Измеритель прозрачности и концентрации выбросов на двухволновом лазере

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПРОЗРАЧНОСТИ И КОНЦЕНТРАЦИИ ВЫБРОСОВ НА ДВУХВОЛНОВОМ ЛАЗЕРЕ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Козлов Владимир Леонидович Кугейко Михаил Михайлович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Измеритель прозрачности и концентрации выбросов на двухволновом лазере, содержащий блок питания лазера, соединенный с источником лазерного излучения, оптически связанным через контролируемую среду с первым и вторым приемниками излучения, выходы которых соединены с блоком процессора, отличающийся тем, что в качестве источника излучения использован двухволновой лазер, излучающий через оба зеркала резонатора, и в устройство введен блок перемещения лазера, выход которого соединен с входом перемещения лазера, а вход - с процессором вход блока питания лазера соединен с процессором. Полезная модель относится к области газового анализа и может использоваться для измерения прозрачности рассеивающих сред, дымности выбросов автомобилей, аэрозольных и газовых выбросов из труб промышленных предприятий и т.п. Известен измеритель оптических характеристик рассеивающих сред 1, содержащий источник излучения и два приемника излучения. Однако эта система не позволяет определять компонентный состав рассеивающей среды. 76612011.10.30 Наиболее близким к предлагаемому является устройство, реализующее базисный способ 2, содержащее источник света, два фотоприемника и блок сигналов, принцип измерений в котором заключается в одновременной посылке через исследуемый участок газовой струи двух пучков зондирующего излучения в противоположных направлениях. По значению интенсивности прошедшего излучения определяется прозрачность участка струи. Недостатками этого устройства являются ограниченная точность измерений, обусловленная неточным совмещением пучков излучения, а также невозможность определять компонентный состав рассеивающей среды. Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в повышении точности измерения коэффициента ослабления и расширении функциональных возможностей измерителя. Расширение функциональных возможностей заключается в обеспечении возможности одновременно измерять концентрацию газовых компонент в среде. Поставленная задача решается путем того, что в устройстве 2, содержащем блок питания лазера, соединенный с источником лазерного излучения, оптически связанным через контролируемую среду с первым и вторым приемниками излучения, выходы которых соединены с блоком процессора, в качестве источника излучения использован двухволновой лазер, излучающий через оба зеркала резонатора, и в устройство введен блок перемещения лазера, выход которого соединен с входом перемещения лазера, а вход - с процессором вход блока питания лазера соединен с процессором. Свойства, появляющиеся у заявляемого объекта, - это повышение точности измерения коэффициента ослабления, обусловленное тем, что, так как два зондирующих сигнала генерируются в одной активной области лазера, обеспечиваются совмещение оптических осей зондирующих сигналов и более высокая стабильность разностной частоты зондирующих излучений. Кроме того, повышение точности в 2 раз по сравнению с прототипом достигается за счет проведения измерений на двух различных длинах волн 1 и 2. Расширение функциональных возможностей заключается в обеспечении возможности одновременно с измерением прозрачности измерять концентрацию газовых компонент в контролируемой среде. Сущность полезной модели поясняется с помощью фигуры, на которой представлена функциональная схема базисного измерителя прозрачности на двухволновом лазере. Устройство содержит двухволновой лазер 1, первый приемник излучения 2, второй приемник излучения 3, блок перемещения лазера 4, блок питания лазера 5, блок процессора 6. В качестве источника излучения используется двухволновой полупроводниковый лазерный диод с асимметричной квантово-размерной гетероструктурой, обеспечивающий генерацию на двух различных оптических длинах волн 3. Переключение длины волны излучения в импульсе с 1 на 2 происходит при скачкообразном изменении амплитуды тока накачки в импульсе с 1 на 2. Длительность электрических импульсов и, соответственно, импульсов излучаемого света на разных длинах волн может быть сделана достаточно малой, менее единицы наносекунд. Разность длин волн генерации 1 - 2 достигает значений 10-90 нм. Устройство работает следующим образом. Двухволновой лазер имеет два полупрозрачных зеркала резонатора, поэтому оптическое излучение выводится в обе стороны. Через исследуемую среду двухволновым лазером 1 посылается импульсное зондирующее излучение на длине волны 1. При одновременной посылке лазером 1 световых потоков в противоположных