El analizador de gas láser "LGAU-02" está diseñado para medir la concentración de hidrocarburos gaseosos en el aire bombeado a través de la celda de gas del dispositivo. El analizador de gases se puede utilizar como versión autónoma y como parte de laboratorios móviles de automóviles y de aire. El complejo incluye:
- analizador de gas láser "LGAU-02";
- unidad de control remoto con fuentes de señal de sonido;
- además: una computadora personal con software instalado.
Figura: uno
En la Fig. Se presenta un diagrama de la organización de un laboratorio automotriz para encontrar fugas de gasoductos subterráneos. 1 En un laboratorio de aire, puede prescindir de un estimulador de flujo, que proporciona una entrada de aire efectiva por la presión del aire exterior, y en un carro de mano, puede utilizar un muestreador externo en lugar de un muestreador de superficie.
Las ventajas del analizador de gases LGAU-02 se manifiestan al resolver problemas:
- detección de fugas de gasoductos subterráneos de redes de gas urbanas, así como de gasoductos principales y de distribución mediante un laboratorio automotriz que realiza mediciones sobre la marcha;
- detección de fugas de tuberías subterráneas, superficiales y aéreas mediante un carro de mano que toma medidas sobre la marcha;
- detección de fugas de gasoductos principales mediante un laboratorio de aviación;
- medición de variaciones en el fondo de metano (hidrocarburos) en grandes áreas (estudio de hidrocarburos) utilizando un laboratorio de aire para buscar campos de petróleo y gas y control ambiental de la atmósfera.
Figura: 2
- El software le permite mantener archivos. También se mantiene un registro de eventos.
Funcionalidad del complejo
- El analizador de gases tiene la forma de una unidad de medición optoelectrónica en una caja IP54 a prueba de polvo y salpicaduras y está equipado con un panel de control remoto equipado con un indicador analógico, un solo botón de puesta a cero y alarmas de luz y sonido de dos etapas de altas concentraciones con umbrales de respuesta ajustables. La facilidad de instalación y mantenimiento del dispositivo, la alta fiabilidad, el reducido tamaño y el consumo de energía permiten su uso de forma autónoma, en carros de mano, automóviles y a bordo de casi cualquier portaaviones, incluidos ala delta y mini aviones. El analizador de gases puede funcionar de forma totalmente autónoma y, en lugar de un mando a distancia, se puede conectar cualquier dispositivo de medida de tensión CC de 0 a 5 V. La documentación de los datos de medida y el trazado en tiempo real se pueden realizar en un ordenador personal normal con RS 232C interfaz, incluida una portátil. Cuando se conecta al sistema de navegación por satélite del analizador de gases y la computadora, es posible trazar un mapa del campo de contaminación del gas. El generador de caudal se puede conectar mediante un botón especial para cambiar la tensión de alimentación en el panel frontal del dispositivo.
Experiencia operativa
- Experiencia operativa. Desde 1998, la Industria del Gas de la Ciudad de Lengaz en San Petersburgo y desde 2004 la Empresa Unitaria Estatal de Moscú Mosgaz han estado operando laboratorios automotrices para buscar fugas de gas natural de gasoductos subterráneos urbanos basados \u200b\u200ben LGAU-02. Los prototipos del dispositivo se utilizaron como parte de los laboratorios de aire durante el estudio atmogeoquímico en el complejo de exploración de gas y petróleo en Tatarstán, Chuvashia y en el norte del territorio de Krasnoyarsk y durante el examen ambiental de la atmósfera en las ciudades de Tula y Moscú. Además, los dispositivos se utilizaron como parte de los laboratorios de automóviles para estudios geoecológicos de los territorios de distribución de suelos tecnogénicos en varias áreas de desarrollo masivo en Moscú, así como de forma autónoma, durante estudios geoquímicos terrestres en Corea. Sobre la base del analizador de gases, se creó un complejo computarizado a bordo para el levantamiento de gases de hidrocarburos de la aviación. En la temporada de campo de 2001, el tiempo de vuelo del complejo a bordo de la aeronave An 2 sin una sola falla del dispositivo superó las 600 horas, y el área total cubierta fue de unos 30 mil metros cuadrados. km.
Perspectivas de desarrollo del complejo
- Implementación de interfaces USB adicionales;
- Conexión de un dispositivo de navegación por satélite GPS con un mapa del terreno interactivo;
- Implementación de funcionalidades adicionales a solicitud del usuario.
Revista "Instrumentos y técnica experimental", 1999, Nº 5
Analizador de gas láser para encontrar fugas de gas de gasoductos subterráneos
Revista "Instrumentos y sistemas de control", 1998, Nº 9
Analizador de gases de hidrocarburos por absorción láser a bordo
Copyright 1998-2005 Centro de Ingeniería MEPhI
Uso: control de sustancias nocivas en el aire. La esencia de la invención: el dispositivo contiene un tubo de descarga de gas láser, una unidad de formación de haz realizada en forma de rejilla de difracción sobre un corrector piezoeléctrico, que se encuentran en una unidad tangencial asociada a un motor paso a paso, una celda optoacústica, un celda de referencia, un micrófono de medición y de fondo y dos sensores piroeléctricos, conectados a través de un convertidor analógico-digital y una unidad de interfaz a la entrada de una computadora personal. 1 enfermo
La presente invención se refiere a la tecnología de medición y está destinada a controlar sustancias nocivas en el aire. Las listas de sustancias nocivas en el aire del área de trabajo o de vivienda contienen cientos de sustancias que afectan al cuerpo humano. Se conocen muchos dispositivos, por ejemplo, que sirven para controlar la composición del aire mediante diversos métodos de medición: químico-analítico, cromatográfico, culombimétrico, etc. Uno de los más adecuados para realizar mediciones operativas con la capacidad de controlar una gran cantidad de sustancias nocivas es el método que utiliza la absorción de radiación infrarroja. Los analizadores de gas conocidos del tipo GIAM están diseñados para registrar uno de los siguientes gases: CO, CO 2, CH 4, SO 2, NO. Los filamentos incandescentes (lámparas) con un espectro de radiación continuo se utilizan como fuentes de radiación IR. Los filtros de luz se utilizan para seleccionar el rango espectral correspondiente al espectro de absorción de la sustancia de prueba. Las mediciones se realizan utilizando una celda de referencia con un gas de referencia. El flujo luminoso intermitente se dirige alternativamente a las cubetas de trabajo y comparativa, pasando a través de las cuales (el flujo luminoso) es registrado por un detector optoacústico lleno con el gas medido. La diferencia en las señales de los detectores determina la concentración de la sustancia de prueba en el aire. Los dispositivos de este tipo, que poseen una buena eficiencia (el tiempo para establecer las lecturas es de aproximadamente 10 s), no permiten el registro simultáneo (en una muestra) de más de un componente de contaminantes. El conocido monitor de gas universal 1302 de la empresa Brüel & Kjr permite el registro simultáneo de hasta cinco impurezas en una muestra de aire. El dispositivo utiliza un filamento como fuente de radiación infrarroja. El cambio en el espectro de la radiación infrarroja que cae en el volumen sensible de la celda optoacústica se presenta automáticamente durante las mediciones utilizando un conjunto de filtros de luz de banda estrecha instalados en un disco giratorio. La muestra de aire llena el volumen de la celda óptico-acústica. Mientras dura la medición, la entrada y salida de la celda están bloqueadas por el aire exterior. Los micrófonos se utilizan para medir la amplitud de las fluctuaciones de presión que surgen en la celda cuando el flujo de luz intermitente es absorbido por la muestra en estudio. Se realizan mediciones para cada filtro. El tiempo total de medición de una muestra es de aproximadamente 2 minutos. Según los resultados de la medición, se determina la concentración de hasta cinco impurezas en una muestra. El control del funcionamiento del dispositivo y el procesamiento de los resultados de la medición se lleva a cabo mediante el procesador integrado. El juego de dos filtros de luz de banda estrecha reemplazables suministrado por separado permite el registro de una gran cantidad de impurezas que absorben IR. Sin embargo, el dispositivo permite realizar mediciones solo con una composición de contaminantes conocida a priori. De lo contrario, la superposición de bandas de absorción de diversas sustancias no permite obtener información adecuada sobre la composición de sustancias nocivas en el aire. Lo más cercano a la solución propuesta es un analizador de gas láser descrito en y que contiene un tubo de descarga de gas láser al que se conectan una fuente de alto voltaje y una unidad de enfriamiento, ubicada en un eje óptico, una unidad de formación de haz y un óptico-acústico. celda a la que se conecta una unidad de toma de aire, de medición de un micrófono y un sensor piroeléctrico, un convertidor analógico-digital conectado a través de una unidad de interfaz y una unidad de entrada y salida de datos con la entrada de una computadora electrónica personal. La salida de la cual a través de la unidad de interfaz está conectada a la entrada de la unidad de control. El uso de una fuente láser de radiación infrarroja permite realizar una alta resolución espectral en el dispositivo aproximadamente (10-20 nm). La absorción en el gas de prueba se registra utilizando una celda optoacústica. El analizador de gases consta de tres partes principales: una fuente de radiación infrarroja sintonizable, una celda óptico-acústica (OAP), un sistema para registrar y procesar información. En el dispositivo, la unidad de formación de haz se fabrica en forma de modulador, modelador, espejo, lente de enfoque y rejilla de difracción acoplados ópticamente. El método seleccionado en el dispositivo de sintonizar la longitud de onda de la radiación láser utilizando una rejilla de difracción y un espejo giratorio permite la selección de 36 líneas de radiación. La identificación de las líneas de emisión se realiza solo al configurar el dispositivo. Cuando la radiación es absorbida en el gas de prueba que llena el OAP, se forma una onda acústica en él, que es registrada por un micrófono de condensador. Las señales de un micrófono y un detector de radiación piroeléctrica que registra la potencia de la radiación láser se alimentan a la entrada de un sistema de registro de dos canales que consta de dos detectores síncronos. La grabación analógica de las señales registradas se realiza mediante un registrador. La información se puede leer usando un voltímetro digital y una computadora. Las desventajas del prototipo son el número limitado de líneas de radiación, que afecta al multicomponente en una muestra de aire, y la falta de control sobre la longitud de onda de la radiación. El objetivo de la invención es proporcionar un análisis multicomponente expreso de la composición del aire en busca de sustancias nocivas con alta precisión. Esta tarea se realiza en un dispositivo que contiene un analizador de gas láser, que contiene un tubo de descarga de gas láser al que se conectan una fuente de alto voltaje y una unidad de enfriamiento, una unidad