Penganalisis gas laser "LGAU-02" dirancang untuk mengukur konsentrasi gas hidrokarbon di udara yang dipompa melalui sel gas perangkat. Penganalisis gas dapat digunakan secara otonom dan sebagai bagian dari laboratorium mobil dan udara bergerak. Kompleks tersebut meliputi:
- penganalisis gas laser "LGAU-02";
- unit remote control dengan sumber sinyal suara;
- tambahan: komputer pribadi dengan perangkat lunak yang diinstal.
Angka: satu
Diagram organisasi laboratorium otomotif untuk menemukan kebocoran dari pipa gas bawah tanah disajikan pada Gambar. 1 Di laboratorium udara, Anda dapat melakukannya tanpa stimulator aliran, memberikan asupan udara yang efektif melalui tekanan udara tempel, dan di troli tangan, Anda dapat menggunakan sampler eksternal sebagai pengganti sampler permukaan.
Keuntungan dari penganalisis gas LGAU-02 dimanifestasikan saat memecahkan masalah:
- mendeteksi kebocoran dari jaringan pipa gas bawah tanah jaringan gas kota, serta dari jaringan pipa utama dan distribusi menggunakan laboratorium otomatis yang melakukan pengukuran saat dalam perjalanan;
- mendeteksi kebocoran dari jaringan pipa bawah tanah, permukaan, dan udara menggunakan troli tangan yang melakukan pengukuran saat dalam perjalanan;
- deteksi kebocoran dari pipa gas utama menggunakan laboratorium udara;
- mengukur variasi latar belakang metana (hidrokarbon) di area yang luas (survei hidrokarbon) menggunakan laboratorium udara untuk mencari endapan minyak dan gas serta pengendalian lingkungan atmosfer.
Angka: 2
- Perangkat lunak ini memungkinkan Anda untuk mengelola arsip. Log peristiwa juga disimpan.
Fungsi kompleks
- Penganalisis gas dibuat dalam bentuk unit pengukur optoelektronik dalam wadah IP54 tahan debu dan percikan dan dilengkapi dengan panel kendali jarak jauh yang dilengkapi dengan indikator analog, tombol pengaturan nol tunggal, serta suara dan cahaya dua tahap. sinyal peningkatan konsentrasi dengan ambang respons yang dapat disesuaikan. Kemudahan pemasangan dan pemeliharaan perangkat, keandalan tinggi, ukuran kecil, dan konsumsi daya memungkinkannya digunakan secara mandiri, di gerobak tangan, mobil, dan di hampir semua kapal induk, termasuk pesawat layang gantung dan pesawat mini. Penganalisis gas dapat bekerja sepenuhnya secara otonom, dan sebagai pengganti remote control, perangkat pengukur tegangan DC dari 0 hingga 5 V dapat dihubungkan. Dokumentasi data pengukuran dan pembuatan plot secara real time dapat dilakukan pada komputer pribadi biasa dengan RS 232C antarmuka, termasuk yang portabel. Ketika terhubung ke sistem navigasi satelit komputer penganalisis gas, adalah mungkin untuk memetakan bidang kontaminasi gas. Generator laju aliran dapat dihubungkan melalui tombol khusus untuk mengalihkan tegangan suplai di panel depan perangkat.
Pengalaman pengoperasian
- Pengalaman pengoperasian. Sejak 1998, Industri Gas Kota Lengaz St. Petersburg dan sejak 2004 Perusahaan Kesatuan Negara Moskow Mosgaz telah mengoperasikan laboratorium mobil untuk mencari kebocoran gas alam dari jaringan pipa gas bawah tanah perkotaan berdasarkan LGAU-02. Prototipe perangkat digunakan sebagai bagian dari laboratorium udara selama survei atmogeokimia di kompleks eksplorasi gas dan minyak di Tatarstan, Chuvashia dan di utara Wilayah Krasnoyarsk dan selama pemeriksaan lingkungan atmosfer di kota Tula dan Moskow. Selain itu, perangkat tersebut digunakan sebagai bagian dari laboratorium otomatis untuk survei geoekologi di wilayah distribusi tanah teknogenik di sejumlah wilayah pengembangan massal di Moskow, serta secara otonom - selama survei geokimia tanah di Korea. Berdasarkan gas analyzer, dibuat kompleks komputerisasi onboard untuk survei gas hidrokarbon penerbangan. Pada musim lapangan 2001, waktu penerbangan kompleks di atas pesawat An 2 melebihi 600 jam tanpa satupun kegagalan perangkat, dan total area yang dicakup sekitar 30 ribu meter persegi. km.
Prospek pengembangan kompleks
- Implementasi antarmuka USB tambahan;
- Menghubungkan perangkat navigasi satelit GPS dengan peta medan interaktif;
- Penerapan fitur tambahan atas permintaan pengguna.
Jurnal "Instrumen dan Teknik Eksperimen", 1999, No. 5
Penganalisis gas laser untuk menemukan kebocoran gas dari pipa gas bawah tanah
Jurnal "Perangkat dan sistem kontrol", 1998, No. 9
Penganalisis gas hidrokarbon penyerapan laser onboard
Hak Cipta 1998-2005 Engineering Center MEPhI
Penggunaan: kontrol zat berbahaya di udara. Inti dari penemuan ini: perangkat berisi tabung pelepasan gas laser, unit pembentuk berkas yang dibuat dalam bentuk kisi difraksi pada korektor piezo, yang ditempatkan di unit tangensial yang dihubungkan dengan motor penggerak, sel optoakustik, a sel referensi, mikrofon pengukur dan latar belakang, dan dua sensor piroelektrik, dihubungkan melalui konverter analog-ke-digital dan unit antarmuka ke input komputer pribadi. 1 sakit.
Penemuan yang diusulkan berkaitan dengan teknologi pengukuran dan dimaksudkan untuk memantau zat berbahaya di udara. Daftar zat berbahaya di udara tempat kerja atau tempat tinggal memiliki ratusan zat yang mempengaruhi tubuh manusia. Banyak alat yang dikenal, misalnya berfungsi untuk mengontrol komposisi udara menggunakan berbagai metode pengukuran: kimia-analitik, kromatografi, koulometri, dll. Salah satu yang paling cocok untuk melakukan pengukuran operasional dengan kemampuan untuk mengontrol sejumlah besar zat berbahaya adalah metode yang menggunakan penyerapan radiasi infra merah. Alat analisa gas jenis GIAM yang dikenal dirancang untuk mendaftarkan salah satu gas berikut: CO, CO 2, CH 4, SO 2, NO. Filamen pijar (lampu) dengan spektrum radiasi kontinu digunakan sebagai sumber radiasi infra merah. Filter cahaya digunakan untuk memilih rentang spektral yang sesuai dengan spektrum absorpsi zat uji. Pengukuran dilakukan menggunakan sel referensi dengan gas referensi. Fluks bercahaya intermiten secara bergantian diarahkan ke kuvet yang bekerja dan komparatif, yang melewatinya (fluks bercahaya) direkam oleh detektor optoakustik yang diisi dengan gas yang diukur. Perbedaan sinyal dari detektor menentukan konsentrasi zat uji di udara. Perangkat jenis ini, yang memiliki efisiensi yang baik (waktu untuk menetapkan pembacaan adalah sekitar 10 detik), tidak mengizinkan pendaftaran lebih dari satu komponen polutan secara bersamaan (dalam satu sampel). Perusahaan Brüel & Kjr 1302 yang dikenal universal gas monitor memungkinkan pendaftaran simultan hingga lima kotoran dalam satu sampel udara. Alat tersebut menggunakan filamen sebagai sumber radiasi infra merah. Perubahan spektrum radiasi infra merah yang jatuh ke volume sensitif sel optoakustik disajikan secara otomatis selama pengukuran menggunakan satu set filter cahaya pita sempit yang dipasang pada disk yang berputar. Sampel udara mengisi volume sel akustik-optik. Selama pengukuran, saluran masuk dan keluar sel diblokir dari udara luar. Mikrofon digunakan untuk mengukur amplitudo fluktuasi tekanan yang terjadi di dalam sel saat fluks cahaya intermiten diserap oleh sampel yang diteliti. Pengukuran dilakukan untuk setiap filter. Total waktu pengukuran untuk satu sampel adalah sekitar 2 menit. Berdasarkan hasil pengukuran, ditentukan konsentrasi hingga lima pengotor dalam satu sampel. Kontrol operasi perangkat dan pemrosesan hasil pengukuran dilakukan menggunakan prosesor internal. Satu set yang disediakan secara terpisah dari dua filter cahaya pita sempit yang dapat diganti memungkinkan pendaftaran sejumlah besar pengotor yang menyerap radiasi infra merah. Namun, perangkat memungkinkan untuk melakukan pengukuran hanya dengan komposisi polutan yang diketahui secara apriori. Jika tidak, tumpang tindih pita penyerapan berbagai zat tidak memungkinkan diperolehnya informasi yang memadai tentang komposisi zat berbahaya di udara. Solusi terdekat yang diusulkan adalah penganalisis gas laser, yang dijelaskan dalam dan berisi tabung pelepasan gas laser, di mana sumber tegangan tinggi dan unit pendingin dihubungkan, terletak pada satu sumbu optik, unit pembentuk berkas dan optik. -akustik sel, yang merupakan unit pemasukan udara, mengukur mikrofon dan sensor piroelektrik, konverter analog-ke-digital yang terhubung melalui unit antarmuka dan unit input dan output data dengan input dari komputer elektronik pribadi. Keluarannya dihubungkan melalui unit antarmuka ke masukan dari unit kendali. Penggunaan sumber laser dari radiasi infra merah memungkinkan mewujudkan resolusi spektral tinggi sekitar (10-20 nm) di perangkat. Absorpsi dalam gas uji direkam menggunakan sel akustik-optik. Penganalisis gas terdiri dari tiga bagian utama: sumber radiasi infra merah merdu, sel akustik-optik (OAP), sistem untuk merekam dan memproses informasi. Di dalam perangkat, unit pembentuk berkas sinar dibuat dalam bentuk modulator, pembentuk, cermin, lensa pemfokusan dan kisi difraksi yang digabungkan secara optik. Metode yang dipilih dalam perangkat untuk menyetel panjang gelombang radiasi laser menggunakan kisi difraksi dan cermin berputar memungkinkan pemilihan 36 garis emisi. Identifikasi garis emisi hanya dilakukan saat mengatur perangkat. Ketika radiasi diserap dalam gas uji yang mengisi OAP, gelombang akustik terbentuk di dalamnya, yang direkam oleh mikrofon kondensor. Sinyal dari mikrofon dan detektor radiasi piroelektrik yang merekam kekuatan radiasi laser diumpankan ke input sistem perekaman dua saluran yang terdiri dari dua detektor sinkron. Rekaman analog dari sinyal terdaftar dilakukan dengan menggunakan perekam. Informasi tersebut dapat dibaca dengan menggunakan voltmeter digital dan komputer. Kerugian dari prototipe adalah terbatasnya jumlah garis radiasi, yang mempengaruhi multikomponen dalam satu sampel udara, dan kurangnya kontrol terhadap panjang gelombang radiasi. Tujuan dari penemuan ini adalah untuk memberikan analisis multikomponen yang jelas dari komposisi udara untuk zat berbahaya dengan akurasi tinggi. Tugas ini berada dalam perangkat yang berisi penganalisis gas laser yang berisi tabung pelepasan gas laser yang dihubungkan dengan sumber tegangan tinggi dan unit pendingin, unit pembentuk berkas, dibuat dalam bentuk kisi difraksi pada korektor piezo , dan sel akustik-optik yang menghubungkan unit pemasukan udara dan mikrofon pengukur, sensor piroelektrik yang terhubung melalui konverter analog-ke-digital yang terhubung seri dan unit antarmuka ke input PC, diselesaikan karena fakta tersebut bahwa penganalisis gas juga berisi mikrofon latar belakang, sel referensi yang terletak pada satu sumbu optik dan sensor piroelektrik tambahan yang dihubungkan mirip dengan sensor piroelektrik utama, serta penguat diferensial, dalam unit pembentuk berkas kisi difraksi dan piezo -korektor terletak di unit tangensial yang terhubung dengan motor penggerak, dan output dari mikrofon pengukur dan latar belakang terhubung melalui penguat diferensial ke ADC, output dari unit kontrol dihubungkan ke input korektor piezo yang sesuai dan motor stepper dari unit pembentuk berkas, output dari komputer pribadi melalui unit antarmuka terhubung ke kontrol satuan. Inti dari penemuan ini terletak pada kenyataan bahwa implementasi yang diusulkan dari unit pembentuk berkas memungkinkan Anda untuk memiliki satu set panjang gelombang besar (hingga 70 baris radiasi IR) dengan panjang gelombang tetap dan terkontrol (multikomponen dan akurasi); perangkat lunak dan bank data yang digunakan di PC dan komunikasinya melalui unit antarmuka dan unit kontrol dengan semua sensor