Способ измерения резонансного поглощения газа

 

1. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РЕЗОНАНСНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ ГАЗА, преимущественно для определения концентрации газовой примеси , включающий частотную модуляцию излучения лазера на частотах f и f f , коллимаютю 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 F. jf,-tef2 jtO, где j и е - целые числа, а j ( - четное число, для демодуляции второго пучка используют опорное напряжение частоты Р, стабилизацию частоть излучения лазера путем перестройки лазера сигналом демодуляции второго пучка, регистрацию первого сигнала демодуляции первого пучка при F - ()fl , где И1 - целое число , L - 1,2, регистрацию второго сигнала демодуляции первого пучка, вычитание второго сигнала из первого и определение величины резонансного поглощения анализируемого газа по разности первого и второго сигналов, о тличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и упрощения измерения, второй сигнал демодуляции первого пучка регистрируют при . 2.Способ по п. I, отличающийся тем, что вычитание второго сигнала из первого выполняют путем регистрации усредненного по времени сигнала демодуляции первого пучка при периодичес (Л ком чередовании регистрации первого и второго сигналов, причем синхронно с изменением опорного напряжения частоты F, меняют на 180 фазу опорного напряжения частоты FI.. 3.Способ по пп. 1 и 2, о т л и чающийся тем, что усредненСП СП ный сигнал регистрируют в момбнты времени , отстоящие от начала полупериода оо чередования первого и второго сигналов на О5 четверть периода. 4.Способ по пп. I и 2, о т л и со чающийся тем, что в каждом из полупериодов, соответствующих регистрации второго сигнала, дополнительно фазу опорного напряжения частоты FI меняют на 180°.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

4tsi) G 01 J 3 42

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3681700/24-25 (22) 30.12.83 (46) 15.05.85. Бюл. Р 18 (72) В. К. Егоров и В. К. Мершавка (71) Московский ордена Трудового Красного

Знамени инженерно-физический институт (53) 535.24 (088.8) (56) 1. Reid J. et al. Point Monitoring of

Ambient Consentrations of Atmospheric Gases

11йпд Tunable Lasers., Opt. Eng. 1978, ч. 17, N7,,р. 56-62, 2. Cassidy D., Reid J. Harmonic Detection .

with Tunable Diode Lasers — Two Топе Моди-1Ф1оп. Арр1. Phys., 1982, v. 1329, N 4, р. 279-285. (54) (57) 1. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РЕЗОНАНСНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ ГАЗА, преимущественно для определения концентрации газовой примеси, включающий частотную модуляцию излучения лазера на частотах f„è т < Г, 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, синхронную амплитудную демодуляцию прошедшего через газ излучения обоих пучков, причем для демодуляции первого пучка используют опорное напряжение частоты

Ft =дХ„+Я f t;ьО, где j и г. — целые числа, а 1 — четное число, для демодуляции второго пучка используют опорное напря жение частоты F, стабилизацию частоты излучения лазера путем перестройки лазера сигна„„SU„„»55869 лом демодуляции второго пучка, регистрацию первого сигнала демодуляции первого пучка при Е = (2w — 1)т1, где мч — целое чис2. ло, i = 1,2, регистрацию второго сигнала демодуляции первого пучка, вычитание второго сигнала из первого и определение величины резонансного поглощения анализируемого газа по разности первого и второго сигналов, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности и упрощения измерения, второй сигнал демодуляции первого пучка регистрируют при F>=Ft.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся 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 изменением опорного напряжения частоты F меняют на 180 фазу опорного напряжения частоты F,.

3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю шийся тем, что усредненный сигнал регистрируют в моменты вре- мени, отстоящие от начала полупериода чередования первого и второго сигналов на четверть периода.

4. Способ по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю шийся тем, что в каждом из полупериодов, соответствующих регистра. ции второго сигнала, дополнительно фазу опорного напряжения частоты F, меняют на 180 .

10

З0

1 1

Изобретение относится к лазерной линей— ной спектроскопии поглощения и может найти применение в химической технологии, метеорологии, для санитарного контроля атмосферы и в научных исследованиях, преимущественно в автоматизированном обнаружении и измерении концентрации примесей в газовый смесях {мониторинг) .

Наилучшую чувствительность и высокую избирательность обеспечивают способы, ос» нованныс на методах модуляционной спектроскопии поглощения. Наиболее полно преимущества спектрального газоанализа перед иными физико-химическими методами реализуются прн использовании лазерной модуляциошгой спектроскопии с применением частотной модуляции лазерного излучения, Известен способ измерения резонансного поглощения газов, состоящий в том, что излучение лазера модулируют по частоте и пропускают через анализируемый газ, а поглощение регистрируют путем синхронной амплитудпой демодуляции прошедшего через апалпзируемый газ излучения (1) .

Однако чувствительность обнаружения примесей по этому способу ограничена помехамп от амплитудной модуляции излучения лазеров, которая всегда сопровождает частотную модуляцию, Для уменьшения влияния этих помех синхронную демодуляцию ведут не на частоте модуляции, а на одной иэ ее четных гармоник. Этот прием уменьшает влияние помех, но не устраняет ее полностью.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения резонансного поглоШения газа, включающий частотную модуляцию излучения лазера на частотах и 1 (1„, коллимацию излучения в два пучка, пропускапие первого пучка через анализируемый газ, а второго пучка — через образцовый гаэ 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 напряжсние частоты F = jf< +f. f g Ф О где э, — целые числа, (+ — четное число, для демодуляции второго пучка используют опорное напряжение частоты F, стабилизацию несущей частоты излучения лазера путем перестройки лазера сигналом демодуляции первого пучка, регистрацию первого .сигнала демодуляции первого пучка при Fz (.2э э- э11 где 1м целое число, = 1,2, регистрацию второго сигнала дсмодуляшп первого пучка, вы чнтанис второго сигнала иэ первого и оп155869 2 ределение величины резонансного поглощения анализируемого газа по разности первого и второго сигналов..