de formación de haz, realizada en forma de rejilla de difracción en un corrector piezoeléctrico. , y una celda óptico-acústica a la que se conectan una unidad de toma de aire y un micrófono de medición, un sensor piroeléctrico conectado a través de un convertidor analógico-digital conectado en serie y una unidad de interfaz a la entrada de PC, se resuelve debido al hecho que el analizador de gases contiene adicionalmente un micrófono de fondo, una celda de referencia ubicada en un eje óptico y un sensor piroeléctrico adicional conectado similar al sensor piroeléctrico principal, así como un amplificador diferencial, en la unidad formadora de haz, la rejilla de difracción y el Los correctores piezoeléctricos están ubicados en una unidad tangencial conectada al motor paso a paso, y las salidas de los micrófonos de medición y de fondo. conectado a través de un amplificador diferencial al ADC, las salidas de la unidad de control están conectadas a las entradas correspondientes del piezocorrector y el motor paso a paso de la unidad de formación de haz, la salida de la computadora personal a través de la unidad de interfaz está conectada al control unidad. La esencia de la invención radica en el hecho de que la implementación propuesta de la unidad de formación de haz permite tener un conjunto grande (hasta 70 líneas de radiación IR) de longitudes de onda con una longitud de onda fija y controlada (multicomponente y precisión); el software y el banco de datos utilizados en la PC y su comunicación a través de la unidad de interfaz y la unidad de control con todos los sensores del analizador de gases garantizan la rapidez de la corrección de la deriva de los parámetros y el procesamiento de la información. El dibujo muestra un diagrama de bloques del analizador de gases. Contiene un tubo de descarga de gas láser LGRT 1 (láser de CO 2), una unidad de alimentación de alto voltaje 2 LGRT, una unidad de enfriamiento 3 sirve para enfriar el LGRT, la apertura 4 regula la potencia de radiación, una rejilla de difracción 5, la cuya rotación cambia la longitud de onda de la radiación, el piezocorrector 6 compensa la inestabilidad de la temperatura, el bloque tangencial 7, cuyo movimiento longitudinal de 20 mm conduce a una rotación de la rejilla de difracción 5 en 14 o, el motor paso a paso 8 mueve la unidad tangencial 7 , espejos 9, que dirigen la radiación IR a la ventana de entrada del AOC, los elementos 4, 5, 6, 7, 8 y 9 constituyen una unidad 26 de formación de haz, un sensor piroeléctrico 10, que recibe radiación IR, parcialmente reflejada desde la ventana de entrada del OAP, un sensor piroeléctrico 11, que registra la radiación IR que pasó a través del OAP a través de una celda de referencia, un micrófono de fondo 12, sin "ver" el volumen sensible del OAP, un micrófono de medición 13, que registra un cambio periódico en presión en el OAP debido a la absorción de n flujo luminoso intermitente, celda optoacústica ОАЯ 14, un elemento sensible del analizador de gas, una cubeta de referencia 15 con un llenado conocido, utilizada para controlar la longitud de onda de la radiación, un soplador 16 que suministra el aire de prueba al ОАЯ, válvulas electromagnéticas 17, 18 y 19 que regulan el flujo del aire de prueba, entrada de aire (tubo) 20, obturador 21, que sirve para interrumpir periódicamente el flujo de radiación, filtro 22, sensor de temperatura 23 en el sistema de refrigeración, sensor de presión 24 en el sistema de refrigeración, sensor de presión 25 en el circuito de entrada de aire, el PC 27 controla el funcionamiento y la recopilación de resultados de medición, la unidad de interfaz 28 está conectada por una línea con un PC 27, con una unidad de control 29, un convertidor analógico a digital ADC 30, un PC 27 del tipo IBM PC está provisto de software 31 y un banco de datos 32 (mostrado condicionalmente). Las señales 13 y 12 se restan entre sí, la diferencia se normaliza a las lecturas del sensor piroeléctrico 10. Las mediciones se realizan en longitudes de onda configuradas desde el PC 27 (cada longitud de onda corresponde a un cierto paso del motor paso a paso 8). La unidad de interfaz 28 se usa para interconectar el PC 27 y la parte de registro ejecutivo del analizador de gas con el ADC 30, que convierte las señales de los sensores piroeléctricos 10, 11 y del amplificador diferencial 33 en un código digital. La unidad de control 29 realiza el funcionamiento de los actuadores del soplador 16, el piezocorrector 6, el motor paso a paso 8, las electroválvulas 17, 18 y 19. La unidad de control 29 también supervisa la presión y la temperatura en el circuito de refrigeración de LGRT 1 y monitorea la presión en el sistema de admisión de aire. La muestra se toma en el OAO 14 a través del tubo de entrada de aire 20, filtro 22. El aire se mueve a través del tubo 20 bajo la acción del soplador 16. La dirección del flujo se ajusta mediante las válvulas 17, 18, 19. El sensor de presión 25 sirve para comprobar la salud del sistema de admisión de aire. En el modo de medición, parte de la radiación es absorbida por el gas en estudio en el OAD 14, provocando fluctuaciones periódicas de presión con una frecuencia igual a la frecuencia de interrupción del haz de radiación por el obturador 21, que son registradas por el micrófono 13 Parte de la radiación, habiendo pasado por la ventana de salida del OAD 14, ingresa a la celda de referencia 15, y luego al sensor piroeléctrico 11. Durante el procesamiento, las señales del amplificador diferencial 33 (cuyas entradas están conectadas a los micrófonos 12 y 13) y el sensor piroeléctrico 11, normalizado a las lecturas del sensor 10. utilizando un software 31 especialmente desarrollado y un banco de datos 32. El funcionamiento del analizador de gas, el operador y la funcionalidad de los programas se describen a continuación. El trabajo con el analizador de gases comienza con la conexión del PC 27 a la red y la descarga del software SCO 2, que contiene los siguientes programas: 1. CONTROL; 2. PRUEBA 3. LÍNEA DE PRUEBA; 4. SPECTRA; 5. CÁLCULO; 6. RESULTADO; 7. BANCO. Después de cargar el SCO 2, aparece el mensaje "EN EL ANALIZADOR DE GAS" en la pantalla de visualización del PC 27, el programa "CONTROL" se enciende, proporcionando una verificación del funcionamiento del analizador de gases antes de iniciar las mediciones. Se comprueban el obturador 21, el supercargador 16, las válvulas 17, 18 y 19. Además, de acuerdo con el programa "CONTROL", la pantalla muestra la consulta "REALIZAR MEDICIÓN DE PRUEBA". Si se requiere una medición de prueba, confirmada presionando la tecla D, el operador realiza el trabajo de acuerdo con el programa "TEST". El mensaje "LLENAR OAU CON CERO GAS" aparece en la pantalla. "LISTO", después de llenar con la tecla D, se inicia el programa de medición: se toman las mediciones de las señales de los micrófonos 12 y 13, del sensor de potencia piroeléctrica 10 a diferentes valores de las líneas de radiación (es decir, a diferentes valores Del número de paso del motor paso a paso 8. Los resultados se introducen en la memoria del PC 27 para su uso en el programa "CÁLCULO"). Después de eso, el mensaje "TOMAR CERO MEDICIÓN" aparece en la pantalla. Si no se realizan mediciones con el programa "TEST", este mensaje aparece inmediatamente. Las medidas se llevan a cabo usando el programa "TEST LINE" presionando la tecla D. El aire es bombeado a través del OAJ 14 por el soplador 16, las válvulas 18 y 19 se cierran, la válvula 17 se abre, después de lo cual el soplador 16 se apaga y las señales son medido desde los micrófonos 12 y 13 conectados al amplificador diferencial 33, y los sensores piroeléctricos 10 y 11 con diferentes números de pasos del motor paso a paso 8. Los resultados de la medición después del ADC 30 se normalizan a las lecturas del sensor de potencia piroeléctrico 10. Si las mediciones no se realizaron usando el programa "TEST", luego las señales de los micrófonos 12 y 13 se escriben en un archivo para su procesamiento en el programa "CÁLCULO", de lo contrario no se usan más; la señal del sensor 11 se introduce en el archivo del programa de medidas básicas "SPECTRA". Al final del programa, el mensaje "MODO DE OPERACIÓN DE ESCANEO" aparece en la pantalla. Al presionar la tecla D, el trabajo se realizará según el programa "SPECTRA" con la medición de señales de los micrófonos 12 y 13 y de un sensor piroeléctrico 10 en todo el rango de radiación, en cada grupo de pasos correspondiente a la presencia de radiación. En este caso, para controlar el espectro de radiación, los resultados de la medición se comparan con las mediciones del sensor 11 y los datos sobre el espectro de absorción de gas en la celda de referencia 15 se ingresan en el banco de datos durante la calibración del analizador de gas. Si es necesario, se modifica la numeración de pasos especificada por el programa "SPECTRA" Los resultados de la medición se ingresan en un archivo para el programa "CÁLCULO". En caso de negarse a trabajar en el modo de escaneo (presionando la tecla "H") aparece el mensaje "INGRESAR LOS NOMBRES DE CONTAMINANTES DE LA LISTA NOMBRADA", el trabajo continúa según el programa "SPECTRA". Aparece una lista de contaminantes en la pantalla. Después de seleccionar los contaminantes, aparece el mensaje "MODO DE FUNCIONAMIENTO UNA VEZ". Cuando se pulsa la tecla D, se realiza una única medida: se recoge una muestra de aire OAYA 14, se miden las señales de los micrófonos 12 y 13 y del sensor 10 en las líneas de absorción de las sustancias buscadas, determinadas por el número de paso de el motor paso a paso 8, teniendo en cuenta la medida cero. Los resultados de la medición se introducen en un archivo para su procesamiento mediante el programa "CÁLCULO". En caso de rechazo de una sola medición (pulsando la tecla H), aparece el mensaje "AJUSTE EL TIEMPO DE MEDICIÓN EN HORAS", tras lo cual se realizan mediciones continuas utilizando el programa "SPECTRA" durante un tiempo especificado. El intervalo entre las mediciones individuales es de 5 min. Los resultados de la medición se introducen en un archivo para su procesamiento mediante el programa "CÁLCULO". El procesamiento de los resultados de la medición se realiza mediante el programa "CÁLCULO" al final de las mediciones (modo único), entre mediciones separadas (modo continuo). El procesamiento se lleva a cabo utilizando un banco de datos (programa BANK), que contiene los espectros de absorción instrumental de gases, la sensibilidad a cada gas individual, las cantidades mínimas detectables, el espectro de absorción del gas de la cubeta de referencia, la concentración máxima permitida de gases de ADN para el aire de las áreas de trabajo y de vida. Los resultados se muestran en la pantalla en forma de tabla (mediciones individuales) o gráfico (mediciones continuas) en comparación con el MPC. En caso de incertidumbre en los resultados del procesamiento (por ejemplo, espectros de absorción coincidentes), se muestra un mensaje sobre la insuficiencia de las mediciones. Por lo tanto, el analizador de gases propuesto proporciona medios técnicos para la determinación rápida de los picos de absorción de varias impurezas del aire (hasta 60 componentes en una muestra), la concentración de impurezas está determinada por la magnitud del pico de absorción, que lo distingue favorablemente de los análogos. y el prototipo.