penganalisis gas, memastikan ketepatan waktu koreksi penyimpangan parameter dan pemrosesan informasi. Gambar menunjukkan diagram blok penganalisis gas. Ini berisi tabung pelepasan gas laser LGRT 1 (laser CO 2), unit catu daya tegangan tinggi 2 LGRT, unit pendingin 3 berfungsi untuk mendinginkan LGRT, bukaan 4 mengontrol daya radiasi, kisi difraksi 5, rotasi yang mengubah panjang gelombang radiasi, korektor piezo 6 mengkompensasi ketidakstabilan suhu, blok tangensial 7, gerakan longitudinal yang sebesar 20 mm mengarah ke rotasi kisi difraksi 5 kali 14 o, motor stepper 8 menggerakkan unit tangensial 7 , mirror 9, mengarahkan radiasi IR ke jendela input AOF, elemen 4, 5, 6, 7, 8 dan 9 membentuk unit pembentuk berkas 26, sensor piroelektrik 10, yang menerima radiasi IR, sebagian dipantulkan dari input jendela OAP, sensor piroelektrik 11, yang merekam radiasi IR yang telah melewati OAP melalui kuvet referensi, mikrofon latar belakang 12, bukan "melihat" volume sensitif OAP, mikrofon pengukur 13, yang merekam perubahan tekanan di OAP karena penyerapan n fluks bercahaya intermiten, sel akustik-optik ОАЯ 14, elemen sensitif dari penganalisis gas, kuvet referensi 15 dengan pengisian yang diketahui, digunakan untuk mengontrol panjang gelombang radiasi, blower 16 memasok udara uji ke ОАЯ, katup elektromagnetik 17, 18 dan 19, yang mengatur aliran udara uji, intake udara (tabung) 20, obturator 21 yang berfungsi untuk menginterupsi aliran radiasi secara berkala, filter 22, sensor suhu 23 pada sistem pendingin, sensor tekanan 24 pada sistem pendingin , sensor tekanan 25 di sirkuit pemasukan udara, PC 27 mengontrol operasi dan mengumpulkan hasil pengukuran, unit antarmuka 28 dihubungkan oleh saluran dengan PC 27, dengan unit kontrol 29, konverter analog-ke-digital ADC 30, PC 27 dari jenis PC IBM dilengkapi dengan perangkat lunak 31 dan bank data 32 (ditampilkan secara bersyarat). Sinyal 13 dan 12 dikurangi satu sama lain, perbedaannya dinormalisasi dengan pembacaan sensor piroelektrik 10. Pengukuran dilakukan pada panjang gelombang yang ditetapkan dari PC 27 (masing-masing panjang gelombang sesuai dengan langkah tertentu dari motor stepper 8). Unit antarmuka 28 digunakan untuk menghubungkan PC 27 dan bagian registrasi eksekutif dari penganalisis gas dengan ADC 30, yang mengubah sinyal dari sensor piroelektrik 10, 11 dan dari penguat diferensial 33 menjadi kode digital. Unit kontrol (29) menjalankan operasi penggerak blower 16, korektor piezo 6, motor stepper 8, katup solenoid 17, 18 dan 19. Unit kontrol 29 juga memonitor tekanan dan suhu di sirkuit pendingin LGRT 1 dan memantau tekanan dalam sistem asupan udara. Pengambilan sampel dalam OAO 14 dilakukan melalui pipa pemasukan udara 20, filter 22. Udara bergerak melalui pipa 20 di bawah aksi blower 16. Arah aliran diatur oleh katup 17, 18, 19. Sensor tekanan 25 berfungsi untuk memeriksa kesehatan sistem pemasukan udara. Dalam mode pengukuran, sebagian radiasi diserap oleh gas yang diteliti dalam OAD 14, menyebabkan fluktuasi tekanan periodik dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi gangguan pancaran radiasi oleh obturator 21, yang direkam oleh mikrofon 13 Bagian dari radiasi, setelah melewati jendela keluar OAD 14, memasuki sel referensi 15, dan ke sensor piroelektrik 11. Selama pemrosesan, sinyal dari penguat diferensial (33) (yang inputnya dihubungkan ke mikrofon 12 dan 13). ) dan sensor piroelektrik 11, yang dinormalisasi ke pembacaan sensor 10, digunakan Operasi penganalisis gas dikendalikan, pengumpulan dan pemrosesan hasil dilakukan menggunakan PC 27 dari tipe IBMHC dengan menggunakan perangkat lunak yang dikembangkan secara khusus 31 dan bank data 32. Pengoperasian alat analisis gas, operator, dan fungsionalitas program dijelaskan di bawah ini. Pekerjaan dengan penganalisis gas dimulai dengan menghubungkan PC 27 ke jaringan dan mengunduh perangkat lunak SCO 2, yang berisi program-program berikut: 1. CONTROL; 2. TEST 3. TEST LINE; 4. SPECTRA; 5. PERHITUNGAN; 6. HASIL; 7. BANK. Setelah memuat SCO 2, pesan "ON THE GAS ANALYZER" muncul di layar tampilan PC 27, program "CONTROL" dihidupkan, memberikan pemeriksaan fungsi penganalisis gas sebelum memulai pengukuran. Obturator 21, supercharger 16, katup 17, 18 dan 19 diperiksa. Selanjutnya, sesuai dengan program "CONTROL", tampilan menunjukkan permintaan "TEST MEASUREMENT". Jika pengukuran uji diperlukan, dikonfirmasi dengan menekan tombol D, operator melakukan pekerjaan sesuai dengan program "TEST". Pesan "FILL OAU WITH ZERO GAS" muncul di layar tampilan. "SIAP", setelah mengisi dengan kunci D, program pengukuran dimulai: pengukuran dilakukan dari sinyal mikrofon 12 dan 13, dari sensor daya piroelektrik 10 pada nilai yang berbeda dari garis radiasi (yaitu, pada nilai yang berbeda Dari langkah nomor motor stepper 8. Hasilnya dimasukkan untuk digunakan dalam program "PERHITUNGAN"). Setelah itu muncul pesan "TAKE ZERO MEASUREMENT" di layar. Jika pengukuran tidak dilakukan dengan menggunakan program "TEST", pesan ini segera muncul. Pengukuran dilakukan menggunakan program "TEST LINE" dengan menekan tombol D. Udara dipompa melalui OAJ 14 dengan blower 16, katup 18 dan 19 ditutup, katup 17 terbuka, setelah itu blower 16 dimatikan dan sinyal diukur dari mikrofon 12 dan 13 dihubungkan ke penguat diferensial 33, dan sensor piroelektrik 10 dan 11 dengan jumlah langkah motor stepper yang berbeda 8. Hasil pengukuran setelah ADC 30 dinormalisasi ke pembacaan sensor daya piroelektrik 10. Jika pengukuran tidak dilakukan menggunakan program "TEST", kemudian sinyal mikrofon 12 dan 13 ditulis ke file untuk diproses dalam program "PERHITUNGAN", jika tidak, sinyal tersebut tidak akan digunakan lebih lanjut; sinyal dari sensor 11 dimasukkan ke dalam file untuk program pengukuran dasar "SPECTRA". Di akhir program, prompt "SCAN OPERATION MODE" muncul di layar tampilan. Saat Anda menekan tombol D, pekerjaan akan dilakukan sesuai dengan program "SPECTRA" dengan pengukuran sinyal dari mikrofon 12 dan 13 dan dari sensor piroelektrik 10 di seluruh rentang radiasi, pada setiap kelompok langkah yang sesuai dengan adanya radiasi. Dalam hal ini, untuk mengontrol spektrum radiasi, hasil pengukuran dibandingkan dengan pengukuran dari sensor 11 dan data spektrum serapan gas pada kuvet referensi 15 dimasukkan ke bank data selama kalibrasi alat analisis gas. Jika perlu, dilakukan perubahan pada penomoran langkah yang ditentukan oleh program "SPECTRA". Hasil pengukuran dimasukkan ke dalam file untuk program "CALCULATION". Jika Anda menolak untuk bekerja dalam mode pemindaian (menekan tombol "H"), pesan "MASUKKAN NAMA KONTAMINAN DARI DAFTAR NAMA" muncul, pekerjaan dilanjutkan sesuai dengan program "SPECTRA". Daftar kontaminan muncul di layar. Setelah memilih polutan, pesan "OPERATION MODE ONE TIME" muncul. Ketika tombol D ditekan, satu pengukuran dilakukan: sampel udara OAYA 14 dikumpulkan, sinyal dari mikrofon 12 dan 13 dan dari sensor 10 diukur pada garis absorpsi zat yang dicari, ditentukan oleh nomor langkah dari motor stepper 8, dengan memperhitungkan pengukuran nol. Hasil pengukuran dimasukkan ke dalam file untuk diproses menggunakan program "PERHITUNGAN". Jika terjadi penolakan dari pengukuran tunggal (menekan tombol H), pesan "ATUR WAKTU PENGUKURAN DALAM JAM" muncul, setelah itu pengukuran berkelanjutan dilakukan dengan menggunakan program "SPECTRA" untuk waktu tertentu. Interval antara pengukuran individu adalah 5 menit. Hasil pengukuran dimasukkan ke dalam file untuk diproses menggunakan program "PERHITUNGAN". Pengolahan hasil pengukuran dilakukan dengan menggunakan program "PERHITUNGAN" di akhir pengukuran (mode tunggal), antara pengukuran terpisah (mode kontinu). Pemrosesan dilakukan menggunakan bank data (program BANK), yang berisi spektrum serapan instrumental gas, kepekaan terhadap masing-masing gas, jumlah minimum yang dapat dideteksi, spektrum serapan gas kuvet referensi, konsentrasi gas DNA maksimum yang diizinkan untuk udara di tempat kerja dan tempat tinggal. Hasilnya ditampilkan di layar dalam bentuk tabel (pengukuran tunggal) atau grafik (pengukuran kontinu) sebagai perbandingan dengan MPC. Jika terjadi ketidakpastian dalam hasil pemrosesan (misalnya, spektrum serapan bertepatan), pesan akan ditampilkan tentang ketidakcukupan pengukuran. Dengan demikian, penganalisis gas yang diusulkan menyediakan sarana teknis untuk penentuan cepat puncak penyerapan berbagai kotoran udara (hingga 60 komponen dalam satu sampel), konsentrasi pengotor ditentukan oleh besarnya puncak penyerapan, yang membedakannya dengan baik dari analog. dan prototipe.
KLAIM
Penganalisis gas laser yang berisi tabung pelepasan gas laser yang menghubungkan sumber tegangan tinggi dan unit pendingin, unit pembentuk berkas yang terletak pada sumbu optik yang sama dengan tabung pelepasan gas laser, dibuat dalam bentuk a kisi difraksi pada korektor piezo, dan sel optoakustik (OAP), di mana unit dihubungkan dengan pemasukan udara dan mikrofon pengukur, sensor piroelektrik yang dihubungkan melalui konverter analog-ke-digital (ADC) yang terhubung seri dan unit antarmuka ke input komputer pribadi, dicirikan bahwa penganalisis gas juga berisi mikrofon latar belakang, yang terletak pada sumbu optik yang sama dengan sel akustik-optik, kuvet referensi dan sensor piroelektrik tambahan yang terhubung serupa ke sensor piroelektrik utama, seperti serta penguat diferensial, dalam unit pembentuk berkas, kisi difraksi dan korektor piezoelektrik terletak di unit tangensial yang terkait dengan motor loncatan, Cermin putar dipasang di unit genetik, yang mengarahkan radiasi ke jendela input OAD, dan output dari mikrofon pengukur dan latar belakang dihubungkan ke ADC melalui penguat diferensial, output dari unit kontrol dihubungkan ke input yang sesuai dari korektor piezo dan motor langkah unit pembentuk berkas, output dari komputer pribadi terhubung ke manajemen.Sebagai naskah
DOLGI SERGEI IVANOVICH
ANALISIS GAS LASER BERDASARKAN METODE ABSORPSI DIFERENSIAL
01.04.01 - Perangkat dan metode fisika eksperimental
disertasi untuk gelar calon ilmu fisika dan matematika
Barnaul - 2004
Pekerjaan itu dilakukan di Institute of Atmospheric Optics, Cabang Siberia dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia
Pembimbing Ilmiah: - Doktor Ilmu Fisika dan Matematika
profesor, Anggota Terkait dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia Zuev Vladimir Vladimirovich
Lawan resmi: - Doktor Ilmu Fisika dan Matematika
profesor Sutorikhin Igor Anatolyevich. - Calon Ilmu Fisika dan Matematika, Peneliti Senior Prokopiev Vladimir Egorovich.
Organisasi utama: Universitas Politeknik Tomsk
Pembelaan akan dilakukan pada tanggal 15 Desember 2004. jam 14:00 pada rapat dewan disertasi D 212.005.03 di Universitas Negeri Altai dengan alamat: 656049, Barnaul, Lenin Ave., 61
Disertasi dapat ditemukan di perpustakaan Universitas Negeri Altai.
Sekretaris Ilmiah
dewan disertasi Ph.D.
DD. Ruder
Relevansi topik. Lingkungan berubah di bawah pengaruh berbagai faktor. Pesatnya perkembangan industri, energi, pertanian dan transportasi mengarah pada peningkatan dampak antropogenik terhadap lingkungan. Sejumlah produk sampingan berbahaya dalam bentuk aerosol, gas, air limbah domestik dan industri, produk minyak, dll., Masuk ke atmosfer, hidrosfer dan litosfer, yang berdampak negatif pada kondisi kehidupan manusia dan biosfer secara keseluruhan. Oleh karena itu, pengendalian lingkungan merupakan masalah yang mendesak di zaman kita.
