Способ измерения резонансного поглощения газа

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 4(51) б 0 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НО ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕН ИТЕТ СССРЙ И ОТНРЫТИЙ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН оВ. К.ена Тр Мершавкаудового Красногоий институт ск о 1 пт Моп 1 тог 1 пд о 11 АтпюврЬег 1 с СавевЕпд. 1978, ч. 17,Нанпоп 1 с Ветест 1 оп в - Тчо Топе Модоч. 1329, И 4,трируют в момЕнты т начала полуперио го и второго сигнал мени, отстоящие очередования первочетверть периода.4. Способ по пп.чаю щийсяиз пол упер иодов, соотции второго сигнала,опорного напряже ияна 180,в на о в ка ом тем,ветствщих регнст ельно фазу Р, меняют ополни то(56) 1, Ке 1 д Х. ет а 1, РАтпЬ 1 епт Сопвептгатюпв оЬ 1 в 1 п 8 ТцпаЬе Ьазегв., ОрИ 7, р. 56-62,2. Савв 1 ду 1)., йе 1 д У.ч 1 й ТцпаЫе Оюде ЬаветЬтюп Арр 1. РЬув 1982р. 279-285.(54) (57) 1, СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РЕЗОНАНСНОГО ПОГЛОШЕНИЯ ГАЗА, преимущественно для определения концентрации газовой приме. си, включающий частотную модуляшю излучения лазера на частотах 1 и т ( т 1, колли. мацию излучения в два пучка, пропускание первого пучка через анализируемый газ, второго пучка - через образцовый газ с оптической плотностью 0,05 - 2 на резонансной длине волны, синхронную амплитудную демодуляцию прошедшего через газ излучения обоих пучков, причем для демодуляции первого пучка используют опорное напряжение частоты Р =дХ+Е,.,ьО, гдеи Р - целые числа, а- четное число, для демоду. ляции второго пучка используют опорное напряжение частоты Р стабилизацию частоты излу. чения лазера путем перестройки лазера сигна. ЯО 1155869 лом демодуляции второго пучка, регистрацию первого сигнала демодуляции первого пучка при Е = (2 и - 1)т 1, где ю - целое чис. ло,: 1,2, регистрацию второго сигнала де. модуляции первого пучка, вычитание второго сигнала из первого и определение величины резонансного поглощения анализируемого газа по разности первого и второго сигналов, о т. л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения чувствительности и упрощ ння измерения, второй сигнал демодуляции первого пучка регистрируют при Р =г2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю. щ и й с я тем, что вычитание второго сигнала из первого выполняют путем регистрации усредненного по времени сигнала демодуляции первого пучка при периодическом чередовании регистрации первого и вто рого сигналов, причем синхронно с измене. нием опорного напряжения частоты Е меняют на 180 фазу опорного напряжения частоты Р,.3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что усредненный сигнал регис вре.5 1 О 15 20 25 за 3 1Изобретение относится к лазерной линей -цой спектроскопии поглощения и можетнайти применение в химической технологии, метеорологии, для санитарного контроля атмосферы и в научных исследованиях, преимущественно в автоматизированномобнаружении и измерении концентрации при.мессй в газовый смесях (мониторинг),Наилучшую чувствительность и высокуюизбирательность обеспечивают способы, ос.цованцыс на методах модуляционной спект.роскопип поглощения. Наиболее полно преимущества спектрального газоанализа передиными физико-химическими методами реали.зуются прн использовании лазерной модуляционной спектроскопии с применениемчастотной модуляции лазерного излучения,Известен способ измерения резонансногопоглощения газов, состоящий в том, чтоизлучение лазера модулируют по частоте ипропускают через анализируемый газ, апоглощение регистрируют путем синхроннойамплитудной демодуляции прошедшего черезацалпзцруемый газ излучения 11 .Одако чувствительность обнаруженияпримесей по этому способу ограничена по.мехамн от амплитудной модуляции излучения лазеров, которая всегда сопровождаетчастотную модулящцо, Для уменьшениявлияния этих помех синхронную демодуляцию ведут це на частоте модуляции,а ца одной иэ ее четных гармоник, Этотприем уменьшает влияние помех, но неустраняет ее полностью,Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения резонансного поглощения газа, вклю.чающий частотную модуляцию излучениялазера ца частотахи 1( 1, коллимацию излучения в два пучка, пропускапие первого пучка через анализируемыйгаз, а второго пучка - через образцовыйгаэ с оптической плотностью 0,05 - 2 нарезонапсцой длине волны, синхронную амп.литудцую демодуляцию прошедшего черезгаз излучения обоих пучков, причем длядемодуляции первого пучка используютопорное напряжсцие частоты= ф+1 э ФОгде ,1 - целые числа, + - четное число, для демодуляции второго пуч.ка используют опорное напряжение часто.ты Г, стабилизацию несущей частоты из.лучеция лазера путем перестройки лазерасигналом демодуляции первого пучка, регистрацию первого .сигнала демодуляции первого пУчка пРи Е = йиэ - э 1 1 гДе 1 мцелое число,: 1,2, регистрацию второго сигнала дсмодуляшщ первого пучка, вычитанис второго сигнала иэ первого и оп 155869 2ределецие величины резонансного поглощения анализируемого газа по разности первого и второго сигналов. Та ким образом, измерение проводят в две стадии. На первой регистрируют сигнал, представляюцтий собой сумму истинного сигнала резонансного поглощения и ложного сигнала, обусловленного параэнтной амплитуднойй модуляцией излучения лазера. На второй стадии регистрируют величину ложного сигнала, для чего удаляют анализируемый газ 12/. Недостаток данного способа - необходи. мость откачки анализируемого газа. Эта операция занимает много времени, а для измерений на открытых трассах в атмосфере она невозможна. Кроме того, откачка газа иэ поглошающей кюветы сильно меняет рефракцию на трассе измеритель. ного пучка, что тоже вносит погрешность при измерении малых концентраций при. меси.