RECLAMACIÓN
Un analizador de gas láser que contiene un tubo de descarga de gas láser al que se conecta una fuente de voltaje de alto voltaje y una unidad de enfriamiento, una unidad de formación de haz ubicada en el mismo eje óptico con el tubo de descarga de gas láser, realizada en forma rejilla de difracción en un piezocorrector y una celda optoacústica (OAP), a la que se conecta la unidad, entrada de aire y un micrófono de medición, un sensor piroeléctrico conectado a través de un convertidor analógico-digital (ADC) conectado en serie y una unidad de interfaz a la entrada de un ordenador personal, caracterizado porque el analizador de gases contiene adicionalmente un micrófono de fondo, ubicado en el mismo eje óptico con una celda óptico-acústica, una cubeta de referencia y un sensor piroeléctrico adicional, conectados de la misma forma que el principal sensor piroeléctrico, así como un amplificador diferencial, en la unidad de formación de haz, la rejilla de difracción y el corrector piezoeléctrico están ubicados en una unidad tangencial conectada al motor paso a paso, Un espejo rotatorio está instalado en la unidad genética, que dirige la radiación a la ventana de entrada del OAD, y las salidas de los micrófonos de medición y de fondo se conectan al ADC a través de un amplificador diferencial, las salidas de la unidad de control están conectadas a las entradas correspondientes del piezocorrector y el motor paso a paso de la unidad de formación de haces, la salida del ordenador personal está conectada a la gestión.Como manuscrito
DOLGI SERGEI IVANOVICH
ANALIZADORES DE GAS LÁSER BASADOS EN EL MÉTODO DE ABSORCIÓN DIFERENCIAL
01.04.01 - Dispositivos y métodos de física experimental
disertación para el grado de candidato de ciencias físicas y matemáticas
Barnaul - 2004
El trabajo se llevó a cabo en el Instituto de Óptica Atmosférica, Rama Siberiana de la Academia de Ciencias de Rusia.
Asesores científicos: - Doctor en Ciencias Físicas y Matemáticas
profesor, miembro correspondiente de la Academia de Ciencias de Rusia Zuev Vladimir Vladimirovich
Opositores oficiales: - Doctor en Ciencias Físicas y Matemáticas
profesor Sutorikhin Igor Anatolyevich. - Candidato de Ciencias Físicas y Matemáticas, Investigador Principal Prokopiev Vladimir Egorovich.
Organización principal: Universidad Politécnica de Tomsk
La defensa tendrá lugar el 15 de diciembre de 2004. a las 14:00 en una reunión del consejo de disertación D 212.005.03 en la Universidad Estatal de Altai en la dirección: 656049, Barnaul, Lenin Ave., 61
La disertación se puede encontrar en la biblioteca de la Universidad Estatal de Altai.
Secretario científico
consejo de disertación Ph.D.
D.D. Ruder
Relevancia del tema. El entorno cambia bajo la influencia de varios factores. El rápido desarrollo de la industria, la energía, la agricultura y el transporte conduce a un aumento del impacto antropogénico en el medio ambiente. Varios subproductos nocivos en forma de aerosoles, gases, aguas residuales domésticas e industriales, productos del petróleo, etc., ingresan a la atmósfera, la hidrosfera y la litosfera, lo que afecta negativamente las condiciones de vida del hombre y la biosfera en su conjunto. Por tanto, el control medioambiental es un problema urgente de nuestro tiempo.
En la actualidad, se utilizan analizadores de gases químicos, térmicos, eléctricos, cromatográficos, espectrales de masas y ópticos para controlar el estado de la atmósfera. Además, solo estos últimos son sin contacto, no requieren muestreo, lo que introduce errores adicionales en el valor medido. Un lugar especial entre los métodos ópticos de análisis de gases pertenece a los métodos láser, que se caracterizan por: alta concentración de sensibilidad de las mediciones y resolución espacial, distancia y velocidad. En primer lugar, se trata de analizadores de gas láser que operan sobre el efecto de absorción resonante, que tiene la sección transversal más grande para la interacción de la radiación óptica con el medio en estudio, proporcionando la máxima sensibilidad. Dichos analizadores de gas implementan, por regla general, un esquema de absorción diferencial. Con el desarrollo de la tecnología láser en nuestro país y en el exterior, analizadores de gases láser óptico-acústicos (para análisis de gases locales) y de trayectoria (dando valores integrales de la concentración del gas en estudio), así como lidars (LIDAR, un abreviatura de las palabras en inglés Light Detection and Ranging), se ha desarrollado información sobre la concentración de gases en la atmósfera con resolución espacial. Pero al comienzo del trabajo en la tesis, con raras excepciones, todos ellos eran modelos de laboratorio diseñados para medir uno, como máximo dos componentes de gas, mientras que el monitoreo ambiental requiere un análisis de gas de múltiples componentes.
Todos los componentes gaseosos de la atmósfera terrestre, excepto los principales: nitrógeno, oxígeno y argón, se denominan habitualmente los denominados componentes gaseosos menores (MGS). El porcentaje de IGM en la atmósfera es pequeño, pero el aumento de su contenido debido al factor antropogénico tiene un impacto significativo en muchos procesos en la atmósfera.
Como se desprende de la bibliografía, la región de infrarrojos medios del espectro es la más adecuada para los fines del análisis de gas láser del MGS. Las principales bandas vibratorias-rotacionales de la mayoría de IGM con estructuras permitidas se encuentran aquí. En esta región se emiten láseres moleculares de alta energía, incluidos láseres de CO y CO2 fiables y eficientes. Para estos láseres, se han desarrollado convertidores de frecuencia paramétricos (PFC) de alta eficiencia, que permiten una densidad suficientemente
flotante int espectral de transparencia de la atmósfera
SIMIOTEKA i
esferas. Otro rango espectral informativo para el análisis de gas con láser es la región UV. Aquí hay fuertes bandas electrónicas de muchos gases contaminantes. A diferencia de la región de IR medio del espectro, las bandas de absorción de UV no son selectivas y se superponen. El mayor desarrollo en esta área se obtuvo por el método ozonométrico debido a la presencia aquí de la banda de absorción de ozono de Hartley-Huggins.
Objetivo. Desarrollo de analizadores de gases basados \u200b\u200ben el método de absorción diferencial para detectar y medir concentraciones de MGM y determinar su distribución espacio-temporal en la atmósfera.
Durante el trabajo se realizaron las siguientes tareas:
Creación de un canal para detectar la distribución vertical del ozono (VRO) en la estratosfera (basado en el espejo receptor de 0,5 m) en la estación lidar de Siberia (SLS);
Seguimiento del estado de la ozonosfera en mediciones de rutina;
Estudio de la climatología de la ozonosfera, evaluación de las tendencias del ozono estratosférico.
Se presentan a la defensa los siguientes:
2. Diseños desarrollados de analizadores de gas láser de la serie TRAL, en el rango de IR medio del espectro, que permiten medir rápidamente concentraciones de más de 12 gases en y por debajo del MPC en caminos de hasta 2 km de largo utilizando un espejo o topográfico catadióptrico.
3. El lidar de ozono UV creado por el autor basado en el láser excimer XeQ, que proporcionó un sondeo ininterrumpido a largo plazo de la ozonosfera sobre Tomsk en la estación lidar de Siberia en el rango de altitud de 13 a 45 km con una resolución vertical máxima de 100 metro.
Novedad científica del trabajo:
Por primera vez, se seleccionaron y probaron experimentalmente longitudes de onda informativas de sondeo de la atmósfera IGM utilizando láseres moleculares IR y PPC;
Se han creado varios analizadores de gas de ruta móvil y estacionaria únicos, que permiten realizar rápidamente un análisis multicomponente de la composición de gas de la atmósfera;
Las mediciones de las variaciones diarias en la concentración de MGM (tales como C2H4, NH3, H2O, CO2, CO, Oz, N0, etc.) se realizaron en regiones ecológicamente limpias del país sujetas a carga antropogénica significativa;
Utilizando los resultados del trabajo. Los datos obtenidos mediante analizadores de gases se presentaron al Comité Olímpico de la URSS en 1979-1980. en Moscú, así como a organizaciones medioambientales en la ciudad de Tomsk, Kemerovo, Sofia (NRB), se incluyeron en los informes finales del IAO SB RAS sobre varias subvenciones, acuerdos, contratos y programas de RFBR, por ejemplo, "TOR" (investigación del ozono troposférico), "SATOR" (ozono estratosférico y troposférico investigación) y otros.
