На правах рукописи

ДОЛГИИ СЕРГЕИ ИВАНОВИЧ

ЛАЗЕРНЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ

01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Барнаул - 2004

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы Сибирского отделения РАН

Научные руководитель: - доктор физико-математических наук

профессор, член-корреспондент РАН Зуев Владимир Владимирович

Официальные оппоненты: - доктор физико-математических наук

профессор Суторихин Игорь Анатольевич. - кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник Прокопьев Владимир Егорович.

Ведущая организация: Томский политехнический университет

Защита состоится «15» декабря 2004г. в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.005.03 в Алтайском государственном университете по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного университета.

Ученый секретарь

диссертационного совета к.ф-м.н.

Д.Д. Рудер

Актуальность темы. Под влиянием различных факторов окружающая среда претерпевает изменения. Стремительное развитие промышленности, энергетики, сельского хозяйства и транспорта приводит к усилению антропогенного воздействия на окружающую среду. В атмосферу, гидросферу и литосферу поступает целый ряд вредных побочных продуктов в виде аэрозолей, газов, сточных бытовых и технических вод, нефтепродуктов и т.д., отрицательно влияющих на условия существования человека и биосферы в целом. Поэтому актуальной проблемой современности является контроль окружающей среды.

В настоящее время для контроля состояния атмосферы используются химические, тепловые, электрические, хроматографические, масс-спектральные и оптические газоанализаторы. Причем только последние являются бесконтактными, они не требуют отбора проб, который вносит дополнительные погрешности в измеряемую величину. Особое место среди оптических методов газоанализа принадлежит лазерным методам, которым присущи: высокая концентрационная чувствительность измерений и пространственное разрешение, дистанционность и быстродействие. В первую очередь это касается лазерных газоанализаторов, работающих на эффекте резонансного поглощения, который обладает наибольшим сечением взаимодействия оптического излучения с исследуемой средой, обеспечивающим максимальную чувствительность. Такие газоанализаторы реализуют, как правило, схему дифференциального поглощения. С развитием лазерной техники в нашей стране и за рубежом нашли развитие оптико-акустические (для локального газоанализа) и трассовые (дающие интегральные значения концентраций исследуемого газа) лазерные газоанализаторы, а также лидары (LIDAR- аббревиатура от английских слов Light Detection and Ranging), дающие информацию о концентрации газов в атмосфере с пространственным разрешением. Но на период начала работы над диссертацией, за редким исключением, все они являлись лабораторными макетами, рассчитанными на измерения одного, максимум двух газовых составляющих, в то время как экологический мониторинг требует проведения многокомпонентного газоанализа.

Все газовые составляющие атмосферы Земли кроме основных: азота, кислорода, и аргона, принято относить к так называемым малым газовым составляющим (МГС). Процентное содержание МГС в атмосфере мало, но рост их содержания за счет антропогенного фактора оказывает значительное влияние на многие процессы, происходящие в атмосфере.

Как явствует из литературных источников , для целей лазерного газоанализа МГС наиболее подходит средняя ИК область спектра. Здесь расположены основные колебательно-вращательные полосы большинства МГС, имеющие разрешенные структуры. В этой области излучают высокоэнергетичные молекулярные лазеры , в том числе надежные и эффективные СО и СО2-лазеры. Для этих лазеров разработаны высокоэффективные параметрические преобразователи частоты (ППЧ), которые позволяют достаточно плотно перекрыть линиями излучения тре-

буемый спектральный инт прозрачности атмо-

СИМИОТЕКА i

сферы. Другим информативным спектральным диапазоном для лазерного газоанализа является УФ область. Здесь расположены сильные электронные полосы многих загрязняющих газов. В отличие от средней ИК области спектра УФ полосы поглощения неселективны и взаимноперекрыты. Наибольшее развитие в этой области получил озонометрический метод благодаря наличию здесь полосы поглощения озона Хартли-Хаггинса.

Цель работы. Разработка на основе метода дифференциального поглощения газоанализаторов для обнаружения и измерения концентраций МГС и определения их пространственно-временного распределения в атмосфере.

В ходе работы выполнялись следующие задачи:

Создание канала зондирования вертикального распределения озона (ВРО) в стратосфере (на базе приемного зеркала 0 0,5 м) на Сибирской лидарной станции (СЛС);

Контроль состояния озоносферы в режиме рутинных измерений;

Исследование климатологии озоносферы, оценка трендов стратосферного озона.

На защиту выносятся:

2. Разработанные макеты лазерных газоанализаторов серии «ТРАЛ», в среднем ИК диапазоне спектра, позволяющие оперативно измерять концентрации более 12 газов на уровне и ниже ПДК на трассах длиной до 2 км с использованием зеркального или топографического рет-рорефлектора.

3. Созданный автором УФ озоновый лидар на базе эксимерного XeQ-лазера, обеспечивший бесперебойное многолетнее зондирование озоносферы над Томском на Сибирской лидарной станции в диапазоне высот 13-45 км с максимальным вертикальным разрешением 100 м.

Научная новизна работы:

Впервые выбраны и экспериментально проверены информативные длины волн зондирования МГС атмосферы с использованием ИК молекулярных лазеров и ППЧ;

Создан ряд уникальных мобильных и стационарных трассовых газоанализаторов, позволяющих оперативно проводить многокомпонентный анализ газового состава атмосферы;

Проведены измерения суточных ходов концентрации МГС (таких как С2Н4, NH3, Н2О, СО2, СО, Оз, N0 и др.) в экологически чистых и подверженных значительной антропогенной нагрузке регионах страны;

Использование результатов работы. Данные, полученные с помощью газоанализаторов, представлялись для Олимпийского комитета СССР в 1979-1980 г.г. по г. Москва, а также в природоохранные организации г.г. Томск, Кемерово, София (НРБ), вошли в итоговые отчеты ИОА СО РАН по различным грантам РФФИ, договорам, контрактам и программам, например "TOR" (тропосферные озоновые исследования), "SATOR" (стратосферные и тропосферные озоновые исследования) и другие.

Практическая ценность работы заключается в следующем: -разработан оптико-акустический газоанализатор, позволяющий с высокой точностью измерять концентрацию, как суммы углеводородов метановой группы, так и раздельно метана и более тяжелых углеводородов в смеси природного и попутного нефти газов. С помощью данного газоанализатора возможен поиск нефти и газа по газовым ореолам выходящих на поверхность земли газов над месторождениями углеводородов;

Разработанные трассовые газоанализаторы позволяют измерять концентрации МГС на уровне и ниже ПДК из широкого списка приоритетных загрязняющих газов;

Создаи канал зондирования вертикального распределения озона СЛС на базе зеркала 0 0,5 м, позволяющий получать достоверные профили ВРО в диапазоне высот 13-45 км с максимальным разрешением 100 м.

Достоверность результатов работы обеспечивается: -хорошим согласием экспериментальных данных, полученных с помощью разработанных газоанализаторов, и данных, полученных одновременно другими методами, а также; данных полученных другими авторами в аналогичных климатических и экологических условиях;

Хорошим совпадением профилей ВРО в стратосфере, измеренных лидаром, данных озонозондов, а также спутниковых измерений в пределах погрешности используемых устройств.

Апробация работы. Основные результаты по теме диссертации, полученные автором, опубликованы в 11 статьях в российских научных рецензируемых журналах, докладывались на: VI, VII и XI Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию (г. Томск, 1980, 1982, 1992 г.г.); VI Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (г. Томск 1881 г.); XII Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Москва, 1985 г.); V Международной школе-семинаре по квантовой электронике. Лазеры и их применение (НРБ, Солнечный берег, 1988 г.); 5 научной ассамблее Международной ассоциации атмосферной физики и метеорологии (Ридинг, Великобритания, 1989 г.); XI симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию (г. Томск, 1992 г.); И, III, IV и VI Межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1995, 1996, 1997 и 1999 гг.); III Сибирском совещании по климатоэкологическому мониторингу (Томск, 1999 г); I Межрегиональном совещании «Экология сибирских рек и Арктики» (Томск 1999 г.); VII Международном симпозиуме по оптике атмосферы и океана (Томск 2000 г.); VIII и IX Международных симпозиумах по оптике атмосферы и океана и атмосферной физике (Томск 2001 и 2002 гг.); 11 Рабочем совещании по атмосферным радиационным измерениям (Атланта, США 2001); IX Рабочей группы «Аэрозоли Сибири» (Томск 2002 г.); 21 и 22 Международной лазерной конференции (Квебек, Канада, 2002 г., Матера, Италия 2004 г.); II Международной конференции «Окружающая среда и экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики» (Томск 2003г.). Международной конференции по оптическим технологиям для исследований атмосферы, океана и окружающей среды (Пекин, Китай 2004 г.).

Личный вклад. В работе использованы результаты, полученные либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Это участие автора в разработке, как общих схем построения газоанализаторов, так и их отдельных оптико-механических и электронных узлов и блоков; проведении монтажных и пусконаладочных работ. Разработка методик измерений, тестовые и экспедиционные и полевые испытания созданных газоанализаторов, также представленные в работе, проходили при непосредственном участии автора. Начиная с 1996 года, практически все наблюдения за состоянием озоносферы на СЛС проходили при активном участии автора. Им был создан усовершенствованный канал зондирования вертикального распределения озона СЛС на базе XeQ-лазера и приемного зеркала 0 0,5 м. Проведенный автором реанализ данных ВРО позволил определить особенности климатологии озоносферы над Томском..

Разработка ИК газоанализаторов «ЛАГ-1» и «Резонанс-3» проводилась совместно с к.ф-м.н. Г.С. Хмельницким, остальные результаты получены под руководством член-корр. РАН, д.ф-м.н. В.В. Зуева при участии сотрудников его лаборатории на разных этапах работы.

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цели и задачи исследования, подчеркнуты научная новизна и практическая значимость, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дается описание оптико-акустического метода, блок-схемы оптико-акустического газоанализатора, предназначенного для раздельного измерения концентраций метана и других предельных углеводородов в пробах воздуха.

Многочисленные исследования показали наличие повышенных концентраций углеводородов (УВ) в атмосфере и пробах почвенного воздуха над районами месторождений нефти и газа. Авторы высказали мнение, что это обусловлено выходом УВ от залежи к дневной поверхности. На этих фактах основываются геохимические методы поиска месторождений нефти и газа. По данным процентный (по объему) состав природных газов месторождений бывшего СССР: метан 85-95%; этан до 7%; пропан до 5%; бутан до 2%; пентан и более тяжелые УВ до 0.4%. Состав нефтяных попутных газов нефтегазовых месторождений: метан до 80 %; этан до 20 %; пропан до 16%; изобутан + н-бутан до 6%; пентан и более тяжелые УВ до 0,9%. Таким образом, пентан и более тяжелые углеводороды вносят незначительный вклад в содержание газовых ореолов над нефтяными и газовыми месторождениями.