Saat ini, penganalisis kimia, termal, listrik, kromatografi, spektral massa, dan gas optik digunakan untuk memantau keadaan atmosfer. Selain itu, hanya yang terakhir yang tidak bersentuhan, mereka tidak memerlukan pengambilan sampel, yang menyebabkan kesalahan tambahan dalam nilai yang diukur. Tempat khusus di antara metode optik analisis gas milik metode laser, yang dicirikan oleh: sensitivitas pengukuran konsentrasi tinggi dan resolusi spasial, jarak dan kecepatan. Pertama-tama, ini menyangkut penganalisis gas laser yang beroperasi pada efek penyerapan resonan, yang memiliki penampang terbesar untuk interaksi radiasi optik dengan media yang diteliti, memberikan sensitivitas maksimum. Alat analisa gas tersebut biasanya menerapkan skema absorpsi diferensial. Dengan perkembangan teknologi laser di negara kita dan luar negeri, optik-akustik (untuk analisis gas lokal) dan jalur (memberikan nilai integral dari konsentrasi gas yang diteliti) penganalisis gas laser, serta lidar (LIDAR, sebuah singkatan dari kata bahasa Inggris Light Detection and Ranging), telah dikembangkan informasi tentang konsentrasi gas di atmosfer dengan resolusi spasial. Namun pada awal pengerjaan disertasi, dengan pengecualian yang jarang, semuanya merupakan model laboratorium yang dirancang untuk mengukur satu, maksimal dua komponen gas, sedangkan untuk pemantauan lingkungan membutuhkan analisis gas multikomponen.
Semua komponen gas di atmosfer bumi, kecuali yang utama: nitrogen, oksigen, dan argon, biasanya disebut sebagai komponen gas minor (MGS). Persentase IGM di atmosfer memang kecil, tetapi peningkatan kandungannya karena faktor antropogenik berdampak signifikan pada banyak proses di atmosfer.
Sebagaimana terbukti dari literatur, wilayah spektrum IR-tengah paling cocok untuk keperluan analisis gas laser pada MGS. Pita getaran-rotasi utama dari sebagian besar IGM dengan struktur yang diizinkan terletak di sini. Laser molekul berenergi tinggi, termasuk laser CO dan CO2 yang andal dan efisien, memancar di wilayah ini. Untuk laser ini, konverter frekuensi parametrik yang sangat efisien (PFC) telah dikembangkan, yang memungkinkan cukup
int spektral apung transparansi atmosfer
SIMIOTEKA i
bola. Rentang spektral informatif lainnya untuk analisis gas laser adalah wilayah UV. Ada pita elektronik yang kuat dari banyak gas pencemar di sini. Berbeda dengan daerah IR tengah spektrum, pita serapan UV tidak selektif dan tumpang tindih. Perkembangan terbesar di daerah ini diperoleh dengan metode ozonometri karena adanya pita serapan ozon Hartley-Huggins di sini.
Objektif. Pengembangan alat analisa gas berdasarkan metode absorpsi diferensial untuk mendeteksi dan mengukur konsentrasi MGM dan menentukan distribusi ruang-waktunya di atmosfer.
Selama pekerjaan, tugas-tugas berikut dilakukan:
Pembuatan saluran untuk merasakan distribusi vertikal ozon (VRO) di stratosfer (berdasarkan cermin penerima 0 0,5 m) di stasiun LIDAR Siberia (SLS);
Memantau keadaan ozonosfer dalam pengukuran rutin;
Studi tentang klimatologi ozonosfer, penilaian tren ozon di stratosfer.
Berikut ini diajukan untuk pembelaan:
2. Mengembangkan tata letak penganalisis gas laser dari seri TRAL, dalam kisaran spektrum IR menengah, memungkinkan untuk dengan cepat mengukur konsentrasi lebih dari 12 gas pada dan di bawah MPC pada jalur yang panjangnya hingga 2 km menggunakan cermin atau topografi retro-reflektor.
3. Lidar ozon UV yang dibuat oleh penulis berdasarkan laser excimer XeQ, yang memberikan suara ozonosfer jangka panjang tanpa gangguan di atas Tomsk di stasiun lidar Siberia dalam kisaran ketinggian 13-45 km dengan resolusi vertikal maksimum 100 m.
Kebaruan ilmiah dari pekerjaan:
Untuk pertama kalinya, panjang gelombang informatif dari suara atmosfer IGM menggunakan laser molekuler IR dan PPC dipilih dan diuji secara eksperimental;
Sejumlah alat analisis gas rute bergerak dan stasioner yang unik telah dibuat, yang memungkinkan dilakukannya analisis multikomponen dengan cepat terhadap komposisi gas atmosfer;
Pengukuran variasi harian dalam konsentrasi MGM (seperti C2H4, NH3, H2O, CO2, CO, Oz, N0, dll.) Dilakukan di wilayah yang bersih secara ekologis di negara yang tunduk pada beban antropogenik yang signifikan;
Menggunakan hasil kerja. Data yang diperoleh dengan menggunakan penganalisis gas dipresentasikan ke Komite Olimpiade Uni Soviet pada 1979-1980. di Moskow, serta organisasi lingkungan di kota Tomsk, Kemerovo, Sofia (NRB), dimasukkan dalam laporan akhir IAO SB RAS tentang berbagai hibah, perjanjian, kontrak dan program RFBR, misalnya "TOR" (penelitian ozon troposfer), "SATOR" (ozon stratosfer dan troposferik penelitian) dan lainnya.
Nilai praktis dari pekerjaan ini adalah sebagai berikut: - penganalisis gas akustik-optik telah dikembangkan, yang memungkinkan untuk mengukur dengan akurasi tinggi konsentrasi jumlah hidrokarbon dari gugus metana dan secara terpisah metana dan hidrokarbon yang lebih berat dalam campuran gas alam dan minyak bumi terkait. Dengan bantuan gas analyzer ini, dimungkinkan untuk mencari minyak dan gas dengan lingkaran gas gas yang keluar ke permukaan bumi melalui ladang hidrokarbon;
Alat analisa gas rute yang dikembangkan memungkinkan untuk mengukur konsentrasi campuran gas pada dan di bawah MPC dari daftar luas gas pencemar prioritas;
Buat saluran untuk merasakan distribusi vertikal ozon SLS berdasarkan cermin 0,5 m, yang akan memungkinkan diperolehnya profil VOD yang andal pada kisaran ketinggian 13-45 km dengan resolusi maksimum 100 m.
Keandalan hasil pekerjaan dipastikan dengan: - Kesepakatan yang baik dari data eksperimen yang diperoleh dengan menggunakan alat analisis gas yang dikembangkan, dan data yang diperoleh secara bersamaan dengan metode lain, serta; data yang diperoleh oleh penulis lain dalam kondisi iklim dan ekologi yang serupa;
Kebetulan yang baik dari profil VOD di stratosfer, diukur dengan data lidar, ozonosondes, serta pengukuran satelit dalam kesalahan perangkat yang digunakan.
Approbation of work. Hasil utama pada topik disertasi, diperoleh oleh penulis, diterbitkan dalam 11 artikel di jurnal peer-review ilmiah Rusia, dilaporkan di: VI, VII dan XI All-Union simposium pada laser dan suara akustik (Tomsk, 1980 , 1982, 1992); VI All-Union Symposium tentang Propagasi Radiasi Laser di Atmosfer (Tomsk, 1881); Konferensi All-Union XII tentang Optik Koheren dan Nonlinier (Moskow, 1985); V Seminar Sekolah Internasional tentang Quantum Electronics. Laser dan aplikasinya (NRB, Sunny Beach, 1988); Majelis Ilmiah ke-5 dari Asosiasi Internasional untuk Fisika dan Meteorologi Atmosfer (Reading, UK, 1989); Simposium XI tentang Laser dan Suara Akustik (Tomsk, 1992); Dan, Simposium antar-republik III, IV dan VI "Optik atmosfer dan lautan" (Tomsk, 1995, 1996, 1997 dan 1999); III Pertemuan Siberia tentang pemantauan iklim dan ekologi (Tomsk, 1999); I Pertemuan antardaerah "Ekologi sungai Siberia dan Arktik" (Tomsk 1999); VII Simposium Internasional tentang Atmosfer dan Optik Laut (Tomsk 2000); VIII dan IX Simposium Internasional tentang Fisika Atmosfer dan Lautan serta Fisika Atmosfer (Tomsk 2001 dan 2002); 11 Lokakarya tentang Pengukuran Radiasi Atmosfer (Atlanta, AS 2001); IX Kelompok Kerja "Aerosol Siberia" (Tomsk 2002); Konferensi Laser Internasional 21 dan 22 (Quebec, Kanada, 2002, Matera, Italia 2004); II Konferensi Internasional "Lingkungan dan Ekologi Siberia, Timur Jauh dan Kutub Utara" (Tomsk 2003). Konferensi Internasional tentang Teknologi Optik untuk Penelitian Atmosfer, Kelautan dan Lingkungan (Beijing, Cina 2004).
Kontribusi pribadi. Karya tersebut menggunakan hasil yang diperoleh baik oleh penulis secara pribadi maupun dengan partisipasi langsungnya. Ini adalah partisipasi penulis dalam pengembangan kedua skema umum untuk konstruksi penganalisis gas, serta rakitan dan blok optik-mekanis dan elektronik masing-masing; pekerjaan instalasi dan commissioning. Perkembangan teknik pengukuran, pengujian dan ekspedisi serta uji lapangan dari gas analyzer yang dibuat, juga dipresentasikan dalam karya tersebut, berlangsung dengan partisipasi langsung dari penulis. Sejak tahun 1996, hampir semua pengamatan keadaan ozonosfer di SLS dilakukan dengan partisipasi aktif penulis. Dia menciptakan saluran yang lebih baik untuk merasakan distribusi vertikal ozon SLS berdasarkan laser XeQ dan cermin penerima 0 0,5 m. Analisis ulang data RFO yang dilakukan oleh penulis memungkinkan untuk menentukan kekhasan klimatologi ozonosfer di atas Tomsk ..
Pengembangan alat analisa gas inframerah "LAG-1" dan "Resonance-3" dilakukan bersama-sama dengan Ph.D. G.S. Khmelnitsky, sisa hasil diperoleh di bawah bimbingan Anggota Terkait. RAS, Doktor Ilmu Fisika dan Matematika V.V. Zuev, dengan partisipasi karyawan laboratoriumnya pada berbagai tahap pekerjaan.
Dalam pendahuluan, relevansi topik dibuktikan, tujuan dan sasaran studi dirumuskan, kebaruan ilmiah dan signifikansi praktis ditekankan, dan ketentuan utama untuk pertahanan diberikan.
Bab pertama menjelaskan metode akustik-optik, diagram blok dari penganalisis gas akustik-optik yang dimaksudkan untuk pengukuran terpisah dari konsentrasi metana dan hidrokarbon jenuh lainnya dalam sampel udara.
Berbagai penelitian telah menunjukkan adanya peningkatan konsentrasi hidrokarbon (HCs) di atmosfer dan sampel udara tanah di atas area ladang minyak dan gas. Penulis berpendapat bahwa hal ini disebabkan oleh pelepasan hidrokarbon dari reservoir ke permukaan siang hari. Metode geokimia pencarian ladang minyak dan gas didasarkan pada fakta-fakta ini. Menurut data, persentase (berdasarkan volume) komposisi gas alam dari endapan bekas Uni Soviet: metana 85-95%; etana hingga 7%; propana hingga 5%; butana hingga 2%; pentana dan hidrokarbon yang lebih berat hingga 0,4%. Komposisi gas minyak bumi terkait dari ladang minyak dan gas: metana hingga 80%; etana hingga 20%; propana hingga 16%; isobutane + n-butana hingga 6%; pentana dan hidrokarbon yang lebih berat hingga 0,9%. Jadi, pentana dan hidrokarbon yang lebih berat memberikan kontribusi yang tidak signifikan terhadap kandungan halo gas di atas ladang minyak dan gas.
Angka: 1. Diagram blok laser gas analyzer 1- 2-CO g dengan kisi difraksi; 4, 5 - laser He-Ne; 7, 9, 10-pembentuk pulsa; 8-modulator; 11- unit kontrol modulator; Spektrofon 12 kamera; 13-mikrofon; Penguat 14-selektif; 15- ADC!; Penghitung 16 frekuensi; 17 attenuator; 18-penerima; Jam 19-digital; 20-ADC2; 21- unit kontrol; 22 komputer mikro; Pencetakan 23 digit.
Saat mencari ladang minyak dan gas di sepanjang lingkaran gas hidrokarbon yang muncul di atas ladang, sangat penting untuk mengukur konsentrasi metana dan hidrokarbon yang lebih berat secara terpisah, karena metana dapat menjadi produk tidak hanya dari struktur dalam, tetapi juga dari lapisan atas yang aktif secara biologis dan tidak selalu merupakan pertanda bidang .... Ini khas, misalnya, untuk Za-
siberia Barat, di mana metana dapat dihasilkan dalam jumlah besar oleh rawa-rawa yang terletak di wilayahnya, sedangkan hidrokarbon berat tidak dihasilkan di lapisan atas kerak bumi. Makalah ini menganalisis kemungkinan pengukuran terpisah, asalkan kandungan metana dalam campuran tidak lebih dari 100 kali lebih tinggi daripada kandungan hidrokarbon lainnya.
Penganalisis gas optik-akustik yang sangat sensitif "LAG-1" memungkinkan pencatatan konsentrasi hidrokarbon dengan rasio campuran metana dan HC lainnya. Diagram blok penganalisis gas ditunjukkan pada Gambar. satu.
Tekanan gas dalam ruang spektrofon silinder (detektor akustik-optik) ketika radiasi laser termodulasi melewatinya pada frekuensi modulasi ω, bergantung pada daya radiasi laser dan, koefisien absorpsi gas yang diteliti, dan Q- faktor resonator akustik pada frekuensi modulasi Q (ω) sebagai:
5zhg02 [co2 + t1) "
dimana £) adalah diameter silinder; t, waktu relaksasi suhu spektrofon.