El valor práctico del trabajo es el siguiente: - Se ha desarrollado un analizador óptico-acústico de gases, que permite medir con alta precisión la concentración tanto de la suma de hidrocarburos del grupo metano como por separado de metano e hidrocarburos más pesados \u200b\u200ben una mezcla de gases de petróleo naturales y asociados. Con la ayuda de este analizador de gas, es posible buscar petróleo y gas mediante halos de gases que salen a la superficie de la tierra sobre campos de hidrocarburos;
Los analizadores de gas de ruta desarrollados permiten medir la concentración de mezclas de gases en y por debajo del MPC a partir de una amplia lista de gases contaminantes prioritarios;
Crear un canal para detectar la distribución vertical del ozono SLS sobre la base de un espejo de 0,5 m, que permitirá obtener perfiles VOD fiables en el rango de altitud de 13-45 km con una resolución máxima de 100 m.
La fiabilidad de los resultados del trabajo está garantizada por: - una buena concordancia entre los datos experimentales obtenidos con los analizadores de gas desarrollados y los datos obtenidos simultáneamente por otros métodos, así como; datos obtenidos por otros autores en condiciones climáticas y ecológicas similares;
Buena coincidencia de los perfiles VOD en la estratosfera, medidos por el lidar, datos de ozonosondes, así como medidas satelitales dentro del error de los dispositivos utilizados.
Aprobación de obra. Los principales resultados sobre el tema de la tesis, obtenidos por el autor, se publicaron en 11 artículos en revistas científicas rusas revisadas por pares, se informaron en: VI, VII y XI simposios de toda la Unión sobre sondeo láser y acústico (Tomsk, 1980 , 1982, 1992); VI Simposio de toda la Unión sobre la propagación de la radiación láser en la atmósfera (Tomsk, 1881); XII Conferencia de toda la Unión sobre óptica coherente y no lineal (Moscú, 1985); V Escuela-Seminario Internacional de Electrónica Cuántica. Láseres y su aplicación (NRB, Sunny Beach, 1988); Quinta Asamblea Científica de la Asociación Internacional de Física Atmosférica y Meteorología (Reading, Reino Unido, 1989); XI Simposio de Sondeo Láser y Acústico (Tomsk, 1992); Y, III, IV y VI simposios inter-republicanos "Óptica de la atmósfera y el océano" (Tomsk, 1995, 1996, 1997 y 1999); III reunión de Siberia sobre vigilancia climática y ecológica (Tomsk, 1999); I encuentro interregional "Ecología de los ríos siberianos y el Ártico" (Tomsk 1999); VII Simposio Internacional de Óptica Atmosférica y Oceánica (Tomsk 2000); VIII y IX Simposios internacionales sobre óptica atmosférica y oceánica y física atmosférica (Tomsk 2001 y 2002); 11 Taller sobre mediciones de radiación atmosférica (Atlanta, EE.UU. 2001); IX Grupo de Trabajo "Aerosoles de Siberia" (Tomsk 2002); 21 y 22 Conferencia Internacional de Láser (Quebec, Canadá, 2002, Matera, Italia 2004); II Congreso internacional "Medio ambiente y ecología de Siberia, Extremo Oriente y Ártico" (Tomsk 2003). Conferencia internacional sobre tecnologías ópticas para la investigación atmosférica, oceánica y medioambiental (Beijing, China 2004).
Contribución personal. En este trabajo utilizamos los resultados obtenidos por el autor personalmente o con su participación directa. Se trata de la participación del autor en el desarrollo tanto de esquemas generales para la construcción de analizadores de gas, como de sus conjuntos y bloques óptico-mecánicos y electrónicos individuales; Trabajos de instalación y puesta en servicio. El desarrollo de las técnicas de medición, ensayo y pruebas expedicionarias y de campo de los analizadores de gases creados, también presentados en el trabajo, se llevó a cabo con la participación directa del autor. Desde 1996, prácticamente todas las observaciones del estado de la ozonosfera en el SLS se realizaron con la participación activa del autor. Creó un canal mejorado para detectar la distribución vertical del ozono SLS sobre la base de un láser XeQ y un espejo receptor de 0,5 m.
El desarrollo de los analizadores de gases infrarrojos "LAG-1" y "Resonance-3" se llevó a cabo en conjunto con Ph.D. G.S. Khmelnitsky, el resto de los resultados se obtuvieron bajo la dirección del miembro correspondiente. RAS, Doctor en Ciencias Físicas y Matemáticas V.V. Zuev, con la participación de empleados de su laboratorio en diferentes etapas de trabajo.
En la introducción se fundamenta la relevancia del tema, se formulan las metas y objetivos del estudio, se enfatiza la novedad científica y el significado práctico, y se dan las principales disposiciones para la defensa.
El primer capítulo describe el método óptico-acústico, un diagrama de bloques de un analizador de gases óptico-acústico diseñado para medir por separado las concentraciones de metano y otros hidrocarburos saturados en muestras de aire.
Numerosos estudios han demostrado la presencia de mayores concentraciones de hidrocarburos (HC) en la atmósfera y en muestras de aire del suelo sobre las áreas de campos de petróleo y gas. Los autores expresaron la opinión de que esto se debe a la liberación de hidrocarburos del reservorio a la superficie del día. Los métodos geoquímicos de búsqueda de yacimientos de petróleo y gas se basan en estos hechos. Según los datos, la composición porcentual (en volumen) de los gases naturales de los depósitos de la ex URSS: metano 85-95%; etano hasta un 7%; propano hasta un 5%; butano hasta 2%; pentano e hidrocarburos más pesados \u200b\u200bhasta 0,4%. Composición de los gases de petróleo asociados de los yacimientos de petróleo y gas: metano hasta el 80%; etano hasta un 20%; propano hasta el 16%; isobutano + n-butano hasta un 6%; pentano e hidrocarburos más pesados \u200b\u200bhasta 0,9%. Por lo tanto, el pentano y los hidrocarburos más pesados \u200b\u200bcontribuyen de manera insignificante al contenido de halo gaseoso sobre los campos de petróleo y gas.
Figura: 1. Diagrama de bloques de un analizador de gases láser 1-2-CO g con rejilla de difracción; 4, 5 - láser He-Ne; Conformadores de 7, 9, 10 pulsos; 8 modulador; 11- centralita moduladora; Espectrófono de 12 cámaras; 13 micrófonos; Amplificador selectivo 14; 15- ADC!; Contador de 16 frecuencias; 17 atenuador; 18 receptores; 19-reloj digital; 20-ADC2; 21- unidad de control; 22 microordenador; Impresión de 23 dígitos.
Al buscar campos de petróleo y gas a lo largo de los halos de gas de hidrocarburos que emergen sobre los campos en la superficie de la tierra, es de gran importancia medir por separado la concentración de metano e hidrocarburos más pesados, ya que el metano puede ser un producto no solo de estructuras profundas, sino también de también de capas superiores biológicamente activas y no siempre es un presagio de un campo ... Esto es típico, por ejemplo, para Za-
siberia occidental, donde el metano puede ser generado en grandes cantidades por los pantanos ubicados en su territorio, mientras que los hidrocarburos pesados \u200b\u200bno se generan en las capas superiores de la corteza terrestre. El documento analiza la posibilidad de tal medición separada, siempre que el contenido de metano en las mezclas no sea más de 100 veces mayor que el contenido de otros hidrocarburos.
El analizador de gases óptico-acústico de alta sensibilidad desarrollado "LAG-1" permite registrar la concentración de hidrocarburos con cualquier proporción de una mezcla de metano y otros HC. El diagrama de bloques del analizador de gases se muestra en la Fig. uno.
La presión del gas en la cámara de un espectrófono cilíndrico (detector óptico-acústico) cuando la radiación láser modulada lo atraviesa a la frecuencia de modulación ω, depende de la potencia de radiación láser y del coeficiente de absorción del gas en estudio aop y de la calidad factor del resonador acústico a la frecuencia de modulación Q (co) como:
5zhg02 [co2 + t1) "
donde £) es el diámetro del cilindro; t, el tiempo de relajación de temperatura del espectrófono.
Las pulsaciones de presión se convierten en una señal eléctrica mediante un micrófono de condensador tipo MKD / MV 101 (13). Luego, la señal es amplificada por un amplificador selectivo del tipo U2-8 (14), digitalizado por ADC1 (15), y entra al sistema de procesamiento de resultados. La radiación láser que pasa a través de la cámara del espectrófono es atenuada por un atenuador (17), llega a un receptor termoeléctrico (18), es digitalizada por ADC2 (20) y también ingresa al sistema de procesamiento de resultados.
El sistema calcula los coeficientes de absorción:
y concentración de gas en el caso de absorción predominante en una sola línea:
/ \u003d /, 2, 3 ... n,
donde l es el factor de calibración del espectrófono; n es el número de mediciones; £ / s / -señal del micrófono; -señal proporcional a la potencia de la radiación láser; - la señal de fondo del espectrófono; coeficiente de absorción de masa del gas de prueba. El resultado del cálculo, junto con el código de longitud de onda y el tiempo, se muestra para la impresión digital.
