A gázkoncentráció lézeres gázelemzőjének kiszámítása. Lézeres gázelemző

Az "LGAU-02" lézeres gázelemző készüléket a készülék gázcelláján keresztül szivattyúzott levegőben lévő gáznemű szénhidrogének koncentrációjának mérésére tervezték. A gázelemző készülék önálló változatként, valamint mobil autó- és léglaboratóriumok részeként egyaránt használható. A komplexum a következőket tartalmazza:

"LGAU-02" lézer gázelemző;
távirányító egység hangjelforrásokkal;
ezenkívül: személyi számítógép telepített szoftverrel.

Ábra: egy

Az autólaboratórium felépítésének diagramját mutatjuk be a földalatti gázvezetékek szivárgásának felderítésére. 1 A levegő laboratóriumában megteheti áramlásstimulátort, hatékony levegőbeszívást biztosítva a külső levegő nyomásával, kézi kocsin pedig külső mintavevőt használhat felületi mintavevő helyett.

Az LGAU-02 gázelemző készülék előnyei a problémák megoldásakor mutatkoznak meg:

szivárgások észlelése a városi gázhálózatok földalatti gázvezetékeiből, valamint a fő- és elosztóvezetékekből egy menet közben méréseket végző autólaboratórium segítségével;
szivárgások észlelése a földalatti, a felszíni és a légcsövekből kézi kocsival, amely menet közben méréseket végez;
a fő gázvezetékek szivárgásának észlelése egy repülési laboratórium segítségével;
a metán (szénhidrogén) háttér változásainak mérése nagy területeken (szénhidrogén felmérés) egy légi laboratórium segítségével az olaj- és gázmezők keresése és a légkör környezeti ellenőrzése érdekében.

Ábra: 2

A szoftver lehetővé teszi az archívumok karbantartását. Eseménynaplót is vezetnek.

A komplexum funkcionalitása

A gázelemző készülék optoelektronikus mérőegység formájában készül, por- és fröccsenésálló IP54 tokban, és távirányítóval van felszerelve, amely analóg kijelzővel, egyetlen nulla beállító gombbal, valamint kétfokozatú hang- és fényriasztókkal van felszerelve. magas koncentrációjú, beállítható válaszküszöbökkel. A készülék egyszerű telepítése és karbantartása, a magas megbízhatóság, a kicsi méret és az energiafogyasztás lehetővé teszi önálló használatát kézikocsikon, személygépkocsin és szinte minden repülőgép-hordozó fedélzetén, beleértve a függő vitorlázó repülőgépeket és a mini repülőgépeket is. A gázelemző készülék teljesen önállóan működhet, és távirányító helyett bármilyen DC feszültségmérő készülék csatlakoztatható 0 és 5 V. A mérési adatok dokumentálása és valós idejű ábrázolása elvégezhető egy szokásos személyi számítógépen, RS 232C-vel. interfész, beleértve a hordozhatót is. A gázelemző-számítógép műholdas navigációs rendszerhez csatlakoztatva lehetőség nyílik a gázszennyeződés mező feltérképezésére. Az áramlásgenerátort egy speciális gombbal lehet csatlakoztatni a tápfeszültség átkapcsolására a készülék előlapján.

Működési tapasztalat

Működési tapasztalat. 1998 óta a Lengaz szentpétervári városi gázipar és 2004 óta a Moszkvai Állami Egységes Vállalkozás autólaborokat működtet az LGAU-02 alapján a városi földalatti gázvezetékekből származó földgázszivárgások felkutatására. A készülék prototípusait légtechnikai laboratóriumok részeként alkalmazták az atmogeokémiai felmérés során Tatarsztánban, Csuvasában és a Krasznojarszk terület északi részén található gáz- és olajkutatás komplexumában, valamint Tula és Moszkva. Ezenkívül az eszközöket a laboratóriumi laboratóriumok részeként használták geoökológiai felmérésekhez a technogén talajok elterjedésének területein Moszkvában, a tömeges fejlődés számos területén, valamint autonóm módon - a koreai földi kémiai felmérések során. A gázelemző alapján fedélzeti számítógépes komplexumot hoztak létre a légi szénhidrogéngáz felméréséhez. A 2001-es terepi szezonban az An 2 repülőgép fedélzetén lévő komplex repülési ideje a készülék egyetlen meghibásodása nélkül meghaladta a 600 órát, a teljes lefedett terület pedig körülbelül 30 ezer négyzetméter volt. km.

A komplexum fejlesztésének kilátásai

További USB interfészek megvalósítása;
GPS műholdas navigációs eszköz csatlakoztatása interaktív tereptérképpel;
További funkciók megvalósítása a felhasználó kérésére.

Publikációk

Journal "Instruments and Experiment Technique", 1999, 5. szám

Lézeres gázanalizátor gázszivárgások felderítésére a föld alatti gázvezetékekből

Journal "Instruments and Control Systems", 1998, 9. szám

Fedélzeti lézerabszorpciós szénhidrogén gázelemző

Szerzői jog 1998-2005 MEPhI Mérnöki Központ

Használat: a levegőben található káros anyagok ellenőrzése. A találmány lényege: az eszköz tartalmaz egy lézeres gázkisülési csövet, egy piezo-korrektoron diffrakciós rács formájában készített sugárképző egységet, amely egy léptetőmotorhoz, egy optoakusztikus cellához, egy referencia cella, mérő- és háttérmikrofon, valamint két piroelektromos érzékelő, amelyek analóg-digitális átalakítón és interfészegységen keresztül kapcsolódnak a személyi számítógép bemenetéhez. 1 beteg