Pulsasi tekanan diubah menjadi sinyal listrik oleh mikrofon kondensor jenis MKD / MV 101 (13). Kemudian sinyal diperkuat oleh penguat selektif tipe U2-8 (14), didigitalisasi oleh ADC1 (15), dan memasuki sistem pemrosesan hasil. Radiasi laser yang melewati kamera spektrofon dilemahkan oleh attenuator (17), mengenai penerima termoelektrik (18), didigitalkan oleh ADC2 (20) dan juga memasuki sistem pemrosesan hasil
Sistem menghitung koefisien penyerapan:
dan konsentrasi gas dalam kasus absorpsi yang berlaku dalam satu baris:
/ \u003d /, 2, 3 ... n,
di mana l adalah faktor kalibrasi dari spektrofon; n adalah jumlah pengukuran; £ / s / -signal dari mikrofon; -sinyal sebanding dengan kekuatan radiasi laser; - sinyal latar belakang dari spektrofon; koefisien serapan massa gas uji. Hasil penghitungan, bersama dengan kode panjang gelombang dan waktu, ditampilkan untuk pencetakan digital.
Di wilayah penyetelan laser III-N, garis emisi pada panjang gelombang 1,15 μm bertepatan dengan garis serapan uap air atmosfer, dan garis 3,39 μm bertepatan dengan pita serapan hidrokarbon gugus metana, dimulai dengan metana itu sendiri. . Pada kisaran penyetelan panjang gelombang laser CO2 (9,1-10,8 mm) terdapat pita serapan gelombang kejut, mulai dari
etana, dengan demikian, dengan mengukur konsentrasi jumlah hidrokarbon dan etana, propana dan butana secara terpisah, menjadi mungkin untuk menentukan konsentrasi metana. Tabel 1 memberikan daftar komponen gas ini, koefisien penyerapannya pada radiasi yang sesuai dan panjang gelombang laser CO2:
Tabel 1
Gas He-Me X. \u003d 3,39 μm a, cm "1 atm" 1 CO2
A, μm a, cm "1 atm" 1
Metana 9.0 - -
Ethane 4.1 10.8847 0.5
Propana 9.0 10.8352 0.45-0.5
N-butana 12.6 10.4 762 0.9
Isobutane 13 10.8598 0.4
Karena fakta bahwa laser CO2 memiliki rentang penyetelan yang luas, dimungkinkan untuk mengukur etana, propana, n-butana, isobutan, etilen dan benzena dan komponen gas lainnya secara terpisah. Tabel yang sama menunjukkan bahwa koefisien absorpsi radiasi CO2-laser oleh hidrokarbon 10-20 kali lebih rendah dari koefisien absorpsi radiasi laser III-N. Tetapi untuk spektrofon resonan, sensitivitasnya sebanding dengan kekuatan radiasi laser yang melewatinya (rumus 1), dan kemudian dengan kekuatan laser tipe LG-126 pada panjangnya.
panjang gelombang 3,39 μm 8 mW, dan laser CO2 10 W, penganalisis gas ini memiliki sensitivitas 100 kali lebih tinggi untuk gelombang kejut yang berat.
Gambar 2 menunjukkan hasil pengukuran komparatif HC yang diperoleh selama salah satu ekspedisi di sepanjang Sungai Ob oleh beberapa penganalisis gas yang berbeda: LAG-1 (baik jumlah HC dengan metana maupun HC yang lebih berat diukur), Iskatel (jumlah HC dengan metana) dan SKR lidar (jumlah hidrokarbon diukur tanpa metana). Data yang diperoleh dari semua perangkat ini menunjukkan peningkatan tajam kandungan HC di atmosfer di atas ladang minyak dan gas.
Jarak hmm
Angka: 2. Konsentrasi hidrokarbon yang diukur dengan alat analisa gas yang berbeda
Jauh dari endapan, konsentrasi etana, propana dan butana tidak
melebihi 0,02 juta "1, metana - 1,7-2 juta" 1, tetapi saat kami mendekati bidang yang dieksplorasi, konsentrasi hidrokarbon yang lebih berat meningkat secara signifikan. Jadi, misalnya, di area ladang minyak di bagian hilir Sungai Vakh (titik 650 km pada Gambar 2), konsentrasi berikut diukur: jumlah HC 5,1 juta "1, etana - 1.0 juta "1, propana - 1,7 juta" 1, butana - 0,3 juta "1, dengan konsentrasi metana 2,1 juta" 1. Dengan demikian, dapat dilihat bahwa dengan variasi yang relatif kecil pada konsentrasi metana di atmosfer (1,5- 2.0 juta "1), nilai besar jumlah hidrokarbon di atas ladang minyak dan gas disebabkan oleh peningkatan konsentrasi hidrokarbon berat.
Pengujian yang dilakukan telah menunjukkan karakteristik kinerja yang baik dari gas analyzer LAG-1 dalam kondisi lapangan. Hasil yang diperoleh dengan bantuannya sesuai dengan hasil yang diperoleh pada sistem pengukuran lain selama pengukuran bersama, menunjukkan keandalannya. Penggunaan dua sumber laser (He-N dan CO2) dan spektrofon di dalam kompleks memungkinkan untuk mengukur konsentrasi berbagai gas atmosfer dan polusi. Yang terpenting, adalah mungkin untuk mengukur fraksi metana dan hidrokarbon yang lebih berat secara terpisah dalam campuran gas alam dan gas terkait. Hal ini memungkinkan kami untuk berharap penggunaan penganalisis gas yang diusulkan untuk mencari ladang minyak dan gas oleh lingkaran gas hidrokarbon yang keluar ke permukaan bumi, serta untuk analisis operasional fraksi gas inti selama sumur eksplorasi. pengeboran.
Bab kedua menjelaskan sejumlah alat analisis gas saluran "Resonansi-3", "TRAL", "TRAL-3", "TRAL-ZM", "TRAL-4" yang beroperasi berdasarkan metode penyerapan diferensial (DP). Metode itu sendiri dijelaskan secara singkat.
Kekuatan sinyal optik yang diterima pada waktu I, dengan metode jejak DP untuk satu panjang gelombang X, dapat ditulis sebagai:
di mana Р- adalah daya optik yang ditransmisikan (W),
d - jarak (cm), c - kecepatan cahaya - 3 x 1010 cm / s,
P, (r) ~ efisiensi optik total dari transceiver,
<т,- поперечное сечение поглощения (см2),
A - menerima aperture (cm2),
a (g) - koefisien atenuasi (cm "1),
I, adalah sudut padat hamburan balik target (lih "1),
/ "adalah indeks panjang gelombang, / \u003d / dan 2, untuk panjang gelombang pada serapan maksimum dan minimum, N0 adalah konsentrasi gas (cm" 3).
Untuk dua panjang gelombang dekat, memang benar:
Kemudian konsentrasi gas rata-rata dalam volume yang diselidiki dapat dinyatakan sebagai berikut, begitu juga dengan lidar (LIDAR - singkatan dari kata Inggris Light Detection and Ranging), yang memberikan informasi dengan resolusi ruang-waktu untuk mempelajari konsentrasi MGM di atmosfer. Namun pada awal pengerjaan disertasi, dengan pengecualian yang jarang, semuanya dirancang untuk mengukur satu, maksimal dua komponen gas, atau merupakan model laboratorium, sedangkan untuk monitoring lingkungan membutuhkan analisis gas multikomponen pada rute yang cukup panjang (sepanjang jalan raya kota, wilayah perusahaan industri besar).
Seperti yang jelas dari literatur, wilayah spektrum IR-tengah paling cocok untuk keperluan analisis gas laser dari MGS. Pita getaran-rotasi utama dari kebanyakan IGM terletak di sini. Ada struktur yang diperbolehkan dan garis absorpsi individu dari hampir semua gas atmosfer kecuali yang sederhana, seperti N2, O2, H2.
Dalam rentang spektrum IR-menengah, seperti diketahui, laser molekuler yang sangat efisien memancarkan: CO, CO2, NH3, HF, DF, dan lainnya. Dari jumlah tersebut, yang paling andal dan dapat diterima untuk tujuan analisis gas adalah laser CO yang sangat efisien. Dalam laser ini, selain pita tradisional 9,6 dan 10,6 μm, pita sekuensial dapat dihasilkan yang dipindahkan relatif terhadap yang tradisional sekitar 1 cm "1, serta pita utama 4,3 μm dan garis emisi panas. Dan CO2 isotop untuk mendapatkan satu set garis penguat bergeser tambahan, kemudian kita mendapatkan satu set garis emisi yang kaya untuk sumber laser ini.
Konverter frekuensi parametrik yang sangat efisien baru-baru ini dikembangkan berdasarkan kristal nonlinier ZnGeP2, CdGeAs2, TlAsSe3, AgGaSe2, dll. Telah memungkinkan untuk memperoleh harmonik kedua, ketiga dan keempat dari radiasi laser COr, serta frekuensi perbedaan total dua CO2 dan laser lain, seperti CO, NH3, Erbium, dll. Untuk pembacaan laser IGM atmosfer, penting bahwa sebagian besar garis emisi ini, termasuk yang diubah, jatuh ke dalam jendela transparansi spektral atmosfer.
Jadi, laser CO2 molekuler bertekanan rendah yang dilengkapi dengan satu set konverter frekuensi parametrik nonthreshold yang terbuat dari ZnGeP2, CdGeAs2, TlAsSe3, dan AgGaSe2 memenuhi sebagian besar persyaratan berikut. Jarak antara garis yang berdekatan dari laser tersebut adalah sekitar 1,5-2 cm "1, yang menyederhanakan masalah pemilihan spektral dan menyetelnya dalam frekuensi. Menerapkan konversi dua tahap, misalnya, laser CO2 atau frekuensi perbedaan jumlah dari dua laser CO2, atau CO2 dan CO2 dan harmoniknya, sangat mungkin untuk sangat rapat, dengan langkah hingga 10 ^ cm "1, mencakup kisaran dari 2 hingga 17 mikron. Posisi pusat garis emisi laser pompa dan lebar spektral yang agak sempit (2x 10 "3 cm" 1) disediakan oleh parameter fisik media aktif. Posisi pusat garis, dan akibatnya, posisi garis emisi dari frekuensi yang dikonversi diketahui dengan akurasi yang sangat tinggi, yang menghilangkan masalah pemantauan karakteristik spektral. Efisiensi konverter tersebut cukup tinggi dan berkisar dari sepersepuluh hingga puluhan persen, yang memungkinkan untuk membuat penganalisis gas rute menggunakan objek topografi dan aerosol atmosfer sebagai reflektor.
Rentang spektral informatif lainnya untuk analisis gas laser adalah wilayah UV. Ada pita elektronik yang kuat dari banyak gas pencemar di sini. Berbeda dengan daerah IR tengah spektrum, pita serapan UV tidak selektif dan tumpang tindih. Perkembangan terbesar di daerah ini diperoleh dengan metode ozonometri karena adanya pita serapan ozon Hartley-Huggins di sini.
Kemampuan untuk melakukan pengukuran spasial ozon atmosfer dengan lidar pertama kali ditunjukkan pada tahun 1977 (Meger et al). Dan, sejak paruh kedua 1980-an, laser sounding ozonosphere telah menjadi fitur biasa di sejumlah observatorium. Ini memberikan informasi tentang distribusi vertikal ozon (VOD), berhasil melengkapi informasi yang diperoleh dengan metode kontak menggunakan ozonesondes dan roket, terutama di atas 30 km, di mana data ozonosondes menjadi tidak representatif.
Stasiun Siberian Lidar telah memantau ozonosfer sejak Desember 1988. Selama periode ini, teknik lidar terus ditingkatkan, teknik pengukuran dan pemrosesan data dikembangkan dan ditingkatkan, perangkat lunak untuk mengontrol proses pengukuran, paket perangkat lunak baru untuk memproses hasil yang diperoleh dibuat.
Objektif. Pengembangan alat analisa gas berdasarkan metode absorpsi diferensial untuk mendeteksi dan mengukur konsentrasi MGM dan menentukan distribusi spasial-temporal di atmosfer.
Selama pekerjaan, tugas-tugas berikut dilakukan;
Pengembangan penganalisis gas akustik-optik untuk analisis gas lokal dan mempelajari distribusi spasial hidrokarbon dan MGM lainnya;
Pengembangan dan pembuatan penganalisis gas laser jalur untuk mempelajari komposisi gas di atmosfer;
Pengembangan metode untuk mengukur IGM di atmosfer;
Pengujian skala penuh dari perangkat yang dikembangkan berdasarkan teknik pengukuran yang dikembangkan;
Studi tentang dinamika temporal IGM di wilayah yang bersih secara ekologis di negara yang tunduk pada beban antropogenik yang signifikan;
Pembuatan saluran untuk merasakan distribusi vertikal ozon (VRO) di stratosfer (berdasarkan cermin penerima 0 0,5 m) CJIC;
Memantau keadaan ozonosfer dalam pengukuran rutin; - studi tentang klimatologi ozonosfer, penilaian tren ozon di stratosfer.
Berikut ini diajukan untuk pembelaan:
1. Penganalisis gas optik-akustik laser yang dikembangkan "LAG-1", yang memungkinkan, berdasarkan teknik yang dikembangkan, untuk mengukur secara terpisah konsentrasi metana dan hidrokarbon yang lebih berat dalam campuran udara dari gas minyak alam dan terkait dengan rasio apa pun komponen dalam campuran.
2. Model penganalisis gas laser yang dikembangkan dari seri TRAL, dalam rentang spektrum IR menengah, memungkinkan untuk dengan cepat mengukur konsentrasi lebih dari 12 gas pada dan di bawah MPC pada jalur yang panjangnya hingga 2 km menggunakan cermin atau reflektor topografi.