En la región de sintonización del láser III-N, la línea de emisión a una longitud de onda de 1,15 μm coincide con la línea de absorción del vapor de agua atmosférico, y la línea de 3,39 μm coincide con las bandas de absorción de los hidrocarburos del grupo metano, comenzando con el metano mismo . En el rango de ajuste de la longitud de onda del láser de CO2 (9,1-10,8 mm), hay bandas de absorción de ondas de choque, a partir de
etano, por lo tanto, midiendo las concentraciones de la suma de hidrocarburos y etano, propano y butano por separado, es posible determinar la concentración de metano. La Tabla 1 presenta una lista de estos componentes gaseosos, sus coeficientes de absorción a las correspondientes longitudes de onda de radiación y láser de CO2:
tabla 1
Gas He-Me X. \u003d 3.39 μm a, cm "1 atm" 1 CO2
A, μm a, cm "1 atm" 1
Metano 9.0 - -
Etano 4,1 10,8847 0,5
Propano 9,0 10,8352 0,45-0,5
N-butano 12,6 10,4 762 0,9
Isobutano 13 10,8598 0,4
Debido al hecho de que el láser de CO2 tiene un amplio rango de sintonización, es posible medir por separado etano, propano, n-butano, isobutano, etileno y benceno y otros componentes gaseosos. En la misma tabla se puede ver que los coeficientes de absorción de la radiación láser de CO2 por hidrocarburos son 10-20 veces más bajos que los coeficientes de absorción de la radiación del láser III-N. Pero para un espectrófono resonante, la sensibilidad es proporcional a la potencia de la radiación láser que lo atraviesa (fórmula 1), y luego con la potencia de un láser tipo LG-126 a una longitud
con una longitud de onda de 3,39 μm 8 mW y un láser de CO2 de 10 W, este analizador de gases tiene una sensibilidad 100 veces mayor para las ondas de choque fuertes.
La Figura 2 muestra los resultados de las mediciones comparativas de HC obtenidos durante una de las expediciones a lo largo del río Ob con varios analizadores de gas diferentes: LAG-1 (se midieron tanto la suma de HC con metano como los HC más pesados \u200b\u200bpor separado), Iskatel (la suma de HC con metano) y un lidar SKR (la cantidad de HC se midió sin metano). Los datos obtenidos por todos estos dispositivos indican un fuerte aumento del contenido de HC en la atmósfera sobre los campos de petróleo y gas.
Distancia hmm
Figura: 2. Concentración de hidrocarburos según mediciones de diferentes analizadores de gases
Lejos de los depósitos, las concentraciones de etano, propano y butano no son
excedió 0.02 millones "1, metano - 1.7-2 millones" 1, pero a medida que nos acercábamos a los campos explorados, la concentración de hidrocarburos más pesados \u200b\u200baumentó significativamente. Así, por ejemplo, en el área del campo petrolífero en el tramo inferior del río Vakh (punto 650 km en la Fig. 2) se midieron las siguientes concentraciones: la cantidad de hidrocarburos 5.1 millones "1, etano - 1.0 mln "1, propano - 1,7 mln" 1, butano - 0,3 mln "1, con una concentración de metano de 2,1 mln" 1. Así, se puede observar que con variaciones relativamente pequeñas en la concentración de metano en la atmósfera (1,5- 2,0 millones "1), los grandes valores de la cantidad de hidrocarburos sobre los campos de petróleo y gas se deben al aumento de las concentraciones de hidrocarburos pesados.
Las pruebas realizadas han mostrado buenas características de rendimiento del analizador de gases LAG-1 en condiciones de campo. Los resultados obtenidos con su ayuda están en buen acuerdo con los resultados obtenidos en otros sistemas de medición en el curso de mediciones conjuntas, muestran su confiabilidad. El uso de dos fuentes láser (He-N y CO2) y un espectrófono en el complejo permite medir la concentración de una amplia gama de gases tanto atmosféricos como contaminantes. Más importante aún, es posible medir por separado la fracción de metano y los hidrocarburos más pesados \u200b\u200ben una mezcla de gases de petróleo naturales y asociados. Esto nos permite esperar el uso del analizador de gas propuesto para la búsqueda de yacimientos de petróleo y gas por los halos de gas de hidrocarburos que salen a la superficie de la tierra, así como para el análisis operacional de la fracción de gas de los núcleos durante el pozo exploratorio. perforación.
El segundo capítulo describe una serie de analizadores de gas de línea "Resonance-3", "TRAL", "TRAL-3", "TRAL-ZM", "TRAL-4" que funcionan según el método de absorción diferencial (DP). El método en sí se describe brevemente.
La potencia de la señal óptica recibida en el momento I, con el método de rastreo DP para una longitud de onda X, se puede escribir como:
donde Р- es la potencia óptica transmitida (W),
d - distancia (cm), c - velocidad de la luz - 3 x 1010 cm / s,
P, (r) ~ eficiencia óptica total del transceptor,
<т,- поперечное сечение поглощения (см2),
A - apertura de recepción (cm2),
a (g) - coeficiente de atenuación (cm "1),
I, es el ángulo sólido de retrodispersión del objetivo (cf "1),
/ "es el índice de la longitud de onda, / \u003d / y 2, para las longitudes de onda en la absorción máxima y mínima, respectivamente, N0 es la concentración de gas (cm" 3).
Para dos longitudes de onda cercanas, es cierto:
Luego, la concentración promedio de gas en el volumen investigado se puede expresar de la siguiente manera, así como lidars (LIDAR, una abreviatura de las palabras en inglés Light Detection and Ranging), que brindan información con una resolución espacio-temporal para estudiar la concentración de MGM en la atmósfera. Pero al comienzo del trabajo en la tesis, con raras excepciones, todos ellos fueron diseñados para medir uno, dos componentes de gas como máximo, o eran modelos de laboratorio, mientras que el monitoreo ambiental requiere un análisis de gas multicomponente en rutas bastante largas (a lo largo de carreteras de la ciudad, territorio grandes empresas industriales).
Como se desprende claramente de la bibliografía, la región de infrarrojos medios del espectro es la más adecuada para los fines del análisis de gas con láser del MGS. Las principales bandas vibratorias-rotacionales de la mayoría de IGM se encuentran aquí. Hay estructuras permitidas y líneas de absorción individuales de casi todos los gases atmosféricos con excepción de los simples, como N2, O2, H2.
En el rango de IR medio del espectro, como es conocido, los láseres moleculares de alto rendimiento emiten: CO, CO2, NH3, HF, DF y otros. De estos, los más fiables y aceptables para el análisis de gases son los láseres de CO de alta eficacia. Además de las bandas tradicionales de 9,6 y 10,6 μm, estos láseres pueden generar bandas secuenciales desplazadas con respecto a las tradicionales en aproximadamente 1 cm "1, así como la banda principal de 4,3 μm y las líneas de emisión caliente. E isótopos de CO2 para obtener un adicional conjunto de líneas láser desplazadas, luego obtenemos un rico conjunto de líneas de emisión para esta fuente láser.
Convertidores de frecuencia paramétricos de alta eficiencia desarrollados recientemente basados \u200b\u200ben cristales no lineales ZnGeP2, CdGeAs2, TlAsSe3, AgGaSe2, etc. han hecho posible obtener el segundo, tercer y cuarto armónico de la radiación láser de COr, así como las frecuencias de diferencia total de dos CO2 y otros láseres, como CO, NH3, Erbio, etc. Para el sondeo láser de IGM atmosféricos, es importante que la mayoría de estas líneas de emisión, incluidas las transformadas, caigan en las ventanas de transparencia espectral de la atmósfera.
Por tanto, un láser de CO2 molecular de baja presión equipado con un conjunto de convertidores de frecuencia paramétricos sin umbral hechos de ZnGeP2, CdGeAs2, TlAsSe3 y AgGaSe2 satisface la mayoría de los siguientes requisitos. La distancia entre las líneas adyacentes de tales láseres es de aproximadamente 1,5-2 cm "1, lo que simplifica el problema de la selección espectral y su sintonización de frecuencia. Aplicar una conversión de dos etapas, por ejemplo, de un láser de CO2 o las frecuencias de suma-diferencia de Dos láseres de CO2, o CO2 y CO2 y sus armónicos, es posible cubrir muy densamente, con un paso de hasta 10 ^ cm "1, el rango de 2 a 17 micrones. La posición de los centros de las líneas de emisión de los láseres de bomba y el ancho espectral bastante estrecho (2x 10 "3 cm" 1) son proporcionados por los parámetros físicos del medio activo. La posición de los centros de las líneas y, en consecuencia, la posición de las líneas de emisión de las frecuencias convertidas se conocen con muy alta precisión, lo que elimina el problema de monitorizar las características espectrales. La eficiencia de tales convertidores es bastante alta y varía de décimas a decenas de por ciento, lo que hace posible crear analizadores de gas de ruta utilizando objetos topográficos y aerosoles atmosféricos como reflectores.
Otro rango espectral informativo para el análisis de gas con láser es la región UV. Aquí hay fuertes bandas electrónicas de muchos gases contaminantes. A diferencia de la región de infrarrojos medios del espectro, las bandas de absorción de UV no son selectivas y se superponen. El mayor desarrollo en esta área se obtuvo por el método ozonométrico debido a la presencia aquí de la banda de absorción de ozono de Hartley-Huggins.
La capacidad de realizar mediciones de ozono atmosférico resueltas espacialmente con un lidar se demostró por primera vez en 1977 (Meger et al). Y, desde la segunda mitad de la década de 1980, el sondeo láser de la ozonosfera se ha convertido en una característica habitual en varios observatorios. Proporciona información sobre la distribución vertical del ozono (VOD), complementando con éxito dicha información obtenida por el método de contacto utilizando ozonosondas y cohetes, especialmente por encima de los 30 km, donde los datos de ozonosondas dejan de ser representativos.
La estación Lidar de Siberia ha estado monitoreando la ozonosfera desde diciembre de 1988. Durante este período se mejoró constantemente la tecnología lidar, se desarrollaron y mejoraron los métodos de medición y procesamiento de datos, se crearon software para el control del proceso de medición, se crearon nuevos paquetes de software para procesar los resultados obtenidos.
Objetivo. Desarrollo de analizadores de gases basados \u200b\u200ben el método de absorción diferencial para detectar y medir la concentración de MGM y determinar su distribución espacio-temporal en la atmósfera.