A jelen találmány méréstechnikára vonatkozik, és a levegőben található káros anyagok megfigyelésére szolgál. A dolgozó vagy a lakótér levegőjében található káros anyagok listáján több száz olyan anyag található, amely befolyásolja az emberi testet. Számos eszköz ismert, például a levegő összetételének szabályozására szolgál különböző mérési módszerekkel: kémiai-analitikai, kromatográfiai, kulometriai stb. Az egyik legalkalmasabb az üzemeltetési mérések elvégzésére, amelyek képesek nagyszámú káros anyag szabályozására, az infravörös sugárzás elnyelését alkalmazó módszer. A GIAM típusú ismert gázelemzőket a következő gázok egyikének regisztrálására tervezték: CO, CO 2, CH 4, SO 2, NO. Az infravörös sugárzás forrásaként folyamatos sugárzási spektrumú izzólámpákat (lámpákat) használnak. Fényszűrőkkel választják ki a vizsgált anyag abszorpciós spektrumának megfelelő spektrumtartományt. A méréseket referenciacellával és referenciagázzal végezzük. A szakaszos fényáramot felváltva irányítják a munka- és összehasonlító küvettákra, amelyeken keresztül haladva (a fényáram) a mért gázzal töltött optoakusztikus detektor rögzíti azt. A detektoroktól érkező jelek különbsége meghatározza a vizsgált anyag koncentrációját a levegőben. Az ilyen típusú, jó hatásfokkal rendelkező eszközök (a leolvasási idő körülbelül 10 másodperc) nem teszik lehetővé a szennyező anyagok egynél több összetevőjének egyidejű (egy mintában történő) regisztrálását. Az ismert univerzális 1302-es gázfigyelő, a Brüel & Kjr cég lehetővé teszi akár öt szennyeződés egyidejű regisztrálását egy levegőmintában. Az eszköz egy izzószálat használ infravörös sugárzás forrásaként. Az optoakusztikus cella érzékeny térfogatába eső infravörös sugárzás spektrumának változása a mérések során automatikusan megjelenik egy forgó lemezre telepített keskeny sávú fényszűrők segítségével. A levegőminta kitölti az optikai-akusztikus cella térfogatát. A mérés ideje alatt a cella be- és kimenete el van zárva a külső levegőtől. Mikrofonokat használnak a sejtben felmerülő nyomásingadozások amplitúdójának mérésére, amikor a szakaszos fényáramot elnyeli a vizsgált minta. Minden szűrőre méréseket végeznek. Egy minta teljes mérési ideje körülbelül 2 perc. A mérési eredmények alapján egy mintában legfeljebb öt szennyező anyag koncentrációját határozzák meg. A készülék működésének vezérlését és a mérési eredmények feldolgozását a beépített processzor segítségével hajtják végre. A két külön cserélhető keskeny sávú fényszűrő külön szállított készletével nagyszámú IR-elnyelő szennyezőt lehet regisztrálni. Az eszköz azonban lehetővé teszi a mérések elvégzését csak a szennyező anyagok eleve ismert összetételével. Egyébként a különféle anyagok abszorpciós sávjainak átfedése nem teszi lehetővé a levegőben található káros anyagok összetételére vonatkozó megfelelő információk megszerzését. A legközelebb a javasolt megoldáshoz egy olyan lézeres gázanalizátor található, amely egy optikai tengelyen elhelyezett lézeres gázkisülési csövet tartalmaz, amelyhez nagyfeszültségű forrás és hűtőegység van csatlakoztatva, egy nyalábképző egységet és egy optikai-akusztikai elemet. cella, amelyhez légbeömlő egység csatlakozik, mikrofont és piroelektromos érzékelőt mér, analóg-digitális átalakítót interfész egységen keresztül csatlakoztatva, valamint adatbeviteli és kimeneti egységet egy személyes elektronikus számítógép bemenetével. Ennek kimenete az interfész egységen keresztül csatlakozik a vezérlő egység bemenetéhez. Az infravörös sugárzás lézerforrásának használata lehetővé teszi a készülékben a nagy spektrális felbontás megvalósítását (10-20 nm). A vizsgálati gázban az abszorpciót optoakusztikus cellával rögzítik. A gázelemző készülék három fő részből áll: hangolható infravörös sugárzás forrása, optikai-akusztikus cella (OAP), információ rögzítésére és feldolgozására szolgáló rendszer. A készülékben a sugárképző egység optikailag összekapcsolt modulátor, alakító, tükör, fókuszáló lencse és diffrakciós rács formájában készül. A készülékben kiválasztott módszer a lézersugárzás hullámhosszának hangolására diffrakciós rács és forgótükör segítségével 36 sugárzási vonal kiválasztását teszi lehetővé. Az emissziós vezetékek azonosítása csak a készülék felállításakor történik. Amikor a sugárzás elnyelődik az OAP-t kitöltő vizsgálati gázban, abban akusztikus hullám képződik, amelyet kondenzátor mikrofon rögzít. A mikrofonból és a lézersugárzás erejét rögzítő piroelektromos sugárzási detektorból érkező jeleket két szinkron detektorból álló kétcsatornás regisztrációs rendszer bemenetére vezetik. A regisztrált jelek analóg rögzítését egy rögzítő segítségével végezzük. Az információk digitális voltmérővel és számítógéppel olvashatók. A prototípus hátrányai a korlátozott számú sugárvezeték, amely egy légminta többkomponensűjét érinti, valamint a sugárzási hullámhossz feletti ellenőrzés hiánya. A találmány célja a levegő összetételének expressziós, többkomponensű elemzése a káros anyagokról, nagy pontossággal. Ez a feladat egy lézeres gázelemzőt tartalmazó eszközben van, amely tartalmaz egy lézeres gázkisülési csövet, amelyhez nagyfeszültségű forrás és hűtőegység van csatlakoztatva, egy sugárképző egységet, amely diffrakciós rács formájában készül a piezokorrektoron , és egy optikai-akusztikus cella, amelyhez csatlakozik egy légbeszívó egység és egy mérőmikrofon, egy piroelektromos érzékelő, amely egy sorba kapcsolt analóg-digitális átalakítón keresztül csatlakozik, és egy interfész egység a PC bemenethez megoldott hogy a gázelemző tartalmaz egy háttérmikrofont, egy referencia cellát, amely az egyik optikai tengelyen helyezkedik el, és egy további piroelektromos érzékelőt, amely hasonló a fő piroelektromos érzékelőhöz, valamint egy differenciálerősítőt a sugárképző egységben, a diffrakciós rácsot és a a piezoelektromos korrektor a léptetőmotorhoz csatlakoztatott érintőleges egységben helyezkedik el, valamint a mérő- és a háttérmikrofon kimenetei differenciálerősítőn keresztül csatlakozik az ADC-hez, a vezérlőegység kimenetei a piezo-korrektor megfelelő bemeneteihez és a sugárképző egység léptetőmotorjához vannak csatlakoztatva, a személyi számítógép kimenete az interfészegységen keresztül a vezérlőhöz csatlakozik Mértékegység. A találmány lényege abban rejlik, hogy a sugárképző egység javasolt megvalósítása lehetővé teszi nagy (akár 70 IR-sugárzási vonal) hullámhossz-készlet rögzített és szabályozott hullámhosszúságát (többkomponensű és pontosságú); a PC-ben használt szoftver és adatbank, valamint az interfészegységen és a vezérlőegységen keresztüli kommunikáció az összes gázelemző szenzorral biztosítja a paraméterek sodródásának korrekcióját és az információfeldolgozást. A rajz a gázelemző blokkvázlatát mutatja. Tartalmaz egy lézeres LGRT 1 (CO 2 -laser) gázkisüléses csövet, egy nagyfeszültségű 2 LGRT tápegységet, egy 3 hűtőegység az LGRT hűtését szolgálja, a 4 rekesz szabályozza a sugárzási teljesítményt, egy diffrakciós rácsot 5, a amelynek forgása megváltoztatja a sugárzás hullámhosszát, a 6 piezo korrektor kompenzálja a hőmérsékleti instabilitást, a tangenciális 7 blokk, amelynek hosszanti mozgása 20 mm-rel az 5 diffrakciós rács 14 ° -os elfordulásához vezet, a 8 léptető motor mozgatja a 7 tangenciális egységet , 9 tükrök, amelyek IR-sugárzást irányítanak az AOC bemeneti ablakába, a 4, 5, 6, 7, 8 és 9 elemek egy 26 nyalábképző egységet alkotnak, egy 10 piroelektromos érzékelőt, amely az IR-sugárzást veszi át, részben visszaverődve a bemeneti ablakból Az OAP, egy 11 piroelektromos érzékelő, amely rögzíti az OAP-n áthaladó infravörös sugárzást egy referencia cellán, egy 12 háttérmikrofonon keresztül, nem látva az OAP érzékeny hangerejét, a 13 mérőmikrofont, amely időszakos változásokat rögzít nyomás az OAP-ban az n abszorpciója miatt szakaszos fényáram, ОАЯ 14 optoakusztikus cella, a gázelemző készülék érzékeny eleme, a sugárzási hullámhossz szabályozására szolgáló ismert referenciájú 15 referenciaküvetta, a vizsgálati levegőt az ОАЯ-be tápláló 16 fúvó, 17, 18 elektromágneses szelepek és 19, amelyek szabályozzák a vizsgálati levegő áramlását, a 20 levegőbevezetés (cső), a 21 obturátor, amely a sugárzás áramlásának időszakos megszakítását szolgálja, 22 szűrő, 23 hőmérséklet-érzékelő a hűtőrendszerben, 24 nyomásérzékelő a hűtőrendszerben, nyomásérzékelő 25 a légbeszívó áramkörben a 27 PC vezérli a mérési eredmények működését és gyűjtését, a 28 interfész egységet egy vonal kapcsolja össze egy 27 PC-vel, egy 29 vezérlőegységgel, egy ADC 30 analóg-digitális átalakítóval, egy PC-vel Az IBM PC típusú 27 számítógéphez 31 szoftver és 32 adatbank tartozik (feltételesen látható). A 13 és 12 jeleket levonjuk egymástól, a különbséget a 10 piroelektromos érzékelő leolvasására normalizáljuk. A méréseket a 27 PC-ről beállított hullámhosszakon hajtjuk végre (mindegyik hullámhossz megfelel a 8 léptetőmotor bizonyos lépésének). A 28 interfész egységet a 27 PC és a gázelemző vezető-nyilvántartó részének összekapcsolására használják a 30 ADC-vel, amely a 10, 11 piroelektromos érzékelők és a 33 differenciálerősítő jelét digitális kóddá alakítja. A 29 vezérlőegység a 16 fúvó, a 6 piezo korrektor, a 8 léptető motor, a 17, 18 és 19 mágnesszelep működtetését hajtja végre. A 29 vezérlő egység figyeli a hűtőkör nyomását és hőmérsékletét is. az LGRT 1 és figyeli a légbeszívó rendszer nyomását. A mintát az OAO 14-ben veszik a 20 légszívó csövön keresztül, a 22 szűrőn. A levegő a 20 csövön keresztül mozog a 16 fúvó hatására. Az áramlás irányát a 17, 18, 19 szelepek állítják be. a légbeszívó rendszer állapotának ellenőrzésére szolgál. Mérési módban a sugárzás egy részét elnyeli az OAD 14-ben vizsgált gáz, periodikus nyomásingadozásokat okozva, amelyek frekvenciája megegyezik a sugárnyaláb 21 obturátor általi megszakításának frekvenciájával, amelyeket a 13 mikrofon rögzít. A sugárzás egy része, miután áthaladt az OAD 14 kimeneti ablakán, bejut a 15 referencia cellába, majd a 11 piroelektromos érzékelőbe. A feldolgozás során a 33 differenciálerősítő (amelynek bemenetei a 12 és A 13. ábra) és a 10 érzékelő leolvasására normalizált 11 piroelektromos érzékelőt használunk speciálisan kifejlesztett 31 szoftver és 32 adatbank segítségével. A gázelemző készülék működését, az operátort és a programok funkcionalitását az alábbiakban ismertetjük. A gázelemzővel végzett munka azzal kezdődik, hogy csatlakoztatja a 27 számítógépet a hálózathoz, és letölti az SCO 2 szoftvert, amely a következő programokat tartalmazza: 1. CONTROL; 2. TESZT 3. TESZTSOR; 4. SPECTRA; 5. SZÁMÍTÁS; 6. EREDMÉNY; 7. BANK. Az SCO 2 betöltése után az "ON THE GAS ANALYZER" üzenet jelenik meg a 27 PC kijelzőjén, a "CONTROL" program be van kapcsolva, amely ellenőrzi a gázelemző működését a mérések megkezdése előtt. Ellenőrizzük a 21 obturátort, a 16 kompresszort, a 17, 18 és 19. szelepeket. Ezenkívül a "CONTROL" programnak megfelelően a kijelzőn megjelenik a "PERFORM TEST MÉRÉS" lekérdezés. Ha tesztmérésre van szükség, amelyet a D gomb megnyomásával lehet megerősíteni, a kezelő a "TEST" program szerint végzi a munkát. A "FILL OAU ZERO GAS" üzenet jelenik meg a kijelzőn. "KÉSZ", miután kitöltötte a D gombbal, elindul a mérési program: méréseket végeznek a 12 és 13 mikrofonok, a 10 piroelektromos teljesítmény-érzékelő jeleire a sugárzási vonalak különböző értékein (azaz különböző értékeken) Az eredmények a 27 számítógép memóriájába kerülnek, a "SZÁMÍTÁS" programban történő felhasználás céljából. Ezt követően megjelenik a képernyőn a "NEM MÉRÉS MEGVÉTELE" üzenet. Ha a méréseket nem a "TEST" programmal hajtják végre, akkor ez az üzenet azonnal megjelenik. A méréseket a "TEST LINE" program segítségével hajtjuk végre a D gomb megnyomásával. A levegőt az OAJ 14-en keresztül a 16-os fúvógépen keresztül pumpálják, a 18-as és 19-es szelepeket bezárják, a 17 szelepet kinyitják, majd a 16 fúvót kikapcsolják és jeleket a differenciál 33 erősítőhöz csatlakoztatott 12 és 13 mikrofonokból, valamint a 10 és 11 piroelektromos érzékelőkből mérve, a léptetőmotor 8 különböző lépcsőfokokkal. a méréseket nem a "TEST" programmal hajtották végre, majd a 12 és 13 mikrofonok jeleit fájlba írják feldolgozás céljából a "CALCULATION" programban, különben nem használják tovább; a 11 érzékelő jele beírásra kerül a "SPECTRA" alapmérési program fájljába. A program végén megjelenik a "SZKENNELÉS MŰKÖDÉSE" felszólítás a kijelzőn. Amikor megnyomja a D gombot, a munka a "SPECTRA" program szerint történik, a 12. és 13. mikrofonból, valamint a 10 piroelektromos érzékelőből származó jelek mérésével a teljes sugárzási tartományban, az egyes lépések csoportjainál. sugárzás jelenléte. Ebben az esetben a sugárspektrum szabályozásához a mérési eredményeket összehasonlítjuk a 11 érzékelő méréseivel és a 15 referenciacellában lévő gázabszorpciós spektrum adataival, amelyeket a gázelemző készülék kalibrálása során bevittünk az adatbankba. Szükség esetén módosul a "SPECTRA" program által meghatározott lépések számozása. A mérési eredmények a "CALCULATION" program fájljába kerülnek. A beolvasási üzemmódban történő munkavégzés megtagadása esetén (a "H" gomb megnyomásával) megjelenik a "SZENNYEZŐANYAGOK NEVEINEK MEGADÁSA A NEVES LISTÁBÓL" üzenet, a munka a "SPECTRA" program szerint folytatódik. A képernyőn megjelenik a szennyező anyagok listája. A szennyező anyagok kiválasztása után megjelenik az "ÜZEMMÓD EGYSZER" üzenet. A D gomb megnyomásakor egyetlen mérést hajtanak végre: az OAYA 14 levegőmintát gyűjtik, a 12 és 13 mikrofonokból és a 10 érzékelőből származó jeleket a keresett anyagok abszorpciós vonalain mérik, meghatározva a a 8 léptetőmotort, figyelembe véve a nulla mérést. A mérési eredmények egy fájlba kerülnek feldolgozásra a "CALCULATION" program segítségével. Egyetlen mérés megtagadása esetén (a H gomb megnyomásával) megjelenik a "BEÁLLÍTÁS A MÉRÉSI IDŐ ÓRÁKBAN" üzenet, amely után a "SPECTRA" programmal meghatározott ideig folyamatos méréseket hajtanak végre. Az egyes mérések közötti intervallum 5 perc. A mérési eredmények egy fájlba kerülnek feldolgozásra a "CALCULATION" program segítségével. A mérési eredmények feldolgozása a "CALCULATION" program segítségével történik a mérések végén (egy mód), külön mérések között (folyamatos mód). A feldolgozás egy adatbank (BANK program) segítségével történik, amely tartalmazza a gázok instrumentális abszorpciós spektrumát, az egyes gázok érzékenységét, a minimálisan kimutatható mennyiségeket, a referencia küvetta gáz abszorpciós spektrumát, a DNS-gázok maximálisan megengedett koncentrációját. a dolgozó és lakóterek levegője. Az eredményeket a képernyőn táblázat (egyedi mérések) vagy grafikon (folyamatos mérések) formájában jelenítjük meg, összehasonlítva az MPC-vel. A feldolgozási eredmények bizonytalansága (például egybeeső abszorpciós spektrumok) esetén üzenet jelenik meg a mérések elégtelenségéről. Így a javasolt gázelemző technikai eszközöket biztosít a különböző levegőszennyeződések abszorpciós csúcsainak gyors meghatározásához (egy mintában legfeljebb 60 komponens), a szennyezőanyag-koncentrációt az abszorpciós csúcs nagysága határozza meg, amely kedvezően megkülönbözteti az analógoktól és a prototípus.

KÖVETELÉS

Lézer gázanalizátor, amely lézeres gázkisüléses csövet tartalmaz, amelyhez nagyfeszültségű feszültségforrás és hűtőegység van csatlakoztatva, és a lézeres gázkisülésű csővel azonos optikai tengelyen elhelyezkedő sugárképző egység, amely diffrakciós rács egy piezo korrektoron, és egy optoakusztikus cella (OAP), amelyhez az egység csatlakozik, a légbeszívó és egy mérő mikrofon, egy piroelektromos érzékelő, amely egy sorba kapcsolt analóg-digitális átalakítón (ADC) keresztül csatlakozik, és egy interfész egység személyi számítógép bemenetére, azzal jellemezve, hogy a gázelemző tartalmaz egy háttérmikrofont, amely ugyanazon az optikai tengelyen helyezkedik el, egy optikai-akusztikus cellával, egy referencia küvettával és egy további piroelektromos érzékelővel, amelyek ugyanúgy vannak csatlakoztatva, mint a fő piroelektromos érzékelő, valamint egy differenciálerősítő a nyalábképző egységben, a diffrakciós rács és a piezoelektromos korrektor a léptetőmotorhoz csatlakoztatott érintőleges egységben vannak elhelyezve, A genetikai egységbe egy forgótükör van beépítve, amely a sugárzást az OAD bemeneti ablakába irányítja, és a mérő- és a háttérmikrofon kimenetei differenciálerősítőn keresztül az ADC-hez csatlakoznak, a vezérlőegység kimeneteihez a piezo korrektor megfelelő bemenetei és a sugárképző egység léptető motorja, a személyi számítógép kimenete a menedzsmenthez van csatlakoztatva.

Kéziratként

DOLGI SERGEI IVANOVICH

A LÉZERGÁZ-ELEMZŐK A DIFFERENCIÁLIS ABSZORPCIÓS MÓDSZERREL

01.04.01 - A kísérleti fizika eszközei és módszerei

értekezés a fizikai és matematikai tudományok kandidátusának fokozatáról

Barnaul - 2004

A munkát az Orosz Tudományos Akadémia Szibériai Kirendeltségének Légköri Optikai Intézetében végezték

Tudományos tanácsadók: - fizikai és matematikai tudományok doktora

professzor, az Orosz Tudományos Akadémia levelező tagja, Zuev Vladimir Vladimirovich

Hivatalos ellenzők: - a fizikai és matematikai tudományok doktora

sutorikhin Igor Anatolyevich professzor. - A fizikai és matematikatudomány kandidátusa, Prokopjev Vlagyimir Egorovics tudományos főmunkatárs.

Vezető szervezet: Tomszki Műszaki Egyetem

A védekezésre 2004. december 15-én kerül sor. 14:00 órakor a dolgozattanács D 212.005.03 ülésén az Altáji Állami Egyetemen, a következő címen: 656049, Barnaul, Lenin Ave., 61.

A disszertáció az Altáji Állami Egyetem könyvtárában található.

Tudományos titkár

disszertációs tanács Ph.D.

D.D. Ruder

A téma relevanciája. A környezet különböző tényezők hatására változik. Az ipar, az energia, a mezőgazdaság és a közlekedés gyors fejlődése az antropogén környezeti hatások növekedéséhez vezet. Számos káros melléktermék aeroszol, gáz, háztartási és ipari szennyvíz, olajtermék stb. Formájában kerül a légkörbe, a hidroszférába és a litoszférába, amelyek negatívan befolyásolják az ember és a bioszféra egészének életkörülményeit. Ezért a környezeti ellenőrzés napjaink sürgető problémája.