Рис. 1. Блок-схема газоанализатора 1- 2-СО г лазер с дифракционной решеткой;; 4, 5- Не-Ые-лазер; 7, 9, 10-формироватеяъ импульсов; 8-модулятор; 11- блок управления модулятора; 12-камера спектрофона; 13-мшрофон; 14-селективный усилитель; 15- АЦП!; 16-частотомер; 17-аттенюатор; 18-приемник; 19-электронные часы; 20-АЦП2; 21- блок управления; 22-микро-ЭВМ; 23-цифропечать.

При поиске месторождений нефти и газа по газовым ореолам выходящих над месторождениями на поверхность земли углеводородов большое значение имеет раздельное измерение концентрации метана и более тяжелых УВ, поскольку метан может быть продуктом не только глубинных структур, но и верхних биологически активных слоев и не всегда являться предвестником месторождения. Это характерно, например, для За-

падной Сибири, где метан может генерироваться в больших количествах болотами, расположенными на ее территории, в то время как тяжелые углеводороды в верхних слоях земной коры не генерируются . В работе анализируется возможность такого раздельного измерения, при условии, что в смесях содержание метана не более чем в 100 раз превосходит содержание других УВ.

Разработанный высокочувствительный оптико-акустический газоанализатор "ЛАГ-1" позволяет регистрировать концентрации У В с любым соотношением смеси метана и других УВ. Блок-схема газоанализатора представлена на рис. 1.

Давление газа в камере цилиндрического спектрофона (оптико-акустического детектора) при прохождении сквозь нее модулированного лазерного излучения на частоте модуляции излучения со, зависит от мощности лазерного излучения и, коэффициента поглощения исследуемого газа аор и добротности акустического резонатора на частоте модуляции Q(co) как:

5жг02[со2+ т1)"

где £)-диаметр цилиндра; тг время температурной релаксации спектрофона.

Пульсации давления преобразуются в электрический сигнал конденсаторным микрофоном типа MKD/MV 101 (13). Далее сигнал усиливается селективным усилителем типа У2-8 (14), оцифровывается АЦП1 (15) и поступает в систему обработки результатов. Прошедшее через камеру спектрофона лазерное излучение ослабляется аттенюатором (17), попадает на термоэлектрический приемник (18), оцифровывается АЦП2 (20) и также поступает в систему обработки результатов

Система производит вычисления коэффициентов поглощения:

и концентрации газа в случае превалирующего поглощения в единичной пинии:

/=/, 2, 3 ...п,

где л-коэффициент калибровки спектрофона; п -число измерений; £/с/ -сигнал с микрофона; -сигнал, пропорциональный мощности лазерного излучения; - фоновый сигнал спектрофона; массовый коэффициент поглощения исследуемым газом. Результат вычисления вместе с кодом длины волны и временем выводится на цифропечать.

В области перестройки Ш-№-лазера линия излучения на длине волны 1,15 мкм совпадает с линией поглощения водяным паром атмосферы, а линия 3.39 мкм-с полосами поглощения углеводородов метановой группы, начиная с самого метана. В области перестройки длины волны СО2-лазера (9,1-10,8 мкм) имеются полосы поглощения УВ, начиная с

этана, таким образом, проведя измерение концентраций суммы углеводородов и отдельно этана, пропана и бутана становится возможным определение концентрации метана. В таблице 1 представлен список этих газовых составляющих, их коэффициенты поглощения на соответствующих длинах волн излучения и СО2- лазеров:

Таблица 1

Газ Не-Ме Х.=3,39мкм а, см"1 атм"1 С02

А, мкм а, см"1 атм"1

Метан 9,0 - -

Этан 4,1 10,8847 0,5

Пропан 9,0 10,8352 0,45-0,5

Н-бутан 12,6 10,4762 0,9

Изобутан 13 10,8598 0,4

В силу того, что СО2-лазер имеет широкий диапазон перестройки, имеется возможность раздельного измерения этана, пропана, н-бутана, изобутана, этилена и бензола и других газовых составляющих. Из этой же таблицы видно, что коэффициенты поглощения углеводородами излучения СО2-лазера в 10-20 раз меньше, чем коэффициенты поглощения излучения Ш-№-лазера. Но для резонансного спектрофона чувствительность пропорциональна мощности проходящего через него лазерного излучения (формула 1), и тогда при мощности лазера типа ЛГ-126 на длине

волны 3,39 мкм 8 мВт, а СО2-лазера 10 вт данный газоанализатор имеет чувствительность в 100 раз более высокую по тяжелым УВ.

На рис.2 представлены результаты сравнительных измерений УВ полученных в ходе одной из экспедиций по реке Оби несколькими различными газоанализаторами: ЛАГ-1 (измерялись как сумма УВ с метаном, так и раздельно более тяжелые УВ), "Искатель" (измерялась сумма УВ с метаном) и СКР-лидаром (измерялась сумма УВ без метана). Данные, полученные всеми этими устройствами, говорят о резком увеличении содержания УВ в атмосфере над месторождениями нефти и газа.

Расстояние хм

Рис. 2. Концентрации углеводородов по измерениям разных газоанализаторов

Вдали от месторождений концентрации этана, пропана и бутана не

превышали 0,02 млн"1, метана-1,7-2 млн"1, но по мере приближения к разведанным месторождениям концентрация более тяжелых углеводородов значительно возрастала. Так, например, в районе месторождения нефти в низовьях реки Вах (точка 650 км на рис. 2.) были измерены следующие концентрации: сумма УВ 5,1 млн"1, этана- 1,0 млн"1, пропан-1,7 млн"1, бутана- 0,3 млн"1, при концентрации метана 2,1 млн"1. Таким образом, видно, что при относительно небольших вариациях концентрации метана в атмосфере (1,5-2,0 млн"1), большие значения суммы УВ над месторождениями нефти и газа обязаны увеличенным концентрациям тяжелых УВ.

Проведенные тестовые испытания показали хорошие эксплуатационные характеристики газоанализатора «ЛАГ-1» в полевых условиях. Результаты, полученные с его помощью, хорошо согласуются с результатами, полученными на других измерительных системах в ходе совместных измерений, показывают их достоверность. Применение в комплексе двух лазерных источников (Не-№ и СО2) и спектрофона позволяет измерить концентрацию широкого набора как атмосферных, так и загрязняющих атмосферу газов. Что особенно важно, имеется возможность раздельного измерения метановой фракции и более тяжелых углеводородов в смеси природного и попутного нефти газов. Это позволяет надеяться на применение предлагаемого газоанализатора для поиска месторождений нефти и газа по газовым ореолам выходящих на поверхность земли углеводородов, а также для оперативного анализа газовой фракции кернов при разведочном бурении скважин.

Во второй главе приводится описание ряда трассовых газоанализаторов «Резонанс-3», «ТРАЛ», «ТРАЛ-3», «ТРАЛ-ЗМ», «ТРАЛ-4» работающих на основе метода дифференциального поглощения (ДП) Кратко излагается сам метод.

Мощность оптического сигнала принимаемого во время I, при трассовом методе ДП для одной длине волны X может быть записана в виде :

где Р- - передаваемая оптическая мощность (Вт),

г - расстояние (см), с- скорость света - 3 х Ю10 см/с,

Р,(г)~ суммарная оптическая эффективность приемо-передатчика,

<т,- поперечное сечение поглощения (см2),

А- приемная апертура (см2),

а{г)- коэффициент ослабления (см"1),

Я,- телесный угол рассеяния назад мишени (ср"1),

/"- индекс длины волны, /=/ и 2, для длин волн в максимуме и минимуме поглощения, соответственно, N0- концентрация газа (см"3).

Для двух близких длин волн справедливо:

Тогда средняя концентрация газа в исследуемом объеме может быть выражена следующим образом , а также лидары (LIDAR- аббревиатура от английских слов Light Detection and Ranging) , дающие информацию с пространственно-временным разрешением для исследования концентрации МГС в атмосфере. Но на период начала работы над диссертацией, за редким исключением, все они были рассчитаны на измерения одного, максимум двух газовых составляющих, либо являлись лабораторными макетами, в то время как экологический мониторинг требует проведения многокомпонентного газоанализа на достаточно протяженных трассах (вдоль городских автострад, территории крупных промышленных предприятий).

Как явствует из литературных источников для целей лазерного газоанализа МГС наиболее подходит средняя ИК область спектра. Здесь расположены основные колебательно-вращательные полосы большинства МГС. Тут находятся разрешенные структуры и отдельные линии поглощения практически всех атмосферных газов за исключением простых, типа N2, О2, Н2.

В среднем ИК - диапазоне спектра, как известно, излучают высокоэффективные молекулярные лазеры: СО, СО2, NH3, HF, DF и другие . Из них наиболее надежными и приемлемыми для целей газоанализа являются высокоэффективные СОг-лазеры. В этих лазерах, кроме традиционных полос 9,6 и 10,6 мкм могут генерироваться секвенционные полосы, смещенные относительно традиционных примерно на 1 см"1, а также основная полоса 4,3 мкм и горячие линии излучения . Если учесть то, что возможно применение и изотопов СО2 для получения дополнительного набора смещенных линий генерации, то получим богатый набор линий излучения для этого лазерного источника.

Разработанные в последнее время высокоэффективные параметрические преобразователи частоты на основе нелинейных кристаллов ZnGeP2, CdGeAs2, TlAsSe3, AgGaSe2 и др. позволили получить вторые, третьи и четвертые гармоники излучений СОг-лазера, а также суммарно-разностные частоты двух СО2 и других лазеров, таких как СО, NH3, эрбиевого и т. д . Для лазерного зондирования атмосферных МГС важно то, что большинство этих линий излучения, включая и преобразованные, попадают в спектральные окна прозрачности атмосферы.

Так, молекулярный СО2 -лазер низкого давления, снабженный набором беспороговых параметрических преобразователей частоты из ZnGeP2, CdGeAs2, TlAsSe3 и AgGaSe2, удовлетворяет большинству из следующих предъявляемых требований. Расстояние между соседними линиями таких лазеров составляет примерно 1,5-2 см"1, что упрощает проблему спектральной селекции и перестройки их по частоте. Применяя двухкаскадное преобразование, например, СО2 лазера или суммарно-разностные частоты двух С02, или СО2 и СО- лазеров и их гармоник, удается очень плотно, с шагом до Ю^см"1 , перекрыть диапазон от 2 до 17 мкм. Положение центров линий излучения лазеров накачки и достаточно узкая спектральная ширина (2х 10"3 см"1) обеспечивается физическими параметрами активной среды . Положение центров линий, а, следовательно, и положение линий излучения преобразованных частот известны с очень высокой точностью, что снимает проблему контроля спектральных характеристик. Эффективность таких преобразователей достаточно высока и составляет от десятых долей до десятков процентов, что позволяет создавать трассовые газоанализаторы, использующие в качестве отражателей топографические объекты и аэрозоли атмосферы.