En el curso del trabajo, se realizaron las siguientes tareas;
Desarrollo de un analizador óptico-acústico de gases para análisis de gases locales y estudio mediante él de la distribución espacial de hidrocarburos y otros MGM;
Desarrollo y creación de analizadores de gas láser de trayectoria para estudiar la composición de gases de la atmósfera;
Desarrollo de métodos para medir IGM en la atmósfera;
Prueba a gran escala de los dispositivos desarrollados en base a las técnicas de medición desarrolladas;
Estudio de la dinámica temporal de IGM en regiones ecológicamente limpias del país sujetas a carga antropogénica significativa;
Creación de un canal para sondear la distribución vertical de ozono (VOD) en la estratosfera (basado en el espejo receptor 0 0,5 m) CJIC;
Seguimiento del estado de la ozonosfera en mediciones de rutina; - estudio de la climatología de la ozonosfera, evaluación de las tendencias del ozono estratosférico.
Se presentan a la defensa los siguientes:
1. El analizador de gas óptico-acústico láser desarrollado "LAG-1", que permite, sobre la base de la técnica desarrollada, medir por separado la concentración de metano e hidrocarburos más pesados \u200b\u200ben mezclas de aire de gases de petróleo naturales y asociados con cualquier proporción de componentes de la mezcla.
2. Se desarrollaron modelos de analizadores de gas láser de la serie TRAL, en el rango de IR medio del espectro, que permiten medir rápidamente la concentración de más de 12 gases en y por debajo del MPC en trayectos de hasta 2 km de largo utilizando un espejo o retrorreflector topográfico.
3. El lidar de ozono ultravioleta creado por el autor sobre la base del láser excimer XeC1, que proporcionó un sondeo ininterrumpido a largo plazo de la ozonosfera sobre Tomsk en la estación lidar de Siberia en el rango de altitud de 13 a 45 km con una resolución vertical máxima de 100 m.
Novedad científica del trabajo.
Por primera vez, se seleccionaron y probaron experimentalmente las longitudes de onda informativas del sondeo IGM atmosférico;
Se han creado una serie de analizadores de gas de línea de trayectoria móviles y estacionarios únicos basados \u200b\u200ben láseres moleculares sintonizables con convertidores de frecuencia de radiación, que permiten realizar rápidamente análisis multicomponente de la composición de gas de la atmósfera;
Se han realizado mediciones de las variaciones diarias en la concentración de MGM (tales como C2H4, NH3, H2O, CO2, CO, O3, N0, etc.) en regiones ecológicamente limpias del país sujetas a una importante carga antropogénica;
Por primera vez, las características climatológicas de la ozonosfera sobre Tomsk se determinaron sobre la base de mediciones periódicas y a largo plazo de los perfiles de la distribución vertical del ozono;
Utilizando los resultados del trabajo. Los datos obtenidos mediante analizadores de gases se presentaron al Comité Olímpico de la URSS en 1979-1980. en Moscú, así como a organizaciones medioambientales en la ciudad de Tomsk, Kemerovo, Sofia (NRB). Fueron incluidos en los informes finales del IAO SB RAS sobre varias subvenciones, acuerdos, contratos y programas RFBR, por ejemplo, "TOR" (investigación del ozono troposférico), "SATOR" (investigación del ozono estratosférico y troposférico), y otros.
El valor práctico del trabajo es el siguiente:
Se ha desarrollado un analizador de gases óptico-acústico, que permite medir con alta precisión la concentración tanto de la suma de hidrocarburos del grupo metano como por separado de metano e hidrocarburos más pesados \u200b\u200ben una mezcla de gases naturales y asociados del petróleo. Con la ayuda de este analizador de gas, es posible buscar petróleo y gas por gas halos de gases que salen a la superficie de la tierra sobre campos de hidrocarburos;
Los analizadores de gas de ruta desarrollados permiten medir la concentración de mezclas de gases en y por debajo del MPC a partir de una amplia lista de gases contaminantes prioritarios;
Se ha creado un canal para sondear la distribución vertical del ozono CJIC sobre la base de un espejo receptor de 0,5 m, que permite obtener perfiles VOD fiables en el rango de altitud de 13-45 km con una resolución máxima de 100 m.
La fiabilidad de los resultados del trabajo está garantizada por: -buena concordancia de los datos experimentales obtenidos con los analizadores de gas desarrollados, y los datos obtenidos simultáneamente por otros métodos, así como; datos; obtenido por otros autores en condiciones climáticas y ecológicas similares;
Buena coincidencia de los perfiles VOD en la estratosfera, medidos por el lidar, datos de ozonosondes, así como medidas satelitales dentro del error de los dispositivos utilizados | (quince %).
Contribución personal. En este trabajo utilizamos los resultados obtenidos por el autor personalmente o con su participación directa. Se trata de la participación del autor en el desarrollo tanto de los esquemas generales para la construcción de analizadores de gas, como de sus conjuntos y bloques óptico-mecánicos y electrónicos individuales, en la realización de las obras de instalación y puesta en marcha. El desarrollo de las técnicas de medición, prueba y pruebas expedicionarias y de campo de los analizadores de gases creados, también presentados en el trabajo, se llevó a cabo con la participación directa del autor. Desde 1996, prácticamente todas las observaciones del estado de la ozonosfera en el CJIC se realizaron con la participación activa del autor. Creó un canal CJIC mejorado para detectar la distribución vertical del ozono basado en un láser XeC1 y un espejo receptor de 0,5 m. El reanálisis de los datos de RFO realizado por el autor permitió determinar las peculiaridades de la climatología de la ozonosfera. sobre Tomsk.
El proceso de desarrollo de los analizadores de gases, sus pruebas de ensayo, el procesamiento de los resultados obtenidos durante el trabajo expedicionario, la acumulación a largo plazo de una cantidad tan grande de información empírica sobre BPO y su análisis no podrían haberse llevado a cabo sin la participación activa de la todo el equipo, sin el cual este trabajo de tesis no habría tenido lugar. El planteamiento del problema y el liderazgo científico en las distintas etapas fueron realizados por el Miembro Correspondiente. RAS Zuev V.V. y Ph.D. Khmelnitsky G.S. El desarrollo de los analizadores de gases y sus ensayos y pruebas de campo se llevaron a cabo en conjunto con el doctor en ciencias físicas y matemáticas. Andreev Yu.M., Doctor en Física y Matemáticas Geiko P.P., investigadora Shubin S.F. El trabajo teórico sobre la búsqueda de longitudes de onda informativas fue realizado por Ph.D. Mitselem A.A., Doctor en Física y Matemáticas Kataev M.Yu., Candidato de Física y Matemáticas Ptashnikom I.V., Ph.D. Romanovsky O.A. Las mediciones de Lidar VOD se llevaron a cabo en conjunto con un investigador senior A.V. Nevzorov, Ph.D. Burlakov V.D. y d.ph-m.s. Marichev V.N., y procesamiento de datos de sondeo junto con Ph.D. Bondarenko SL. y d.ph-m.s. Elnikov A.V.
Aprobación de obra. Los principales resultados sobre el tema de la disertación, obtenidos por el autor, fueron publicados en 11 artículos en revistas científicas rusas revisadas por pares, reportados en: VI, VII y XI simposios de toda la Unión sobre sondeo láser y acústico (Tomsk, 1980, 1982, 1992); VI Simposio de toda la Unión sobre la propagación de la radiación láser en la atmósfera (Tomsk, 1881); XII Conferencia de toda la Unión sobre óptica coherente y no lineal (Moscú, 1985); V Escuelas Internacionales: I Seminario de Electrónica Cuántica. Láseres y su aplicación (NRB, Sunny Beach, 1988); Quinta Asamblea Científica de la Asociación Internacional de Física Atmosférica y Meteorología (Reading, Reino Unido, 1989); XI Simposio de Sondeo Láser y Acústico (Tomsk, 1992); Y, III, IV y VI simposios inter-republicanos "Óptica de la atmósfera y el océano" (Tomsk, 1995, 1996, 1997 y 1999); III reunión de Siberia sobre vigilancia climática y ecológica (Tomsk, 1999); I encuentro interregional "Ecología de los ríos siberianos y el Ártico" (Tomsk 1999); VII Simposio Internacional de Óptica Atmosférica y Oceánica (Tomsk 2000); VIII y IX Simposios internacionales sobre óptica atmosférica y oceánica y física atmosférica (Tomsk 2001 y 2002); 11 Taller sobre mediciones de radiación atmosférica (Atlanta, EE.UU. 2001); IX Grupo de Trabajo "Aerosoles de Siberia" (Tomsk 2002); 21 y 22 Conferencia Internacional de Láser (Quebec, Canadá, 2002, Matera, Italia 2004); II conferencia internacional "Medio ambiente y ecología de Siberia, Extremo Oriente y Ártico" (Tomsk 2003); Conferencia internacional sobre tecnologías ópticas para la investigación atmosférica, oceánica y medioambiental (Beijing, China 2004).
La estructura y alcance de la tesis. El trabajo de tesis consta de una introducción, tres capítulos y una conclusión. El volumen de la tesis es de 116 páginas, contiene 36 figuras, 12 tablas. La lista de literatura usada contiene 118 títulos.