3. Lidar ozon UV yang dibuat oleh penulis berdasarkan laser excimer XeC1, yang memberikan suara ozonosfer jangka panjang tanpa gangguan di atas Tomsk di stasiun lidar Siberia pada kisaran ketinggian 13-45 km dengan resolusi vertikal maksimum 100 m.
Kebaruan ilmiah dari karya tersebut.
Untuk pertama kalinya, panjang gelombang informatif dari suara IGM atmosfer dipilih dan diuji secara eksperimental;
Sejumlah alat analisa gas jalur-jalur bergerak dan stasioner yang unik berdasarkan laser molekuler merdu dengan konverter frekuensi radiasi telah dibuat, yang memungkinkan dilakukannya analisis multikomponen dengan cepat dari komposisi gas atmosfer;
Pengukuran variasi harian dalam konsentrasi MGM (seperti C2H4, NH3, H2O, CO2, CO, O3, N0, dll.) Di wilayah yang bersih secara ekologis di negara yang tunduk pada beban antropogenik yang signifikan telah dilakukan;
Fitur klimatologi ozonosfer di atas Tomsk ditentukan untuk pertama kalinya berdasarkan pengukuran reguler dan jangka panjang dari profil distribusi vertikal ozon;
Menggunakan hasil kerja. Data yang diperoleh dengan menggunakan penganalisis gas dipresentasikan ke Komite Olimpiade Uni Soviet pada 1979-1980. di Moskow, serta organisasi lingkungan di kota Tomsk, Kemerovo, Sofia (NRB). Mereka dimasukkan dalam laporan akhir IAO SB RAS tentang berbagai hibah RFBR, perjanjian, kontrak dan program, misalnya, "TOR" (penelitian ozon troposfer), "SATOR" (penelitian ozon stratosfer dan troposfer), dan lain-lain.
Nilai praktis dari pekerjaan tersebut adalah sebagai berikut:
Penganalisis gas akustik-optik telah dikembangkan, yang memungkinkan akurasi tinggi untuk mengukur konsentrasi jumlah hidrokarbon dari kelompok metana dan secara terpisah metana dan hidrokarbon yang lebih berat dalam campuran gas alam dan minyak bumi terkait. Dengan bantuan alat analisa gas ini, dimungkinkan untuk mencari minyak dan gas dengan lingkaran gas gas yang keluar ke permukaan bumi melalui ladang hidrokarbon;
Alat analisa gas rute yang dikembangkan memungkinkan untuk mengukur konsentrasi campuran gas pada dan di bawah MPC dari daftar luas gas pencemar prioritas;
Saluran untuk menyelidiki distribusi vertikal ozon CJIC telah dibuat berdasarkan cermin penerima 0 0,5 m, yang memungkinkan untuk mendapatkan profil VOD yang andal pada kisaran ketinggian 13-45 km dengan resolusi maksimum 100 m.
Keandalan hasil kerja dijamin oleh: - Kesesuaian yang baik dari data eksperimen yang diperoleh dengan menggunakan alat analisis gas yang dikembangkan dan data yang diperoleh secara bersamaan dengan metode lain, serta; data; diperoleh oleh penulis lain dalam kondisi iklim dan ekologi yang serupa;
Profil VOD kebetulan yang baik di stratosfer, diukur dengan data lidar, ozonosondes, serta pengukuran satelit dalam kesalahan perangkat yang digunakan | (lima belas%).
Kontribusi pribadi. Dalam karya ini, kami menggunakan hasil yang diperoleh baik oleh penulis secara pribadi maupun dengan partisipasi langsungnya. Ini adalah partisipasi penulis dalam pengembangan kedua skema umum untuk konstruksi penganalisis gas, serta rakitan dan blok optik-mekanis dan elektronik masing-masing, dalam melaksanakan pekerjaan instalasi dan komisioning. Perkembangan teknik pengukuran, tes dan ekspedisi ^ dan tes lapangan dari alat analisis gas yang dibuat, juga disajikan dalam pekerjaan, berlangsung dengan partisipasi langsung dari penulis. Sejak tahun 1996, hampir semua pengamatan keadaan ozonosfer di CJIC dilakukan dengan partisipasi aktif penulis. Dia menciptakan saluran CJIC yang lebih baik untuk merasakan distribusi vertikal ozon berdasarkan laser XeC1 dan cermin penerima 0 0,5 m. Analisis ulang data RFO yang dilakukan oleh penulis memungkinkan untuk menentukan keanehan klimatologi ozonosfer di atas Tomsk.
Proses pengembangan penganalisis gas, pengujian pengujiannya, pemrosesan hasil yang diperoleh selama pekerjaan ekspedisi, akumulasi jangka panjang dari sejumlah besar informasi empiris tentang BPO dan analisisnya tidak dapat dilakukan tanpa partisipasi aktif dari seluruh tim, tanpanya pekerjaan disertasi ini tidak akan terjadi. Pernyataan masalah dan kepemimpinan ilmiah pada berbagai tahap dilakukan oleh Anggota Koresponden. RAS Zuev V.V. dan Ph.D. Khmelnitsky G.S. Pengembangan alat analisis gas beserta pengujian dan uji lapangannya dilakukan bersama-sama dengan doktor ilmu fisika dan matematika. Andreev Yu.M., Doktor Fisika dan Matematika Geiko P.P., peneliti Shubin S.F. Pekerjaan teoretis tentang pencarian panjang gelombang informatif dilakukan oleh Ph.D. Mitselem A.A., Doktor Fisika dan Matematika Kataev M.Yu., Calon Mahasiswa Fisika dan Matematika Ptashnikom I.V., Ph.D. Romanovsky O.A. Pengukuran Lidar VOD dilakukan bersama dengan peneliti senior A.V. Nevzorov, Ph.D. Burlakov V.D. dan d.ph-m.s. Marichev V.N., dan pemrosesan data sounding bersama dengan Ph.D. Bondarenko SL. dan d.ph-m.s. Elnikov A.V.
Aprobasi pekerjaan. Hasil utama pada topik disertasi, diperoleh oleh penulis, diterbitkan dalam 11 artikel di jurnal peer-review ilmiah Rusia, dilaporkan di: VI, VII dan XI All-Union simposium pada laser dan suara akustik (Tomsk, 1980 , 1982, 1992); VI All-Union Symposium tentang Propagasi Radiasi Laser di Atmosfer (Tomsk, 1881); Konferensi All-Union XII tentang Optik Koheren dan Nonlinier (Moskow, 1985); V Sekolah Internasional: I Seminar tentang Quantum Electronics. Laser dan aplikasinya (NRB, Sunny Beach, 1988); Majelis Ilmiah ke-5 dari Asosiasi Internasional untuk Fisika dan Meteorologi Atmosfer (Reading, UK, 1989); Simposium XI tentang Laser dan Suara Akustik (Tomsk, 1992); Dan, Simposium antar-republik III, IV dan VI "Optik atmosfer dan lautan" (Tomsk, 1995, 1996, 1997 dan 1999); III Pertemuan Siberia tentang pemantauan iklim dan lingkungan (Tomsk, 1999); I Pertemuan antardaerah "Ekologi sungai Siberia dan Arktik" (Tomsk 1999); VII Simposium Internasional tentang Atmosfer dan Optik Kelautan (Tomsk 2000); VIII dan IX Simposium Internasional tentang Fisika Atmosfer dan Lautan serta Fisika Atmosfer (Tomsk 2001 dan 2002); 11 Lokakarya tentang Pengukuran Radiasi Atmosfer (Atlanta, AS 2001); IX Kelompok Kerja "Aerosol Siberia" (Tomsk 2002); Konferensi Laser Internasional 21 dan 22 (Quebec, Kanada, 2002, Matera, Italia 2004); II Konferensi internasional "Lingkungan dan ekologi Siberia, Timur Jauh dan Kutub Utara" (Tomsk 2003); Konferensi Internasional tentang Teknologi Optik untuk Penelitian Atmosfer, Kelautan dan Lingkungan (Beijing, Cina 2004).
Struktur dan ruang lingkup tesis. Karya disertasi terdiri dari pendahuluan, tiga bab dan kesimpulan. Volume tesis 116 halaman, berisi 36 gambar, 12 tabel. Daftar literatur bekas berisi 118 judul.
Kesimpulan tesis pada topik "Perangkat dan metode fisika eksperimental"
Kesimpulan
Dalam proses kerja disertasi, penulis sebagai bagian dari tim melakukan hal berikut:
Alat analisa gas akustik-optik untuk analisis gas lokal telah dikembangkan, dengan bantuannya studi tentang distribusi spasial -hidrokarbon (selama beberapa ekspedisi dengan kapal motor) di daerah di mana ladang minyak berada. Peningkatan terukur dalam kandungan hidrokarbon dalam sampel udara di area ladang minyak mengkonfirmasi hipotesis adanya lingkaran cahaya gas di atas ladang hidrokarbon dan prospek menggunakan alat analisa gas ini untuk mencari ladang minyak dan gas;
Sebuah kompleks penganalisis gas laser jalur yang beroperasi di wilayah IR spektrum dengan metode absorpsi diferensial dan memungkinkan untuk mengukur konsentrasi lebih dari 12 gas pada dan di bawah MPC telah dikembangkan dan dibuat;
Teknik mengukur IGM di atmosfer telah berhasil;
Tes skala penuh dari perangkat yang dikembangkan dilakukan;
Pasangan panjang gelombang informatif diuji secara eksperimental dan kesimpulan diambil tentang kesesuaiannya untuk tujuan analisis gas menurut MIS;
Studi tentang dinamika temporal IGM di wilayah yang bersih secara ekologis di negara yang memiliki beban antropogenik yang signifikan telah dilakukan;
Pengukuran perbandingan konsentrasi MGM dilakukan oleh penganalisis gas laser yang dikembangkan dan perangkat yang beroperasi berdasarkan metode standar, yang menunjukkan kesesuaian yang baik dari hasil yang diperoleh;
Saluran untuk menyelidiki distribusi ozon vertikal (VOD) di stratosfer (berdasarkan cermin penerima 0 0,5 m) CJIC telah dibuat, yang telah menyediakan profil VOD yang andal di Tomsk dalam jangka waktu yang lama, dikonfirmasi dalam kesepakatan yang baik dengan satelit dan data probe ozon. Hal ini memungkinkan dilakukannya studi klimatologi dan menilai tren ozon stratosfer, yang menunjukkan bahwa di stratosfer bawah pada ketinggian di bawah 26 km, perubahan intra-tahunan dalam konsentrasi ozon dicirikan oleh maksimum di musim semi dan minimum di musim gugur, dan di ketinggian di atas 26 km, pergeseran maksimum ke musim panas, dan minimum ke musim dingin .... Pada ketinggian 26 km, di area tempat jeda siklus berada, ozonosfer dibagi menjadi dua bagian: di bagian bawah, perilakunya ditentukan terutama oleh proses dinamis, dan di bagian atas, oleh proses fotokimia. Pertimbangan yang lebih rinci tentang variasi intra-tahunan di VOD memungkinkan untuk memilih poin-poin berikut: a) pada ketinggian 14 km, di mana, tampaknya, pengaruh fluktuasi ketinggian tropopause masih signifikan, maksimum terlokalisasi tidak diamati; b) dalam kisaran hingga 18 km inklusif, fluktuasi musim maksimum terjadi pada bulan Februari, dan dalam kisaran 20-26 km - pada bulan Maret; Kesesuaian terbesar antara variasi intra-tahunan di VOD dengan variasi TOC tahunan diamati pada kisaran ketinggian 20-24 km, terutama pada ketinggian 22 km. c) di semua ketinggian, tren BPO secara statistik tidak signifikan. Pada saat yang sama, di bagian bawah ozonosfer, mereka dicirikan oleh nilai-nilai yang sedikit negatif, dan di bagian atas, dengan nilai-nilai yang sangat positif. Di daerah lokalisasi ozon stratosfer maksimum 20 km), nilai tren negatif kecil (-0,32% per tahun). Hasil ini konsisten dengan tren TO yang tidak signifikan secara statistik (0,01 + 0,026% per tahun) selama periode enam tahun yang sama.
Daftar sumber disertasi dan abstrak dalam fisika, calon ilmu fisika dan matematika, Dolgiy, Sergei Ivanovich, Tomsk
1. Kuznetsov IE, Troitskaya TM Perlindungan cekungan udara dari kontaminasi zat berbahaya. - M .: Kimia, 1979. - 340 hal.
2. Bespamyatov GP, Bogushevskaya KK, dkk. Konsentrasi maksimum yang diizinkan dari zat berbahaya di udara dan air. Ed. Jalur ke-2 dan tambahkan. L .: Kimia, 1975. - S.455.
3. Detry J. Suasana harus bersih. M., 1973. - 379 hal.
4. Khrgian A. X. Fisika ozon atmosfer. L .: Gidrometeoizdat, 1973.-292 hal.
5. Bazhin N.M. Metana di atmosfer. // Jurnal pendidikan Soros, 2000. T. 6. No. 3.-С. 52-57.
6. Hinkley E.D., Melfi S.H. dkk. Pemantauan atmosfer dengan laser. - Berlin, Helidelberg, New-York: Springer-Verlag, 1976.-416 hal.
7. Omenetto H. Spektroskopi laser analitik. M., Mir 1982. 606 hal.
8. Schotland R.M. Deteksi profil vertikal gas atmosfer dengan menggunakan radar optik berbasis darat. // Proc. Simposium Ketiga tentang Penginderaan Jauh Lingkungan, Michigan: Ann, Arbor, AS, 1964. P. 215-224.