Другим информативным спектральным диапазоном для лазерного газоанализа является УФ область. Здесь расположены сильные электронные полосы многих загрязняющих газов. В отличие от средней ИК области спектра УФ полосы поглощения неселективны и взаимноперекрыты. Наибольшее развитие в этой области получил озонометрический метод благодаря наличию здесь полосы поглощения озона Хартли-Хаггинса.

Возможность выполнять пространственно-разрешенные измерения атмосферного озона лидаром была впервые показана в 1977 г. (Меже и др) . И, начиная со второй половины 80-х годов прошлого века, лазерное зондирование озоносферы приобрело регулярный характер на ряде обсерваторий. Оно дает информацию о вертикальном распределении озона (ВРО), удачно дополняя подобную информацию, получаемую контактным методом с помощью озонозондов и ракет, особенно выше 30 км, где данные озонозондов становятся нерепрезентативными.

На Сибирской лидарной станции наблюдения за озоносферой ведутся с декабря 1988 года. За этот период постоянно совершенствовалась лидарная техника, разрабатывалась и улучшалась методика измерений и обработки данных, создавалось программное обеспечение для управления процессом измерений, новые пакеты программ обработки полученных результатов .

Цель работы. Разработка на основе метода дифференциального поглощения газоанализаторов для обнаружения и измерения концентрации МГС и определения их пространственно-временного распределения в атмосфере.

В ходе работы выполнялись следующие задачи;

Разработка оптико-акустического газоанализатора для локального газоанализа и исследование с помощью него пространственного распределения углеводородов и других МГС;

Разработка и создание трассовых лазерных газоанализаторов для исследования газового состава атмосферы;

Разработка методик измерения МГС в атмосфере;

Натурные испытания разработанных устройств на основе разработанных методик измерения;

Исследование временной динамики МГС в экологически чистых и подверженных значительной антропогенной нагрузке регионах страны;

Создание канала зондирования вертикального распределения озона (ВРО) в стратосфере (на базе приемного зеркала 0 0,5 м) CJIC;

Контроль состояния озоносферы в режиме рутинных измерений; -исследование климатологии озоносферы, оценка трендов стратосферного озона.

На защиту выносятся:

1. Разработанный лазерный оптико-акустический газоанализатор «ЛАГ-1», позволяющий на базе созданной методики раздельно измерять концентрации метана и более тяжелых углеводородов в воздушных смесях природного и попутного нефти газов с любым соотношением компонент в смеси.

2. Разработанные макеты лазерных газоанализаторов серии «ТРАЛ», в среднем ИК диапазоне спектра, позволяющие оперативно измерять концентрации более 12 газов на уровне и ниже ПДК на трассах длиной до 2 км с использованием зеркального или топографического ретрорефлектора.

3. Созданный автором УФ озоновый лидар на базе эксимерного ХеС1-лазера, обеспечивший бесперебойное многолетнее зондирование озоносферы над Томском на Сибирской лидарной станции в диапазоне высот 13-45 км с максимальным вертикальным разрешением 100 м.

Научная новизна работы.

Впервые выбраны и экспериментально проверены информативные длины волн зондирования МГС атмосферы;

Создан ряд уникальных мобильных и стационарных трассовых газоанализаторов на основе перестраиваемых молекулярных лазеров с преобразователями частоты излучения, позволяющих оперативно проводить многокомпонентный анализ газового состава атмосферы;

Проведены измерения суточных ходов концентрации МГС (таких как С2Н4, NH3, Н2О, СО2, СО, О3, N0 и др.) в экологически чистых и подверженных значительной антропогенной нагрузке регионах страны;

Впервые определены климатологические особенности озоносферы над Томском на основе регулярных и долговременных измерений профилей вертикального распределения озона;

Использование результатов работы. Данные, полученные с помощью газоанализаторов, представлялись для Олимпийского комитета СССР в 19791980 г.г. по г. Москва, а также в природоохранные организации г.г. Томск, Кемерово, София (НРБ). Они вошли в итоговые отчеты ИОА СО РАН по различным грантам РФФИ, договорам, контрактам и программам, например, "TOR" (тропосферные озоновые исследования), "SATOR" (стратосферные и тропосферные озоновые исследования) и другие.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

Разработан оптико-акустический газоанализатор, позволяющий с высокой точностью измерять концентрацию, как суммы углеводородов метановой группы, так и раздельно метана и более тяжелых углеводородов в смеси природного и попутного нефти газов. С помощью данного газоанализатора возможен поиск нефти и газа по газовым ореолам выходящих на поверхность земли газов над месторождениями углеводородов;

Разработанные трассовые газоанализаторы позволяют измерять концентрации МГС на уровне и ниже ПДК из широкого списка приоритетных загрязняющих газов;

Создан канал зондирования вертикального распределения озона CJIC на базе приемного зеркала 0 0,5 м, позволяющий получать достоверные профили ВРО в диапазоне высот 13-45 км с максимальным разрешением 100 м.

Достоверность результатов работы обеспечивается: -хорошим согласием экспериментальных данных, полученных с помощью разработанных газоанализаторов, и данных, полученных одновременно другими методами, а также; данных; полученных другими авторами в аналогичных климатических и экологических условиях;

Хорошим совпадением профилей ВРО в стратосфере, измеренных лидаром, данных озонозондов, а также спутниковых измерений в пределах погрешности используемых устройств | (15 %).

Личный вклад. В работе использованы результаты, полученные либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Это участие автора в разработке, как общих схем построения газоанализаторов, так и их отдельных оптико-механических и электронных узлов и блоков, проведении монтажных и пусконаладочных работ. Разработка методик измерений, тестовые и экспедиционные^ и полевые испытания созданных газоанализаторов, также представленные в работе, проходили при непосредственном участии автора. Начиная с 1996 года, практически все наблюдения за состоянием озоносферы на CJIC проходили при активном участии автора. Им был создан усовершенствованный канал зондирования вертикального распределения озона CJIC на базе ХеС1-лазера и приемного зеркала 0 0,5 м. Проведенный автором реанализ данных ВРО позволил определить особенности климатологии озоносферы над Томском.

Процесс разработки газоанализаторов, их тестовые испытания, обработка результатов, полученных во время экспедиционных работ, многолетнее накопление такого большего объема эмпирической информации по ВРО и ее анализ не могли быть осуществлены без деятельного участия целого коллектива, без которого данная диссертационная работа не состоялась бы. Постановка задачи и научное руководство на разных этапах осуществлялись чл.-корр. РАН Зуевым В.В. и к.ф-м.н. Хмельницким Г.С. Разработка газоанализаторов и их тестовые и полевые испытания проводилась совместно с д.ф-м.н. Андреевым Ю.М., д.ф-м.н. Гейко П.П., научным сотрудником Шубиным С.Ф. Теоретические работы по поиску информативных длин волн были выполнены д.т.н. Мицелем А.А., д.ф-м.н Катаевым М.Ю., к.ф-м.н. Пташником И.В., к.ф-м.н. Романовским О.А. Лидарные измерения ВРО проводились совместно с.н.с. Невзоровым А.В., к.ф-м.н. Бурлаковым В.Д. и д.ф-м.н. Маричевым В.Н., а обработка данных зондирования совместно с к.ф-м.н. Бондаренко СЛ. и д.ф-м.н. Ельниковым А.В.

Апробация работы. Основные результаты по теме диссертации, полученные автором, опубликованы в 11 статьях в российских научных рецензируемых журналах, докладывались на: VI, VII и XI Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию (г. Томск, 1980, 1982, 1992 г.г.); VI Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (г. Томск 1881 г.); XII Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Москва, 1985 г.); V Международной школес: я семинаре по квантовой электронике. Лазеры и их применение (НРБ, Солнечный берег, 1988 г.); 5 научной ассамблее Международной ассоциации атмосферной физики и метеорологии (Ридинг, Великобритания, 1989 г.); XI симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию (г. Томск, 1992 г.); И, III, IV и VI Межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1995, 1996, 1997 и 1999 гг.); III Сибирском совещании по климатоэкологическому мониторингу (Томск, 1999 г); I Межрегиональном совещании «Экология сибирских рек и Арктики» (Томск 1999 г.); VII Международном симпозиуме по оптике атмосферы и океана (Томск 2000 г.); VIII и IX Международных симпозиумах по оптике атмосферы и океана и атмосферной физике (Томск 2001 и 2002 гг.); 11 Рабочем совещании по атмосферным радиационным измерениям (Атланта, США 2001); IX Рабочей группы «Аэрозоли Сибири» (Томск 2002 г.); 21 и 22 Международной лазерной конференции (Квебек, Канада, 2002 г., Матера, Италия 2004 г.); II Международной конференции «Окружающая среда и экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики» (Томск 2003г.); Международной конференции по оптическим технологиям для исследований атмосферы, океана и окружающей среды (Пекин, Китай 2004 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации 116 страниц, она содержит 36 рисунков, 12 таблиц. Список используемой литературы содержит 118 наименований.

Заключение диссертации по теме "Приборы и методы экспериментальной физики"

Заключение

В ходе выполнения диссертационной работы автором в составе коллектива сделано следующее:

Разработан оптико-акустический газоанализатор для локального газоанализа, с его помощью проведено исследование пространственного распределения -углеводородов (в ходе нескольких экспедиций на теплоходе) в районах, где расположены месторождения нефти. Измеренное увеличение содержания углеводородов в пробах воздуха в районе месторождений нефти подтвердило гипотезу о наличии газовых ореолов над месторождениями углеводородов и перспективность применения данного газоанализатора для поиска месторождений нефти и газа;

Разработан и создан комплекс трассовых лазерных газоанализаторов, работающих в ИК области спектра по методу дифференциального поглощения и позволяющих измерять концентрации более 12 газов на уровне и ниже ПДК;

Отработана методика измерения МГС в атмосфере;

Проведены натурные испытания разработанных устройств;

Экспериментально проверены пары информативных длин волн и сделаны выводы об их пригодности для целей газоанализа по МДП;

Выполнены исследования временной динамики МГС в экологически чистых и подверженных значительной антропогенной нагрузке регионах страны;

Проведены сравнительные измерения концентраций МГС разработанными лазерными газоанализаторами и приборами, работающими на основе стандартных методов, которые показали хорошее согласие полученных результатов;

Создан канал зондирования вертикального распределения озона (ВРО) в стратосфере (на базе приемного зеркала 0 0,5 м) CJIC, который обеспечил в течение многолетнего периода времени получение достоверных профилей ВРО над Томском, подтвержденных хорошо согласующихся со спутниковыми и озонозондовыми данными. Это позволило осуществить климатологические исследования и оценить тренды стратосферного озона, которые показали, что в нижней стратосфере на высотах ниже 26 км внутригодовые изменения концентраций озона характеризуются максимумом весной и минимумом осенью, а на высотах более 26 км максимум смещается на лето, а минимум - на зиму. На высоте 26 км, в районе которой расположена велопауза, озоносфера разделяется на две части: внизу ее поведение определяется в основном динамическими процессами, а вверху - фотохимическими. Более детальное рассмотрение внутригодовых изменений ВРО, позволяет выделить следующие моменты: а) на высоте 14 км, где, по-видимому, еще значительно влияние колебаний высоты тропопаузы, не наблюдается локализованный максимум; б) в диапазоне до 18 км включительно максимум сезонных колебаний приходится на февраль, а в диапазоне 20-26 км - на март.; наибольшее соответствие внутригодовых изменений ВРО с годовым ходом ОСО наблюдается в высотном диапазоне 20-24 км, особенно на высоте 22 км. в) на всех высотах тренды ВРО оказались статистически незначимыми. При этом в нижней части озоносферы они характеризуются слабоотрицательными значениями, а в верхней - слабоположительными. В районе локализации стратосферного озонового максимума 20 км) значения отрицательных трендов невелики (-0,32% в год). Эти результаты согласуются с незначительным статистически незначимым трендом ОСО (0,01+0,026% в год) за этот же шестилетний период.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Долгий, Сергей Иванович, Томск

1. Кузнецов И. Е., Троицкая Т. М. Защита воздушного бассейна от загрязнения вредными веществами. - М.: Химия, 1979. - 340 с.