Цель изобретения - повышение чувствительности и упрощение измерений.Цель достигается тем, что согласно способу, включающему частотную модуляцию излучения лазера на частотах Г,1 ис э коллимацию излучения в два пучка, пропускание первого пучка через анализируемый газ, второго пучка - через образцовый газ с оптической плотностью 0,05 - 2 на резонансной длине волны, синхрон ную амплитудную демодуляцию прошедше 35 го через гаэ излучения обоих пучков, причем для демодуляции первого пучка используют опорное напряжение частотыГ =.1 фГСЭ, гдеи 1 - целыечисла, а )+ - четное число, для демо. фО дуляции второго пучка используют опорное напряжение частоты -, стабилизацию частоты излучения лазера путем пере-.стройки лазера сигналом демодуляции второго пучка, регистрацию первого сигналадемодуляции первого пучка при Г :(2 ьэ -- 1) ;, где цэ - целое число, 1: 1,2,регистрацию второго сигнала демодуляциипервого пучка, вычитание второго сигналаиэ первого и определение величины резо панского поглощения анализиэуемого газапо разности первого и второго сигналов,второй сигнал демодуляции первого пучкарегистрируют при Г э = ГКроме того, вычитание второго сигнала 55 из первого выполняют путем регистрацииусредненного по времени сигнала демоду"ляции первого пучка при периодическомчередовании регистрации первого и второггг180 фазу опорного напряжения используемого для синхронной амплитудной демодуляции излучения в первом измеритель.ном пучке, Получаемый в этих условияхсигнал демодуляции первого пучка усред.няют по времеи за интервал, превышающий период перекпочения опорных напряжений. Эта процедура эквивалента ус.реднению разности сигналов, регистрируе.мых на первой и второй стадиях. Поэтому постоянную составляющую усредненногосигнала рассматривают как результат вычн.тания сигналов, уменьшенный в два раза.Для усреднения используют, например,ЕС-фильтр нижних частот,Выделение постоялой составляющей ус.редненного сигнала и подавление его пе.ременной составляющей осуществляют следуюгцим образом,Текушее значение усредненного сигналафиксируют в моменты времени, отстоящие от начала каждой стадии измеренийна половину длительности одного такта(стадии) измерений. Тем самым постоянную составляющую усредненного сигналафиксируют в те моменты времени, когдатекущее значение переменой составляющей(колебания практически треугольной формы) проходит через ноль. Пля этого используют, например, одно иэ устройств выборки.хранещя аналоговых сигналов.Для устранения погрешности, вызванной зависимостью глубины параэитной амп-литудной модуляции излучения лазера отрасстройки частоты, измерение выполняютследующим образом. В каждом втором из тактов измерешй, в которых используют Ед = Г, (т,е. фиксируют величину ложного сигнала), изменяют на 180 фазу опорного напряжещи часто. ты Га (т.е. опорного напряжения, подаваемого на синхронный усилитель и используемого для демодуляции второго (эталон. ноГо) пучка). За счет этого измерение ложного сигнала проводят попеременно при двух значениях расстройки лазера, сим .метришых по отношению к центру линиипоглощения. В этом случае как поправкуучитывают среднее арифметическое от двух5 значений ложного сигнала, зафиксированныхпри симметричных расстройках лазера, Этотприем наиболее эффективен тогда, когдаглубина паразитной амплитудной модуляцииизлучения лазера монотонно зависит отего расстройки в пределах линии резонансного поглощения.Для практической реализации предлагаемо.го способа измерения пригодны в первуюочередь инжекционные лазеры, частоту генерации которых перестраивают изменениемтока накачки, Для коммутации опорныхнапряжений используют, например, интегральные мультиплексоры, управляемые разрядными сигналами двоичного счетчика.о При реализации способа подавляется ложный сигнал, превосходяший истинный сиг.нал поглощения на 2 - 3 порядка, Этим обеспечивается повышение чувствительности такжена 2-3 порядка, На практике длительностьф 5 такта измерений следует выбирать в пределах 1 - 5 с, время усреднения сигнала должно превышать длительность такта не менеечем в 10 раз, длительность выборки усредненного сигнала не более 1 мс.30 Способ испытан на установке, содержащей диодный лазер на основе сульфида-селенида свинца, Испытания проводили на линиипоглощения окиси азота ИО (около 5,3 мкм),имеющей дублетную структуру, при этомдевиация частотной модуляции превышалавеличину расщепления дублета. Испытанияпроведены при, г, =1,2 и т: 1,2, Напрактике для измерений в газах при низких давлениях (до 1000 Па) Д 1 С следуетщ выбирать равными 1 илн 2; для измеренийпри атмосферном давлении , Р - "3,4 и1 м = 2, Использовать ,5 и я 3 не.целесообразно.Таким образом, предложенный способ поэляет повысить чувствительность и упроститьизмерения,1155869 Гигюою ставитель С. Бочнискийхред С,Мигунова Ко Редактор ктор Л. Пилипенко олуженк дписное Филиал тент", г. Ужгород, ул. Прое 29/36 Тираж 897 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж - 35, Раушская наб д. 4/5