Conclusión de la tesis sobre el tema "Dispositivos y métodos de la física experimental"
Conclusión
En el curso del trabajo de tesis, el autor como parte del equipo hizo lo siguiente:
Se ha desarrollado un analizador óptico-acústico de gases para el análisis local de gases, con su ayuda se ha realizado un estudio de la distribución espacial de los hidrocarburos (durante varias expediciones en un barco a motor) en las zonas donde se encuentran los campos petroleros. El incremento medido en el contenido de hidrocarburos en muestras de aire en el área de campos petroleros confirmó la hipótesis de presencia de halos de gas sobre campos de hidrocarburos y las perspectivas de utilizar este analizador de gas para la búsqueda de yacimientos de petróleo y gas;
Se ha desarrollado y creado un complejo de analizadores de gas de láser de trayectoria que operan en la región IR del espectro mediante el método de absorción diferencial y que permiten medir la concentración de más de 12 gases en el MPC y por debajo de él;
Se ha elaborado la técnica de medir el IGM en la atmósfera;
Se llevaron a cabo pruebas a gran escala de los dispositivos desarrollados;
Los pares de longitudes de onda informativas se probaron experimentalmente y se extrajeron conclusiones sobre su idoneidad para los fines del análisis de gases según MIS;
Se han realizado estudios de la dinámica temporal del IGM en regiones ecológicamente limpias del país sujetas a carga antropogénica significativa;
Las mediciones comparativas de las concentraciones de MGM se llevaron a cabo utilizando los analizadores de gas láser desarrollados e instrumentos que operan sobre la base de métodos estándar, que muestran una buena concordancia de los resultados obtenidos;
Se ha creado un canal para sondear la distribución vertical de ozono (VOD) en la estratosfera (basado en el espejo receptor de 0,5 m) CJIC, que ha proporcionado perfiles VOD confiables sobre Tomsk durante un largo período de tiempo, confirmado de acuerdo con el satélite. y datos de la sonda de ozono. Esto permitió realizar estudios climatológicos y evaluar las tendencias del ozono estratosférico, que mostraron que en la estratosfera inferior a altitudes inferiores a 26 km, los cambios intraanuales en las concentraciones de ozono se caracterizan por un máximo en primavera y un mínimo en otoño, y en altitudes superiores a 26 km, la máxima se desplaza al verano y la mínima al invierno. ... A una altitud de 26 km, en la zona de la pausa del ciclo, la ozonosfera se divide en dos partes: en la parte inferior, su comportamiento está determinado principalmente por procesos dinámicos, y en la parte superior, por procesos fotoquímicos. Una consideración más detallada de las variaciones intraanuales de la VOD permite señalar los siguientes puntos: a) a una altitud de 14 km, donde, aparentemente, la influencia de las fluctuaciones en la altura de la tropopausa sigue siendo significativa, un máximo localizado no se observa; b) en el rango de hasta 18 km inclusive, las fluctuaciones estacionales máximas ocurren en febrero, y en el rango de 20-26 km - en marzo; La mayor correspondencia de las variaciones intraanuales en el VOD con la variación anual de TOC se observa en el rango de altitud 20-24 km, especialmente a una altitud de 22 km. c) en todas las alturas, las tendencias de BPO fueron estadísticamente insignificantes. Además, en la parte inferior de la ozonosfera se caracterizan por valores débilmente negativos, y en la parte superior, por valores débilmente positivos. En el área de localización del ozono estratosférico máximo 20 km), los valores de las tendencias negativas son pequeños (-0,32% por año). Estos resultados son consistentes con una tendencia TO insignificante y estadísticamente insignificante (0.01 + 0.026% por año) durante el mismo período de seis años.
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El analizador de gases láser de alta sensibilidad está diseñado para analizar el contenido de gases de impureza en muestras de aire. Los elementos principales del analizador de gases: un láser de CO 2 de guía de ondas, una celda óptico-acústica resonante y una computadora, cuya biblioteca contiene información sobre las líneas de absorción de 37 gases. Se presenta información sobre los límites de detección de gas por el analizador de gas desarrollado. El límite de detección de amoníaco con un error del 15% es de 0.015 ppb.
La necesidad de un monitoreo constante del contenido en el aire de una gran cantidad de contaminantes en grandes áreas a un costo razonable de fondos y mano de obra establece la tarea de equipar el servicio de monitoreo ambiental con analizadores de gas que cumplan con los siguientes requisitos: 1) la detección umbral al nivel de concentraciones máximas permisibles de sustancias analizadas; 2) alta selectividad en relación con sustancias extrañas; 3) análisis multicomponente; 4) alta velocidad (tiempo de ciclo de medición corto cuando se toma una muestra), que brinda la capacidad de trabajar en movimiento y una respuesta relativamente rápida al exceder un nivel de concentración dado; 5) mediciones continuas durante 2-4 horas para determinar el tamaño del área contaminada.
Los métodos existentes para detectar gases se pueden dividir condicionalmente en tradicionales (no espectroscópicos) y ópticos (espectroscópicos). El artículo enumera las ventajas y desventajas de los principales métodos tradicionales desde el punto de vista de su aplicación para el análisis de impurezas de gases de composición compleja en el aire.
Los métodos espectroscópicos, cuyo rápido desarrollo está determinado por las características únicas de los láseres, permiten eliminar las principales desventajas de los dispositivos tradicionales y proporcionan la velocidad, sensibilidad, selectividad y continuidad de análisis requeridas. En la mayoría de los casos, para detectar la contaminación del aire por métodos espectroscópicos, se utiliza la región espectral de IR media, donde se concentran las principales bandas vibratorias de la inmensa mayoría de moléculas. Las regiones visible y ultravioleta son menos informativas a este respecto.
Un lugar especial en la familia de analizadores de gas con láser IR lo ocupan los dispositivos con láseres de CO 2. Estos láseres son duraderos, fiables y fáciles de usar y pueden detectar más de 100 gases.
A continuación se describe un analizador de gases (prototipo) que cumple los requisitos anteriores. Se utiliza un láser de CO 2 de guía de ondas como fuente de radiación y una celda optoacústica resonante (ROA) es un elemento sensible. El método óptico-acústico se basa en el registro de una onda sonora excitada en un gas tras la absorción de una radiación láser de amplitud modulada en el ROA. La presión sonora, que es proporcional a la potencia absorbida específica, es registrada por el micrófono. El diagrama de bloques del analizador de gases se muestra en la Fig. 3.1. La radiación modulada del láser de CO 2 golpea la unidad de sintonización de longitud de onda. Esta unidad es una rejilla de difracción que le permite sintonizar la longitud de onda de radiación en el rango de 9.22-10.76 micrones y obtener 84 líneas láser. Además, la radiación se dirige a través del sistema de espejos hacia el volumen sensible del ROA, donde se registran los gases que absorben la radiación que ingresa. La energía de radiación absorbida aumenta la temperatura del gas. El calor liberado en el eje celular se transfiere principalmente por convección a las paredes celulares. La radiación modulada provoca un cambio correspondiente en la temperatura y la presión del gas. El cambio de presión es percibido por la membrana del micrófono capacitivo, lo que conduce a la aparición de una señal eléctrica periódica, cuya frecuencia es igual a la frecuencia de modulación de la radiación.
Figura 3.1. Diagrama de bloques del analizador de gases
La Fig. 3, 2 muestra un esquema de la cavidad interna del r.o.a.a. Está formado por tres volúmenes activos cilíndricos: los volúmenes 1 y 2 ubicados simétricamente con un diámetro de 20 mm y un volumen interno 3 con un diámetro de 10 mm. Las ventanas de entrada 4 y salida 5 están hechas de material BaF 2. El micrófono está instalado en la parte inferior de la celda y está conectado al volumen activo por un orificio 6 con un diámetro de 24 mm.
Figura 3.2 La cavidad interna de la celda óptico-acústica resonante. 1, 2 - volúmenes externos, 3 - volumen interno. 4, 5 - ventanas de entrada y salida, 6 - orificio para micrófono
La resonancia óptica "causada por la absorción de radiación láser por un gas, en condiciones normales surge a una frecuencia de modulación de 3.4 kHz, y la señal de fondo debida a la absorción de radiación por las ventanas de ROA es máxima a una frecuencia de 3.0 kHz. El Q El factor en ambos casos es\u003e 20 Este diseño del ROA proporciona una alta sensibilidad del analizador de gases y permite suprimir la contribución de la señal de fondo utilizando un amplificador selectivo de frecuencia y fase. Al mismo tiempo, el ROA es insensible al ruido acústico externo.La señal eléctrica al medir la concentración está determinada por la fórmula
donde K es la constante de la celda, es la potencia de radiación láser, b es el coeficiente de absorción de la radiación por el gas y C es la concentración de gas.
Antes de las mediciones, el analizador de gases se calibra utilizando un gas patrón (CO2) con una concentración conocida.
La amplitud se mide utilizando una placa ADC incluida en la computadora Advantech. La misma computadora se utiliza para controlar la unidad de sintonización de longitud de onda y calcular las concentraciones de gas medidas.
El programa desarrollado para el procesamiento de información está destinado al análisis cualitativo y cuantitativo de la mezcla de gases por el espectro de absorción de la radiación láser del láser de CO 2. La información inicial del programa es el espectro de absorción medido de la mezcla de gases analizada. En la figura 3.3a se muestra un ejemplo de un espectro de absorción de nitrógeno, representado en unidades de espesor óptico, y en la figura 3.3b se muestra un ejemplo de un espectro de absorción con una pequeña adición de amoníaco.
Figura 3.3 Espectros de absorción: a - nitrógeno a presión atmosférica normal, b - mezcla de nitrógeno y amoniaco.