2. Беспамятов Г. П., Богушевская К. К., и др. Предельно допустимые концентрации вредных веществ воздуха и воды. Изд. 2-ое пер. и доп. Л.: Химия, 1975. - С. 455.

3. Детри Ж. Атмосфера должна быть чистой. М., 1973. - 379 с.

4. Хргиан А. X. Физика атмосферного озона. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. -292 с.

5. Бажин Н.М. Метан в атмосфере. // Соросовский образовательный журнал, 2000. Т. 6. №3.-С. 52-57.

6. Hinkley E.D., Melfi S.H. et al. Laser monitoring of the atmosphere.- Berlin, Helidelberg, New-York: Springer-Verlag, 1976.-416 p.

7. Оменетто H. Аналитическая лазерная спектроскопия. M., Мир 1982. 606 с.

8. Schotland R.M. The detection of the vertical profile of atmospheric gases by means of a ground-based optical radar. // Proc. 3rd Symposium on Remote Sensing of the Environment, Michigan: Ann, Arbor, USA, 1964. P. 215-224.

9. Uchino O., Maeda M., Hirono M. -Application of excimer lasers to laser-radar observations of the upper atmosphere // JEEE J. Qucnt Electr., 1979, V. QE 15, N 10, P. 10 S 4-1100.

10. Grant W.B., Hake R.D. Remote measurement SO2 and O3 by differential absorption technique // J. Appl. Phys. -1975.V. 46, N 5.- P. 3019-3024.

11. П.Хмельницкий Г. С. фондирование газов в атмосфере по молекулярному поглощению излучения перестраиваемого СО2- лазера. Дис. канд. физ-мат. наук. - Томск. 1979. - 241 с.

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

13. Ku R.T., Hinkley E.D., et al. Long-path monitoring of atmospheric carbon monoxide with a tunable diode laser //Appl. Opt.-1975- V.14. N 4,- P. 854-861.

14. Hinkley E.D., Ku R.T., Nill K.W. et. al. Long-path monitoring: advanced instrumentation with a tunable diode laser // Appl. Opt.-1976- V.15. N 7.- P.1653-1655.

15. Самохвалов И.В., Соснин A.B., Хмельницкий Г.С. и др. Определение концентрации некоторых газов на горизонтальных трассах в атмосфере с помощью перестраиваемого СОг-лазера. // Журнал прикладной спектроскопии, 1980. Т.32. Вып. 3.- С. 525-531.

16. Measures R.M., Pilon G.A. A Study of Tunable Laser Techniques for Remote Mapping of Specific Gaseous Constituents of the Atmosphere, Opto-electronics 4, P. 141-153,(1972).

17. Byer R.L. Remote Air Pollution Measurement. // Optical and Quantum Electronics 1975. V 7. P. 147- 177.

18. Asai K., Igarashi T. Detection of Ozone by Differential Absorption Using C02 Laser. // Opt. Quant. Electron., 7. P. 211-214, (1975).

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

20. Murray E.R., Hake R.D., et al, -Atmospheric Water Vapor Measurements with a 10 Micrometer DIAL System. //Appl. Phys. Lett., 28. P. 542-543, (1976).

21. Wetkam C. The Distribution of Hydrogen Chloride In the Plum of Incineration Ships: Development of New Measurements Systems, Wastes in the Ocean. Vol 3, Wiley. 1981.

22. Husson N., Chedin A., Scott N.A. et al. The GEISA Spectroscopic Line Parameters Data Bank. -Annales Geophysical. Fass. 2, Ser. A. (1986).

23. Rothman L. S., Gamache R.R., Goldman A. Et al. // Appl. Opt. 1987 V.26. №19. -P. 4058-4097.

24. Буткевич В.И., Привалов В.Е. Особенности применения лазеров в прецизионных аналитических измерениях. //ЖПС, Т. 49. № 2. С. 183-201.

25. Philip L. Hanst. Air pollution measurement by long path absorption spectroscopy. // Proc. Second intern. Clean air congress. Washington D. C., 6-11 Dec 1970., NY-London 1971. P. 492-499.

26. Eugenio Zanzottera Differential absorption lidar techniques in the determination of trace pollutants and physical parameters of the atmosphere. // Analytical chemistry, 1990, V. 21, issue 4 P. 279-319.

27. Грасюк A.3., Летохов B.C., Лобко B.B. Молекулярные ИК лазеры с резонансной лазерной накачкой (обзор). // Квантовая электроника, 1980. Т. 7. № 11.-С. 2261-2298.

28. Хинкли Е. Д., Нилл К. В., Блум Ф.А. Инфракрасная лазерная спектроскопия с использованием перестраиваемых лазеров. / Лазерная спектроскопия атомов и молекул. -М.: Мир, 1979. С. 155-159.

29. Бертель И. М., Петухов В.О., Трушин С. А., Чураков B.B. TEA СОг-лазер, перестраиваемый по колебательно-вращательным линиям 2ой полосы секвенции. // Препринт № 262, Институт физики БАН ССР, Минск, 1982. -30 с.

30. Killinger D.K., Menyuk N., DeFeo W.E. Remote sensing of CO using frequency doubled C02 laser radiation // Apll. Phys. Lett. 1980. V. 36. P. 402-405.

31. Андреев Ю.М., Бочков Д.С., Воеводин В.Г. и др. Генерация второй гармоники СО2 лазера в кристаллах ZnGeP2. //В кн: Тр. VII Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. 1982. - С 306-309.

32. Andreev Yu.M., Vedernikova T.V., Betin A.A. et al. Conversion of CO2 and CO Laser Radiations in a ZnGeP2 Crystal to the 2,3-3,1 jx Spectral Range. //Sov. J. Quantum Electron., 15.-P. 1014-1015.

33. Andreev Yu.M., Geiko P.P., Zuev V.V. High-efficiency Conversion of IR Lasers with ZnGeP2 and CdGeAs2. //Bulletin of the 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., Frequency Conversion of a CO2 Laser with ZnGeP2. NOAA Technical Memorandum ERL WPL-224. Wave Propagation Laboratory, Boulder, Colorado July 1992. 18 p.

35. Андреев Ю. M., Гейко П.П. и др. Перспективный источник когерентного излучения для лазерного газоанализа атмосферы на основе нелинейногокристалла Tl3AsSe3. // Оптика атмосферы и океана, 1988. Т. 1. № 1. С. 126129.

36. Виттеман В. С02-лазер. Пер. с англ. М.: Мир, 1990. 360 с.

37. Megie G. et al. Vertical profiles of stratospheric ozone by lidar sounding from the ground. // Nature, 1977. V. 270. N 5635. P. 349-351.

38. Зуев В.В. Дистанционный оптический контроль стратосферных изменений. Томск: МГП «Раско», 2000. - 140 с.

39. Bell F.G. Generation of optp-acoustic waves. // Philos. Mag., 1881. V. 11. -P.510-513

40. Вейнгеров М.Л. //ДАН СССР, 1938,.Т. 19. С. 687.

41. Kerr E.L., Atwood J.G. The laser illuminated absorptivity spectrophone: a method for measurement of weak absorptivity at laser wavelengths. // Appl. Opt, 1968. V. 7. №5.-P. 915-921.

42. Агеев Б.Г., Капитанов В.А. Пономарев Ю.Н. Оптико-акустические лазерные газоанализаторы. //Наука производству 2003. № 9. С. 30-31.

43. Dewey C.F., Opto-fcoustic-spectroscopy. //Optical Engineering, 1974, V. 3, P. 483-488.

44. Goldan P., Goto K. An acoustically resonant system for detection of low level infrared absorption in atmospheric pollutants. // J. Appl. Phys., 1974. V. 45. № 10. -P. 4350-4355.

45. Max E., Rosengren L.G. Characteristics of a resonant optoacoustic gas concentration detector. // Optics Communications, 1974. V.l 1. № 4. P.422-426.

46. Антипов А.Б, Капитанов В.А., Пономарев Ю.Н., Сапожникова В.А. Оптико-акустический метод в лазерной спектроскопии молекулярных газов. -Новосибирск: Наука, 1984. 128 с.

47. Shumate М. S., Menzies R.T., Margolis J.S., Rozengren L.G. Water vapor absorption of carbon dioxide laser radiation. // Appl. Opt., 1976. V. 15. № 10. -P. 2480-2488.

48. Сидоренко A.B., Сидоренко C.A. // В кн: Современные проблемы геологии и геохимии горючих ископаемых. М.: Наука, 1973.

49. Сидоренко А.В., Сидоренко С.А., Теняков В.А. Осадочно-метаморфические процессы и "газовое дыхание" земной коры. // ДАН, 1978. Т. 238. № 3-С.705-708.

50. Барташевич О.В., Зорькин JI.M., Зубайкин C.JI. Основные принципы и результаты применения прямых геохимических методов поисков нефтяных и газовых месторождений. / Автохимические методы поисков рудных месторождений. Ессентуки, 1976 - С. 41-47.

51. Бирюлин В.П., Голубев О.А., Миронов В.Д., Попов А.И. и др. Геохимические поиски газонефтяных залежей методом дистанционной лазерной спектрометрии метана а приземном воздухе. // Геология нефти и газа, 1979. №4.-С. 27-31.