Jelenleg kémiai, termikus, elektromos, kromatográfiai, tömegspektrum és optikai gázelemzőket alkalmaznak a légkör állapotának figyelemmel kísérésére. Ráadásul csak az utóbbiak nem érintkeznek, nem igényelnek mintavételt, ami további hibákat vezet be a mért értékben. Különleges helyet foglalnak el a gázanalízis optikai módszerei között a lézeres módszerek, amelyeket a következők jellemeznek: a mérések nagy koncentrációérzékenysége és a térbeli felbontás, a távolság és a sebesség. Először is, ez a rezonánsabszorpciós hatáson működő lézer gázelemzőket érinti, amelyeknek a legnagyobb keresztmetszete van az optikai sugárzásnak a vizsgált közeggel való kölcsönhatása szempontjából, biztosítva a maximális érzékenységet. Az ilyen gázelemzők általában differenciálabszorpciós sémát valósítanak meg. A lézertechnika hazánkban és külföldön történő fejlődésével az optikai-akusztikus (a helyi gázelemzéshez) és az útvonal (a vizsgált gáz koncentrációjának integrális értékeit megadva) lézeres gázelemzők, valamint a lidarok (LIDAR az angol Light Detection és Ranging szavak rövidítése) kifejlesztettek információkat az atmoszférában a gázok koncentrációjáról térbeli felbontással. De a dolgozat kezdetén, ritka kivételekkel, mindegyik laboratóriumi modell volt, amelyeket egy, maximum két gázkomponens mérésére terveztek, míg a környezeti monitorozáshoz többkomponensű gázelemzés szükséges.

A Föld légkörének minden gázalkotórészét, kivéve a főbbeket: nitrogént, oxigént és argont, általában úgynevezett kisebb gázkomponenseknek (MGS) nevezik. Az IGM aránya a légkörben kicsi, de az antropogén faktor miatti tartalomnövekedés jelentős hatással van a légkör számos folyamatára.

Amint az az irodalomból kitűnik, a spektrum középső IR tartománya a legalkalmasabb az MGS lézeres gázanalízisére. A legtöbb megengedett szerkezetű IGM fő rezgés-forgási sávja itt található. Nagy energiájú molekulalézerek, köztük megbízható és hatékony CO és CO2 lézerek bocsátanak ki ebben a régióban. Ezekhez a lézerekhez rendkívül hatékony paraméteres frekvenciaváltókat (PFC) fejlesztettek ki, amelyek kellően sűrűséget tesznek lehetővé

a légkör átlátszóságának lendületes spektrális int

SIMIOTEKA i

gömbök. A lézeres gázanalízis másik informatív spektrális tartománya az UV régió. Itt sok elektronikus szennyező gáz erős sávja van. A spektrum középső IR tartományával ellentétben az UV abszorpciós sávok nem szelektívek és átfedésben vannak. A legnagyobb fejlődést ezen a területen az ózonometriai módszerrel sikerült elérni, mivel itt található a Hartley-Huggins ózonabszorpciós sáv.

Célkitűzés. Gázanalizátorok kifejlesztése differenciál abszorpciós módszer alapján az MGM koncentrációinak detektálására és mérésére, valamint azok tér-idő eloszlásának meghatározására a légkörben.

A munka során a következő feladatokat hajtották végre:

Csatorna létrehozása az ózon (VRO) vertikális eloszlásának érzékelésére a sztratoszférában (a 0, 0 m befogadó tükör alapján) a szibériai lidar állomáson (SLS);

Az ozonoszféra állapotának figyelemmel kísérése rutin mérésekkel;

Az ozonoszféra klimatológiájának vizsgálata, a sztratoszférikus ózon trendjeinek értékelése

A következőket nyújtják be védekezésre:

2. A TRAL sorozatú lézer gázelemzők kidolgozott elrendezése a spektrum középső IR tartományában, amely lehetővé teszi a több mint 12 gáz koncentrációjának gyors mérését az MPC-n és az alatt, legfeljebb 2 km hosszú utakon, tükör vagy topográfia segítségével fényvisszaverő.

3. A szerző által a XeQ excimer lézer alapján létrehozott UV-ózon lidar, amely az ózonoszféra zavartalan hosszú távú hangzását biztosította Tomszk felett a szibériai lidár állomáson 13-45 km magasságban, maximális függőleges felbontással 100 m.

A munka tudományos újdonsága:

Először választották ki és kísérletileg tesztelték az IGM atmoszféra információs hullámhosszait IR molekuláris lézerek és PPC segítségével;

Számos egyedi mobil és stacionárius gázelemzőt hoztak létre, amelyek lehetővé teszik a légkör gázösszetételének többkomponensű elemzésének gyors elvégzését;

Az MGM (például C2H4, NH3, H2O, CO2, CO, Oz, N0 stb.) Koncentrációjának napi változásainak mérését az ország ökológiailag tiszta régióiban végeztük, jelentős antropogén terhelésnek kitéve;

A munka eredményeinek felhasználása. A gázelemző készülékekkel nyert adatokat 1979-1980-ban mutatták be a Szovjetunió Olimpiai Bizottságának. Moszkvában, valamint a város környezetvédelmi szervezeteinek Tomszk, Kemerovo, Szófia (NRB) bekerült az IAO SB RAS zárójelentéseibe a különféle RFBR-támogatásokról, megállapodásokról, szerződésekről és programokról, például a "TOR" (troposzférikus ózonkutatás), a "SATOR" (sztratoszférikus és troposzférikus ózon) kutatás) és mások.

A munka gyakorlati értéke a következő: - kifejlesztettek egy optikai-akusztikus gázelemzőt, amely lehetővé teszi a metáncsoport szénhidrogének, valamint a metán és a nehezebb szénhidrogének összegének koncentrációjának nagy pontossággal történő mérését természetes és kapcsolódó kőolajgázok. Ennek a gázelemzőnek az segítségével lehet keresni az olajat és a gázt a föld felszínére a szénhidrogénmezők fölött kijövő gázok haloival;

A kifejlesztett útvonal-gázelemzők lehetővé teszik az MPC-nél és az alatt lévő gázkeverékek koncentrációjának mérését az elsőbbségi szennyező gázok széles listájából;

Hozzon létre egy csatornát az ózon SLS vertikális eloszlásának érzékeléséhez egy 0,5 m-es tükör alapján, amely lehetővé teszi a megbízható VOD-profilok megszerzését 13-45 km magasságtartományban, 100 m maximális felbontással.

A munka eredményeinek megbízhatóságát a következők biztosítják: - jó egyeztetés a kifejlesztett gázelemzőkkel nyert kísérleti adatok és más módszerekkel egyidejűleg nyert adatok között, valamint; más szerzők által hasonló éghajlati és ökológiai körülmények között nyert adatok;

A sztratoszférában található VOD-profilok jó egybeesése a lidar, ozonosondes adatok, valamint a használt eszközök hibáján belüli műholdas mérések alapján.

A munka elfogadása. A disszertáció témájával kapcsolatos, a szerző által elért főbb eredményeket 11 cikk jelentette meg orosz tudományos szakértői folyóiratokban, amelyekről a VI., VII. És XI. All-Union szimpóziumokon számoltak be a lézerről és az akusztikus hangzásról (Tomsk, 1980). 1982, 1992); VI. All-Union szimpózium a lézersugárzás terjedéséről a légkörben (Tomsk, 1881); XII. A koherens és nemlineáris optikáról szóló egész Unió szakos konferencia (Moszkva, 1985); V. nemzetközi iskolai szeminárium a kvantumelektronikáról. Lézerek és alkalmazásuk (NRB, Napospart, 1988); A Nemzetközi Légköri Fizikai és Meteorológiai Szövetség 5. tudományos közgyűlése (Reading, Egyesült Királyság, 1989); XI. Szimpózium a lézerről és az akusztikus hangzásról (Tomsk, 1992); És III, IV és VI köztársaságközi szimpóziumok "A légkör és az óceán optikája" (Tomsk, 1995, 1996, 1997 és 1999); III. Szibériai találkozó az éghajlat- és ökológiai monitoringról (Tomsk, 1999); I. interregionális találkozó "A szibériai folyók és az Északi-sarkvidék ökológiája" (Tomsk 1999); VII. Nemzetközi Szimpózium a légköri és óceánoptikáról (Tomsk 2000); VIII. És IX. Nemzetközi szimpózium a légköri és óceánoptikáról, valamint a légköri fizikáról (Tomsk 2001 és 2002); 11 Műhely a légköri sugárzás méréséről (Atlanta, USA 2001); IX. "A szibériai aeroszolok" munkacsoport (Tomsk 2002); 21. és 22. Nemzetközi Lézerkonferencia (Quebec, Kanada, 2002, Matera, Olaszország 2004); II. Nemzetközi konferencia "Szibéria, a Távol-Kelet és az Északi-sarkvidék környezete és ökológiája" (Tomsk 2003). Nemzetközi konferencia az optikai technológiákról a légköri, az óceáni és a környezeti kutatás számára (Peking, Kína 2004).

Személyes hozzájárulás. Ebben a munkában a szerző által személyesen vagy közvetlen részvételével elért eredményeket használtuk fel. Ez a szerző részvétele mind a gázelemző készülékek építésének általános sémáinak, mind azok egyedi optikai-mechanikai és elektronikus egységeinek és blokkjainak kidolgozásában; szerelési és üzembe helyezési munkák. A munkában szintén bemutatott, a létrehozott gázelemző készülékek mérési technikáinak, teszt-, valamint expedíciós és terepi tesztjeinek kidolgozása a szerző közvetlen részvételével zajlott. 1996 óta gyakorlatilag az SLS-n az ozonoszféra állapotának minden megfigyelését a szerző aktív részvételével végezték. Továbbfejlesztett csatornát hozott létre az ózon SLS vertikális eloszlásának érzékelésére egy XeQ lézer és egy 0,5 m-es vevő tükör alapján.

A "LAG-1" és a "Resonance-3" infravörös gázelemzők fejlesztését Ph.D.-vel közösen végezték. G.S. Hmelnickij, a többi eredményt a levelező tag irányításával kaptuk. RAS, a fizikai és matematikai tudományok doktora V.V. Zuev, laboratóriuma dolgozóinak részvételével a munka különböző szakaszaiban.

A bevezetőben alátámasztják a téma relevanciáját, megfogalmazzák a vizsgálat céljait és célkitűzéseit, hangsúlyozzák a tudományos újdonságot és gyakorlati jelentőséget, és megadják a védekezés főbb rendelkezéseit.

Az első fejezet ismerteti az optikai-akusztikus módszert, egy optikai-akusztikus gázelemző blokkdiagramját, amelyet a metán és más telített szénhidrogének koncentrációjának külön mérésére terveztek a levegőmintákban.

Számos tanulmány kimutatta a megnövekedett szénhidrogén-koncentráció (HC) jelenlétét az atmoszférában és a talaj levegőmintáiban az olaj- és gázmezők területén. A szerzők azt a véleményt fogalmazták meg, hogy ez annak köszönhető, hogy szénhidrogének szabadulnak fel a tározóból a nappali felszínre. Az olaj- és gázmezők felkutatásának geokémiai módszerei ezeken a tényeken alapulnak. Az adatok szerint a volt Szovjetunió lerakódásainak természetes gázainak százalékos (térfogatbeli) összetétele: metán 85-95%; etán legfeljebb 7%; propán 5% -ig; bután 2% -ig; pentán és nehezebb szénhidrogének akár 0,4% -ig. Olaj- és gázmezők kapcsolódó kőolajgázainak összetétele: metán 80% -ig; etán 20% -ig; propán 16% -ig; izobután + n-bután 6% -ig; pentán és nehezebb szénhidrogének 0,9% -ig. Így a pentán és a nehezebb szénhidrogének jelentéktelen mértékben járulnak hozzá az olaj- és gázmezők fölötti gázhalogén tartalomhoz.

Ábra: 1. Diffrakciós rácsú gázanalizátor 1–2-CO g lézer blokkdiagramja; 4, 5 - He-Ne lézer; 7, 9, 10 impulzusos alakítók; 8-modulátor; 11- modulátor vezérlő egység; 12 kamerás spektrofon; 13 mikrofon; 14-szelektív erősítő; 15- ADC! 16 frekvenciás számláló; 17 csillapító; 18-vevő; 19-digitális óra; 20-ADC2; 21- vezérlőegység; 22 mikrokomputer; 23 jegyű nyomtatás.

Amikor a föld felszínén a mezők fölött megjelenő szénhidrogének gázhalogénje mentén keresünk olaj- és gázmezőket, nagyon fontos külön mérni a metán és a nehezebb szénhidrogének koncentrációját, mivel a metán nemcsak mély szerkezetek, hanem a biológiailag aktív felső rétegeké is, és nem mindig a mező hírnöke ... Ez jellemző például Za-

nyugat-Szibéria, ahol a területén található mocsarak nagy mennyiségben képesek metánt előállítani, míg a földkéreg felső rétegeiben nehéz szénhidrogének nem keletkeznek. A cikk egy ilyen külön mérés lehetőségét elemzi, feltéve, hogy a keverékekben a metántartalom legfeljebb százszor nagyobb, mint a többi szénhidrogén tartalma.

A kifejlesztett "LAG-1" rendkívül érzékeny optikai-akusztikus gázelemző készülék lehetővé teszi a szénhidrogének koncentrációjának regisztrálását bármilyen arányú metán és más HC-k keverékével. A gázelemző készülék blokkdiagramját az 1. ábra mutatja. egy.

A hengeres spektrofon (optikai-akusztikus detektor) kamrájában a gáznyomás, amikor a modulált lézersugárzás áthalad rajta ω modulációs frekvencián, függ a lézersugárzás teljesítményétől és a vizsgált gáz abszorpciós együtthatójától és a minőségtől az akusztikus rezonátor tényezője a Q (co) modulációs frekvencián:

5zhg02 [co2 + t1) "

ahol £) a henger átmérője; t, a spektrofon hőmérséklet-relaxációs ideje.

