Прозрачномер-газоанализатор

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Козлов Владимир Леонидович Кугейко Михаил Михайлович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(56)1523974 1, 1989.7676 1, 2006.3670 1, 2000.4655 1, 2002.1603254 1, 1990.1183269 1, 1985. КУГЕЙКО М.М. и др. Теория и методы оптико-физической диагностики неоднородных рассеивающих сред. Минск БГУ, 2003. - С. 156-159.(57) Прозрачномер-газоанализатор, характеризующийся тем, что содержит источник излучения в виде двухволнового лазера, оптически связанного через контролируемую среду с зеркалом, первый и второй приемники излучения, оптически связанные с заданными точками контролируемой среды, причем выход первого приемника через первый коммутатор соединен со входами четырех интеграторов первой группы, выходы которых соединены с соответствующими входами блока процессора выход второго приемника через второй коммутатор соединен со входами четырех интеграторов второй группы, выходы которых соединены с соответствующими входами блока процессора, входы управления коммутаторов соединены с первым и вторым выходами блока процессора, третий выход которого через блок питания соединен со входом двухволнового лазера причем блок процессора выполнен с возможностью определения концентрации газа Сх из выражения 1 (1 ,2 )1 ( 4 ,3 )2 (1 ,3 )2 ( 4 ,2 )1 16834 1 2013.02.28 где- дифференциальный коэффициент поглощения на длинах волн 1 и 2- длина контролируемой трассы 1(1,2), 1(4,3) - интенсивность рассеянного излучения на длине волны 1 в первой и второй граничных точках участка среды при прямом и обратном проходах импульсов соответственно 2(1,3), 2(4,2) - интенсивность рассеянного излучения на длине волны 2 во второй и первой граничных точках участка среды при прямом и обратном проходах импульсов соответственно 1(1,3), 1(4,2) - интенсивность рассеянного излучения на длине волны 1 во второй и первой граничных точках участка среды при прямом и обратном проходах импульсов соответственно 2(1,2), 2(4,3) - интенсивность рассеянного излучения на длине волны 2 в первой и второй граничных точках участка среды при прямом и обратном проходах импульсов соответственно 1, 4 - координата на оптической оси зондирования источника зондирующих импульсов прямого и обратного направлений соответственно. Изобретение относится к области контроля загрязнений окружающей среды, газового анализа и может использоваться для измерения дымности выбросов автомобилей, труб промышленных предприятий, концентрации газовых компонент и т.п. Известен измеритель прозрачности атмосферы 1, содержащий два лазера, два приемника излучения, вычислительный блок. Однако эта система не позволяет определять компонентный состав рассеивающей среды. Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство, реализующее способ измерения прозрачности рассеивающей среды 2, содержащее два лазера, два приемника излучения, принцип действия которого основан на посылке через участок газовой струи навстречу друг другу пучков зондирующего излучения и приеме под углом 90 к направлению зондирования рассеянного излучения. По значению интенсивности излучения определяется прозрачность участка струи. Недостатком этого устройства является ограниченная точность измерений, обусловленная неточным совмещением пучков зондирующего излучения, флуктуациями разностной частоты излучений, а также невозможность определять компонентный состав рассеивающей среды. Задача изобретения - повышение точности измерения коэффициента ослабления и расширение 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 источник излучения в виде двухволнового лазера, оптически связанный через контролируемую среду с зеркалом, первый и второй приемники излучения, оптически связанные с заданными точками контролируемой среды, причем выход первого приемника через первый коммутатор соединен с входами четырех интеграторов первой группы, выходы которых соединены с соответствующими входами блока процессора выход второго приемника через второй коммутатор соединен с входами четырех интеграторов второй группы, выходы которых соединены с соответствующими входами блока процессора, входы управления коммутаторов соединены с первым и вторым выходами блока процессора, третий выход которого через блок питания лазера соединен со входом двухволнового лазера причем блок процессора выполнен с возможностью определения концентрации газаиз выражения 2, 1 (1 ,3 )1 ( 4 ,2 )2 (1 ,2 )2 ( 4 ,3 )где- дифференциальный коэффициент поглощения на длинах волн 1 и 2- длина контролируемой трассы 1(1,2), 1(4,3) - интенсивность рассеянного излучения на длине волны 1 в первой и второй граничных точках участка среды при прямом и обратном проходах импульсов соответственно 2(1,3), 2(4,2) - интенсивность рассеянного излучения на длине волны 2 во второй и первой граничных точках участка среды при прямом и обратном проходах импульсов соответственно 1(1,3), 1(4,2) - интенсивность рассеянного излучения на длине волны 1 во второй и первой граничных точках участка среды при прямом и обратном проходах импульсов соответственно 2(1,2), 2(4,3) - интенсивность рассеянного излучения на длине волны 2 в первой и второй граничных точках участка среды при прямом и обратном проходах импульсов соответственно. Свойство, появляющееся у заявляемого объекта, - это повышение точности измерения