52. Колобашкин В.М., Попов А.И. Новые возможности лазерного абсорбционного метода. // Природа, 1981. №7. С.50-57.

53. Миронов В.Д., Попов А.И., Садчихин А.В. // ЖПС, Т. 33. Вып. 4. 1980. -С. 742-744.

54. Долгий С.И., Ипполитов И.И., Хмельницкий Г.С., Шубин С.Ф. Лазерный резонансный оптико-акустический газоанализатор для контроля малых примесей атмосферы. //Л.: Приборостроение 1982, Т. XXV. № 12 С. 71-74.

55. Антипов А.Б., Антипов Б.А., Сапожникова В.А. Коэффициенты поглощения некоторых углеводородов в области генерации ОКГ с А,=3,39мкм. // Известия ВУЗов, Физика. 1974. № 2. С. 157-158.

56. Макушкин Ю.С., Мицель А.А., Хмельницкий Г.С. Лазерная абсорбционная диагностика атмосферных газов. //ЖПС, 1981. Т. 35. Вып. 5. С 785-791.

57. Андреев Ю.М., Зуев В.В., Романовский О.А. Автоматизированная система поиска оптимальных длин волн для газоанализа методом дифференциального поглощения. // М.: ВИНИТИ, 1988. № 4059-В88 62 С.

58. Химическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1988. Т. 1.1. C.476-477

59. Measures R. М. Lidar Equation Analysis Allowing for Target Lifetime Laser Pulse Duration, and Detector Integration Period. // Appl. Opt., 16 1092, 1977.

60. Креков Г.М., Рахимов Р.Ф. Оптико-локационная модель континенталього аэрозоля. Новосибирк: Наука 1982. -196 с.

61. Карапузиков А.И., Пташник И.В. и др., Возможности применения вертолетного лидара на основе излучения перестраиваемого TEA СОг-лазера для обнаружения утечек метана. // Оптика атмосферы и океана, 1999. Т. 12. №4.-С. 364-371.

62. Rothe K.W., Walther Н., Werner J. Differential-absorption measurements with fixed-frequency IR and UV lasers // Optical and Laser Remote Sensing. Killinger

63. D. K. And Mooradian A., Eds., Springer- Verlag, Berlin, 1983.

64. Murray E.R. Remote measurements of gases using discretely tunable infrared lasers. // Opt. Eng., 16, 284. 1977.

65. Прохоров A.M., Бункин Ф.М., Гочелашвили К.С., Шишов В.И. Распространение лазерного излучения в случайных неоднородных средах. //УФН, 1974.-С. 415-456.

66. Гурвич А.С., Кон А.И. и др. Лазерное излучение в турбулентной атмосфере. М.: Наука,1976. - С. 279.

67. Съедин В.Я., Хмелевцов С.С. Расширение фокусированных световых пучков в турбулентной атмосфере. // Изв. ВУЗов. Сер. Физика, 1972. №3. -С.91-96.

68. Selby J.E.A. and McClatchey R.A. Atmospheric transmittance from 0.25 to 28.5 pm: computer code LOWTRAN 2. //Tech. Rep, AFCRL-TR-72-0745, 1972.

69. Зуев В. E. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере. -М.: Сов. Радио, 1970.- 496 с.

70. McClatchey R.A., Benedict W.S., Clough S.A. et al. /AFCRL Atmospheric absorption line parameters compilation. //Tech. Rep, AFCRL-TR-73-0096, ERP N. 434, 1973.

71. Rothman L.S., Gamache R.R., Goldman F. et al. The HITRAN database: 1986 edition. // Appl. Opt. 1987. V. 26. № 19. P. 4058-4097.

72. Бондаренко С.Л., Долгий С.И, Зуев В.В., Катаев М.Ю., Мицель А.А., Пелымский О.А., Пташник И.В. и др. Лазерный многокомпонентный газоанализ приземного слоя атмосферы. // Оптика атмосферы и океана, 1992. Т. 2. №6.-С.611-634.

73. Долгий С.И., Кудинова Л.П., Мицель А.А., Хмельницкий Г.С., Шубин С.Ф. Система определения концентрации газов с помощью перстраиваемого в С02 лазера. / Системы автоматизации экспериментов по оптике атмосферы. - Томск, 1980. - С. 67-78.

74. Жаров В.П., Летохов B.C. Лазерная оптико-акустическая спектроскопия. -М. Наука, 1984.-320 с.

75. Андреев Ю.М., Воеводин В.Г., Грибенюков А.И. и др. Трассовый газоанализатор на основе перестраиваемого С02 лазера с удвоителем частоты.// ЖПС 1987. Т. 47. № 1. - С. 15-20.

76. Долгий С.И., Хмельницкий Г.С., Шубин СФ. Дистанционный газоанализ в атмосфере с помощью дискретно перестраиваемого СО2 лазера. // Труды: Лазерные абсорбционные методы анализа микроконцентраций газов. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - С.121-130.

77. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1974, 351 с.

78. Долгий С.И., |3уев В.В., Смирнов С.В., Шубин С.Ф. ИК лазерные газоанализаторы дифференциального поглощения "ТРАЛ-3" и "ТРАЛ-ЗМ". // Оптика атмосферы, 1991. Т. 4. №5.- С. 515-521.

79. Химия. Справочное руководство. Пер. с нем. JI.: Химия. 1975. - 575 с.

80. Долгий С.И., Ипполитов И.И., Хмельницкий Г.С., Шубин С.Ф. Исследование ослабления лазерного излучения в атмосфере Олимпийской Москвы. / Тезисы докладов VII Всесоюзного симпозиума по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск 1981.- С.62-65.

81. Ельников A.B., Зуев B.B., Бондаренко С.Л. О восстановлении профилей стратосферного озона из данных лидарного зондирования // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т 13. № 12 С. 1112-1118.

82. Claude Н., Sconenborn F., Streinbrecht W., Vandersee W. DIAL ozone measurements at the Met. Obs. Hohenpei|3enberg: Climatology and trends. // Proc. 17-th ILRC Abst. of papers, Sendai, Japan. 1994.P.413-415 Sendai, Japan.l994.P.

83. McDermit Optical systems design for a stratospheric lidar system // Appl. Opt. 1995 V34. N. 27 P. 6201-6210.

84. Godin S., David C., Lakoste A.M. Systematic ozone and aerosol lidar measurements at OHP (44° N, 6°E) and Dumont // Abstr. Of Papers of the 17-th ILRC. Sendai, Japan. P. 409-412. 1994.

85. Stefanutti L., Castagnoli F., DelGuastaM. et al. A four-wavelength depolarization backscattering LIDAR for IISC monitoring // Appl. Phys. 1992, V. B55. P.13-17.

86. Тихомиров А.А. Классификация аппаратурных методов сжатия динамического диапазона лидарных сигналов и их оценочные критерии //Тез. Докл.VII Всесоюз. Симп. По лаз. И акустич. Зонд. Атмосферы. -Томск: ТФ СО АН СССР, 1982.- С 173-176.

87. Правдин B.JL, Зуев В.В., Невзоров А.В. Электронное управление коэффициентом усиления ФЭУ при регистрации лидарных сигналов с большим динамическим диапазоном в режиме счета фотонов // Оптика атмосферы и океана, 1996. Т. 9. № 12 С. 1612-1614.

88. Зуев В.В., Ельников А.В., Бурлаков В.Д. Лазерное зондирование средней атмосферы. / Под общей редакцией чл-корр. РАН В.В. Зуева Томск: РАСКО, 2002.-352 с.

89. Flee J.A., Morris J.R., Feit M.D.// Appl. Phys. 1976. V.10.№ 1.-P.129-139

90. Астафуров В.Г., Мицель A.A. Особенности обработки лидарных сигналов при измерении газовых примесей атмосферы. //Автометрия. 1984. №1.-С. 92-97.

91. Маричев В.Н., Зуев В.В., Хряпов П.А., Долгий С.И., Невзоров А.В. Лидарные наблюдения вертикального распределения стратосферного озона над Томском летом 1998 г. // Оптика атмосферы, 1999. Т. 12. № 5,- С.428-433.

92. Ельников А.В., Зуев В.В., и др. Первые результаты лидарных наблюдений стратосферного озона над Западной Сибирью. // Оптика атмосферы, 1989. Т.2. № 9. С. 995-996.

93. Долгий С.И., Зуев В.В., Маричев В.Н., Шарабарин Е.В. Результаты эксперимента по лидарному зондированию озона и температуры в тропосфере и стратосфере. // Оптика атмосферы, 1996. Т. 9. № 8- С. 11231126,.

94. Долгий С.И.,. Зуев В.В., Маричев В.Н., Катаев М.Ю., Невзоров А.В. Расширение функциональных возможностей ДП- лидара. В кн.: Тезисы докладов IV Симпозиума // Оптика атмосферы и океана, 1997. С. 210.

95. Зуев В.В., Катаев М.Ю., Мицель А.А. Обработка данных стратосферного озона, полученных двух волновым УФ-ДП-лидаром: компьютерный код SOUND. // Известия вузов Физика, №11 per. №2672-В94. 25с.

96. Бондаернко C.JI. Восстановление характеристик стратосферного озонового слоя по экспериментальным данным. Кандидатская диссертация -Томск, 2002.- 136 с.

97. Nakane Н., Sugimoto N., Hayashida S., Sagano Ya., and Matsui I. Five years lidar observation of vertical profiles of stratospheric ozone at NIES, Tsukuba (36° N, 140° E) // Proc 17-th ILRC Sendai, Japan. 1994.-P.416-419.

98. Krueger A.J., Minzner R.A. A mid-latitude ozone model for the 1976 US standard atmosphere. // Geophys. Res. 1976. V. 81. N 24. P. 4477-4487.108. http: //www-sage2.larc.nasa.gov/introdaction.

99. Долгий С.И., Зуев B.B., Баженов O.E. Климатология и тренды стратосферного озона над Томском. // Оптика атмосферы и океана, 2004. Т.17.№4.-С. 312-316.

100. Zuev V.V., Dolgii S.I., Bondarenko S.L., Bondarenko M.A. Comparison of profiles of vertical ozone distribution obtained at Siberian Lidar Station against satellite data. // Proceeding of SPIE. 2004, V. 5743. P.498-501.

101. Zuev V.V., Dolgii S.I., Nevzorov A.V. Climatology and trend of stratospheric ozone over Tomsk for period 1996-2003. // Abstracts of the 22nd International Laser Radar Conference. Matera, Italy. P. 585-589.

102. Zuev V.V., Dolgii S.I., Nevzorov A.V. DIAL Measurements of Stratospheric Ozone Over Tomsk For Period 1996-2003 (Climatology and Trends)., //In: Abstracts of ICOT 2004 Beijing, China., 2004. P 12.