Espesor óptico, donde
Cm -1 atm -1 - coeficiente de absorción del j-ésimo gas en la i-ésima línea láser, С i, atm - concentración del j-ésimo gas, i La biblioteca de posibles componentes contiene los valores de los coeficientes de absorción y es una matriz de dimensiones (N x m). El número de gases presentados en la biblioteca es m \u003d 37, el número máximo de líneas láser analizadas es N - 84 (21 líneas en cada rama del láser CO 2). En el proceso de análisis del espectro de una mezcla de gases formada por líneas de absorción superpuestas de los gases incluidos en la mezcla, el programa selecciona de la biblioteca aquellos componentes que permiten la mejor descripción del espectro de la mezcla. Uno de los principales criterios para buscar el mejor conjunto de componentes es el valor de la desviación de la raíz cuadrada media entre el espectro experimental y el de absorción que se encuentra como resultado de las iteraciones: El algoritmo para la resolución del problema inverso -buscando concentraciones del espectro de absorción conocido- se construyó utilizando el método de eliminación gaussiano y el método de regularización de Tikhonov, y las principales dificultades en su implementación están asociadas a la estimación de la estabilidad de la solución (el los elementos de la matriz del coeficiente de absorción, así como los términos libres, se conocen solo aproximadamente), eligiendo el parámetro de regularización y encontrando los criterios para terminar el proceso iterativo. La tabla muestra la información calculada sobre los límites de detección de algunos gases descritos por el analizador de gases: Límite de detección, ppb Límite de detección, ppb Acroleína Monometilhidrazina Percloroetileno t-butanol Propanol Cloruro de vinilo Hexafloruro de azufre Tricloroetileno Hexaclorobutadieno Hidracina Dimetilhidrazina 1,1-difluoroetileno Isopropano Cloroformo de metilo Acetato de etilo Metiletilcetona Las principales características operativas del analizador de gases: el número de gases medidos simultáneamente: hasta 6; tiempo de medición 2 min; límite de detección de dióxido de carbono 0,3 ppm: límite de detección de amoniaco 0,015 ppb: rango de medición de dióxido de carbono 1 ppm -10%; rango de medición para amoníaco 0.05 ppb-5 ppm; error de medición 15%; Tensión de alimentación 220V ± 10%. [ uno] El analizador de gas láser Yokogawa TDLS200 se basa en la espectroscopia de absorción por láser de diodo. Este dispositivo se caracteriza por una alta selectividad y estabilidad a largo plazo, proporciona un análisis rápido "in situ" (directamente en la tubería) de gases con componentes corrosivos o altas temperaturas. ¿Cuál es el principio de funcionamiento de este dispositivo y dónde encuentra su aplicación? El analizador de gas láser utiliza espectroscopia de absorción láser de diodo sintonizable (TDLAS) y tiene la capacidad de medir la concentración en un gas de muestra con alta selectividad y sin contacto directo, solo irradiando el gas de muestra con una radiación de diodo láser sintonizable. De esta forma, se pueden realizar mediciones in situ rápidas y precisas en conductos de humos de proceso en diversas condiciones. Por ejemplo, las mediciones se pueden realizar a temperaturas de hasta 1500 ° C, así como en entornos con presión pulsante. El analizador de gas láser Yokogawa TDLS200 también puede medir en presencia de gases corrosivos o tóxicos. El analizador entrega señales analíticas precisas con tiempos de respuesta rápidos para maximizar el rendimiento del producto, la eficiencia energética y la seguridad en una variedad de procesos de fabricación. La simplicidad del diseño (sin partes móviles y sin componentes de vida limitada) asegura el funcionamiento y el funcionamiento con poco o ningún mantenimiento. El analizador de gas láser Yokogawa TDLS200 es un nuevo tipo de analizador de gas láser utilizado para la medición industrial. El uso del método de integración del área de pico elimina los errores de medición causados \u200b\u200bpor cambios de presión y la presencia de otros gases en la muestra. También permite una determinación precisa de la concentración de los componentes del gas, incluso al cambiar su temperatura y otros indicadores. Este artículo proporciona una descripción general del analizador de gas láser TDLS200, sus funciones y principio de medición, y también considera ejemplos de su aplicación. El analizador de gas tiene una unidad de radiación y una unidad de detección, que generalmente se colocan uno frente al otro en lados opuestos (a lo largo) del conducto de gas a través del cual pasa el flujo de gas de proceso. Se utiliza una opción similar para conductos de gas de hasta 20 m de ancho. Las ventanas ópticas separan el interior del analizador del medio medido. La radiación láser semiconductora atraviesa la ventana óptica de la unidad de radiación, el gas medido, la ventana óptica de la unidad de detección y llega al fotodetector. Un fotodetector registra el rayo láser y convierte su energía en una señal eléctrica. El dispositivo de cálculo de la unidad de radiación determina el espectro de absorción del componente medido, calcula el área de pico del espectro, lo convierte en la concentración del componente y lo emite como una señal analógica 4 ... 20 mA. El mecanismo de ajuste tiene un diseño corrugado, lo que facilita el ajuste del ángulo del eje óptico, al tiempo que mantiene la estanqueidad de la tubería, lo cual es especialmente importante para los procesos industriales. La conexión de la unidad de radiación y la unidad de detección mediante el dispositivo de ajuste del eje óptico simplifica el ajuste del eje óptico no solo para la configuración estándar (dos unidades se colocan a ambos lados de la tubería, como se muestra en la Figura 1), sino también para otras opciones de instalación. Esta solución técnica permite elegir el método de instalación del dispositivo que mejor se adapta a los componentes medidos y al diseño tecnológico del proceso, y al mismo tiempo garantiza unas condiciones óptimas de medición. El TDLS200 utiliza espectroscopia de absorción por láser de diodo (TDLAS). El método se basa en medir el espectro de absorción de la radiación (región infrarroja / infrarroja cercana), inherente a las moléculas de una sustancia debido a la energía vibratoria y rotacional de la transición de moléculas en el componente medido. La fuente de radiación para la formación del espectro es un láser semiconductor con un ancho de línea espectral extremadamente estrecho. El espectro de absorción óptica de moléculas básicas como O2, NH3, H2O, CO y CO2 varía desde el infrarrojo hasta el infrarrojo cercano. La medición de la cantidad de radiación absorbida a una longitud de onda específica (capacidad de absorción espectral) permite calcular la concentración del componente medido. A diferencia de los espectrómetros convencionales de baja resolución, el TDLS200 utiliza un rayo láser con un ancho de línea espectral extremadamente estrecho. El emisor es un diodo láser sintonizable, cuya longitud de onda de radiación se puede cambiar ajustando la temperatura del láser y la corriente de excitación. Esto permite medir un solo pico de absorción de varios en el espectro. Por tanto, como se muestra en la Fig. 6, se puede seleccionar un pico de absorción para la medición, que no está sujeto a la interferencia de otros gases. Debido a su alta selectividad de longitud de onda y la ausencia de interferencia de otros componentes en la mezcla de gases, no es necesaria una preparación adicional de la muestra, lo que permite que el TDLS200 se utilice “in situ” (directamente en el proceso). El TDLS200 mide el espectro de absorción aislado de un componente de mezcla de gases, libre de interferencias de componentes interferentes. La medición se lleva a cabo barriendo la longitud de onda de un diodo láser sintonizable a lo largo de un solo pico de absorción del componente medido. Aunque el espectro de absorción medido por el TDLS200 está aislado de los componentes que interfieren, la forma del espectro puede cambiar (efecto de expansión) dependiendo de la temperatura del gas, la presión del gas y otros componentes presentes en la mezcla de gases. Para realizar mediciones en estas condiciones, se requiere compensación. El analizador de gases TDLS200 barre la longitud de onda de la radiación láser semiconductora a lo largo de la línea de absorción del componente medido y calcula su concentración a partir de la región espectral de absorción integrando el área del pico. El analizador de gases Yokogawa TDLS200, debido a su rápida medición in-situ (directamente en tubería), puede ser utilizado con éxito en procesos técnicos existentes tanto por su regulación de alta velocidad, cuando las señales necesarias para el control del proceso, que contienen lecturas del componente concentraciones, se alimentan directamente al DCS y para la gestión del estado del proceso en tiempo real. De esta manera, el TDLS200 puede ayudar a optimizar el desempeño de una variedad de procesos industriales. En esta sección veremos la medición de la concentración de NH3 residual en el gas de combustión. Tenga en cuenta que el uso de TDLS200 para la optimización de la combustión se ha descrito en otro artículo de Yokogawa (3). Consulte este informe para obtener más detalles. Se inyecta amoníaco (NH3) en el gas de combustión para eliminar el NOx (eliminación de óxido de nitrógeno del gas de combustión), mejorar la eficiencia de los colectores de polvo y prevenir la corrosión. El exceso de NH3 aumenta los costos operativos y el NH3 residual, lo que genera un olor pútrido. Por lo tanto, la cantidad de NH3 en el gas de combustión debe medirse, monitorearse y controlarse. Por ejemplo, en el equipo para la limpieza de los gases de escape de un horno de combustión a partir de óxidos de nitrógeno, se utiliza el proceso DeNOx ACR (reducción catalítica selectiva), en el que el NOx se reduce a N2 y H2O mediante inyección de NH3 y catálisis selectiva del proceso de reducción. y la concentración de NH3 residual (del orden de ppm) en los gases de combustión se mide en tiempo real. Los instrumentos de medición tradicionales de NH3 que utilizan métodos indirectos de medición de NOx (método de quimioluminiscencia y electrodo de iones) tienen tiempos de respuesta prolongados, requieren una línea de muestreo que incluya tuberías calentadas para evitar la adhesión de NH3 y, en consecuencia, altos costos de mantenimiento como sistemas de medición complejos. Por otro lado, como se muestra en la Figura 8, el analizador de gas láser TDLS200 se instala directamente en la tubería del proceso y mide el NH3 directamente, lo que reduce significativamente el tiempo de respuesta y simplifica el mantenimiento. Además, se puede utilizar una señal analítica de respuesta rápida para la concentración de NH3 para controlar y optimizar la inyección de NH3. Alta selectividad, corto tiempo de respuesta, facilidad de mantenimiento, lograda debido a la tecnología de medición utilizada y al diseño del analizador, brindan la posibilidad de su uso en una amplia gama de procesos tecnológicos. Las aplicaciones incluyen no solo la medición de NH3 discutida en este artículo, sino también la determinación de CO y O2 en la optimización de la combustión, la medición de pequeñas cantidades de agua en plantas de electrólisis, etc. El uso de estos analizadores de gas puede hacer una contribución significativa a preservando el medio ambiente y reduciendo los costos operativos, gracias a su uso para el control de procesos y no solo para fines de monitoreo. Kazuto Tamura, Yukihiko Takamatsu, Tomoyaki Nanko,