коэффициента ослабления, обусловленное тем, что два зондирующих сигнала генерируются в одной активной области лазера, поэтому обеспечиваются совмещение оптических осей зондирующих сигналов и более высокая стабильность разностной частоты зондирующих излучений. Расширение функциональных возможностей заключается в обеспечении возможности одновременно с измерением коэффициента ослабления измерять концентрацию газовых компонент в контролируемой среде. Сущность изобретения поясняется с помощью фигуры, на которой представлена функциональная схема прозрачномера-газоанализатора на двухволновом лазере. Устройство содержит двухволновой лазер 1, блок питания лазера 2, зеркало 3, первый приемник излучения 4, второй приемник излучения 5, первый коммутатор 6, второй коммутатор 7,интеграторы 8-15, блок процессора 16. 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 12 достигает значений 10-90 нм. Устройство работает следующим образом. Через исследуемую среду двухволновым лазером 1 посылается импульсное зондирующее излучение на длине волны 1. Излучение,рассеянное в т. 2 под некоторым углом , величина которого 1(1,2), регистрируется приемником 4 и с помощью коммутатора 6 поступает на интегратор 8. Излучение, рассеянное в т. 3 под углом , величина которого 1(1,3), регистрируется приемником 5 и с помощью коммутатора 7 поступает на интегратор 12. Затем зондирующее излучение отражается от зеркала 3 и осуществляет обратный проход через исследуемую среду. На приемниках 4 и 5 регистрируются значения сигналов 1(4,2) и 1(4,3), которые записываются в интеграторы 9 и 13 соответственно. На приемники 4 и 5 рассеянное излучение из-за разных длин трасс будет поступать в разные моменты времени, поэтому имеется возможность с помощью коммутаторов записывать величины каждого из зарегистрированных сигналов в свой интегратор. Для величин сигналов при прямом проходе среды на длине волны 1, рассеянных под угломк направлению посылки в точках 2 и 3, можно записать следующие выражения 16834 1 2013.02.28 1(1,2)11(2)1(1,2)1(2,5),1(1,3)21(3)1(1,2)1(2,3)1(3,6),где 1, 2 - аппаратурные константы приемников 4 и 5 соответственно 1 - мощность излучения на длине волны 1 при прямом проходе, 5, 6 - координаты местонахождения приемников 4 и 5 соответственно 1, 4 - координаты местонахождения соответственно лазера 1 и зеркала 3 2, 3 - координаты рассеивающих точек ф - коэффициент рассеяния под углом , 1(,)1(,)( - ) - прозрачности участков 16 на длине волны 1. При обратном проходе среды излучением на длине волны 1, отраженным от зеркала 3, величины сигналов, рассеянных под углом (180-) в точках 2 и 3, имеют вид 1(4,2)12180-(2)1(3,4)1(2,3)1(2,5),1(4,3)22180-(3)1(3,4)1(3,6),где 2 - мощность излучения на длине волны 1 при обратном проходе. Отношение сигналов, рассеянных в точке 2, равно 1 ( 2 )1 ( 1 ,2 )( ,) 11 1 2. 1 ( 4 ,2 ) 2180( 3 )1 ( 3 ,4 )1 ( 2 ,3 ) Последнее выражение можно записать следующим образом(1)111(2,3),где 11(1,2) / 1(4,2)11(1,2) / 21(3,4) 1(2) / 180-(2) 1(2,3)1(2,3)(3-2). Для сигналов, рассеянных в точке 3, (,)( ) (,) (,)21 1 313 1 1 2 1 2 3 . 1 ( 4 ,3 ) 2180( 3 )1 ( 3 ,4 ) Данное выражение можно записать в следующем виде(2)221(2,3),где 21(1,3) / 1(4,3) 2(3) / 180-(3). Решение системы линейных уравнений (1) и (2) относительно 1 равно В неоднородных рассеивающих средах для исключения влияния индикатрисы рассеяния , как следует из (3), необходимо регистрировать рассеяние под одним и тем же углом в каждой из рассеивающих точек, т.е. под углом /2. В этом случае выражение (3) имеет вид 1( ,)( ,)1 ( 2 ,3 )1 1 2 1 4 3.(5) 2( 32 ) 1 (1,3 )1 ( 4 ,2 ) Затем через исследуемую среду двухволновым лазером 1 посылается импульсное зондирующее излучение на длине волны 2. Как и в предыдущих измерениях, при прямом и обратном прохождениях т. 2, рассеянные излучения величиной 2(1,2) и 2(4,2) записываются в интеграторы 10 и 11 соответственно, а при прохождении т. 3 рассеянные излучения 2(1,3) и 2(4,3) записываются в интеграторы 14 и 15 соответственно. Аналогично приведенным выше выкладкам получаем коэффициент ослабления на длине волны 2(5, 6) определяются коэффициенты ослабления. Так как длины волн 1 и 2 незначительно различаются, то в отсутствие контролируемой газовой компоненты вычисление среднего значения коэффициентов ослабления 2(2,3) и 2(2,3) в соответствии с выражением( ,)2 ( 2 ,3 )(2 ,3 )1 2 3 2 обеспечит повышение точности измерений в 2 раз по сравнению с прототипом. Если разность 2(2,3) и 2(2,3) имеет большое значение, то 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(7) 1(1)(1),2(2)(2),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 (5, 6) с учетом выражений (7) относительнобудет иметь вид 1 (1 ,2 )1 ( 4 ,3 ) 1( ,)( ,)2 1 22 4 3(1 )( 2 )(1 )( 2 ) 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 1 (1 ,2 )1 ( 4 ,3 )2 (1 ,3 )2 ( 4 ,2 )1 где(1) - (2) - дифференциальный коэффициент поглощения,32 - длина контролируемой трассы. Как видно из формул (3-6, 8), 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 аппаратурных констант 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. 16834 1 2013.02.28 Так как два зондирующих сигнала генерируются в одной активной области лазера, то обеспечиваются 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. Источники информации Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.