A nyomásimpulzusokat az MKD / MV 101 típusú kondenzátor mikrofon alakítja át elektromos jellé (13). Ezután a jelet egy U2-8 típusú szelektív erősítő (14) erősíti, amelyet az ADC1 (15) digitalizál, és belép az eredmények feldolgozó rendszerébe. A spektrofon kamerán áthaladó lézersugárzást egy csillapító (17) csillapítja, eltalálja a hőelektromos vevőt (18), digitalizálja az ADC2 (20) és belép az eredményfeldolgozó rendszerbe

A rendszer kiszámítja az abszorpciós együtthatókat:

és gázkoncentráció abszorpció esetén egyetlen vonalon:

/ \u003d /, 2, 3 ... n,

ahol l a spektrofon kalibrációs tényezője; n a mérések száma; £ / s / -sjel a mikrofonról; -jel arányos a lézersugárzás erejével; - a spektrofon háttérjele; a vizsgálati gáz tömegabszorpciós együtthatója. A számítás eredménye a hullámhossz kóddal és az idővel együtt megjelenik a digitális nyomtatáshoz.

A III-N lézer hangolási tartományában az 1,15 μm hullámhosszú emissziós vonal egybeesik a légköri vízgőz abszorpciós vonalával, a 3,39 μm vonal pedig egybeesik a metáncsoport szénhidrogének abszorpciós sávjaival, kezdve magával a metánnal . A CO2 lézer hullámhossz-beállításának tartományában (9,1-10,8 mm) vannak a lökéshullámok abszorpciós sávjai, amelyek

etán, tehát a szénhidrogének és az etán, a propán és a bután összegének koncentrációjának mérésével lehetővé válik a metán koncentrációjának meghatározása. Az 1. táblázat felsorolja ezeket a gáznemű komponenseket, azok abszorpciós együtthatóit a megfelelő sugárzási és CO2 lézer hullámhosszakon:

Asztal 1

Gas He-Me X. \u003d 3,39 μm a, cm "1 atm" 1 CO2

A, μm a, cm "1 atm" 1

Metán 9,0 - -

Etán 4,1 10,8847 0,5

Propán 9,0 10,8352 0,45-0,5

N-bután 12,6 10,4 762 0,9

Izobután 13 10,8598 0,4

Annak a ténynek köszönhetően, hogy a CO2 lézernek széles a beállítási tartománya, lehetőség van etán, propán, n-bután, izobután, etilén és benzol és más gáznemű komponensek külön mérésére. Ugyanabból a táblázatból látható, hogy a szénhidrogének CO2-lézersugárzás abszorpciós együtthatói 10-20-szor alacsonyabbak, mint a III-N-lézer sugárzásának abszorpciós együtthatói. De egy rezonáns spektrofon esetében az érzékenység arányos a rajta áthaladó lézersugárzás erejével (1. képlet), majd egy LG-126 típusú lézer erejével, hosszában

hullámhossza 3,39 μm 8 mW, és CO2 lézer 10 W, ennek a gázelemzőnek az érzékenysége 100-szor nagyobb a nehéz lökéshullámoknál.

A 2. ábra az Ob folyó mentén végzett egyik expedíció során több különböző gázanalizátorral kapott HC összehasonlító mérésének eredményeit mutatja: LAG-1 (mind a metánnal képzett HC, mind a külön-külön nehezebb HC-k összegét mértük), Iskatel (a HCl metánnal) és SKR lidarral (a HC mennyiségét metán nélkül mértük). Mindezen eszközök által nyert adatok azt mutatják, hogy az olaj- és gázmezők fölött a légköri HC-tartalom élesen megnőtt.

Távolság hmm

Ábra: 2. A szénhidrogének koncentrációja a különböző gázelemző készülékek mérése alapján

Az etán, a propán és a bután koncentrációja távol áll a lerakódásoktól

meghaladta a 0,02 millió "1, metán - 1,7-2 millió" 1 értéket, de a felderített mezőkhöz közeledve a nehezebb szénhidrogének koncentrációja jelentősen megnőtt. Így például a Vakh-folyó alsó folyásánál található olajmező területén (a 2. ábra 650 km-es pontja) a következő koncentrációkat mértük: 5,1 millió "1, etán - 1,0 szénhidrogén mennyisége millió "1, propán - 1,7 millió" 1, bután - 0,3 millió "1, metán koncentrációja 2,1 millió" 1. Így látható, hogy a metán koncentrációjának viszonylag kis eltéréseivel a légkörben (1,5- 2,0 millió "1), az olaj- és gázmezők fölött a szénhidrogének mennyiségének nagy értéke a nehéz szénhidrogének megnövekedett koncentrációjának köszönhető.

Az elvégzett vizsgálatok a LAG-1 gázelemző jó teljesítményjellemzőit mutatták terepi körülmények között. A segítségével elért eredmények jól egyeznek a közös mérések során más mérőrendszereken elért eredményekkel, megmutatják megbízhatóságukat. Két lézerforrás (He-N és CO2) és spektrofon használata a komplexben lehetővé teszi mind a légköri, mind a szennyező gázok széles tartományának koncentrációjának mérését. Ami a legfontosabb, hogy külön lehet mérni a metánfrakciót és a nehezebb szénhidrogéneket természetes és kapcsolódó ásványolaj gázok keverékében. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy reméljük a javasolt gázelemző használatát az olaj- és gázmezők felkutatására a föld felszínére kerülő szénhidrogének gázhalogénjeivel, valamint a magok gázfrakciójának operatív elemzéséhez a kutató kút során. fúrás.

A második fejezet számos, a differenciálabszorpciós (DP) módszer alapján működő "Resonance-3", "TRAL", "TRAL-3", "TRAL-ZM", "TRAL-4" soros gázelemző készüléket ír le. Maga a módszer röviden le van írva.

Az I. időpontban kapott optikai jel teljesítménye, egy X hullámhosszra eső DP nyomkövetési módszerrel, a következőképpen írható fel:

ahol Р- az átvitt optikai teljesítmény (W),

d - távolság (cm), c - fénysebesség - 3 x 1010 cm / s,

P, (r) ~ az adó-vevő teljes optikai hatékonysága,

<т,- поперечное сечение поглощения (см2),

A - vételi rekesz (cm2),

a (g) - csillapítási együttható (cm "1),

I, a cél visszaszórásának szilárd szöge (vö. "1"),

/ "a hullámhossz indexe, / \u003d / és 2 a maximális és a minimális abszorpció hullámhosszánál, N0 a gázkoncentráció (cm" 3).

Két közeli hullámhosszra igaz:

Ezután az átlagos gázkoncentráció a vizsgált térfogatban a következőképpen fejezhető ki, valamint a lidárok (LIDAR - a Light Detection and Ranging angol szavak rövidítése), amelyek tér-idő felbontással szolgáltatnak információt az MGM koncentrációjának tanulmányozásához az atmoszféra. De a dolgozat kezdetén, ritka kivételektől eltekintve, mindegyiket egy, maximum két gázkomponens mérésére tervezték, vagy laboratóriumi modellek voltak, míg a környezeti monitorozáshoz többkomponensű gázelemzésre van szükség meglehetősen hosszú utakon (a városi autópályák mentén, nagy ipari vállalkozások).

Amint az az irodalomból kitűnik, a spektrum középső IR tartománya a legalkalmasabb az MGS lézeres gázelemzésére. A legtöbb IGM fő rezgés-forgási sávja itt található. Szinte az összes légköri gáz megengedett szerkezettel és egyedi abszorpciós vonallal rendelkezik, az egyszerűek kivételével, például N2, O2, H2.

A spektrum közepes IR tartományában, mint ismeretes, nagy teljesítményű molekulalézerek bocsátanak ki: CO, CO2, NH3, HF, DF és mások. Ezek közül a legmegbízhatóbbak és a gázelemzés szempontjából elfogadhatóak a rendkívül hatékony CO lézerek. A hagyományos 9,6 és 10,6 μm sávok mellett ezek a lézerek képesek létrehozni a hagyományosakhoz képest körülbelül 1 cm "1-rel eltolt szekvenciális sávokat, valamint a fő 4,3 μm sávot és a forró emissziós vezetékeket, valamint a CO2 izotópokat, hogy további eltolt lézervonalak halmaza, akkor ehhez a lézerforráshoz gazdag emissziós vonalak halmazát kapjuk.

A közelmúltban kifejlesztett, ZnGeP2, CdGeAs2, TlAsSe3, AgGaSe2 stb. Nemlineáris kristályokon alapuló, rendkívül hatékony paraméteres frekvenciaváltók lehetővé tették a COr lézersugárzás második, harmadik és negyedik harmonikusának megszerzését, valamint két CO2 és más lézerek, például CO, NH3, Erbium stb. A légköri IGM-ek lézeres hangzása szempontjából fontos, hogy ezen emissziós vonalak többsége, beleértve a transzformáltakat is, a légkör spektrális átlátszósági ablakaiba essen.

Így egy ZnGeP2, CdGeAs2, TlAsSe3 és AgGaSe2 gyártmányú, nem küszöbértékű paraméteres frekvenciaváltó készletével ellátott alacsony nyomású molekuláris CO2 lézer kielégíti az alábbi követelmények többségét. Az ilyen lézerek szomszédos vonalai közötti távolság körülbelül 1,5-2 cm "1, ami leegyszerűsíti a spektrális szelekció és a frekvenciahangolás problémáját. Kétlépcsős átalakítás alkalmazása, például egy CO2 lézer vagy az két CO2, vagy CO2 és CO2 lézer és ezek harmonikusai, nagyon sűrűn, 10 ^ cm "1-ig terjedő lépéssel lehet lefedni a 2 és 17 mikron közötti tartományt. A szivattyú lézerek emissziós vonalainak középpontját és a meglehetősen keskeny spektrumszélességet (2x10 "3 cm" 1) az aktív közeg fizikai paraméterei biztosítják. A vonalak középpontjának helyzete és következésképpen az átalakított frekvenciák emissziós vonalainak helyzete nagyon nagy pontossággal ismert, ami kiküszöböli a spektrális jellemzők figyelemmel kísérésének problémáját. Az ilyen konverterek hatékonysága meglehetősen magas, és a tizedektől a tíz százalékokig terjed, ami lehetővé teszi útvonalgáz-analizátorok létrehozását topográfiai objektumok és légköri aeroszolok használatával reflektorokként.

A lézeres gázanalízis másik informatív spektrális tartománya az UV régió. Itt sok elektronikus szennyező gáz erős sávja van. A spektrum középső IR tartományával ellentétben az UV abszorpciós sávok nem szelektívek és átfedésben vannak. A legnagyobb fejlődést ezen a területen az ózonometriai módszerrel sikerült elérni, mivel itt található a Hartley-Huggins ózonabszorpciós sáv.

A légköri ózon lidarral történő térbeli felbontású mérésének elvégzésének képességét először 1977-ben mutatták be (Meger et al.). És az 1980-as évek második fele óta az ózonoszféra lézeres szondázása számos obszervatórium rendszeres jellemzőjévé vált. Információt nyújt az ózon vertikális eloszlásáról (VOD), és sikeresen kiegészíti az érintkezési módszerrel kapott információkat, különösen 30 km felett ózonszondák és rakéták alkalmazásával, ahol az ozonoszondák adatai nem reprezentatívak.

A szibériai Lidar állomás 1988 decembere óta figyeli az ózonoszférát. Ebben az időszakban folyamatosan fejlesztették a lidar technológiát, fejlesztették és továbbfejlesztették a mérési és adatfeldolgozási módszereket, szoftvereket készítettek a mérési folyamat irányításához, új szoftvercsomagokat hoztak létre a kapott eredmények feldolgozásához.

Célkitűzés. Gázanalizátorok kifejlesztése differenciál abszorpciós módszer alapján az MGM koncentrációjának detektálására és mérésére, valamint azok térbeli-időbeli eloszlásának meghatározására a légkörben.

A munka során a következő feladatokat hajtották végre;

Optikai-akusztikus gázelemző fejlesztése a helyi gázelemzéshez és a szénhidrogének és más MGM térbeli eloszlásának tanulmányozása;

Útlézeres gázelemzők fejlesztése és létrehozása a légkör gázösszetételének tanulmányozásához;

Módszerek kidolgozása az IGM mérésére a légkörben;

A kifejlesztett eszközök teljes körű tesztelése a kifejlesztett mérési technikák alapján;

Az IGM időbeli dinamikájának vizsgálata az ország ökológiailag tiszta régióiban, amelyek jelentős antropogén terhelésnek vannak kitéve;

Csatorna létrehozása az ózon vertikális eloszlásának (VOD) hangzásához a sztratoszférában (a befogadó tükör alapján 0 0,5 m) CJIC;

Az ozonoszféra állapotának figyelemmel kísérése rutin mérésekkel; - az ózonoszféra klimatológiájának tanulmányozása, a sztratoszférikus ózon trendjeinek értékelése.

A következőket nyújtják be védekezésre:

1. A kifejlesztett "LAG-1" optikai-akusztikus lézer-analizátor, amely lehetővé teszi a kifejlesztett technika alapján a metán és a nehezebb szénhidrogének koncentrációjának külön mérését a természetes és kapcsolódó olajgázok levegőelegyében bármilyen arányban komponensek a keverékben.

2. A TRAL sorozatú lézer gázelemző készülékek kifejlesztett modelljei, a spektrum középső IR tartományában, lehetővé téve több mint 12 gáz koncentrációjának MPC-nél és alatt történő mérését legfeljebb 2 km hosszú utakon tükör vagy tükör segítségével. topográfiai visszatükröző.

3. A szerző által a XeC1 excimer lézer alapján létrehozott UV-ózon lidar, amely megszakítás nélküli, hosszú távú hangzást biztosított az ózonoszféráról Tomszk felett a szibériai lidar állomáson 13-45 km magasságban, maximális függőleges felbontással 100 m.

A mű tudományos újszerűsége.

