройства, представленная на рисунке 1. Схема реализована как двухканальная система, совмещающая измерительный инфракрасный и видимый указательный тракты.

Передающий оптический тракт включает DFB -лазер с длиной волны 1653,7 нм и выходной мощностью 6 мВт. Для формирования узконаправленного пучка применена асферическая коллимирующая линза с фокусным расстоянием 8 мм, обеспечивающая расходимость ≈ 0,5 мрад. Для точного визуального целеуказания используется лазер-указатель с длиной волны 532 нм. Совмещение невидимого ИК- и видимого пучков осуществляется через дихроичное зеркало, которое пропускает излучение 532 нм и отражает 1653 нм. Данное решение обеспечивает высокую стабильность юстировки при эксплуатационных воздействиях.

Приёмный оптический тракт предназначен для сбора отражённого от цели излучения, ослабленного поглощением метана. В качестве приёмной оптики выбрана линза Френеля из полиметилметакрилата диаметром 30 мм, обеспечивающая компромисс между светосилой, массой и габаритами. Для эффективного подавления фоновой засветки непосредственно перед фотодиодом установлен узкополосный интерференционный фильтр с центральной длиной волны 1653,7 нм и полосой пропускания 10 нм. В качестве фотоприёмника выбран InGaAsPIN -фотодиод LSIPD - L 3–08.

Рис. 1. Функциональная оптическая схема лазерного детектора метана

Для проверки возможности достижения заданной чувствительности выполнен энергетический расчёт для наихудшего случая -- отражения от поверхности бетона (коэффициент отражения ρ = 0,25) на расстоянии 10 м. Расчётная мощность сигнала, попадающего на фотодиод, составила P _pd ≈ 0,49 мкВт, что соответствует току I _pd0 ≈ 415 нА. Изменение тока Δ I из-за поглощения метаном описывается линейным приближением закона Бугера — Ламберта — Бера:

Δ I / I ₀ ≈ −4,55⋅10 ⁻⁸ ⋅ CL .

где CL — концентрация-путь в ppm·м.

Суммарный шумовой ток приёмного тракта (дробовой шум фотодиода, шум усилителя, тепловой шум) для полосы 25 кГц оценивается в I _n,total ≈ 35 пА. Минимально обнаружимое изменение тока при отношении сигнал/шум SNR =3 составляет Δ I _min ≈ 105 пА.

Расчётная минимальная обнаружимая концентрация-путь для бетона:

CL _min = Δ I _min / ( I _pd0 ⋅ 4,55×10⁻⁸) ≈ 5,5 ppm·м.

Для поверхностей с лучшим коэффициентом отражения (ржавая сталь ρ = 0,35, белая краска ρ = 0,8) чувствительность повышается до 1,8–4,1 ppm·м. Применение синхронного накопления сигнала за 100 периодов позволяет улучшить чувствительность в 10 раз, что обеспечивает запас по чувствительности даже для наихудшего случая.

Разработанная оптическая система портативного TDLAS — детектора метана, включающая двухканальную схему с дихроичным совмещением пучков и узкополосной фильтрацией в приёмном тракте, позволяет достичь требуемой чувствительности 5 ppm·м на расстоянии 10 м.

Литература:

1. Козлов С. А., Анисимов В. Н. Методы и приборы для контроля загрязнения атмосферы. М.: Химия, 1991.
2. Werle P. et al. Near-infrared diode laser absorption spectroscopy for chemical analysis of gas mixtures // Applied Physics B. 1993.