103. Долгий С.И. Результаты комплексных исследований загрязнений в районе месторождений нефти и газа. // Труды I Межрегионального совещания "Экология пойм сибирских рек и Арктики"/ под. ред. Зуева В.В.Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. С. 171-176.

104. Зуев В.В., Зуев В.Е., Бурлаков В.Д., Долгий С.И., Ельников А.В., Невзоров А.В. Климатология стратосферного аэрозоля и озона по данным многолетних наблюдений на Сибирской лидарной станции. //Оптика атмосферы и океана, 2003. Т16. № 8. С.719-724.

105. Бурлаков В.Д., Долгий С.И., Невзоров А.В. Модернизация измерительного комплекса Сибирской лидарной станции //Оптика атмосферы и океана, 2004. Т.17. № 10. С.857-864.

106. Зуев В.В., Долгий С.И. Климатология и тренды стратосферного озона над Томском. // Труды II Международной конференции «Окружающая среда и экология Сибири, Дальнего востока и Арктики (EESFEA-2003) Томск, 2003. Т. 1.-С. 74.

107. Шварцев СЛ., Савичев О.Г. и др. Комплексные эколого-геохимические исследования вод р. Оби. //Труды I Межрегионального совещания «Экология сибирских рек и Арктики». Томск, 1999. - С. 110-115.

108. Белицкая Е.А., Гузняева М.Ю. и др. Органические примеси в водах Средней Оби. //Труды I Межрегионального совещания «Экология сибирских рек и Арктики». Томск, 1999. - С. 122-129.

Газоанализатор лазерный SITRASN SL предназначен для автоматического измерения объемной доли кислорода или оксида углерода в технологических и дымовых газовых потоках.

Описание

Принцип действия газоанализатора - фотометрический.

Газоанализатор представляет собой прибор непрерывного действия, работающий по принципу однолинейной молекулярной абсорбционной спектроскопии.

Газоанализатор SITRANS SL состоит из пары датчиков с перекрестными каналами, с блоками передатчика и приемника. Блок передатчика оснащен лазером, луч которого распространяется на приемник вдоль пути измерения. В блоке приемника находится фотодетектор с электронным устройством. Блок приемника подключен к передатчику с помощью соединительного кабеля датчиков. Соединительный кабель приемника используется для подключения электропитания и связных интерфейсов. В корпусе приемника находится локальный интерфейс пользователя вместе с ЖК-дисплеем, информацию с которого можно считывать через окошко в крышке. В стандартных условиях управляется посредством пульта дистанционного управления. Конструктивно газоанализатор выполнен в виде двух блоков - приемника и передатчика.

Диодный лазер передатчика испускает инфракрасный луч, который проходит через анализируемый газ и детектируется блоком приемника. Длина волны выходного сигнала диодного лазера соответствует линии поглощения определяемого газа. Лазер непрерывно сканирует эту линию поглощения с высоким спектральным разрешением. Измерения не подвержены влиянию каких-либо помех, поскольку квазимонохроматическое излучение лазера поглощается предельно выборочно на конкретной длине волны в сканируемом спектральном диапазоне. Длина оптического пути составляет от 0,3 до 8,0 м. В зависимости от длины волны лазера газоанализатор измеряет концентрацию кислорода или оксида углерода.

На лицевой панели газоанализатора расположены дисплей для отображения результатов измерений, а также меню для установки параметров прибора.

Внешний вид прибора приведен на рис.1.

Рис.1. Внешний вид газоанализатора

Программное обеспечение

Г азоанализатор имеет встроенное программное обеспечение, разработанное фирмой-изготовителем специально для решения задач измерения объемной доли кислорода и оксида углерода в газовых пробах. Программное обеспечение обеспечивает вывод показаний концентрации на дисплей прибора, управление прибором и передачу данных.

Программное обеспечение идентифицируется по запросу пользователя через сервисное меню газоанализатора путем вывода на экран версии программного обеспечения.

Идентификационные данные программного обеспечения приведены в таблице 1.

Таблица 1.

лист № 3 всего листов 5

Уровень защиты программного обеспечения от непреднамеренных и преднамеренных изменений соответствует уровню «С» согласно МИ 3286-2010.

Влияние программного обеспечения на метрологические характеристики учтено при нормировании метрологических характеристик.

Технические характеристики

1. Диапазоны измерений объемной доли определяемых компонентов, пределы допускаемой основной погрешности газоанализатора и цена единицы наименьшего разряда приведены в таблицах 2 и 3 (при длине оптического пути 1 м).

Таблица 2

Таблица 3

2. Время установления показаний (время записи данных в зависимости от измеряемой концентрации): от 2 до 10 с.

3. Предел допускаемой вариации показаний, Ьд, в долях от предела допускаемой основной погрешности: 0,3

4. Дополнительная погрешность от влияния изменения температуры окружающей среды в диапазоне рабочих температур на каждые 10 0С отклонения от номинального значения температуры 20 °С, в долях от переда допускаемой основной погрешности: 0,5.

5. Электрическое питание осуществляется постоянным током напряжением 24 В.

6. Потребляемая мощность, В А, не более: 10.

7. Габаритные размеры, мм, не более: приемник и излучатель - диаметр 165, длина 357 .

8. Масса, кг, не более:

Приемник 6,0;

Излучатель 5,2.

9. Полный средний срок службы, лет: 3

10. Наработка на отказ, ч не менее: 25000

11. Условия эксплуатации анализатора:

Диапазон температуры окружающего воздуха от минус 20 до 55 °С;

Относительная влажность окружающего воздуха до 95 % при температуре 30 оС;

Диапазон атмосферного давления от 80 до 110,0 кПа (630 - 820 мм рт.ст.).

12. Параметры анализируемого газа на входе в анализатор:

Диапазон температур от минус 20 до 70 °С

Знак утверждения типа

наносится типографским способом на титульный лист руководства по эксплуатации и на заднюю панель газоанализатора в виде наклейки.

Комплектность

В комплект поставки анализатора входят:

Газоанализатор лазерный SITRANS SL (приемник) 1;

Газоанализатор лазерный SITRANS SL (передатчик) 1;

Пульт дистанционного управления 1:

Руководство по эксплуатации,экз: 1;

Методика поверки № МП-242-1232-2011, экз. 1.

Поверка

осуществляется по документу МП-242-1232-2011 «Газоанализатор лазерный SITRANS SL. Методика поверки», утвержденному ГЦИ СИ ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» в сентябре 2011 г.

Основные средства поверки:

Стандартные образцы состава: газовые смеси 02/N2 ГСО 3720-87 и ГСО 3729-87;

Стандартные образцы состава: газовые смеси CO/N2 ГСО 3806-87 и ГСО 3816-87.

Поверочный нулевой газ - азот особой чистоты по ГОСТ 9293-74.

Сведения о методах измерений

Методы измерений в газовых потоках приведены в документе «Газоанализатор лазерный SITRANS SL. Руководство по эксплуатации».

Нормативные и технические документы, устанавливающие требования к газоанализатору лазерному SITRANS SL

1 ГОСТ 8.578-2008 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений содержания компонентов в газовых средах.

2 ГОСТ 13320-81 Газоанализаторы промышленные автоматические. Общие технические условия.

3 Техническая документация фирмы «Siemens AG», подразделение «Siemens S.A.S», Франция.