Először kiválasztották és kísérletileg tesztelték a légköri IGM hangzás informatív hullámhosszait;

Számos egyedi mobil és stacionárius útvonali gázelemző készüléket hoztak létre hangolható molekuláris lézereken alapuló sugárzási frekvenciaváltókkal, amelyek lehetővé teszik az atmoszféra gázösszetételének többkomponensű elemzésének gyors elvégzését;

Méréseket végeztek az MGM (például C2H4, NH3, H2O, CO2, CO, O3, N0 stb.) Koncentrációjának napi változásaiban az ország ökológiai szempontból tiszta, jelentős antropogén terhelésnek kitett régióiban;

A Tomszk feletti ozonoszféra klimatológiai jellemzőit először az ózon vertikális eloszlásának profiljának rendszeres és hosszú távú mérése alapján határozták meg;

A munka eredményeinek felhasználása. A gázelemző készülékekkel nyert adatokat 1979-1980-ban mutatták be a Szovjetunió Olimpiai Bizottságának. Moszkvában, valamint a város környezetvédelmi szervezeteinek Tomszk, Kemerovo, Szófia (NRB). Felvették az IAO SB RAS különféle RFBR-támogatásokról, megállapodásokról, szerződésekről és programokról szóló zárójelentéseibe, például a "TOR" (troposzférikus ózonkutatás), a "SATOR" (sztratoszférikus és troposzférikus ózonkutatások) és másokról.

A munka gyakorlati értéke a következő:

Optikai-akusztikus gázelemzőt fejlesztettek ki, amely lehetővé teszi a metáncsoport szénhidrogénösszegének, valamint a metán és a nehezebb szénhidrogének külön-külön koncentrációjának nagy pontossággal történő mérését természetes és kapcsolódó kőolaj gázok keverékében. Ennek a gázelemzőnek az segítségével lehet keresni az olajat és a gázt a föld felszínére a szénhidrogénmezők fölött kijövő gázok haloival;

A kifejlesztett útvonal-gázelemzők lehetővé teszik az MPC-nél és az alatt lévő gázkeverékek koncentrációjának mérését az elsőbbségi szennyező gázok széles listájából;

Csatornát hoztak létre az ózon CJIC vertikális eloszlásának vizsgálatára egy 0, 0,5 m-es vevő tükör alapján, amely lehetővé teszi a megbízható VOD-profilok megszerzését 13-45 km magasságtartományban, 100 m maximális felbontással.

A munka eredményeinek megbízhatóságát a következők biztosítják: -a kifejlesztett gázelemzőkkel nyert kísérleti adatok és más módszerekkel egyidejűleg nyert adatok jó megegyezése, valamint; adat; más szerzők hasonló éghajlati és ökológiai körülmények között szerezték meg;

A sztratoszférában található VOD-profilok jó egybeesése, a lidar, ozonoszondák adatokkal mérve, valamint a használt eszközök hibáján belüli műholdas mérések | (tizenöt %).

Személyes hozzájárulás. Ebben a munkában a szerző által személyesen vagy közvetlen részvételével elért eredményeket használtuk fel. Ez a szerző részvétele mind a gázelemző készülékek építésének általános sémáinak, mind azok egyedi optikai-mechanikai és elektronikus szerelvényeinek és blokkjainak kidolgozásában a szerelési és üzembe helyezési munkák elvégzésében. A létrehozott gázelemző készülékek mérési technikáinak, teszt- és expedíciós ^ és terepi tesztjeinek kidolgozása - a munkában szintén bemutatva - a szerző közvetlen részvételével zajlott. 1996 óta az ozonoszféra állapotának gyakorlatilag minden megfigyelését a CJIC-nél a szerző aktív részvételével végezték. Továbbfejlesztett CJIC csatornát hozott létre az ózon vertikális eloszlásának érzékelésére egy XeC1 lézer és egy 0, 0,5 m-es vevő tükör alapján.Az RFO adatok újbóli elemzése a szerző által lehetővé tette az ozonoszféra klimatológiájának sajátosságainak meghatározását. Tomsk felett.

A gázelemzők fejlesztési folyamata, azok tesztjei, az expedíciós munka során kapott eredmények feldolgozása, az ilyen nagy mennyiségű empirikus információ hosszú távú felhalmozása a BPO-n és annak elemzése nem valósulhatott volna meg a testület aktív részvétele nélkül. egész csapat, amely nélkül ez a dolgozat nem valósult volna meg. A probléma megállapítását és a tudományos vezetést a különböző szakaszokban a levelező tag végezte el. RAS Zuev V.V. és Ph.D. Khmelnitsky G.S. A gázanalizátorok fejlesztését, valamint azok tesztjeit és terepi tesztjeit a fizikai és matematikai tudományok doktorával közösen hajtották végre. Andreev Yu.M., a fizika és a matematika doktora Geiko P.P., Shubin S.F. kutató Az informatív hullámhosszak felkutatásának elméleti munkáját Ph.D. Mitselem A.A., fizika-matematika doktor Kataev M.Yu., a fizika és matematika kandidátusa Ptashnikom I.V., Ph.D. Romanovsky O.A. A Lidar VOD méréseket vezető kutatóval közösen végeztük A. V. Nevzorov, Ph.D. Burlakov V.D. és d.ph-m.s. Marichev V.N., valamint a hangzási adatok feldolgozása Ph.D. Bondarenko SL. és d.ph-m.s. Elnikov A.V.

A munka elfogadása. A dolgozat témájával kapcsolatos, a szerző által elért főbb eredményeket 11 cikk jelentette meg orosz tudományos szakértői folyóiratokban, amelyek a VI., VII. És XI. All-Union szimpóziumokban jelentek meg a lézerről és az akusztikus hangzásról (Tomsk, 1980, 1982, 1992); VI. All-Union szimpózium a lézersugárzás terjedéséről a légkörben (Tomsk, 1881); XII. A koherens és nemlineáris optikáról szóló egész Unió szakos konferencia (Moszkva, 1985); V. Nemzetközi iskolák: I. szeminárium a kvantumelektronikáról. Lézerek és alkalmazásuk (NRB, Napospart, 1988); A Nemzetközi Légköri Fizikai és Meteorológiai Szövetség 5. tudományos közgyűlése (Reading, Egyesült Királyság, 1989); XI. Szimpózium a lézerről és az akusztikus hangzásról (Tomsk, 1992); És III, IV és VI köztársaságközi szimpóziumok "A légkör és az óceán optikája" (Tomsk, 1995, 1996, 1997 és 1999); III. Szibériai találkozó az éghajlat- és ökológiai monitoringról (Tomsk, 1999); I. interregionális találkozó "A szibériai folyók és az Északi-sarkvidék ökológiája" (Tomsk 1999); VII. Nemzetközi Szimpózium a légköri és óceánoptikáról (Tomsk 2000); VIII. És IX. Nemzetközi szimpózium a légköri és óceánoptikáról, valamint a légköri fizikáról (Tomsk 2001 és 2002); 11 Műhely a légköri sugárzás méréséről (Atlanta, USA 2001); IX. "A szibériai aeroszolok" munkacsoport (Tomsk 2002); 21. és 22. Nemzetközi Lézerkonferencia (Quebec, Kanada, 2002, Matera, Olaszország 2004); II. Nemzetközi konferencia "Szibéria, a Távol-Kelet és az Északi-sarkvidék környezete és ökológiája" (Tomsk 2003); Nemzetközi konferencia az optikai technológiákról a légköri, óceáni és környezeti kutatások számára (Peking, Kína 2004).

A dolgozat felépítése és terjedelme. A disszertációs munka egy bevezetőből, három fejezetből és egy következtetésből áll. A dolgozat terjedelme 116 oldal, 36 ábrát, 12 táblázatot tartalmaz. A felhasznált irodalom felsorolása 118 címet tartalmaz.

A tézis következtetése a "Kísérleti fizika eszközei és módszerei" témában

Következtetés

A dolgozat során a szerző a csapat részeként a következőket tette:

Optikai-akusztikus gázelemzőt fejlesztettek ki a helyi gázelemzéshez, amelynek segítségével tanulmányozni lehet a szénhidrogének térbeli eloszlását (motoros hajón végzett több expedíció során) azokon a területeken, ahol olajmezők találhatók. Az olajmezők területén a levegőmintákban mért szénhidrogéntartalom-növekedés megerősítette a szénhidrogénmezők fölötti gázhalogének jelenlétének feltételezését és annak lehetőségét, hogy ezt a gázelemzőt olaj- és gázmezők keresésére használják;

Kidolgozták és létrehozták a spektrum IR-tartományában működő differenciálabszorpciós módszerrel működő, ún. Lézeres gázanalizátorok komplexét, amely lehetővé teszi több mint 12 gáz koncentrációjának mérését az MPC-nél és alatt.

Kidolgozták az IGM légköri mérésének technikáját;

A kifejlesztett eszközök teljes körű tesztelésére került sor;

Az informatív hullámhossz párokat kísérletileg teszteltük, és következtetéseket vontunk le azok alkalmasságáról a gázelemzés céljára az MIS szerint;

Vizsgálatokat végeztek az IGM időbeli dinamikájáról az ország ökológiailag tiszta régióiban, amelyek jelentős antropogén terhelésnek vannak kitéve;

Az MGM koncentrációk összehasonlító mérését a kifejlesztett lézer gázelemzőkkel és szabványos módszerek alapján működő műszerekkel végeztük, amelyek jól egyeztették a kapott eredményeket;

Létrehoztak egy csatornát a vertikális ózoneloszlás (VOD) vizsgálatára a sztratoszférában (a 0, 0,5 m-es vételi tükör alapján). A CJIC létrehozta a csatornát, amely hosszú távon megbízható VOD-profilokat nyújtott Tomszk felett, megerősítve a műholdakkal és az ózonszonda adatai. Ez lehetővé tette klimatológiai vizsgálatok elvégzését és a sztratoszféra ózontrendjeinek értékelését, amelyek azt mutatták, hogy az alsó sztratoszférában 26 km alatti magasságban az ózonkoncentráció évközi változásaira tavasszal maximum, ősszel pedig minimum, és 26 km feletti magasság, a maximális eltolódás a nyárra, a minimum pedig a télre ... 26 km tengerszint feletti magasságban, amelynek területén a ciklus szünete található, az ózonoszféra két részre oszlik: alul viselkedését főként dinamikus folyamatok, felül pedig fotokémiai folyamatok határozzák meg. A VOD évenkénti változásainak részletesebb vizsgálata lehetővé teszi a következő pontok kiemelését: a) 14 km magasságban, ahol nyilvánvalóan a tropopauza magasságának ingadozása még mindig jelentős, lokalizált maximum nem figyelhető meg; b) a 18 km-ig terjedő tartományban a legnagyobb szezonális ingadozás februárban, a 20-26 km-es tartományban pedig márciusban fordul elő; A VOD-n belüli évenkénti változások és az éves TOC-eltérések közötti legnagyobb megfelelés a 20-24 km-es magasságtartományban figyelhető meg, különösen 22 km-es magasságban. c) minden magasságban a BPO trendek statisztikailag jelentéktelenek voltak. Sőt, az ózonoszféra alsó részén gyengén negatív értékek, a felső részen pedig gyengén pozitívak. A sztratoszférikus ózon lokalizációjának területén legfeljebb 20 km) a negatív trendek értéke kicsi (-0,32% évente). Ezek az eredmények összhangban vannak egy jelentéktelen statisztikailag jelentéktelen TO trenddel (0,01 + 0,026% évente) ugyanabban a hatéves időszakban.

Források felsorolása disszertáció és absztrakt a fizikából, fizikai és matematikai tudományok kandidátusa, Dolgij, Szergej Ivanovics, Tomszk

1. Kuznyecov IE, Troitskaya TM A légmedence védelme a káros anyagokkal való szennyeződéstől. - M.: Chemistry, 1979. - 340 p.

2. Bespamyatov GP, Bogushevskaya KK és mtsai. A káros anyagok maximális megengedett koncentrációja a levegőben és a vízben. Ed. 2. sáv és add hozzá. L.: Kémia, 1975–455.

3. Detry J. A légkörnek tisztának kell lennie. M., 1973. - 379 o.

4. Khrgian A. X. A légköri ózon fizikája. L.: Gidrometeoizdat, 1973.-292. O.

5. Bazhin N.M. Metán a légkörben. // Soros oktatási folyóirat, 2000. T. 6. No. 3.-С. 52-57.

6. Hinkley E.D., Melfi S.H. et al. A légkör lézeres monitorozása. - Berlin, Helidelberg, New-York: Springer-Verlag, 1976.-416 p.

7. Omenetto H. Analitikai lézerspektroszkópia. M., Mir 1982. 606 p.

8. Schotland R.M. A légköri gázok függőleges profiljának detektálása földi optikai radar segítségével. // Proc. 3. szimpózium a környezet távérzékeléséről, Michigan: Ann, Arbor, USA, 1964. P. 215-224.

9. Uchino O., Maeda M., Hirono M. - Az excimer lézerek alkalmazása a felső légkör lézerradar megfigyelésére // JEEE J. Qucnt Electr., 1979, V. QE 15, N 10, P. 10 S 4-1100.

10. Grant W.B., Hake R.D. SO2 és O3 távmérés differenciálabszorpciós technikával // J. Appl. Phys. -1975.V. 46, 5. sz. - P. 3019-3024.

11. P. Khmelnitskiy GS A légkörben lévő gázok finanszírozása egy hangolható CO2 lézer sugárzásának molekuláris abszorpciójával. Dis. Folypát. fiz-mat. tudományok. - Tomsk. 1979. - 241 s.

12. Middleton W. E. K., Spilhaus A. F., // Meteorological Instruments, Univ. Toronto Ptress, Toronto, 1953, p. 208.

13. Ku R. T., Hinkley E. D. és mtsai. A légköri szén-monoxid hosszú távú nyomon követése hangolható dióda lézerrel // Appl. Opt.-1975- V.14. No. 4, P. 854-861.