9. Uchino O., Maeda M., Hirono M. -Aplikasi laser excimer untuk pengamatan laser-radar atmosfer atas // JEEE J. Qucnt Electr., 1979, V. QE 15, N 10, P. 10 S 4-1100.
10. Grant W.B., Hake R.D. Pengukuran jarak jauh SO2 dan O3 dengan teknik serapan diferensial // J. Appl. Phys. -1975.V. 46, No. 5.- Hal.3019-3024.
11. P. Khmelnitskiy GS Pendanaan gas di atmosfer dengan penyerapan molekul radiasi dari laser CO2 merdu. Dis. Cand. phys-mat. sains. - Tomsk. 1979. - 241 dtk.
12. Middleton W. E. K., Spilhaus A. F., // Instrumen Meteorologi, Univ. Toronto Ptress, Toronto, 1953 P.208.
13. Ku R. T., Hinkley E. D., dkk. Pemantauan jalur panjang karbon monoksida atmosfer dengan laser dioda merdu // Appl. Opt.-1975- V.14. No. 4, - Hlm. 854-861.
14. Hinkley E.D., Ku R.T., Nill K.W. et. Al. Pemantauan jalur panjang: instrumentasi tingkat lanjut dengan laser dioda merdu // Appl. Opt.-1976- V.15. N 7.- Hlm.1653-1655.
15. Samokhvalov IV, Sosnin A.B., Khmelnitsky G.S. dan lain-lain Penentuan konsentrasi beberapa gas pada jalur horizontal di atmosfer menggunakan laser CO2 yang dapat disetel. // Jurnal Spektroskopi Terapan, 1980. V.32. Isu 3. - S. 525-531.
16. Tindakan R.M., Pilon G.A. A Study of Tunable Laser Techniques untuk Remote Mapping of Specific Gas Constituents of the Atmosphere, Opto-elektronik 4, P. 141-153, (1972).
17. Byer R.L. Pengukuran Polusi Udara Jarak Jauh. // Optik dan Elektronik Kuantum 1975. V. 7. P. 147-177.
18. Asai K., Igarashi T. Deteksi Ozon dengan Absorpsi Diferensial Menggunakan Laser C02. // Opt. Bergalah. Electron., 7. P. 211-214, (1975).
19. Fredriksson K., Galle B., Nystrom K., Sistem Svanberg S. Lidar Diterapkan dalam Pemantauan Polusi Atmosfer. // Appl. Opt.18 P. 2998-3003 (1979).
20. Murray E.R., Hake R.D., dkk, - Pengukuran Uap Air Atmosfer dengan Sistem DIAL 10 Mikrometer. // Appl. Phys. Lett. 28. P. 542-543 (1976).
21. Wetkam C. Distribusi Hidrogen Klorida Dalam Plum Kapal Insinerasi: Pengembangan Sistem Pengukuran Baru, Limbah di Lautan. Vol 3, Wiley. 1981.
22. Husson N., Chedin A., Scott N.A. dkk. Bank Data Parameter Garis Spektroskopi GEISA. -Annales Geofisika. Fass. 2, Ser. A. (1986).
23. Rothman L. S., Gamache R., Goldman A. Et al. // Appl. Memilih. 1987 V.26. Nomor 19. -P. 4058-4097.
24. Butkevich V.I., Privalov V.E. Fitur penggunaan laser dalam pengukuran analitik presisi. // ZhPS, T. 49. No. 2. S. 183-201.
25. Philip L. Hanst. Pengukuran pencemaran udara dengan spektroskopi serapan jalur panjang. // Proc. Magang kedua. Kongres udara bersih. Washington D. C., 6-11 Des 1970., NY-London 1971. P. 492-499.
26. Eugenio Zanzottera Diferensial absorpsi teknik lidar dalam penentuan jejak polutan dan parameter fisik atmosfer. // Kimia analitik, 1990, V. 21, masalah 4 P. 279-319.
27. Grasyuk A.3., Letokhov B.C., Lobko B.B. Laser IR molekuler dengan pemompaan laser resonan (ulasan). // Quantum elektronik, 1980. T. 7. No. 11.-S. 2261-2298.
28. Hinckley E. D., Neill C. V., Bloom F. A. Spektroskopi laser inframerah menggunakan laser merdu. / Spektroskopi laser atom dan molekul. -M .: Mir, 1979.S. 155-159.
29. Bertel I. M., Petukhov V. O., Trushin S. A., Churakov V.B. TEA COr-laser merdu di sepanjang garis getaran-rotasi dari pita ke-2 dari urutan. // Pracetak No. 262, Institut Fisika, BAN SSR, Minsk, 1982. -30 hal.
30. Killinger D.K., Menyuk N., DeFeo W.E. Penginderaan jauh CO menggunakan frekuensi dua kali lipat radiasi laser C02 // Apll. Phys. Lett. 1980. V. 36. P. 402-405.
31. Andreev Yu.M., Bochkov D.S., Voevodin V.G. dkk. Generasi harmonik kedua dari laser CO2 dalam kristal ZnGeP2. // Dalam buku: Tr. VII Simposium Semua Persatuan tentang Laser dan Suara Akustik di Atmosfer. 1982. - S 306-309.
32. Andreev Yu.M., Vedernikova T.V., Betin A.A. dkk. Konversi Radiasi Laser CO2 dan CO dalam Kristal ZnGeP2 ke Rentang Spektral 2,3-3,1 jx. // Sov. J. Quantum Electron., 15.-P. 1014-1015.
33. Andreev Yu.M., Geiko P.P., Zuev V.V. Konversi efisiensi tinggi Laser IR dengan ZnGeP2 dan CdGeAs2. // Buletin dari American Physical Society. 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., Konversi Frekuensi Laser CO2 dengan ZnGeP2. Nota Teknis NOAA ERL WPL-224. Laboratorium Propagasi Gelombang, Boulder, Colorado Juli 1992. 18 hal.
35. Andreev Yu. M., Geiko P.P. dkk. Sumber radiasi koheren yang menjanjikan untuk analisis gas laser dari atmosfer berdasarkan kristal Tl3AsSe3 nonlinier. // Optik dari atmosfer dan lautan, 1988. T. 1. No. 1. P. 126129.
36. Laser Wittemann W. CO2. Per. dari bahasa Inggris Moskow: Mir, 1990. 360 hal.
37. Megie G. dkk. Profil vertikal ozon stratosfer oleh suara lidar dari tanah. // Alam 1977. V. 270. No. 5635. Hal 349-351.
38. V. V. Zuev. Pemantauan optik jarak jauh dari perubahan stratosfer. Tomsk: MGP "Rasko", 2000. - 140 hal.
39. Bell F.G. Generasi gelombang optp-akustik. // Philos. Mag., 1881. V. 11. -H.510-513
40. Veingerov M.L. // DAN SSSR, 1938, T. 19, hlm.687.
41. Kerr E.L., Atwood J.G. Spektrofon absorptivitas yang diterangi laser: metode untuk pengukuran absorptivitas lemah pada panjang gelombang laser. // Appl. Opt, 1968. V. 7. No. 5.-P. 915-921.
42. Ageev B.G., Kapitanov V.A. Ponomarev Yu.N. Alat analisa gas laser akustik-optik. // Sains untuk produksi 2003. № 9. P. 30-31.
43. Dewey C.F., Opto-fcoustic-spectroscopy. // Teknik Optik, 1974, V. 3, P. 483-488.
44. Goldan P., Goto K. Sistem resonansi akustik untuk mendeteksi penyerapan infra merah tingkat rendah dalam polutan atmosfer. // J. Appl. Fis., 1974. V. 45. No. 10. -P. 4350-4355.
45. Max E., Rosengren L.G. Karakteristik detektor konsentrasi gas optoakustik resonan. // 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. Metode optik-akustik dalam spektroskopi laser gas molekuler. -Novosibirsk: Nauka, 1984,128 hal.
47. Shumate M. S., Menzies R. T., Margolis J. S., Rozengren L. G. Penyerapan uap air dari radiasi laser karbondioksida. // Appl. Opt., 1976. V. 15. No. 10. -P. 2480-2488.
48. Sidorenko A.B., Sidorenko C.A. // Dalam buku: Masalah modern geologi dan geokimia bahan bakar fosil. Moskow: Nauka, 1973.
49. Sidorenko A.V., Sidorenko S.A., Tenyakov V.A. Proses metamorf sedimen dan "pernapasan gas" dari kerak bumi. // DAN, 1978. T. 238. No. 3-С.705-708.
50. Bartashevich OV, Zorkin JI.M., Zubaykin C.JI. Prinsip dasar dan hasil penerapan metode geokimia langsung dalam pencarian lapangan minyak dan gas. / Metode autokimia untuk mencari endapan bijih. Essentuki, 1976 - S. 41-47.
51. Biryulin V.P., Golubev O.A., Mironov V.D., Popov A.I. dan lainnya.Prospeksi geokimia endapan gas dan minyak dengan metode spektrometri laser jarak jauh metana di udara permukaan. // Geologi minyak dan gas, 1979. No. 4.-P. 27-31.
52. Kolobashkin V.M., Popov A.I. Kemungkinan baru dari metode penyerapan laser. // Alam, 1981. №7. S.50-57.
53. Mironov V.D., Popov A.I., Sadchikhin A.V. // ZhPS, T. 33. Masalah. 4. 1980. -S. 742-744.
54. Dolgiy S.I., Ippolitov I.I., Khmelnitsky G.S., Shubin S.F. Penganalisis gas optik-akustik resonansi laser untuk memantau kotoran atmosfer yang kecil. // L .: Pembuatan instrumen 1982, T. XXV. Nomor 12 S. 71-74.
55. Antipov A.B., Antipov B.A., Sapozhnikova V.A. Koefisien absorsi beberapa hidrokarbon di daerah pembangkitan laser dengan A \u003d 3,39 μm. // Izvestiya VUZov, Fisika. 1974. No. 2. S. 157-158.
56. Makushkin Yu.S., Micel A.A., Khmelnitsky G.S. Diagnostik penyerapan laser gas atmosfer. // ZhPS, 1981. T. 35. Masalah. 5. S 785-791.
57. Andreev Yu.M., Zuev V.V., Romanovsky O.A. Sistem otomatis untuk menemukan panjang gelombang optimal untuk analisis gas dengan penyerapan diferensial. // M .: VINITI, 1988. No. 4059-B88 62 S.
58. Ensiklopedia kimia. M .: Ensiklopedia Soviet, 1988. Volume 1.1. C.476-477
59. Pengukuran Analisis Persamaan R. M. Lidar Yang Memungkinkan untuk Target Durasi Pulsa Laser Seumur Hidup, dan Periode Integrasi Detektor. // Appl. Opt. 16 1092, 1977.
60. Krekov G.M., Rakhimov R.F. Model lokasi optik aerosol kontinental. Novosibirsk: Sains 1982.-196 hal.
61. A. I. Karapuzikov, I. V. Ptashnik. dan lainnya, Kemungkinan menggunakan helikopter lidar berdasarkan radiasi laser CO2 TEA yang dapat disetel untuk mendeteksi kebocoran metana. // Optik atmosfer dan samudra, 1999. V. 12. No. 4.-P. 364-371.
62. Rothe K.W., Walther N., Werner J. Pengukuran penyerapan-diferensial dengan laser IR dan UV frekuensi tetap // Penginderaan Jauh Laser dan Optik. Killinger
63. D. K. Dan Mooradian A., Eds., Springer-Verlag, Berlin, 1983.
64. Murray E.R. Pengukuran jarak jauh gas menggunakan laser inframerah yang dapat disetel secara terpisah. // Opt. Eng. 16, 284.1977.
65. Prokhorov A.M., Bunkin F.M., Gochelashvili KS, Shishov V.I. Propagasi radiasi laser di media acak yang tidak homogen. // UFN, 1974. - S. 415-456.
66. Gurvich A.S., Kon A.I. dkk. Radiasi laser dalam atmosfer yang bergejolak. Moskow: Nauka, 1976. - S. 279.
67. Sedin V.Ya., Khmelevtsov S.S. Perluasan berkas cahaya terfokus dalam atmosfer yang bergejolak. // Izv. Universitas. Ser. Fisika, 1972. No. 3. -S.91-96.
68. Selby J.E.A. dan McClatchey R.A. Transmisi atmosfer dari 0,25 hingga 28,5 malam: kode komputer LOWTRAN 2. // Tek. Rep, AFCRL-TR-72-0745, 1972.
69. Zuev V. E. Penyebaran gelombang tampak dan inframerah di atmosfer. -M .: Sov. Radio, 1970. - 496 hal.
70. McClatchey R.A., Benedict W.S., Clough S.A. dkk. / AFCRL Kompilasi parameter garis penyerapan atmosfer. // Tek. Rep, AFCRL-TR-73-0096, ERP No. 434, 1973.
71. Rothman L.S., Gamache R.R., Goldman F. dkk. Database HITRAN: edisi 1986. // Appl. Memilih. 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. dkk. Analisis gas multikomponen laser dari lapisan permukaan atmosfer. // Optik dari atmosfer dan lautan, 1992. T. 2. No. 6.-P.611-634.
73. Dolgiy S.I., Kudinova L.P., Mitsel A.A., Khmelnitsky G. S., Shubin S.F. Suatu sistem untuk menentukan konsentrasi gas dengan menggunakan laser merdu dalam CO2. / Sistem untuk otomatisasi eksperimen dalam optik atmosfer. - Tomsk, 1980. - S.67-78.