Использование: контроль вредных веществ, содержащихся в воздухе. Сущность изобретения: устройство содержит лазерную газоразрядную трубку, блок формирования луча, выполненный в виде дифракционной решетки на пьезокорректоре, которые расположены в тангенциальном узле, связанном с шаговым двигателем, оптико-акустическую ячейку, реперную кювету, измерительный и фоновый микрофон, и два пироэлектрических датчика, подключенных через аналого-цифровой преобразователь и блок сопряжения ко входу персональной ЭВМ. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и предназначено для контроля вредных веществ, содержащихся в воздухе. Перечни вредных веществ в воздухе рабочей или жилой зоны насчитывают сотни веществ, оказывающих воздействие на организм человека. Известно множество приборов, например служащий для контроля состава воздуха с помощью различных методов измерений: химикоаналитического, хроматографического, кулонометрического и т.д. Одним из наиболее пригодных для выполнения оперативных измерений с возможностью контроля большого числа вредных веществ является метод с использованием поглощения ИК-излучения. Известны газоанализаторы типа ГИАМ предназначенные для регистрации одного из следующих газов: CO, CO 2 , CH 4 , SO 2 , NO. В качестве источников ИК-излучения в них используются нити накаливания (лампы), имеющие сплошной спектр излучения. Для выделения спектрального диапазона, отвечающего спектру поглощения исследуемого вещества, используются светофильтры. Измерения ведутся с использованием сравнительной кюветы с эталонным газом. Прерывистый световой поток поочередно направляется на рабочую и сравнительную кюветы, проходя через которые он (световой поток) регистрируется оптикоакустическим детектором, наполненным измеряемым газом. По разнице сигналов с детекторов определяется концентрация исследуемого вещества в воздухе. Приборы подобного типа, обладая хорошей оперативностью (время установления показаний примерно 10 с), не позволяют вести одновременную (в одной пробе) регистрацию больше одного компонента загрязняющих веществ. Известен универсальный газовый монитор 1302 фирмы Брюль и Къер позволяющий вести одновременную регистрацию до пяти примесей в одной пробе воздуха. В качестве источника ИК-излучения в приборе используется нить накаливания. Изменение спектра ИК-излучения, попадающего в чувствительный объем оптико-акустической ячейки, приводится автоматически в процессе измерений с помощью набора узкополосных светофильтров, установленных на вращающемся диске. Проба воздуха заполняет объем оптико-акустической ячейки. На время проведения замера, вход и выход ячейки перекрывается от наружного воздуха. С помощью микрофонов измеряют амплитуду колебаний давления, возникающего в ячейке при поглощении прерывистого светового потока исследуемой пробой. Измерения выполняются для каждого светофильтра. Полное время измерения одной пробы составляет примерно 2 мин. По результатам измерений определяется концентрация до пяти примесей в одной пробе. Управление работой прибора и обработка результатов измерений приводится с помощью встроенного процессора. Поставляемой отдельно набор из двух 2-х сменных узкополосных светофильтров позволяет проводить регистрацию большого числа примесей, поглощающих ИК-излучение. Однако прибор позволяет выполнять измерения лишь при априорно известном составе загрязнителей. В противном случае перекрытие полос поглощения различных веществ не позволяет получить адекватную информацию о составе вредных веществ в воздухе. Наиболее близким к предлагаемому решению является лазерный газоанализатор, описанный в и содержащий лазерную газоразрядную трубку, к которой подключен источник высоковольтного напряжения и блок охлаждения, расположенные на одной оптической оси, блок формирования луча и оптико-акустическую ячейку, к которой подключены блок забора воздуха, измерительный микрофон и пироэлектрический датчик, аналого-цифровой преобразователь, подключенный через блок сопряжения и блок ввода и вывода данных с входом персональной электронно-вычислительной машины. Выход которой через блок сопряжения соединен со входом блока управления. Использование лазерного источника ИК-излучения позволяет реализовать в приборе высокое спектральное разрешение примерно (10-20 нм). Регистрация поглощения в исследуемом газе осуществляется при помощи оптико-акустической ячейки. Газоанализатор состоит из трех основных частей: источника перестраиваемого ИК-излучения, оптико-акустической ячейки (ОАЯ), системы регистрации и обработки информации. В устройстве блок формирования луча выполнен в виде оптически связанных модулятора, формирователя, зеркала, фокусирующей линзы и дифракционной решетки. Выбранной в приборе способ перестройки длины волны лазерного излучения с использованием дифракционной решетки и поворотного зеркала позволяет реализовать выделение 36 линий излучения. Идентификация линий излучения проводится только при настройке прибора. При поглощении излучения в исследуемом газе, заполняющем ОАЯ, в ней формируется акустическая волна, регистрируемая конденсаторным микрофоном. Сигналы с микрофона и пироэлектрического приемника излучения, регистрирующего мощность лазерного излучения, подаются на вход двухканальной системы регистрации, состоящей из двух синхронных детекторов. Аналоговая запись регистрируемых сигналов ведется с помощью самописца. Информация может быть считана при помощи цифрового вольтметра и ЭВМ. Недостатками прототипа являются ограниченное число линий излучения, что влияет на многокомпонентность в одной пробе воздуха, и отсутствие контроля за длиной волны излучения. Задачей изобретения является обеспечение экспрессного многокомпонентного анализа состава воздуха по вредным веществам с высокой точностью. Эта задача в устройстве, содержащем лазерный газоанализатор, содержащем лазерную газоразрядную трубку, к которой подключен источник высоковольтного напряжения и блок охлаждения, расположенные на одной оптической оси блок формирования луча, выполненный в виде дифракционной решетки на пьезокорректоре, и оптико-акустическую ячейку, к которой подсоединены блок забора воздуха и измерительный микрофон, пироэлектрический датчик, подключенный через последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и блок сопряжения ко входе ПЭВМ, решается за счет того, что газоанализатор дополнительно содержит фоновый микрофон, расположенные на одной оптической оси реперную кювету и дополнительный пироэлектрический датчик, подключенный аналогично основному пироэлектрическому датчику, а также дифференциальный усилитель, в блоке формирования луча дифракционная решетка и пьезокорректор расположены в тангенциальном узле, связанном с шаговым двигателем, причем выходы измерительного и фонового микрофонов подключены через дифференциальный усилитель к АЦП, выхода блока управления соединены с соответствующими входами пьезокорректора и шагового двигателя блока формирования луча, выход персональной ЭВМ через блок сопряжения соединен с блоком управления. Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемое выполнение блока формирования луча позволяет иметь большой (до 70 линий ИК-излучения) набор длин волн с фиксированной и контролируемой длиной волны (многокомпонентность и точность); программное обеспечение и банк данных, используемые в ПЭВМ и связь его через блок сопряжения и блок управления со всеми датчиками газоанализатора, обеспечивает оперативность коррекции ухода параметров и обработки информации. На чертеже представлена структурная схема газоанализатора. Он содержит лазерную газоразрядную трубку ЛГРТ 1 (CO 2 -лазер), высоковольтный блок питания 2 ЛГРТ, блок охлаждения 3 служит для охлаждения ЛГРТ, диафрагма 4 регулирует мощность излучения, дифракционная решетка 5, поворот которой меняет длины волны излучения, пьезокорректор 6 компенсирует температурную нестабильность, тангенциальный блок 7, продольное перемещение которого на 20 мм приводит к повороту дифракционной решетки 5 на 14 o , шаговый двигатель 8 осуществляет перемещение тангенциального блока 7, зеркала 9, направляющие ИК-излучение на входное окно АОЯ, элементы 4, 5, 6, 7, 8 и 9 составляют блок формирования луча 26, пироэлектрический датчик 10, на который попадает ИК-излучение, частично отраженное от входного окна ОАЯ, пироэлектрический датчик 11, регистрирующий ИК-излучение, прошедшее через ОАЯ через реперную кювету, микрофон фоновый 12, не "видящий" чувствительного объема ОАЯ, микрофон измерительный 13, регистрирующий периодическое изменение давления в ОАЯ за счет поглощения прерывистого светового потока, оптико-акустическая ячейка ОАЯ 14 чувствительный элемент газоанализатора, реперная кювета 15 с известным наполнением, используемая для контроля длины волны излучения, нагнетатель 16, подающий исследуемый воздух в ОАЯ, электромагнитные клапаны 17, 18 и 19, регулирующие поток исследуемого воздуха, воздухозаборник (трубка) 20, обтюратор 21, служащий для периодического прерывания потока излучения, фильтр 22, датчик температуры 23 в системе охлаждения, датчик давления 24 в системе охлаждения, датчик 25 давления в цепи воздухозабора, ПЭВМ 27 осуществляет управление работой и сбор результатов измерений, блок сопряжения 28 связан магистралью с ПЭВМ 27, с блоком управления 29, аналого-цифровым преобразователем АЦП 30, ПЭВМ 27 типа IBM PC обеспечена программным обеспечением 31 и банком данных 32 (показаны условно). Сигналы с 13 и 12 вычитаются один из другого, разность нормируется на показания пироэлектрического датчика 10. Измерения проводятся при длинах волн, задаваемых от ПЭВМ 27 (каждая длина волны отвечает определенному шагу шагового двигателя 8). Блок сопряжения 28 служит для сопряжения ПЭВМ 27 и исполнительно-регистрирующей части газоанализатора с АЦП 30, который преобразует сигналы с пироэлектрических датчиков 10, 11 и с дифференциального усилителя 33 в цифровой код. Блок управления 29 осуществляет работу исполнительных механизмов нагнетателя 16, пьезокорректора 6, шагового двигателя 8, электромагнитных клапанов 17, 18 и 19. Блок управления 29 осуществляет также контроль давления и температуры в цепи охлаждения ЛГРТ 1 и контроль давления в системе воздухозабора. Забор пробы в ОАЯ 14 проводится через воздухозаборную трубку 20, фильтра 22. Воздух по трубке 20 движется под действием нагнетателя 16. Регулировка направлением потока ведется клапанами 17, 18, 19. Датчик давления 25 служит для проверки исправности системы воздухозабора. В режиме измерения часть излучения поглощается исследуемым газом в ОАЯ 14, вызывая периодические колебания давления с частотой, равной частоте прерывания пучка излучения обтюратором 21, которые регистрируются микрофон 13. Часть излучения, пройдя через выходное окно ОАЯ 14, попадает в реперную кювету 15, а затем на пироэлектрический датчик 11. При обработке используются сигналы с дифференциального усилителя 33 (входы которого соединены с микрофонами 12 и 13) и пироэлектрического датчика 11, нормированные на показания датчика 10. Управление работой газоанализатора, сбор и обработка результатов осуществляется с помощью ПЭВМ 27 типа IBMHC с использованием специально разработанного программного обеспечения 31 и банка данных 32. Работа газоанализатора, оператора и функциональное назначение программ описано ниже. Работа с газоанализатором начинается с включения ПЭВМ 27 в сеть и загрузки программного обеспечения SCO 2 , содержащего следующие программы: 1. CONTROL; 2. TEST 3. TEST LINE; 4. SPECTRA; 5. CALCULATION; 6. RESULT; 7. BANK. После загрузки SCO 2 на экран дисплея ПЭВМ 27 выводится сообщение "ВКЛЮЧИ ГАЗОАНАЛИЗАТОР", включается программа "CONTROL", обеспечивая проверку функционирования газоанализатора перед началом измерений. Осуществляется проверка обтюратора 21, нагнетателя 16, клапанов 17, 18 и 19. Далее в соответствии с программой "CONTROL" на экране дисплея выводится запрос "ПРОВОДИМ ТЕСТОВЫЙ ЗАМЕР". В случае необходимости тестового замера, подтверждаемого нажатием клавиши Д, работу оператор проводит по программе "TEST". На экране дисплея появляется сообщение "ЗАПОЛНИТЕ ОАЯ НУЛЕВЫМ ГАЗОМ". "ГОТОВ", по заполнению клавишей Д запускается программа измерений: проводятся измерения сигналов микрофонов 12 и 13, пироэлектрического датчика мощности 10 при различных значениях линий излучения (т.е. при различных значениях номера шага шагового двигателя 8. Результаты заносятся в память ПЭВМ 27 для использования в программе "CALCULATION"). После этого на экране появляется сообщение "ПРОВЕСТИ НУЛЕВОЙ ЗАМЕР". Если по программе "TEST" не проводятся измерения, то сразу появляется это сообщение. Измерения выполняются по программе "TEST LINE" по нажатии клавиши Д. Через ОАЯ 14 нагнетателем 16 прокачивается воздух, клапаны 18 и 19 закрываются, клапан 17 открывается, после чего отключается нагнетатель 16 и проводятся измерения сигналов с микрофонов 12 и 13, подключенных к дифференциальному усилителю 33, и пироэлектрических датчиков 10 и 11 при различных номерах шагов шагового двигателя 8. Результаты измерений после АЦП 30 нормируются на показания пироэлектрического датчика мощности 10. Если не проводились измерения по программе "TEST", то сигналы микрофонов 12 и 13 записываются в файл для обработки в программе "CALCULATION", в противном случае они далее не используются; сигнал с датчика 11 вводится в файл для программы основных измерений "SPECTRA". По окончании программы на экране дисплея появляется запрос "РЕЖИМ РАБОТЫ СКАНИРОВАНИЯ". При нажатии клавиши Д работа будет проводиться по программе "SPECTRA" с измерением сигналов микрофонов 12 и 13 и пироэлектрического датчика 10 во всем диапазоне излучения, на каждой группе шагов, отвечающей наличию излучения. При этом для контроля спектра излучения сравниваются результаты измерений с измерениями с датчика 11 и данные по спектру поглощения газа в реперной кювете 15, занесенные в банк данных при градуировке газоанализатора. При необходимости вводится поправка в нумерацию шагов, заданной программой "SPECTRA", Результаты измерений заносятся в файл для программы "CALCULATION". При отказе от работы в режиме сканирования (нажатие клавиши "H") появляется сообщение "ВВЕДИТЕ НАЗВАНИЯ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ ИЗ НАЗВАННОГО СПИСКА", работа продолжается по программе "SPECTRA". На экране появляется список загрязнителей. После выбора загрязнителей появляется сообщение "РЕЖИМ РАБОТЫ ОДНОКРАТНЫЙ". При нажатии клавиши D проводится однократное измерение: набирается проба воздуха ОАЯ 14, измеряются сигналы с микрофонов 12 и 13 и датчика 10 на линиях поглощения искомых веществ, определяемых номером шага шагового двигателя 8 с учетом нулевого замера. Результаты измерений заносят в файл для обработки по программе "CALCULATION". В случае отказа от однократного измерения (нажатие клавиши H) появляется сообщение "ЗАДАЙТЕ ВРЕМЯ ИЗМЕРЕНИЯ В ЧАСАХ", после чего ведутся непрерывные измерения по программе "SPECTRA", в течение заданного времени. Интервал между отдельными измерениями при этом 5 мин. Результаты измерений заносятся в файл для обработки по программе "CALCULATION". Обработка результатов измерений ведется по программе "CALCULATION" по окончании измерений (однократный режим), между отдельными измерениями (непрерывный режим). Обработка ведется с использованием банка данных (программа BANK), в который занесены аппаратурные спектры поглощения газов, чувствительность к каждому отдельному газу, минимальные детектируемые количества, спектр поглощения газа реперной кюветы, предельно допустимые концентрации ДНК газов для воздуха рабочей и жилой зоны. Результаты выводятся на экран в виде таблицы (однократные измерения) или графика (непрерывные измерения) в сравнении с ПДК. В случае неопределенности в результатах обработки (например, совпадающие спектры поглощения) выводится сообщение о неадекватности измерений. Таким образом, в предлагаемом газоанализаторе обеспечены технические средства для экспрессного определения по пикам поглощения различных примесей воздуха (до 60 компонент в одной пробе), по величине пика поглощения определяется концентрация примеси, что выгодно отличает его от аналогов и прототипа.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Лазерный газоанализатор, содержащий лазерную газоразрядную трубку, к которой подключены источник высоковольтного напряжения и блок охлаждения, расположенный на одной оптической оси с лазерной газоразрядной трубкой блок формирования луча, выполненный в виде дифракционной решетки на пьезокорректоре, и оптикоакустическую ячейку (ОАЯ), к которой подсоединены блок забора воздуха и измерительный микрофон, пироэлектрический датчик, подключенный через последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и блок сопряжения к входу персональной ЭВМ, отличающийся тем, что газоанализатор дополнительно содержит фоновый микрофон, расположенные на одной оптической оси с оптико-акустической ячейкой реперную коювету и дополнительный пироэлектрический датчик, подключенный аналогично основному пироэлектрическому датчику, а также дифференциальный усилитель, в блоке формирования луча дифракционная решетка и пьезокорректор расположены в тангенциальном узле, связанном с шаговым двигателем, за тангенциальным узлом установлено поворотное зеркало, направляющее излучение на входное окно ОАЯ, причем выходы измерительного и фонового микрофонов через дифференциальный усилитель подключены к АЦП, выходы блока управления соединены с соответствующими входами пьезокорректора и шагового двигателя блока формирования луча, выход персональной ЭВМ через блок сопряжения соединен с блоком управления.