14. Hinkley E.D., Ku R.T., Nill K.W. et. al. Hosszútávú figyelés: fejlett műszerek hangolható dióda lézerrel // Appl. Opt.-1976- V.15. N 7. - P.1653-1655.

15. Samokhvalov IV, Sosnin A.B., Hmelnickij G.S. Néhány gáz koncentrációjának meghatározása a légkör vízszintes útvonalain hangolható CO2 lézerrel. // Journal of Applied Spectroscopy, 1980. V.32. Probléma 3.- S. 525-531.

16. Intézkedések R.M., Pilon G.A. A hangolható lézertechnikák vizsgálata az atmoszféra adott gáznemű alkotórészeinek távoli feltérképezéséhez, Opto-electronics 4, P. 141-153 (1972).

17. Byer R.L. Távoli levegőszennyezés mérése. // Optikai és Kvantumelektronika 1975. V. 7. P. 147-177.

18. Asai K., Igarashi T. Az ózon kimutatása differenciális abszorpcióval C02 lézerrel. // Opt. Quant. Electron., 7. P. 211-214 (1975).

19. Fredriksson K., Galle B., Nystrom K., Svanberg S. Lidar System Applied in Atmospheric Pollution Monitoring. // Appl. Opt. 18 P. 2998-3003 (1979).

20. Murray E. R., Hake R. D. és munkatársai, - Atmoszférikus vízgőz mérések 10 mikrométeres DIAL rendszerrel. // Appl. Phys. Lett. 28. P. 542-543 (1976).

21. Wetkam C. A hidrogén-klorid eloszlása \u200b\u200baz égető hajók szilvájában: Új mérőrendszerek, hulladékok kifejlesztése az óceánban. Vol. 3, Wiley. 1981.

22. Husson N., Chedin A., Scott N.A. et al. A GEISA spektroszkópos vonalparaméterek adatbankja. -Annales Geophysical. Fass. 2, Ser. A. (1986).

23. Rothman L. S., Gamache R. R., Goldman A. Et al. // Appl. Dönt. 1987 V.26. 19. sz. -P. 4058-4097.

24. Butkevich V.I., Privalov V.E. A lézerek precíziós analitikai mérésekben való felhasználásának jellemzői. // ZhPS, T. 49. No. 2. S. 183-201.

25. Philip L. Hanst. A légszennyezés mérése hosszú utat elnyelő spektroszkópiával. // Proc. Második gyakornok. Tiszta levegő kongresszus. Washington D. C., 1970. december 6–11., NY-London, 1971. P. 492-499.

26. Eugenio Zanzottera Differenciálabszorpciós lidar technikák a nyomokban lévő szennyező anyagok és a légkör fizikai paramétereinek meghatározásában. Analitikai kémia, 1990, V. 21, 4. szám, P. 279-319.

27. Grasyuk A.3., Letokhov B.C., Lobko B.B. Molekuláris IR lézerek rezonáns lézer szivattyúzással (áttekintés). // Quantum electronics, 1980. T. 7. No. 11.- S. 2261-2298.

28. Hinckley E. D., Neill C. V., Bloom F. A. Infravörös lézerspektroszkópia hangolható lézerek segítségével. / Atomok és molekulák lézerspektroszkópiája. -M.: Mir, 1979. S. 155-159.

29. Bertel I. M., Petukhov V. O., Trushin S. A., Churakov V.B. TEA COr-lézer hangolható a szekvencia 2. sávjának vibrációs-forgási vonalai mentén. // Preprint No. 262, Fizikai Intézet, BAN SSR, Minszk, 1982. -30 p.

30. Killinger D.K., Menyuk N., DeFeo W.E. A CO távérzékelése a kétszeres C02 lézersugárzás alkalmazásával // Apll. Phys. Lett. 1980. V. 36. P. 402-405.

31. Andreev Yu.M., Bochkov D.S., Voevodin V.G. et al. CO2-lézer második harmonikusának előállítása ZnGeP2 kristályokban. // A könyvben: Tr. VII. All-Union szimpózium a légkör lézeres és akusztikus hangzásáról. 1982. - S 306-309.

32. Andreev Yu.M., Vedernikova T.V., Betin A.A. et al. CO2 és CO lézersugárzás konvertálása ZnGeP2 kristályban 2,3-3,1 jx spektrális tartományba. // Sov. J. Quantum Electron., 15.-P. 1014-1015.

33. Andreev Yu.M., Geiko P.P., Zuev V.V. Az IR lézerek nagy hatásfokú átalakítása ZnGeP2 és CdGeAs2 segítségével. // Az American Physical Society értesítője. 1987. V. 32.-P.1632-1633.

34. Churnside J.H. Wilson J.J., Gribenicov A.I., Shubin S.F., Dolgii S.I., Andreev Y.M., Zuev V.V., CO2-lézer frekvenciaátalakítása ZnGeP2-vel. NOAA műszaki memorandum ERL WPL-224. Hullámterjesztő laboratórium, Boulder, Colorado, 1992. július, 18. o.

35. Andreev Yu. M., Geiko P.P. és mtsai. A koherens sugárzás ígéretes forrása a légkör lézergáz-elemzéséhez egy nemlineáris Tl3AsSe3 kristály alapján. // A légkör és az óceán optikája, 1988. T. 1. No. 1. P. 126129.

36. Wittemann W. CO2 lézer. Per. angolról Moszkva: Mir, 1990, 360 p.

37. Megie G. és mtsai. A sztratoszférikus ózon függőleges profiljai a földről hallható lidarral. // Nature 1977. V. 270. No. 5635. P. 349-351.

38. V. V. Zuev. A sztratoszférikus változások távoli optikai monitorozása. Tomsk: MGP "Rasko", 2000. - 140 p.

39. Bell F.G. Optp-akusztikus hullámok generálása. // Philos. Mag., 1881. V. 11. -P.510-513

40. Veingerov M.L. DAN SSSR, 1938, T. 19., 687. o.

41. Kerr E.L., Atwood J.G. A lézerrel megvilágított abszorpciós spektrofon: módszer a gyenge abszorpcióképesség mérésére lézer hullámhosszon. // Appl. Opt, 1968. V. 7. No. 5.-P. 915–921.

42. Ageev B.G., Kapitanov V.A. Ponomarev Yu.N. Optikai-akusztikus lézeres gázelemző készülékek. // Tudomány a termeléshez 2003. № 9. P. 30-31.

43. Dewey C. F., Opto-fcoustic-spektroszkópia. Optikai technika, 1974, V. 3, P. 483-488.

44. Goldan P., Goto K. Akusztikusan rezonáns rendszer az alacsony szintű infravörös abszorpció detektálására a légköri szennyezőkben. J. J. Appl. Phys., 1974. V. 45. No. 10. -P. 4350-4355.

45. Max E., Rosengren L.G. A rezonáns optoakusztikus gázkoncentráció detektor jellemzői. // Optics Communications, 1974. V.l 1. No. 4. P.422-426.

46. \u200b\u200bAntipov A.B, Kapitanov V.A., Ponomarev Yu.N., Sapozhnikova V.A. Optikai-akusztikus módszer a molekuláris gázok lézerspektroszkópiájában. -Novoszibirszk: Nauka, 1984.128. O.

47. Shumate M. S., Menzies R. T., Margolis J. S., Rozengren L. G. A széndioxid lézersugárzás vízgőzfelvételét. // Appl. Opt., 1976. V. 15. No. 10. -P. 2480-2488.

48. Sidorenko A.B., Sidorenko C.A. // A könyvben: A fosszilis üzemanyagok geológiájának és geokémiájának modern problémái. Moszkva: Nauka, 1973.

49. Sidorenko A.V., Sidorenko S.A., Tenyakov V.A. Ülő-metamorf folyamatok és a földkéreg "gázlégzése". // DAN, 1978. T. 238. No. 3-С.705-708.

50. Bartashevich OV, Zorkin JI.M., Zubaykin C.JI. Az olaj- és gázmezők kutatásának közvetlen geokémiai módszereinek alkalmazásának alapelvei és eredményei. Autokémiai módszerek az érclelőhelyek kutatására. Essentuki, 1976 - S. 41–47.

51. Biryulin V.P., Golubev O.A., Mironov V.D., Popov A.I. A gáz és olaj lerakódások geokémiai kutatása a metán távoli lézerspektrometriás módszerével a felszíni levegőben. // Olaj és gáz geológiája, 1979. 4.-P. 27-31.

52. Kolobashkin V.M., Popov A.I. A lézerabszorpciós módszer új lehetőségei. // Nature, 1981. №7. S.50-57.

53. Mironov V.D., Popov A.I., Sadchikhin A.V. // ZhPS, T. 33. szám. 4. 1980. -S. 742-744.

54. Dolgiy S.I., Ippolitov I.I., Khmelnitsky G.S., Shubin S.F. Lézeres rezonáns optikai-akusztikus gázelemző készülék a kis légköri szennyeződések ellenőrzésére. // L.: Hangszerkészítés 1982, T. XXV. No. 12 S. 71-74.

55. Antipov A.B., Antipov B.A., Sapozhnikova V.A. Egyes szénhidrogének abszorpciós együtthatói a lézertermelő tartományban, A \u003d 3,39 μm. // Izvestiya VUZov, fizika. 1974. No. 2. S. 157-158.

56. Makushkin Yu.S., Micel A.A., Khmelnitsky G.S. A légköri gázok lézeres abszorpciós diagnosztikája. // ZhPS, 1981. T. 35. Issue. 5.S 785-791.

57. Andrejev Yu.M., Zuev V.V., Romanovsky O.A. Automatizált rendszer az optimális hullámhosszak megtalálására a gázelemzéshez differenciál abszorpcióval. M: VINITI, 1988. No. 4059-B88 62 S.

58. Kémiai enciklopédia. M.: Szovjet enciklopédia, 1988., 1.1. C.476-477

59. Méri az R. M. Lidar egyenletelemzést, amely lehetővé teszi a lézeres impulzus időtartamának és a detektor integrációs periódusának célját. // Appl. Opt. 16 1092, 1977.

60. Krekov G.M., Rakhimov R.F. A kontinentális aeroszol optikai elhelyezkedési modellje. Novoszibirszk: Science 1982.-196 p.

61. A. I. Karapuzikov, I. V. Ptashnik. és mások, Egy hangolható TEA CO2 lézer sugárzásán alapuló helikopter-lidár használatának lehetőségei a metánszivárgások észlelésére. // A légkör és az óceán optikája, 1999. V. 12. No. 4.-P. 364-371.

62. Rothe K.W., Walther N., Werner J. Differenciálabszorpciós mérések rögzített frekvenciájú IR és UV lézerekkel // Optikai és lézeres távérzékelés. Gyilkos

63. D. K. és Mooradian A., szerk., Springer-Verlag, Berlin, 1983.

64. Murray E.R. A gázok távmérése diszkréten hangolható infravörös lézerekkel. // Opt. Eng. 16., 1977. 284.

65. Prokhorov A.M., Bunkin F.M., Gochelashvili KS, Shishov V.I. Lézersugárzás terjedése véletlenszerű inhomogén közegben. // UFN, 1974.- S. 415-456.

66. Gurvich A.S., Kon A.I. et al. Lézersugárzás turbulens légkörben. Moszkva: Nauka, 1976. - S. 279.

67. Sedin V.Ya., Hmelelevcov S.S. A fókuszált fénysugarak kibővítése turbulens légkörben. // Izv. Egyetemek. Ser. Fizika, 1972., 3. sz. -S.91-96.

68. Selby J.E.A. és McClatchey R.A. Légköri áteresztőképesség 0,25 és 28,5 óra között: LOWTRAN 2. számítógépes kód // Tech. Rep, AFCRL-TR-72-0745, 1972.

69. Zuev V. E. Látható és infravörös hullámok terjedése a légkörben. -M.: Sov. Rádió, 1970. - 496 p.

70. McClatchey R.A., Benedict W.S., Clough S.A. et al. / AFCRL Légköri abszorpciós vonal paramétereinek összeállítása. // Tech. Rep, AFCRL-TR-73-0096, ERP, 434. szám, 1973.

71. Rothman L.S., Gamache R.R., Goldman F. és mtsai. A HITRAN adatbázis: 1986-os kiadás. // Appl. Dönt. 1987. V. 26. No. 19. P. 4058-4097.

72. Bondarenko S.L., Dolgiy S.I., Zuev V.V., Kataev M.Yu., Mitsel A.A., Pelymsky O.A., Ptashnik I.V. és mtsai. A légkör felszíni rétegének többkomponensű lézeres elemzése. // A légkör és az óceán optikája, 1992. T. 2. No. 6.-P.611-634.

73. Dolgiy S.I., Kudinova L.P., Mitsel A.A., Khmelnitsky G.S., Shubin S.F. Rendszer a gázok koncentrációjának meghatározására CO2-ben hangolható lézerrel. / Rendszerek atmoszférikus optikával végzett kísérletek automatizálásához. - Tomsk, 1980. - S. 67-78.

74. Zharov V.P., Letokhov B.C. Lézeres optikai-akusztikus spektroszkópia. -M. Science, 1984.-320 p.

75. Andrejev Yu.M., Voevodin V.G., Gribenyukov A.I. és mtsai. Nyomkövető gázelemző készülék hangolható CO2 lézer alapján, frekvencia duplázóval. // ZhPS 1987. T. 47. No. 1. - P. 15-20.

76. Dolgiy SI, Khmelnitsky G.S., Shubin SF. Távoli gázelemzés a légkörben diszkréten hangolható CO2 lézerrel. Eljárások: Lézeres abszorpciós módszerek a gázok mikrokoncentrációinak elemzésére. - M.: Energoatomizdat, 1984. - S. 121-130.

