Ручной уровнемер был испытан на одной из топливных оптовых баз Владимирской области. Помимо определения уровня жидкостей в стационарных резервуарах были предложены два дополнительных возможных приложения ручного сигнализатора: определение остаточного заполнения топливных трубопроводов между разгрузочным терминалом и резервуарами хранения топлива, а также определение уровня заполнения цистерны топливом без вскрытия заливного люка путем определения границы заливки. Обе задачи актуальны для предотвращения хищений на предприятиях, а значит, приборы такого типа будут востребованы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Беляев Р. В, Грибов В. А., Кириллов А. Г. и др. Ультразвуковые измерители уровня агрессивных и токсичных жидкостей в закрытых емкостях // Вестник ННГУ. — 2011. — № 1. — С. 53—59.
2. Рейман А. М. Определение акустических и теплофизических свойств одоранта природного газа // Вестник ННГУ. — 2011. — № 5 (1). — С. 76—81.
3. Кулаков М. В. Технологические измерения и приборы для химических производств. 3-е изд. — М.: Машиностроение, 1983. — 424 с.
4. Агранат Б. А., Дубровин М. Н., Хавский Н. Н. и др. Основы физики и техники ультразвука: учеб. пособие для вузов. — М.: Высшая школа, 1987. — 352 с.
5. Бабиков О. И. Контроль уровня с помощью ультразвука. — Л.: Энергия, 1971. — 80 с.
6. Хансуваров К. И., Цейтлин В. Г. Техника измерения давления, расхода,
количества и уровня жидкости, газа и пара. — М.: Изд-во стандартов, 1990. — 287 с.
7. Справочник инженера по КИПиА / Под ред. А. В. Калиниченко. — М.: Инфра-Инженерия, 2008. — 576 с.
8. Справочник по средствам автоматики / Под ред. В. Э. Низэ, И. В. Антика. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 504 с.
Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН
Алексей Геннадьевич Кириллов — зав. сектором;
® (831) 416-49-76
E-mail: kir@ufp.appl.sci-nnov.ru
Александр Михайлович Рейман — канд. физ.-мат. наук, ст. научн. сотрудник.
® (831) 416-49-76
E-mail: rey@appl.sci-nnov.ru □
УДК 53.087;543. 27.-8;544;621.37;681.2
КОМПАКТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗООБРАЗНОГО АММИАКА
Н. В. Масальский
Обсуждаются принцип действия, конструкция и методика выбора параметров устройства для контроля газообразного аммиака. Экспериментально исследованы характеристики сенсорного элемента на основе волноводной структуры, сформированной на Y-срезе ниобата лития.
Ключевые слова: абсорбционный оптический химический сенсор, оптический волновод, аммиак, ниобат лития.
ВВЕДЕНИЕ
Детектирование опасных и вредных газов в современном обществе представляется чрезвычайно важной проблемой. Аммиак NHз, как известно, вместе с диоксидом азота, окисью азота, окисью углерода и двуокисью серы входит в список наиболее опасных веществ. Кроме естественных у аммиака есть много и антропогенных источников. Решение этой проблемы имеет приоритетное значение практически во всех жизненно важных для человека отраслях, включая химическую, металлургическую, нефтегазовую, микро-
электронную промышленность, экологию, медицину и оборону [1—3]. Контроль атмосферных уровней аммиака особенно важен, поскольку он является огнеопасным и взрывчатым газом.
В последние годы активно разрабатываются различные типы оптических химических датчиков. Они характеризуются высокой чувствительностью и помехозащищенностью, функционированием в реальном режиме времени, возможностью дистанционного измерения, малыми массой и габаритами, совместимостью с интегральными технологиями [1—4].
ПРИМЕНЕНИЕ ВОЛНОВОДНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ХИМИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
Одной из перспективных сенсорных технологий является разработка волноводных оптических химических датчиков абсорбционного типа [1—3]. Физический принцип их работы основывается на регистрации изменения интенсивности волновод-ной моды, распространяющейся через исследуемую газообразную среду, находящуюся рядом с сенсорным элементом (рис. 1). Так, если в газообразной среде (воздухе) над волноводом появляются молекулы вещества с характерной линией поглощения, совпадающей с длиной волны лазерного излучения, то на выходе сенсора будет наблюдаться затухание интенсивности волноводной моды [1, 3].
Основная проблема состоит в том, чтобы разработать компактное, надежное устройство с приемлемыми метрологическими характеристиками для контроля уровня газообразного аммиака желательно в крайне низких концентрациях.
Схема волноводного сенсора приведена на рис. 1.
Когерентное оптическое излучение от лазера посредством оптоволокна 3 вводится в волновод-ную структуру 2 и распространяется в ней. Оптическое поле волноводной моды 4 в области волновода характеризуется распределением, близким к гауссовому. А в областях над волноводом (в воздухе) и подложке 1 оптическое поле затухает по экспоненциальному закону от границ волновода. В присутствии исследуемого газового компонента 5 на выходе появляется дополнительное снижение уровня мощности сигнала, которое регистрируется фотодетектором, соединенным с сенсором посредством оптоволокна 3.