Высокочувствительный лазерный газоанализатор предназначен для анализа содержания примесных газов в воздушных пробах. Основные элементы газоанализатора: волноводный СО 2 -лазер, резонансная оптико-акустическая ячейка, а также компьютер, в библиотеке которого содержатся сведения о линиях поглощения 37 газов. Представлены сведения о пределах обнаружения газов разработанным газоанализатором. Предел обнаружения по аммиаку с погрешностью 15% составляет 0.015 ppb.

Необходимость постоянного контроля за содержанием в воздухе большого числа загрязнений на значительных территориях при разумных затратах средств и труда ставит задачу оснащения службы экологического контроля газоанализаторами, удовлетворяющими следующим требованиям: 1) порог обнаружения на уровне предельно допустимых концентраций анализируемых веществ; 2) высокая избирательность по отношению к посторонним веществам; 3) многокомпанентность анализа; 4) высокое быстродействие (малое время цикла измерений при заборе одной пробы), обеспечивающее возможность работы в движении и сравнительно быструю реакцию на превышение заданного уровня концентрации; 5) непрерывность измерений в течение 2-4 ч для определения размеров загрязненной области.

Существующие методы детектирования газов можно условно разделить на традиционные (неспектроскопические) и оптические (спектроскопические). В работе перечислены достоинства и недостатки основных традиционных методов с точки зрения их применения для анализа газовых примесей сложного состава в воздухе.

Спектроскопические методы, быстрое развитие которых определяется уникальными характеристиками лазеров, позволяют устранить основные недостатки традиционных приборов и обеспечить необходимое быстродействие, чувствительность, селективность и непрерывность анализа. В большинстве случаев для детектирования загрязнения воздуха спектроскопическими методами используется средняя и.к.-область спектра, где сосредоточены основные колебательные полосы подавляющего большинства молекул. Видимая и у.ф.-области в этом отношении менее информативны.

Особое место в семействе и.к.-лазерных газоанализаторов занимают приборы с СО 2 -лазера-ми. Эти лазеры долговечны, надежны и просты в эксплуатации и позволяют детектировать более 100 газов.

Ниже описан газоанализатор (макетный образец), удовлетворяющий вышеперечисленным требованиям. В качестве источника излучения используется волноводный СО 2 -лазер, чувствительным элементом является резонансная оптико-акустическая ячейка (р.о.а.я.). В основе оптико-акустического метода лежит регистрация звуковой волны, возбуждаемой в газе при поглощении модулированного по амплитуде лазерного излучения в р.о.а.я. Давление звуковой волны, пропорциональное удельной поглощенной мощности, регистрируется микрофоном. Структурная схема газоанализатора приведена на рис. 3,1. Модулированное излучение СО 2 -ла-зера попадает на узел перестройки длины волны. Этот узел представляет собой дифракционную решетку, позволяющую перестраивать длину волны излучения в диапазоне 9.22-10.76 мкм и получать 84 лазерные линии. Далее излучение через систему зеркал направляется в чувствительный объем р.о.а.я., где регистрируются те газы, которые поглощают поступающее в нее излучение. Энергия поглощенного излучения увеличивает температуру газа. Выделившееся на оси ячейки тепло путем, главным образом, конвекции передается стенкам ячейки. Модулированное излучение вызывает соответствующее изменение температуры и давления газа. Изменение давления воспринимается мембраной емкостного микрофона, что приводит к появлению периодического электрического сигнала, частота которого равна частоте модуляции излучения.

Рисунок3,1. Структурная схема газоанализатора

На рис.3, 2 представлен эскиз внутренней полости р.о.а.я. Он образован тремя цилиндрическими активными объемами: симметрично расположенными объемами 1 и 2 диаметром 20 мм и внутренним объемом 3 диаметром 10 мм. Входное 4 и выходное 5 окна изготовлены из материала BaF 2 . Микрофон установлен в нижней части ячейки и соединен с активным объемом отверстием 6 диаметром 24 мм.

Рисунок 3,2 Внутренняя полость резонансной оптико-акустической ячейки. 1, 2 - внешние объемы, 3 - внутренний объем. 4, 5 - входное и выходное окна, 6 - отверстие микрофона

Оптический резонанс" обусловленный поглощением лазерного излучения газом, при нормальных условиях возникает при частоте модуляции излучения 3.4 кГц, а фоновый сигнал, обусловленный поглощением излучения окнами р.о.а.я., максимален при частоте 3.0 кГц. Добротность в обоих случаях составляет >20. Такая конструкция р.о.а.я. обеспечивает высокую чувствительность газоанализатора и позволяет подавить вклад фонового сигнала с помощью частотно- и фазово-селективного усилителя. В то же время р.о.а.я. нечувствительна к внешним акустическим шумам. Амплитуда электрического сигнала при измерении концентрации определяется формулой

где K -- постоянная ячейки, -- мощность излучения лазера, б - коэффициент поглощения излучения газом, С - концентрация газа.

Перед измерениями проводится калибровка газоанализатора с использованием поверочного газа (СО2) c известной концентрацией.

Измерение амплитуды осуществляется с помощью платы а.ц.п., входящей в состав компьютера фирмы Advantech. Этот же компьютер используется для управления узлом перестройки длины волны и расчета концентраций измеряемых газов.

Разработанная программа обработки информации предназначена для качественного и количественного анализа смеси газов по спектру поглощения лазерного излучения СО 2 лазера. Исходной информацией для программы является измеренный спектр поглощения анализируемой газовой смеси. Пример спектра поглощения азота, построенный в единицах оптической толщины, приведенной рис3,3а, а на рис.3,3б представлен пример спектра поглощении с малой добавкой аммиака.

Рисунок 3,3 Спектры поглощения: а - азота при нормальном атмосферном давлении, б - смеси азот-аммиак.

Оптическая толщина, где

См -1 атм -1 - коэффицент поглощения j-го газа на i-ой лазерной линии, С i , атм - концентрация j-го газа, i

Библиотека возможных компонент содержит значения коэффициентов поглощения и представляет собой матрицу размерностью {N x m}. Число представленных в библиотеке газов т = 37, максимальное число анализируемых лазерных линий N - 84 (по 21 линии в каждой ветви СO 2 -лазера).

В процессе анализа спектра газовой смеси, образованного перекрывающимися линиями поглощения входящих в состав смеси газов, программа отбирает из библиотеки те компоненты, которые позволяют наилучшим образом описать спектр смеси. Одним из основных критериев поиска наилучшего набора компонент служит величина среднеквадратичного отклонения между экспериментальным и найденным в результате итераций спектром поглощения:

Алгоритм решения обратной задачи - поиска концентраций по известному спектру поглощения - построен с помощью метода исключения Гаусса и метода регуляризации по Тихонову, и основные трудности его реализации связаны с оценкой устойчивости решения (элементы матрицы коэффициентов поглощения, так же как и свободные члены, известны лишь приближенно), выбором параметра регуляризации и нахождением критериев прекращения итерационного процесса.

В таблице представлены расчетные сведения о пределах обнаружения некоторых газов описываемым газоанализатором:

	Предел обнаружения, ppb		Предел обнаружения, ppb
Акролеин		Монометил гидразин
		Перхлорэтилен
t-бутанол		Пропанол
Винил хлорид
Гексафторид серы		Трихлорэтилен
Гексахлорбутадиен
Гидразин
Диметилгидразин
1.1 -дифторэтилен
Изопропан
Метилхлороформ		Этилацетат
Метил этил кетон

Основные рабочие характеристики газоанализатора: количество одновременно измеряемых газов - до 6; время измерений 2 мин; предел обнаружения по углекислому газу 0,3 ррт: предел обнаружения по аммиаку 0.015 ppb: диапазон измерений по углекислому газу 1 ррт -10%; диапазон измерений по аммиаку 0.05 ppb-5 ррт; погрешность измерений 15%; напряжение питания 220В ±10%. [ 1]