74. Zharov V.P., Letokhov B.C. Spektroskopi akustik-optik laser. -M. Science, 1984.-320 hal.
75. Andreev Yu.M., Voevodin V.G., Gribenyukov A.I. dkk. Penganalisis gas penelusuran berdasarkan laser CO2 yang dapat disetel dengan pengganda frekuensi. // ZhPS 1987. T. 47. No. 1. - P. 15-20.
76. Dolgiy SI, Khmelnitsky G.S., Shubin SF. Analisis gas jarak jauh di atmosfer menggunakan laser CO2 yang disetel secara diskrit. // Proses: Metode absorpsi laser untuk menganalisis konsentrasi mikro gas. - M .: Energoatomizdat, 1984. - S. 121-130.
77. Tikhonov A.N., Arsenin V.Ya. Metode untuk memecahkan masalah yang tidak biasa. Moskow: Nauka, 1974, 351 hal.
78. Dolgiy S.I., | Zuev V.V., Smirnov S.V., Shubin S.F. Alat analisa gas laser IR untuk penyerapan diferensial "TRAL-3" dan "TRAL-ZM". // Atmospheric Optics, 1991. T. 4. No. 5.- P. 515-521.
79. Kimia. Panduan Referensi. Per. dengan dia. JI .: Kimia. 1975. - 575 hal.
80. Dolgiy S.I., Ippolitov I.I., Khmelnitsky G.S., Shubin S.F. Studi tentang atenuasi radiasi laser di atmosfer Olimpiade Moskow. / Abstrak Simposium All-Union VII tentang penyebaran radiasi laser di atmosfer. Tomsk 1981. - Hlm. 62-65.
81. Elnikov A.B., Zuev V.B., Bondarenko S.L. Rekonstruksi profil ozon stratosfer dari data pembacaan lidar // Optik atmosfer dan lautan. 2000. T. 13. No. 12 S. 1112-1118.
82. Claude H., Sconenborn F., Streinbrecht W., pengukuran ozon Vandersee W. DIAL di Met. Obs. Hohenpei | 3enberg: Klimatologi dan tren. // Proc. ILRC ke-17 Abst. kertas, Sendai, Jepang. 1994. P. 413-415 Sendai, Jepang. L994. P.
83. Desain sistem optik McDermit untuk sistem lidar stratosfer // Appl. Memilih. 1995 V34. N. 27 P. 6201-6210.
84. Godin S., David C., Lakoste A.M. Pengukuran ozon sistematis dan aerosol lidar di OHP (44 ° LU, 6 ° BT) dan Dumont // Abstr. Makalah ILRC ke-17. Sendai, Jepang. Hlm 409-412. 1994.
85. Stefanutti L., Castagnoli F., DelGuasta M. dkk. Depolarisasi empat panjang gelombang menghamburkan LIDAR untuk pemantauan IISC // Appl. Phys. 1992, V. B55. HAL.13-17.
86. Tikhomirov A.A. Klasifikasi metode perangkat keras untuk mengompresi rentang dinamis sinyal lidar dan kriteria evaluasinya // Tez. Laporan VII All-Union. Simp. Oleh laz. Dan akustik. Menyelidiki. Suasana. -Tomsk: TF SO AN SSSR, 1982. - S 173-176.
87. Pravdin B.JL, Zuev V.V., Nevzorov A.V. Kontrol elektronik dari perolehan PMT selama pendaftaran sinyal lidar dengan rentang dinamis besar dalam mode penghitungan foton // Optik atmosfer dan samudra, 1996. V. 9. No. 12 P. 1612-1614.
88. Zuev V.V., Elnikov A.V., Burlakov V.D. Suara laser dari atmosfer tengah. / Di bawah redaksi umum Corr. RAS V.V. Zueva Tomsk: RASKO, 2002.-352 hal.
89. Flee J. A., Morris J. R., Feit M. D. // Appl. Phys. 1976. V.10.No. 1.-Hlm.129-139
90. Astafurov V.G., Micel A.A. Fitur pemrosesan sinyal lidar saat mengukur kotoran gas atmosfer. // Autometri. 1984. No. 1.-C. 92-97.
91. Marichev V.N., Zuev V.V., Khryapov P.A., Dolgiy S.I., Nevzorov A.V. Pengamatan Lidar tentang distribusi vertikal ozon stratosfer di atas Tomsk pada musim panas 1998 // Atmospheric Optics, 1999. V. 12. No. 5, - hlm. 428-433.
92. Elnikov AV, Zuev VV, dkk Hasil pertama pengamatan lidar ozon stratosfer di Siberia Barat. // Atmospheric Optics, 1989. V.2. Nomor 9. S. 995-996.
93. Dolgiy S.I., Zuev V.V., Marichev V.N., Sharabarin E.V. Hasil percobaan penginderaan lidar ozon dan suhu di troposfer dan stratosfer. // Atmospheric Optics, 1996. T. 9. No. 8- P. 11231126,.
94. SI panjang ,. Zuev V.V., Marichev V.N., Kataev M.Yu., Nevzorov A.V. Perluasan kemampuan fungsional DP-lidar. Dalam buku: Abstracts of the IV Symposium // Optics of the atmosphere and ocean, 1997, hal 210.
95. Zuev V.V., Kataev M.Yu., Mitsel A.A. Pengolahan data ozon stratosfer yang diperoleh dengan lidar UV-DP dua gelombang: kode komputer SOUND. // Izvestiya vuzov Physics, №11 per. No. 2672-B94. 25-an.
96. Bondaernko C.JI. Rekonstruksi karakteristik lapisan ozon stratosfer dari data eksperimen. Skripsi Ph.D. - Tomsk, 2002. - 136 hal.
97. Nakane N., Sugimoto N., Hayashida S., Sagano Ya., Dan Matsui I. Lima tahun pengamatan lidar profil vertikal ozon stratosfer di NIES, Tsukuba (36 ° LU, 140 ° BT) // Proc 17- th ILRC Sendai, Jepang. 1994.-Hlm.416-419.
98. Krueger A.J., Minzner R.A. Model ozon lintang tengah untuk atmosfer standar AS tahun 1976. // 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. Klimatologi dan tren ozon stratosfer di atas Tomsk. // Optik dari atmosfer dan lautan, 2004. Vol.17.№4.-С. 312-316.
100. Zuev V.V., Dolgii S.I., Bondarenko S.L., Bondarenko M.A. Perbandingan profil sebaran ozon vertikal yang diperoleh di Stasiun Siberian Lidar terhadap data satelit. // Prosiding SPIE. 2004, V. 5743. Hlm 498-501.
101. Zuev V.V., Dolgii S.I., Nevzorov A.V. Klimatologi dan trend ozon stratosfer di atas Tomsk untuk periode 1996-2003. // Abstrak Konferensi Radar Laser Internasional ke-22. Matera, Italia. Hlm 585-589.
102. Zuev V.V., Dolgii S.I., Nevzorov A.V. DIAL Pengukuran Ozon Stratosfer di Atas Tomsk Untuk Periode 1996-2003 (Klimatologi dan Tren)., // Dalam: Abstrak dari ICOT 2004 Beijing, Cina., 2004. P 12.
103. Dolgiy S.I. Hasil studi komprehensif pencemaran di kawasan ladang minyak dan gas. // Prosiding Pertemuan Antar-I "Ekologi dataran banjir sungai Siberia dan Arktik" / di bawah. ed. Zueva V.V. Novosibirsk: Rumah penerbitan SB RAS, 1999. S. 171-176.
104. Zuev V.V., Zuev V.E., Burlakov V.D., Dolgiy S.I., Elnikov A.V., Nevzorov A.V. Klimatologi aerosol dan ozon stratosfer menurut pengamatan jangka panjang di stasiun lidar Siberia. // Optik dari atmosfer dan lautan, 2003. T16. No. 8. P.719-724.
105. Burlakov V.D., Dolgiy S.I., Nevzorov A.V. Modernisasi kompleks pengukuran stasiun lidar Siberia // Optics of the atmosphere and ocean, 2004. Vol. 17. No. 10. Hlm.857-864.
106. V. V. Zuev, S. I. Dolgiy. Klimatologi dan tren ozon stratosfer di atas Tomsk. // Prosiding Konferensi Internasional II “Lingkungan dan Ekologi Siberia, Timur Jauh dan Arktik (EESFEA-2003) Tomsk, 2003. T. 1.-P. 74.
107. Shvartsev SL., Savichev O. G. dan lain-lain Studi ekologi dan geokimia yang kompleks tentang perairan sungai. Obi. // Prosiding pertemuan antar-I "Ekologi sungai Siberia dan Arktik". Tomsk, 1999. - S. 110-115.
108. Belitskaya E.A., Guznyaeva M.Yu. dan kotoran organik lainnya di perairan Middle Ob. // Prosiding pertemuan antar-I "Ekologi sungai Siberia dan Arktik". Tomsk, 1999. - S. 122-129.
Penganalisis gas laser yang sangat sensitif dirancang untuk menganalisis kandungan gas pengotor dalam sampel udara. Elemen utama dari penganalisis gas: laser pandu gelombang CO 2, sel optoakustik resonan, dan komputer, perpustakaannya berisi informasi tentang garis absorpsi 37 gas. Informasi tentang batas deteksi gas oleh gas analyzer yang dikembangkan disajikan. Batas deteksi amonia dengan kesalahan 15% adalah 0,015 ppb.
Kebutuhan untuk pemantauan konstan kandungan di udara sejumlah besar polutan di area yang luas dengan biaya dana dan tenaga kerja yang wajar menetapkan tugas untuk melengkapi layanan pemantauan lingkungan dengan penganalisis gas yang memenuhi persyaratan berikut: 1) deteksi ambang batas pada tingkat konsentrasi maksimum yang diizinkan dari zat yang dianalisis; 2) selektivitas tinggi dalam kaitannya dengan zat asing; 3) analisis multi komponen; 4) kecepatan tinggi (waktu siklus pengukuran singkat saat mengambil satu sampel), yang memberikan kemampuan untuk bekerja dalam gerakan dan respons yang relatif cepat untuk melebihi tingkat konsentrasi yang diberikan; 5) pengukuran terus menerus selama 2-4 jam untuk menentukan luas area yang terkontaminasi.
Metode yang ada untuk mendeteksi gas dapat dibagi secara kondisional menjadi metode tradisional (non-spektroskopi) dan optik (spektroskopi). Makalah ini mencantumkan keuntungan dan kerugian metode tradisional utama dari sudut pandang penerapannya untuk analisis pengotor gas dari komposisi kompleks di udara.
Metode spektroskopi, perkembangan pesat yang ditentukan oleh karakteristik unik laser, memungkinkan untuk menghilangkan kelemahan utama dari perangkat tradisional dan memberikan kecepatan, sensitivitas, selektivitas, dan kontinuitas analisis yang diperlukan. Dalam kebanyakan kasus, untuk mendeteksi polusi udara dengan metode spektroskopi, daerah spektral IR tengah digunakan, di mana pita getaran utama dari sebagian besar molekul terkonsentrasi. Wilayah yang terlihat dan UV kurang informatif dalam hal ini.
Tempat khusus dalam keluarga penganalisis gas laser IR ditempati oleh perangkat dengan laser CO 2. Laser ini tahan lama, andal, dan mudah digunakan serta dapat mendeteksi lebih dari 100 gas.
Berikut ini penjelasan tentang penganalisis gas (prototipe) yang memenuhi persyaratan di atas. Laser CO 2 pandu gelombang digunakan sebagai sumber radiasi, dan sel optoakustik resonan (RSA) adalah elemen sensitif. Metode akustik-optik didasarkan pada registrasi gelombang suara yang tereksitasi dalam gas setelah penyerapan radiasi laser termodulasi amplitudo di ROA. Tekanan suara, yang sebanding dengan daya serap tertentu, direkam oleh mikrofon. Diagram blok penganalisis gas ditunjukkan pada Gambar. 3.1. Radiasi laser CO 2 termodulasi mengenai unit tuning panjang gelombang. Unit ini adalah kisi difraksi yang memungkinkan Anda menyetel panjang gelombang radiasi dalam kisaran 9,22-10,76 mikron dan mendapatkan 84 garis laser. Selanjutnya, radiasi diarahkan melalui sistem cermin ke dalam volume sensitif ROA, dimana gas yang menyerap radiasi yang masuk dicatat. Energi radiasi yang diserap meningkatkan suhu gas. Panas yang dilepaskan pada sumbu sel ditransfer terutama melalui konveksi ke dinding sel. Radiasi termodulasi menyebabkan perubahan yang sesuai pada suhu dan tekanan gas. Perubahan tekanan dirasakan oleh membran mikrofon kapasitif, yang mengarah pada munculnya sinyal listrik berkala, yang frekuensinya sama dengan frekuensi modulasi radiasi.
Gambar 3.1. Diagram blok penganalisis gas
Gambar 3, 2 menunjukkan sketsa rongga internal r.o.a.a. Ini dibentuk oleh tiga volume aktif silinder: volume 1 dan 2 terletak secara simetris dengan diameter 20 mm dan volume internal 3 dengan diameter 10 mm. Jendela saluran masuk 4 dan saluran keluar 5 terbuat dari bahan BaF 2. Mikrofon dipasang di bagian bawah sel dan dihubungkan ke volume aktif melalui lubang 6 dengan diameter 24 mm.