направлениях, когда лазер находится на одной из границ участка (например, ), для величин потоков, зарегистрированных вторым приемником излучения 3(измерительного 11 ) и первым приемником излучения 2 (компенсационного 31 ) можно записать следующие выражения где 1 - аппаратурная константа приемника излучения 3, 011 - величина светового потока в направлении приемника 3, Т 1 - прозрачность участка среды на длине волны 1, 1 коэффициент ослабления на длине волны 1 где 2 - аппаратурная константа приемника излучения 2, 021 - величина светового потока в направлении приемника 2. Затем с помощью блока питания лазера 5, управляемого процессором 6, двухволновой лазер посылает через исследуемую среду импульсное зондирующее излучение на длине волны 2. Как и в предыдущем измерении, для величин потоков, зарегистрированных вторым приемником излучения 3 (измерительного 1 2 ) и первым приемником излучения 2(компенсационного 3 2 ) можно записать следующие выражения 1 2 ( ,)01 2 ( ,) 2 (,) 3 2 ( , 1 )2 02 22 (1 ,). Затем с помощью блока перемещения 4 лазер передвигается в точкуи посылает в исследуемую среду коллинеарно направлениям посылки из точкив противоположных направлениях импульсное зондирующее излучение на длине волны 1. Для величин измерительного потока 41 , регистрируемого приемником 2, и компенсационного 21 ,регистрируемого приемником 3, можно записать Затем лазер посылает через среду импульсное излучение на длине волны 2. Аналогично получаем выражения для 4 2 и 2 222 (,)101 2 2 (,) 4 2 (,)2 0222 (1 ,) 2 ( ,). Последние выражения можно представить в виде системы линейных уравнений Прозрачность же на участкена длине волны 1 равна 1/ 2 Аналогично получаем коэффициент ослабления и прозрачность на участкена длине волны 2 1/ 2 1 41 41 2 22 2 , 2 Если относительная разность полученных значений коэффициента ослабления на длинах волн 1 и 2 соответственно 1 и 2 близка к отношению шум/сигнал на приемниках излучения, то вычисление среднего значения 12 2 обеспечит повышение точности измерений в 2 раз по сравнению с прототипом. Если относительная разность 1 и 2 имеет большее значение, наблюдается зависимость коэффициента ослабления от длины волны, что можно использовать для измерения концентрации газа. Ширина спектральных линий поглощения различных газов составляет величину в доли и единицы нанометров, поэтому для контроля любого газа имеется возможность выбрать длины волн генерации лазера таким образом, чтобы одна длина волны находилась в центре полосы поглощения контролируемого газа, а другая - вне полосы поглощения. Для измерения концентрации газа длины волн генерации двухволнового лазера выбираются таким образом, чтобы длина волны 1 находилась в центре полосы поглощения контролируемого газа, а длина волны 2 - вне полосы поглощения газа. Представим коэффициенты ослабленияна длинах волн 1 и 2 в виде 1(1 )(1 ), 2( 2 )( 2 ),(5) где (1) - коэффициент поглощения исследуемой газовой компоненты на длине волны 1,(2) - коэффициент поглощения исследуемой газовой компоненты на длине волны 2,концентрация исследуемой газовой компоненты, (1), (2) - суммарные коэффициенты поглощения и рассеяния на 1, 2 всеми другими компонентами, присутствующими в среде. Решение системы уравнений (2-4) с учетом выражений (5) относительнобудет иметь вид 1 31 1 1 1 Так как длины волн генерации двухволнового лазера выбираются близкими по значению 12 с разницей в единицы нанометров, то (1 )( 2 )0, следовательно, искомая концентрация газа будет равна Как видно из формул (2-4), (6), выражения для оптических характеристик (, ) и концентрации газане содержат ни аппаратурных констант, ни энергий посылаемого излучения, ни параметров, отражающих влияние окружающей среды. Это означает, что отсутствует необходимость калибровки измерительной системы и установки аппаратур 4 76612011.10.30 ных константы ввиду их отсутствия в алгоритмах, которые получены без использования каких-либо допущений или пренебрежений этими константами. Устойчивость системы к изменениям аппаратурных констант означает и устойчивость к загрязнению оптики. Повышение точности измерения коэффициента ослабления в 2 раз по сравнению с прототипом достигается за счет проведения измерений на двух различных длинах волн 1 и 2. Так как два зондирующих сигнала генерируются в одной активной области лазера, то обеспечивается совмещение оптических осей зондирующих сигналов и более высокая стабильность разностной частоты зондирующих излучений, что также дает повышение точности измерения коэффициента ослабления по сравнению с прототипом. Расширение функциональных возможностей заключается в обеспечении возможности одновременно с измерением прозрачности измерять концентрацию газовых компонент в контролируемой среде. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.