77. Tikhonov A.N., Arsenin V.Ya. Módszerek a rosszul felvetett problémák megoldására. Moszkva: Nauka, 1974, 351 p.

78. Dolgiy S.I., | Zuev V.V., Smirnov S.V., Shubin S.F. IR lézeres gázelemző készülékek a "TRAL-3" és a "TRAL-ZM" differenciálabszorpcióhoz. // Atmospheric Optics, 1991. T. 4. No. 5. - P. 515-521.

79. Kémia. Útmutató. Per. vele. JI.: Kémia. 1975. - 575 o.

80. Dolgiy S.I., Ippolitov I.I., Khmelnitsky G.S., Shubin S.F. A lézersugárzás csillapításának vizsgálata Moszkva olimpiai légkörében. / A lézersugárzás légkörben történő terjedéséről szóló VII. All-Union Symposium kivonatai. Tomsk 1981.- P.62-65.

81. Elnikov A.B., Zuev V.B., Bondarenko S.L. A sztratoszférikus ózonprofilok rekonstrukciója a lidar hangzású adatokból // A légkör és az óceán optikája. 2000. T. 13. No. 12 S. 1112-1118.

82. Claude H., Sconenborn F., Streinbrecht W., Vandersee W. DIAL ózonmérések a Met. Obs. Hohenpei | 3enberg: Klimatológia és trendek. // Proc. 17. ILRC Abst. papírok, Sendai, Japán. 1994. P. 413-415 Sendai, Japán. L994. P.

83. McDermit Optikai rendszerek tervezése sztratoszférikus lidar rendszerhez // Appl. Dönt. 1995 V34. N. 27 P. 6201-6210.

84. Godin S., David C., Lakoste A.M. Szisztematikus ózon- és aeroszol lidar mérések OHP-n (ÉSZ 44 °, 6 ° K) és Dumont // Abstr. A 17. ILRC írásaiból. Sendai, Japán. P. 409-412. 1994.

85. Stefanutti L., Castagnoli F., DelGuasta M. et al. Négy hullámhosszú depolarizáció visszaszóró LIDAR az IISC monitorozásához // Appl. Phys. 1992, V. B55. P.13-17.

86. Tikhomirov A.A. Hardveres módszerek osztályozása a lidar jelek dinamikus tartományának tömörítésére és azok értékelési szempontjai // Tez. VII. Jelentés az egész unióról. Tökfilkó. By laz. És akusztikus. Szonda. Légkör. -Tomszk: TF SO AN SSSR, 1982.- S 173-176.

87. Pravdin B.JL, Zuev V.V., Nevzorov A.V. A PMT erősítés elektronikus vezérlése a nagy dinamikatartományú lidar jelek regisztrációja során a fotonszámlálási módban // A légkör és az óceán optikája, 1996. V. 9. No. 12 P. 1612-1614.

88. Zuev V.V., Elnikov A.V., Burlakov V.D. A középső légkör lézeres hangzása. / A Corr általános szerkesztősége alatt. RAS V.V. Zueva Tomsk: RASKO, 2002.-352 p.

89. Flee J. A., Morris J. R., Feit M. D. // Appl. Phys. 1976. V.10.sz. 1.-P.129-139

90. Astafurov V.G., Micel A.A. A lidar jel feldolgozásának jellemzői a légköri gázszennyeződések mérésekor. // Autometria. 1984. 1.-C. sz. 92-97.

91. Marichev V.N., Zuev V.V., Khryapov P.A., Dolgiy S.I., Nevzorov A.V. Lidar megfigyelések a sztratoszférikus ózon vertikális eloszlásáról Tomszk felett 1998 nyarán // Atmospheric Optics, 1999. V. 12. 5. sz., - 428-433.

92. Elnikov AV, Zuev VV és mtsai. Nyugat-Szibéria feletti sztratoszférikus ózon lidar megfigyelésének első eredményei. // Légköri optika, 1989. V.2. No. 9. S. 995-996.

93. Dolgiy S.I., Zuev V.V., Marichev V.N., Sharabarin E.V. Kísérlet eredményei az ózon és a hőmérséklet lidar érzékelésével a troposzférában és a sztratoszférában. // Légköri optika, 1996. T. 9. No. 8- P. 11231126,.

94. Hosszú SI ,. Zuev V.V., Marichev V.N., Kataev M.Yu., Nevzorov A.V. A DP-lidar funkcionális képességeinek bővítése. A könyvben: A IV Szimpózium kivonatai // A légkör és az óceán optikája, 1997, 210. o.

95. Zuev V.V., Kataev M.Yu., Mitsel A.A. A sztratoszférikus ózon adatok feldolgozása két hullámú UV-DP lidarral: SOUND számítógépes kód. // Izvestiya vuzov Physics, №11 per. 2672-B94 sz. 25-es évek.

96. Bondaernko C.JI. A sztratoszférikus ózonréteg jellemzőinek rekonstrukciója kísérleti adatok alapján. Ph.D. értekezés - Tomsk, 2002. - 136 p.

97. Nakane N., Sugimoto N., Hayashida S., Sagano Ya., Matsui I. A sztratoszférikus ózon függőleges profiljainak ötéves lidáris megfigyelése NIES-ben, Tsukuba (36 ° É, 140 ° K) // Proc 17- th ILRC Sendai, Japán. 1994.-P.416-419.

98. Krueger A.J., Minzner R.A. Közepes szélességű ózonmodell az 1976-os amerikai szabványos légkörhöz. // Geophys. Res. 1976. V. 81. No. 24. P. 4477-4487.108. http: //www-sage2.larc.nasa.gov/introdaction.

99. Dolgiy S.I., Zuev V.B., Bazhenov O.E. A sztratoszférikus ózon klimatológiája és trendjei Tomszk felett. // A légkör és az óceán optikája, 2004. Vol.17.№4.-С. 312-316.

100. Zuev V.V., Dolgii S.I., Bondarenko S.L., Bondarenko M.A. A szibériai Lidar állomáson kapott vertikális ózoneloszlás profiljának összehasonlítása a műholdas adatokkal. // A SPIE folyamata. 2004, V. 5743. P. 498-501.

101. Zuev V.V., Dolgii S.I., Nevzorov A.V. A sztratoszférikus ózon klimatológiája és trendje Tomszk felett az 1996-2003 közötti időszakban. // A 22. Nemzetközi Lézerradar Konferencia kivonatai. Matera, Olaszország. P. 585-589.

102. Zuev V.V., Dolgii S.I., Nevzorov A.V. DIAL-mérések a sztratoszférikus ózon felett Tomszk felett az 1996-2003-as időszakra (klimatológia és trendek)., // In: Abstracts of ICOT 2004 Beijing, China., 2004. P 12.

103. Dolgiy S.I. A szennyezés átfogó tanulmányainak eredményei az olaj- és gázmezők területén. // Az I. interregionális találkozó "A szibériai folyók és az Északi-sarkvidék ártereinek ökológiája" anyagai / alatt. szerk. Zueva V.V., Novoszibirszk: Az SB RAS kiadója, 1999, 171-176.

104. Zuev V.V., Zuev V.E., Burlakov V.D., Dolgiy S.I., Elnikov A.V., Nevzorov A.V. A sztratoszférikus aeroszol és az ózon klimatológiája hosszú távú megfigyelések szerint a szibériai lidári állomáson. // A légkör és az óceán optikája, 2003. T16. No. 8. P.719-724.

105. VD Burlakov, SI Dolgiy, AV Nevzorov. A szibériai lidar állomás mérőkomplexumának modernizálása // A légkör és az óceán optikája, 2004. 17. évf. 10. sz. P.857-864.

106. V. V. Zuev, S. I. Dolgiy. A sztratoszférikus ózon klimatológiája és trendjei Tomszk felett. // A „Szibéria, a Távol-Kelet és az Északi-sarkvidék környezete és ökológiája (EESFEA-2003) II. Nemzetközi Konferencia anyagai (EESFEA-2003) Tomsk, 2003. T. 1.-P. 74.

107. Shvartsev SL., Savichev O. G. A folyó vizeinek komplex ökológiai és geokémiai vizsgálata. Selyemöv. // A "Szibériai folyók és az Északi-sarkvidék ökológiája" című I. interregionális találkozó anyagai. Tomsk, 1999. - S. 110-115.

108. Belitskaya E.A., Guznyaeva M.Yu. és egyéb szerves szennyeződések a középső Ob vizein. // A "Szibériai folyók és az Északi-sarkvidék ökológiája" című I. interregionális találkozó anyagai. Tomsk, 1999. - S. 122-129.

A rendkívül érzékeny lézeres gázelemző készüléket a levegőmintákban található szennyezőgáz-tartalom elemzésére tervezték. A gázelemző fő elemei: egy hullámvezető CO 2 lézer, egy rezonáns optikai-akusztikus cella és egy számítógép, amelynek könyvtára 37 gáz abszorpciós vonaláról tartalmaz információt. Bemutatjuk a kifejlesztett gázelemző készülék gázérzékelési határait. Az ammónia kimutatási határa 15% -os hibával 0,015 ppb.

A nagy területeken található nagyszámú szennyező anyag levegőben lévő tartalmának folyamatos, ésszerű pénzeszköz- és munkaköltség mellett történő monitorozásának szükségessége azt a feladatot jelenti, hogy a környezeti megfigyelési szolgáltatást olyan gázelemző készülékekkel szereljék fel, amelyek megfelelnek az alábbi követelményeknek: küszöbérték a vizsgált anyagok maximálisan megengedett koncentrációjának szintjén; 2) magas szelektivitás az idegen anyagokkal szemben; 3) többkomponensű elemzés; 4) nagy sebesség (rövid mérési ciklus idő, ha egy mintát veszünk), amely lehetőséget nyújt a mozgásban való munkavégzésre és viszonylag gyors reagálást adott koncentrációszint túllépésére; 5) folyamatos mérések 2-4 órán át a szennyezett terület méretének meghatározása érdekében.

A gázok kimutatására szolgáló meglévő módszerek feltételesen feloszthatók hagyományos (nem spektroszkópiai) és optikai (spektroszkópiai) módszerekre. A cikk felsorolja a fő hagyományos módszerek előnyeit és hátrányait abból a szempontból, hogy miként alkalmazzák őket a levegőben lévő komplex összetételű gázszennyezések elemzésére.

A spektroszkópiai módszerek, amelyek gyors fejlődését a lézerek egyedi jellemzői határozzák meg, lehetővé teszik a hagyományos eszközök fő hátrányainak kiküszöbölését, és biztosítják a szükséges sebességet, érzékenységet, szelektivitást és az elemzés folyamatosságát. A legtöbb esetben a légszennyezés spektroszkópiás módszerekkel történő kimutatására a középső IR spektrális régiót alkalmazzák, ahol a molekulák elsöprő többségének fő rezgéssávjai koncentrálódnak. A látható és az UV régió kevésbé informatív ebben a tekintetben.

Az IR lézeres gázelemző készülékek családjában különleges helyet foglalnak el a CO 2 lézerekkel ellátott készülékek. Ezek a lézerek tartósak, megbízhatóak és könnyen használhatók, és több mint 100 gázt képesek detektálni.

A fenti követelményeknek megfelelő gázelemző készüléket (prototípus) az alábbiakban ismertetjük. Sugárforrásként hullámvezető CO 2 lézert használnak, és a rezonáns optoakusztikus sejt (ROA) érzékeny elem. Az optikai-akusztikus módszer a gázban gerjesztett hanghullám regisztrálásán alapul, amikor az amplitúdóval modulált lézersugárzás elnyeli az ROA-t. A fajlagos elnyelt energiával arányos hangnyomást a mikrofon rögzíti. A gázelemző készülék blokkdiagramját az 1. ábra mutatja. 3.1. A CO 2 lézer modulált sugárzása eléri a hullámhosszú hangoló egységet. Ez az egység egy diffrakciós rács, amely lehetővé teszi, hogy a sugárzás hullámhosszát a 9,22-10,76 mikron tartományba állítsa és 84 lézervonalat kapjon. Ezenkívül a sugárzás a tükrök rendszerén keresztül a ROA érzékeny térfogatába irányul, ahol rögzítik azokat a gázokat, amelyek elnyelik a belépő sugárzást. Az elnyelt sugárzási energia növeli a gáz hőmérsékletét. A sejttengelyen felszabaduló hő főként konvekcióval kerül át a sejtfalakra. A modulált sugárzás ennek megfelelően megváltoztatja a gáz hőmérsékletét és nyomását. A nyomásváltozást a kapacitív mikrofon membránja érzékeli, amely egy periodikus elektromos jel megjelenéséhez vezet, amelynek frekvenciája megegyezik a sugárzás modulációs frekvenciájával.

3.1. Ábra Gázelemző blokkdiagramja

A 3., 2. ábra az r.o.a.a. belső üregének vázlatát mutatja. Három hengeres aktív térfogat alkotja: szimmetrikusan elhelyezkedő 20 mm átmérőjű 1. és 2. kötet és 10 mm átmérőjű belső 3 térfogat. A 4 beömlő és az 5 kimeneti ablakok BaF 2 anyagból készülnek. A mikrofon a cella aljára van telepítve, és az aktív hangerőhöz 24 mm átmérőjű 6 lyuk csatlakozik.

3.2. Ábra A rezonáns optikai-akusztikus cella belső ürege. 1, 2 - külső kötetek, 3 - belső térfogat. 4, 5 - bemeneti és kimeneti ablakok, 6 - mikrofon lyuk

Optikai rezonancia ", amelyet normál körülmények között a lézersugárzás gáz általi abszorpciója okoz, 3,4 kHz modulációs frekvencián keletkezik, és a háttérjel a sugárzás ROA ablaktáblák általi abszorpciója miatt 3,0 kHz frekvencián maximális. tényező mindkét esetben\u003e 20. Az ROA ezen kialakítása nagyfokú érzékenységet biztosít a gázanalizátor számára, és lehetővé teszi a háttérjel hozzájárulását egy frekvencia- és fázisszelektív erősítő használatával. érzéketlen a külső akusztikus zajra: az elektromos jelet a koncentráció mérésekor a képlet határozza meg

ahol K a cellaállandó, a lézersugárzás teljesítménye, b a gáz sugárzás abszorpciós együtthatója és C a gázkoncentráció.