Gambar 3.2 Rongga bagian dalam sel optik-akustik resonan. 1, 2 - volume eksternal, 3 - volume internal. 4, 5 - jendela input dan output, 6 - lubang mikrofon
Resonansi optik "yang disebabkan oleh penyerapan radiasi laser oleh gas, dalam kondisi normal muncul pada frekuensi modulasi 3,4 kHz, dan sinyal latar belakang karena penyerapan radiasi oleh jendela ROA maksimum pada frekuensi 3,0 kHz. Q faktor dalam kedua kasus adalah\u003e 20 Desain ROA semacam itu memberikan sensitivitas tinggi dari penganalisis gas dan memungkinkan untuk menekan kontribusi sinyal latar belakang menggunakan penguat selektif frekuensi dan fase. Pada saat yang sama, ROA tidak sensitif terhadap gangguan akustik eksternal. sinyal listrik saat mengukur konsentrasi ditentukan oleh rumus
dengan K adalah konstanta sel, adalah daya radiasi laser, b adalah koefisien penyerapan radiasi oleh gas, dan C adalah konsentrasi gas.
Sebelum dilakukan pengukuran, gas analyzer dikalibrasi menggunakan span gas (CO2) dengan konsentrasi yang telah diketahui.
Amplitudo diukur dengan menggunakan papan ADC yang disertakan dalam komputer Advantech. Komputer yang sama digunakan untuk mengontrol unit penyetelan panjang gelombang dan menghitung konsentrasi gas yang diukur.
Program pemrosesan informasi yang dikembangkan ditujukan untuk analisis kualitatif dan kuantitatif campuran gas dengan spektrum penyerapan radiasi laser dari laser CO 2. Informasi awal untuk program ini adalah spektrum absorpsi terukur dari campuran gas yang dianalisis. Contoh spektrum absorpsi nitrogen, diplot dalam satuan ketebalan optik, ditunjukkan pada Gambar 3.3a, dan Gambar 3.3b menunjukkan contoh spektrum absorpsi dengan sedikit penambahan amonia.
Gambar 3.3 Spektrum absorpsi: a - nitrogen pada tekanan atmosfer normal, b - campuran nitrogen-amonia.
Ketebalan optik, dimana
Cm -1 atm -1 - koefisien absorpsi gas ke-j pada garis laser ke-i, С i, atm - konsentrasi gas ke-j, i Pustaka komponen yang mungkin berisi nilai koefisien absorpsi dan merupakan matriks dimensi (N x m). Jumlah gas yang disajikan di perpustakaan adalah m \u003d 37, jumlah maksimum garis laser yang dianalisis adalah N - 84 (21 garis di setiap cabang laser CO 2). Dalam proses analisis spektrum campuran gas yang dibentuk oleh tumpang tindih garis absorpsi gas yang termasuk dalam campuran, program memilih dari perpustakaan komponen yang memungkinkan deskripsi terbaik dari spektrum campuran. Salah satu kriteria utama untuk mencari himpunan komponen terbaik adalah nilai simpangan kuadrat akar rata-rata antara spektrum eksperimental dan spektrum serapan yang ditemukan sebagai hasil dari iterasi: Algoritme untuk memecahkan masalah invers - mencari konsentrasi dari spektrum absorpsi yang diketahui - dibangun menggunakan metode eliminasi Gaussian dan metode regularisasi Tikhonov, dan kesulitan utama dalam implementasinya terkait dengan estimasi stabilitas solusi (the elemen matriks koefisien absorpsi, serta suku-suku bebasnya, hanya diketahui kira-kira), memilih parameter regularisasi dan mencari kriteria untuk menghentikan proses iteratif. Tabel menunjukkan informasi yang dihitung tentang batas deteksi beberapa gas yang dijelaskan oleh penganalisis gas: Batas deteksi, ppb Batas deteksi, ppb Akrolein Monometil hidrazin Perkloroetilen t-butanol Propanol Vinyl klorida Sulfur heksafluorida Trichloroethylene Hexachlorobutadiene Hydrazine Dimetilhidrazin 1.1-difluoroethylene Isopropana Metil kloroform Etil asetat Metil etil keton Karakteristik operasi utama dari penganalisis gas: jumlah gas yang diukur secara bersamaan - hingga 6; waktu pengukuran 2 menit; batas deteksi untuk karbon dioksida 0,3 ppm: batas deteksi untuk amonia 0,015 ppb: kisaran pengukuran untuk karbon dioksida 1 ppm -10%; rentang pengukuran amonia 0,05 ppb-5 ppm; kesalahan pengukuran 15%; tegangan suplai 220V ± 10%. [ satu] Penganalisis gas laser Yokogawa TDLS200 didasarkan pada metode spektroskopi serapan laser dioda. Perangkat ini dicirikan oleh selektivitas tinggi dan stabilitas jangka panjang, menyediakan analisis gas in-situ yang cepat (langsung di dalam pipa) dengan komponen korosif atau suhu tinggi. Apa prinsip pengoperasian perangkat ini dan di mana ia menemukan aplikasinya? Penganalisis gas laser menggunakan Spektroskopi Penyerapan Laser Dioda Merdu (TDLAS) dan memiliki kemampuan untuk mengukur konsentrasi dalam gas sampel dengan selektivitas tinggi dan tanpa kontak langsung - hanya dengan menyinari gas sampel dengan radiasi dioda laser yang dapat disetel. Dengan cara ini, pengukuran in-situ yang cepat dan akurat dapat dilakukan dalam proses pipa buang dalam berbagai kondisi. Misalnya, pengukuran dapat dilakukan pada suhu hingga 1500 ° C, serta di lingkungan dengan tekanan denyut. Penganalisis gas laser Yokogawa TDLS200 juga dapat mengukur keberadaan gas korosif atau beracun. Penganalisis memberikan sinyal analitis yang akurat dengan waktu respons yang cepat untuk memaksimalkan hasil produk, efisiensi energi, dan keamanan dalam berbagai proses manufaktur. Kesederhanaan desain (tidak ada bagian yang bergerak dan tidak ada komponen umur terbatas) memastikan pengoperasian dan pengoperasian dengan sedikit atau tanpa perawatan. Penganalisis gas laser Yokogawa TDLS200 adalah jenis baru penganalisis gas laser yang digunakan untuk pengukuran industri. Penggunaan metode integrasi area puncak menghilangkan kesalahan pengukuran yang disebabkan oleh perubahan tekanan dan adanya gas lain dalam sampel. Ini juga memungkinkan penentuan konsentrasi komponen gas yang akurat, bahkan saat mengubah suhu dan indikator lainnya. Artikel ini memberikan gambaran umum tentang penganalisis gas laser TDLS200, fungsi dan prinsip pengukurannya, dan juga mempertimbangkan contoh penerapannya. Penganalisis gas memiliki unit radiasi dan unit deteksi, yang biasanya ditempatkan berlawanan satu sama lain pada sisi yang berlawanan (di seberang) saluran gas yang dilalui aliran gas proses. Opsi serupa digunakan untuk saluran gas dengan lebar hingga 20 m. Jendela optik memisahkan bagian dalam penganalisis dari media yang diukur. Radiasi laser semikonduktor melewati jendela optik unit radiasi, gas terukur, jendela optik unit pendeteksi dan mencapai fotodetektor. Detektor foto mendaftarkan sinar laser dan mengubah energinya menjadi sinyal listrik. Perangkat komputasi unit radiasi menentukan spektrum penyerapan dari komponen yang diukur, menghitung area puncak spektrum, mengubahnya menjadi konsentrasi komponen dan mengeluarkannya sebagai sinyal analog 4 ... 20 mA. Mekanisme penyetelan memiliki desain bergelombang, yang membuatnya lebih mudah untuk menyesuaikan sudut sumbu optik, sekaligus menjaga kekencangan pipa, yang terutama penting untuk proses industri. Sambungan unit radiasi dan unit pendeteksi menggunakan perangkat penyesuaian sumbu optik menyederhanakan penyesuaian sumbu optik tidak hanya untuk konfigurasi standar (dua unit ditempatkan di kedua sisi pipa, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1), tetapi juga untuk opsi penginstalan lainnya. Solusi teknis ini memungkinkan Anda memilih metode pemasangan perangkat yang paling sesuai dengan komponen terukur dan desain teknologi proses, dan pada saat yang sama menjamin kondisi pengukuran yang optimal. TDLS200 menggunakan teknik spektroskopi serapan laser dioda (TDLAS). Metode ini didasarkan pada pengukuran spektrum serapan radiasi (inframerah / daerah inframerah dekat) yang merupakan karakteristik molekul zat akibat energi getaran dan rotasi dari transisi molekul dalam komponen yang diukur. Sumber radiasi untuk pembentukan spektrum adalah laser semikonduktor dengan lebar garis spektral yang sangat sempit. Spektrum absorpsi optik molekul dasar seperti O2, NH3, H2O, CO dan CO2 berkisar dari inframerah hingga inframerah dekat. Mengukur jumlah radiasi yang diserap pada panjang gelombang tertentu (kapasitas penyerapan spektral) memungkinkan untuk menghitung konsentrasi komponen yang diukur. Tidak seperti spektrometer resolusi rendah konvensional, TDLS200 menggunakan sinar laser dengan lebar garis spektral yang sangat sempit. Emitor adalah dioda laser merdu, yang panjang gelombangnya dapat diubah dengan menyesuaikan suhu laser dan arus eksitasi. Hal ini memungkinkan pengukuran puncak absorpsi tunggal dari beberapa spektrum. Jadi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6, satu puncak absorpsi dapat dipilih untuk pengukuran, yang tidak mengalami interferensi dari gas lain. Karena selektivitas panjang gelombangnya yang tinggi dan tidak adanya interferensi dari komponen lain dalam campuran gas, tidak diperlukan preparasi sampel tambahan, yang memungkinkan TDLS200 digunakan "in-situ" (langsung dalam proses). TDLS200 mengukur spektrum absorpsi terisolasi dari komponen campuran gas, bebas dari interferensi dari komponen yang mengganggu. Pengukuran dilakukan dengan menyapu panjang gelombang dioda laser merdu sepanjang puncak absorpsi tunggal dari komponen yang diukur. Meskipun spektrum absorpsi yang diukur oleh TDLS200 diisolasi dari komponen yang mengganggu, bentuk spektrum dapat berubah (efek ekspansi) tergantung pada suhu gas, tekanan gas, dan komponen lain yang ada dalam campuran gas. Untuk melakukan pengukuran dalam kondisi tersebut, diperlukan kompensasi. Penganalisis gas TDLS200 menyapu panjang gelombang laser semikonduktor di sepanjang garis absorpsi dari komponen yang diukur dan menghitung konsentrasinya dari daerah spektrum serapan dengan mengintegrasikan area puncak. Penganalisis gas Yokogawa TDLS200, karena pengukuran in-situ yang cepat (langsung di dalam pipa), dapat berhasil digunakan dalam proses teknis yang ada untuk pengaturan kecepatan tinggi, ketika sinyal yang diperlukan untuk kontrol proses, yang berisi pembacaan konsentrasi komponen , diumpankan langsung ke DCS, dan untuk kontrol status proses waktu nyata. Dengan cara ini, TDLS200 dapat membantu mengoptimalkan kinerja berbagai proses industri. Pada bagian ini kita akan melihat pengukuran konsentrasi sisa NH3 dalam gas buang. Perhatikan bahwa penggunaan TDLS200 untuk optimasi pembakaran telah dijelaskan di artikel lain oleh Yokogawa (3). Silakan lihat laporan ini untuk detailnya. Amonia (NH3) disuntikkan ke dalam gas buang untuk menghilangkan NOx (penghilangan nitrogen oksida dari gas buang), meningkatkan efisiensi pengumpul debu dan mencegah korosi. NH3 yang berlebihan meningkatkan biaya operasi dan sisa NH3, yang menyebabkan bau busuk. Oleh karena itu, jumlah NH3 dalam gas buang harus diukur, dimonitor dan dikontrol. Misalnya, proses DeNOx ACR (Selective Catalytic Reduction) digunakan dalam peralatan untuk membersihkan gas buang tungku pembakaran dari nitrogen oksida, di mana NOx direduksi menjadi N2 dan H2O menggunakan injeksi NH3 dan katalisis selektif dari proses reduksi, dan konsentrasi sisa NH3 (dalam urutan ppm) dalam gas buang diukur dalam waktu nyata. Alat ukur NH3 tradisional yang menggunakan metode pengukuran NOx tidak langsung (chemiluminescence dan metode ion-elektroda) memiliki waktu respons yang lama, memerlukan jalur pengambilan sampel termasuk pipa yang dipanaskan untuk menghindari adhesi NH3, dan akibatnya biaya perawatan yang tinggi untuk sistem pengukuran yang rumit tersebut. Di sisi lain, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8, penganalisis gas laser TDLS200 dipasang langsung ke pipa proses dan mengukur NH3 secara langsung, yang secara signifikan mengurangi waktu respons dan menyederhanakan pemeliharaan. Selain itu, sinyal analitik respons cepat konsentrasi NH3 dapat digunakan untuk mengontrol dan mengoptimalkan injeksi NH3. Selektivitas tinggi, waktu respons singkat, kemudahan perawatan, dicapai karena teknologi pengukuran yang digunakan dan desain penganalisis, memberikan kemungkinan penggunaannya dalam berbagai proses teknologi. Aplikasi tidak hanya mencakup pengukuran NH3 yang dibahas dalam artikel ini, tetapi juga penentuan CO dan O2 dalam pengoptimalan pembakaran, pengukuran sejumlah kecil air di pabrik elektrolisis, dll. Penggunaan alat analisis gas tersebut dapat memberikan kontribusi yang signifikan terhadap melestarikan lingkungan dan mengurangi biaya pengoperasian, berkat penggunaannya untuk pengendalian proses, dan tidak hanya untuk tujuan pemantauan. Kazuto Tamura, Yukihiko Takamatsu, Tomoyaki Nanko,