Волноводная структура — основной элемент сенсора. Она сформирована на подложке 1 из оптически прозрачного материала, в нашем случае применен Y-срез ниобата лития. Ниобат лития был выбран из-за его широкого технологического использования в интегральной оптике и превос-
Рис. 1. Схема волноводного сенсора:
1 — подложка; 2 — волноводная структура; 3 — оптическое волокно; 4 — вид распределения поля оптической моды; 5 — молекула аммиака; 6 — поглотитель оптического пучка
Рис. 2. Топология волноводной структуры:
1 — подложка; 2 — канальный волновод; 3 — рупорный волновод
ходных оптических свойств при производстве волноводов [4—6]. Топология волноводной структуры (рис. 2) состоит из двух канальных 2 и двух рупорных волноводов 3.
Топология волноводной структуры проектируется так, чтобы, во-первых, она поддерживала только одну волноводную моду ТЕ-поляризации [5, 6] и, во-вторых, обеспечивала минимальные оптические потери. Эффективная длина Хэфф сенсорной части датчика приблизительно равна удвоенной длине рупорного волновода. Волновод-ная структура изготавливается по технологии термодиффузии титана [6].
Анализ оптических потерь является важным условием при разработке датчика. В данном устройстве проявляются несколько механизмов оптических потерь: френелевские отражения, неидеальность связи волноводов различных типов, объемное и поверхностное рассеяния оптической мощности в волноводной структуре [5]. Методика выбора параметров канального и рупорного волноводов подробно обсуждается в [4]. Следует отметить, что на основе метода эффективного показателя преломления [6] численно оптимизируются технологические параметры канальных и рупорных волноводов для обеспечения минимального уровня потерь оптического излучения при распространении и стыковке с волокном. Вышеперечисленные потери определяют оптический коэффициент передачи волноводной структуры датчика:
К = К-кв Кр210-*,
где Кв-кв — оптический коэффициент передачи для системы оптическое волокно-канальный волновод; Кр — коэффициент пропускания рупорного волновода; q — параметр, соответствующий оптическим потерям на нерегулярностях.
Оптический пучок вводится в канальный волновод из оптического волокна широко используемым методом стыковки в торец [6]. При выбран-
38 - Бепвогв & БувЬетв • № 2.2014
ном методе согласования необходимо обеспечить высокоточное согласование и высококлассную поверхность торцов волокна и волновода. Оптический коэффициент пропускания определяется степенью перекрытия оптических полей в волокне и в канальном волноводе. В [6] рассмотрен вклад френелевских отражений в оптические потери. Использование просветляющих покрытий или эмерсионной жидкости снижает френелевс-кие отражения до уровня 0,2 дБ.
Для достижения минимизации потерь в рупорном волноводе необходимо оптимизировать его апертуру. Она должна расти более медленно, чем дифракционная расходимость оптического пучка [5]. Согласно этому условию оптимальный контур рупорного волновода ^(х) вдоль оси х (см. рис. 2), которая совпадает с оптической осью волноводной структуры, вычисляется, исходя из соотношения:
жр(х) = (м2в +
2^0 В Л1/2
где А,0 — длина волны в вакууме; В — постоянный коэффициент, определяющий уровень оптических потерь; ^эфф(х) — эффективный показатель преломления рупорного волновода, — ширина канального волновода. При условии В < 1 и заданных топологических параметров в результате компьютерной оптимизации Кр = 0,96 при В = 0,91.
Используемые в данном устройстве оптические волноводы в общем случае имеют неидеальную структуру. Рассеивающие оптическую мощность нерегулярности располагаются как в объеме волноводов, так и на их границах. Оптические волноводы, изготовленные методом термодиффузии титана в ниобат лития, отличаются минимальными оптическими потерями на объемных неоднородностях [6]. Поэтому рассеяние на неод-нородностях границы составляет основную часть оптических потерь для рассматриваемого механизма.
Величина данного типа потерь определяется значением среднеквадратичного отклонения границы от идеальной. Данное значение напрямую зависит от используемого технологического процесса. Поскольку используемая волноводная структура изготовляется в едином технологическом цикле, то и для всех типов волноводов значение среднеквадратичного отклонения одинаково и составляет 0,05 мкм [6].
На рис. 3 приведена схема экспериментальной измерительной установки для исследования характеристик волноводного оптического датчика.
Рис. 3. Схема экспериментальной измерительной установки:
1 — лазер; 2 — контейнер; 3 — сенсорный элемент; 4 — оптическое волокно; 5 — фотоприемник; 6 — электронный блок; 7 — компьютер; 8 — осциллограф
Волноводная структура сформирована на подложке Y-среза ниобата лития с размерами 48 х7х1,5 мм. Сенсорная часть волноводной структуры имеет следующие параметры: Хэфф = 42 мм, №гшгх = 158 мкм. В качестве источника когерентного излучения применялся гелий-неоновый лазер с длиной волны 632,8 нм, совпадающей с 53 полосой поглощения аммиака. В качестве фотоприемников были использованы фотодиоды ФД-303.
Сигнал с фотодетектора поступал на электронный блок, в кот
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.