A mérések előtt a gázelemző készüléket ismert koncentrációjú kalibráló gáz (CO2) segítségével kalibrálják.

Az amplitúdót az Advantech számítógéphez kapott ADC kártyával mértük. Ugyanezt a számítógépet használják a hullámhossz beállító egység vezérléséhez és a mért gázkoncentrációk kiszámításához.

A kidolgozott információfeldolgozó program célja a gázkeverék kvalitatív és kvantitatív elemzése a CO 2 lézer lézersugárzásának abszorpciós spektruma alapján. A program kezdeti információja az elemzett gázelegy mért abszorpciós spektruma. Az nitrogén abszorpciós spektrumának példája optikai vastagság egységekben ábrázolva a 3.3a. Ábrán látható, a 3.3b. Ábra pedig egy kis ammónia hozzáadásával felvett abszorpciós spektrumra mutat példát.

3.3. Ábra Abszorpciós spektrumok: a - nitrogén normál légköri nyomáson, b - nitrogén-ammónia keverék.

Optikai vastagság, ahol

Cm -1 atm -1 - a j-edik gáz abszorpciós együtthatója az i-edik lézervonalon, С i, atm - a j-edik gáz koncentrációja, i

A lehetséges komponensek könyvtára tartalmazza az abszorpciós együtthatók értékeit, és egy dimenziómátrix (N x m). A könyvtárban bemutatott gázok száma m \u003d 37, az elemzett lézervonalak maximális száma N - 84 (21 vonal a CO 2 lézer minden ágában).

A keverékben lévő gázok abszorpciós vonalainak átfedésével képződött gázkeverék spektrumának elemzése során a program kiválasztja a könyvtárból azokat az összetevőket, amelyek lehetővé teszik a keverék spektrumának legjobb leírását. A legjobb komponenskészlet keresésének egyik fő kritériuma a kísérleti és az abszorpciós spektrum között az iterációk eredményeként kapott gyökér-négyzet eltérés értéke:

Az inverz probléma megoldásának algoritmusát - koncentrációk keresését az ismert abszorpciós spektrumból - Gauss-eliminációs módszer és Tikhonov-szabályozási módszer segítségével állítottuk össze, és a megvalósításának fő nehézségei a megoldás stabilitásának becsléséhez kapcsolódnak (a az abszorpciós együttható mátrix elemeit, valamint a szabad kifejezéseket csak hozzávetőlegesen ismerjük), kiválasztva a törvényesítési paramétert és megtalálva az iterációs folyamat befejezésének kritériumait.

A táblázat a gázelemző által leírt egyes gázok kimutatási határértékeire vonatkozó számított információkat tartalmazza:

	Detektálási határ, ppb		Detektálási határ, ppb
Acrolein		Monometil-hidrazin

		Perklór-etilén
t-butanol		Propanol
Vinil-klorid
Kén hexafluorid		Triklór-etilén
Hexaklór-butadién
Hidrazin
Dimetil-hidrazin
1,1-difluor-etilén
Izopropán

Metil-kloroform		Etil-acetát
Metil-etil-keton

A gázelemző fő működési jellemzői: az egyidejűleg mért gázok száma - akár 6; mérési idő 2 perc; kimutatási határ szén-dioxid 0,3 ppm: kimutatási határ ammónia 0,015 ppb: mérési tartomány szén-dioxid 1 ppm -10%; ammónia mérési tartománya: 0,05 ppb-5 ppm; mérési hiba 15%; tápfeszültség 220V ± 10%. [egy]

A Yokogawa TDLS200 lézer gázelemző diódás lézerabszorpciós spektroszkópián alapul.

Ezt az eszközt nagy szelektivitás és hosszú távú stabilitás jellemzi, gyors korróziós komponensekkel vagy magas hőmérsékletű gázok in-situ (közvetlenül a csőben történő) elemzését biztosítja. Mi az eszköz működési elve, és hol találja meg az alkalmazását?

A lézeres gázelemző hangolható diódás lézerabszorpciós spektroszkópiát (TDLAS) használ, és képes arra, hogy a mintagáz koncentrációját nagy szelektivitással és közvetlen érintkezés nélkül mérje - csak úgy, hogy a mintagázt egy hangolható lézerdióda sugárzással besugározza. Ily módon gyors és pontos helyszíni mérések végezhetők a folyamatban lévő füstcsövekben, különböző körülmények között. Például a méréseket 1500 ° C-ig, valamint pulzáló nyomású környezetekben is el lehet végezni. A Yokogawa TDLS200 lézeres gázelemző készülék korrozív vagy mérgező gázok jelenlétében is képes mérni. Az analizátor pontos analitikai jeleket szolgáltat, gyors válaszidőkkel, hogy maximalizálja a termékhozamot, az energiahatékonyságot és a biztonságot a különféle gyártási folyamatokban. A tervezés egyszerűsége (nincsenek mozgó alkatrészek és nincs korlátozott élettartamú alkatrész) biztosítja a működést és az üzemeltetést kevés karbantartással vagy anélkül.

A Yokogawa TDLS200 lézer gázelemző egy új típusú lézeres gázelemző, amelyet ipari mérésekhez használnak. A csúcsterületi integrációs módszer alkalmazása kiküszöböli a nyomásváltozások és a mintában lévő egyéb gázok jelenléte által okozott mérési hibákat. Ez lehetővé teszi a gázkomponensek koncentrációjának pontos meghatározását, még hőmérsékletének és egyéb mutatóinak megváltoztatása mellett is. Ez a cikk áttekintést nyújt a TDLS200 lézer gázelemző készülékről, annak funkcióiról és mérési elvéről, valamint felhasználási példákat is áttekint.

A gázanalizátornak van egy sugárzási egysége és egy detektáló egysége, amelyek általában egymással szemben helyezkednek el a gázcsatorna ellentétes oldalán (keresztben), amelyen keresztül a folyamatgáz áramlik. Hasonló opciót alkalmaznak akár 20 m széles gázcsatornákhoz is.

Az optikai ablakok elválasztják az analizátor belsejét a mért közegtől. A félvezető lézersugárzás áthalad a sugárzási egység optikai ablakán, a mért gázon, az érzékelő egység optikai ablakán és eljut a fotodetektorig. A fotódetektor regisztrálja a lézersugarat, és energiáját elektromos jellé alakítja. A sugárzási egység számítóeszköze meghatározza a mért komponens abszorpciós spektrumát, kiszámítja a spektrum csúcsterületét, átalakítja az összetevő koncentrációjává és 4 ... 20 mA analóg jelként adja ki.

A beállító mechanizmus hullámos kialakítású, amely megkönnyíti az optikai tengely szögének beállítását, miközben fenntartja a csővezeték szorosságát, ami különösen fontos az ipari folyamatok számára. A sugárzási egység és az érzékelő egység optikai tengelybeállító eszközzel történő összekapcsolása nemcsak az alapkonfiguráció szempontjából egyszerűbbé teszi az optikai tengely beállítását (két egységet helyeznek el a cső mindkét oldalán, amint az 1. ábrán látható), hanem egyéb telepítési lehetőségekért. Ez a technikai megoldás lehetővé teszi, hogy kiválassza az eszköz telepítési módját, amely a legjobban megfelel a folyamat mért alkatrészeinek és technológiai kialakításának, és ugyanakkor garantálja az optimális mérési feltételeket.

A TDLS200 dióda lézerabszorpciós spektroszkópiát (TDLAS) használ. A módszer a sugárzás abszorpciós spektrumának (infravörös / közeli infravörös régió) mérésén alapul, amely az anyag molekuláiban rejlik a mért komponensben lévő molekulák átmenetének vibrációs és forgási energiája miatt. A spektrum kialakulásának sugárforrása egy félvezető lézer, amelynek szélessége rendkívül keskeny. Az olyan bázikus molekulák, mint az O2, NH3, H2O, CO és CO2 optikai abszorpciós spektruma az infravöröstől a közeli infravörösig terjed. Az elnyelt sugárzás mennyiségének mérése egy adott hullámhosszon (spektrális abszorpciós kapacitás) lehetővé teszi a mért komponens koncentrációjának kiszámítását.

A hagyományos kis felbontású spektrométerektől eltérően a TDLS200 rendkívül keskeny spektrumvonal-szélességű lézersugarat használ. Az emitter egy hangolható lézerdióda, amelynek sugárzási hullámhossza a lézer hőmérsékletének és gerjesztési áramának beállításával változtatható. Ez lehetővé teszi egyetlen abszorpciós csúcs mérését a spektrum több részéből. Így, amint azt a 6. ábra mutatja, egy abszorpciós csúcs választható ki a méréshez, amely nincs kitéve más gázok interferenciájának.

Nagy hullámhosszúságú szelektivitása és a gázkeverék egyéb komponenseinek interferenciájának hiánya miatt nincs szükség további minta-előkészítésre, amely lehetővé teszi a TDLS200 „in situ” (közvetlenül a folyamatban) alkalmazását.

A TDLS200 egy gázkeverék-komponens izolált abszorpciós spektrumát méri, mentes a zavaró komponensek interferenciájától. A mérést úgy végezzük, hogy a hangolható lézerdióda hullámhosszát a mért komponens egyetlen abszorpciós csúcsa mentén söpörjük át.

Bár a TDLS200 által mért abszorpciós spektrum izolálva van a zavaró komponensektől, a spektrum alakja megváltozhat (tágulási hatás) a gáz hőmérsékletétől, a gáz nyomásától és a gázkeverékben jelenlévő egyéb komponensektől függően. A mérések elvégzéséhez ilyen körülmények között kompenzációra van szükség.

A TDLS200 gázanalizátor a félvezető lézersugárzás hullámhosszát végigsöpri a mért komponens abszorpciós vonala mentén, és a csúcsterület integrálásával kiszámítja annak koncentrációját az abszorpciós spektrális régióból.

A Yokogawa TDLS200 gázelemző készülék a gyors in situ mérés miatt (közvetlenül a csővezetékben) sikeresen alkalmazható a meglévő műszaki folyamatokban, mind nagysebességű szabályozásukhoz, amikor a folyamatszabályozáshoz szükséges jelek tartalmazzák az alkatrész leolvasásait koncentrációkat közvetlenül a DCS-be táplálják, és a valós idejű folyamatállapot-kezeléshez. Ily módon a TDLS200 segíthet optimalizálni a különféle ipari folyamatok teljesítményét. Ebben a részben a füstgáz maradék NH3 koncentrációjának mérését vizsgáljuk. Vegye figyelembe, hogy a TDLS200 használatát az égés optimalizálására Yokogawa egy másik cikkében (3) írta le. A részleteket lásd ebben a jelentésben.

Az ammóniát (NH3) a füstgázba fecskendezik az NOx eltávolítására (nitrogén-oxid eltávolítása a füstgázból), javul a porgyűjtők hatékonysága és megakadályozzák a korróziót. A túlzott NH3 megnöveli a működési költségeket és a maradék NH3-t, ami rothadt szagot eredményez. Ezért a füstgázban lévő NH3 mennyiségét meg kell mérni, ellenőrizni és ellenőrizni kell. Például egy égőkemence kipufogógázának nitrogén-oxidokból történő tisztítására szolgáló berendezésben a DeNOx ACR (szelektív katalitikus redukció) eljárást alkalmazzák, amelyben az NOx-ot N2-re és H2O-ra redukálják NH3 injektálás és a redukciós folyamat szelektív katalízise segítségével. , és a füstgáz maradék NH3-koncentrációját (ppm nagyságrendű) valós időben mérjük.

A hagyományos NH3 mérőeszközök közvetett NOx mérési módszerekkel (kemilumineszcencia és ion-elektróda módszer) hosszú válaszidővel rendelkeznek, az NH3 tapadásának elkerülése érdekében fűtött csöveket tartalmazó mintavételi vezetékre van szükség, és ennek következtében magas karbantartási költségekkel járnak az ilyen összetett mérőrendszerek. Másrészt, amint az a 8. ábrán látható, a TDLS200 lézer gázelemzőt közvetlenül a folyamatvezetékbe telepítik, és közvetlenül méri az NH3-at, ami jelentősen lerövidíti a reakcióidőt és egyszerűbbé teszi a karbantartást. Ezenkívül az NH3-koncentráció gyors reakció-analitikai jele felhasználható az NH3-injekció szabályozására és optimalizálására.

Az alkalmazott méréstechnika és az analizátor kialakítása révén elért magas szelektivitás, rövid válaszidő, könnyű karbantartás lehetőséget nyújt a technológiai folyamatok széles körében történő felhasználására. Az alkalmazások nemcsak a jelen cikkben tárgyalt NH3 mérését tartalmazzák, hanem a CO és O2 meghatározását az égés optimalizálásában, kis mennyiségű víz mérését az elektrolízis üzemekben stb. Az ilyen gázelemzők használata jelentősen hozzájárulhat a a környezet megóvása és az üzemeltetési költségek csökkentése, köszönhetően annak folyamatellenőrzésre, és nem csak monitoring célokra.

Kazuto Tamura,

Yukihiko Takamatsu,

Tomoyaki Nanko,

Alaplapi csatlakozók Ventilátor 4 tűs és 3 tűs csatlakozó

Ingyenes szoftver minták építéséhez

Melyik filmoszkópot vagy diavetítőt válassza?

Ebben az információs üzenetben minden rendben van, Alekszandr Boriszovics Evszejev