Та ким образом, измерение проводят в две стадии. На первой регистрируют сигнал, представляющий собой сумму истинного сигнала резонансного поглощения и ложного сигнала, обусловленного параэнтной амплитудной модуляцией излучения лазера. На второй стадии регистрируют величину ложного сигнала, для чего удаляют анализируемый газ 12/.

Недостаток данного способа — необходимость откачки анализируемого газа. Эта операция занимает много времени, а для измерений на открытых трассах в атмосфере она невозможна. Кроме того, откачка газа иэ поглощающей KInneTbI сильно меняет рефракцию на трассе измерительного пучка, что тоже вносит погрешность при измерении малых концентраций примеси.

Цель изобретения — повышение чувствительности и упрощение измерений.

Цель достигается тем, что согласно способу, включающему частотную модуляцию излучения лазера на частотах .Г,1 и а „, 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 прошедше35 го через гаэ излучения обоих пучков, причем для демодуляции первого пучка используют опорное напряжение частоты

F„=-. 1„- Г О, где j и 1 — целые числа, а ) + P — четное число, для демодуляции второго пучка используют опорное напряжение частоты ->, стабилизацию частоты излучения лазера путем пере-. стройки лазера сигналом демодуляции второго пучка, регистрацию первого сигнала демодуляции первого пучка при F {2ь|,—

1= — 1) ;, где нэ — целое число, 1 = 1,2, регистрацию второго сигнала демодуляции первого пучка, вычитание второго сигнала иэ первого и определение величины резо50 панского поглощения анализируемого газа по разности первого и второго сигналов, второй сигнал демодуляции первого пучка регистрируют при Fg =Fq

Кроме того, вычитание второго сигнала

55 из первого ° выполняют путем регистрации усредненного по времени сигнала демоду-- ляции первого пучка при периодическом чередовании регистрации первого и второггг

11 áî сигналов, причем синхронно .с изменением о меняют на 180 фазу опорного напряжения частоты Г1

Кроме того, усредненный сигнал регистрируют в моменты времени, отстояшие от 5 начала полупериода чередования первого и второго сигналов на четверть периода.

При этом в каждом из полупериодов соответствующих регистрации второго сигнала, дополнительно фазу опорного напряжения частоты y меняют на 180 .

На чертеже показаны графики зависимости величины сигнала синхронной амплитудной демодуляции частотно- модулированного лазерного излучения от величины расстройки несушей частоты излучения лазера от центра линии поглощения газа: б — зависимость для демодуляции с использованием опорного напряжения частоты

8 — для частоты 2 „; о — для 20 частоты 3 т„; 2 — для частоты 4 т, для частоты (2w — 1) j„;. 6 — для частоты 2mf

Зависимости величин сигналов синхронной. демодуляции от расстройки при использовании опорного напряжения частоты F < =

= j „+ (f 0 соответствуют: б — для ; 1+Ill=2; z — для 1} +11 I = 4; e— для j+ Г четного и для j I. нечетного, 30

Способ осуществляется следующим образом.

Частотно-модулированное излучение перестраиваемого лазера расшепляют на два пучка. Первый пучок пропускают через ана35 лизируемый газ на первый фотоприемник, второй пучок пропускают через эталонный газ на второй фотоприемник. Сигнал первого фотоприемника подвергают синхронному детектированию с использованием опорного 40 напряжения частоты F2, где F далее на двух различных стадиях измерений устанав" ливают равной либо F q, либо F q .

Сигнал, получаемый при демодуляции излучения во втором пучке, используют для автоподстройки частоты лазера, осуществляемойой типовым способом — указанный сигнал воздействует на лазер и перестраивает частоту генерации при ее уходах. Расстройка лазера от частоты при которой обраща) 50 ется в ноль напряжение демодуляции второго пучка, сопровождается появлением воздействующего на лазер сигнала, поэтому частота лазера автоматически стабилизируется таким образом, что воздействующий на лазер,-5 сигнал обратной связи стремится к нулю, следовательно, частота лазера стабилизируется в одной из точек на шкале частот, в которой обрашается в ноль сигнал демолуляции второго пучка.

На первой стадии измерений для демодуляции вгорого пучка используют синхронное детектирование с опорным напряжением частоты (2 з .-1) „. Частоту лазера настраивают на центр линии, далее при правильном выборе фазы опорного налояжения. частота лазера захватывается и устойчиво удержива; ется на центре линии. В э гих условиях, как видно из B, „e. сигнал демодуляции первого пучка (на четных комбинациях частот модуляции) максимален. Реальный сигнал представляет собой сумму помехи. и истинного сигнала резонансного поглощения.

На второй стадии измерений для демоду ляции второго (эталонного) пучка используют опорное напряжение частоты F =F При подаче опорного напряжения частота лазера автоматически перестраивается в один из ближайших нулей сигнала демодуляции второго пучка, знак расстройки частоты лазера от центра линии зависит от фазы опорного напряжения F > . В этом режиме сигнал демодуляции первого (измерительного) пучка представляет собой чисто ложный сигнал (он обрашается в ноль, если амплитудная модуляция лада юшего на анализируемый газ излучения отсутствует) . Истинный сигнал резонансного поглощения, выделяемой на частоте F, в этих условиях обра= щается в ноль, что видно из 3, >i +

Таким образом, в двух описанных режимах измерений получают два значения сигнала демодуляции излучения в первом (измерительном) пучке. Их разность эквивалентна сигналу чистого резонансного поглощения, который при настройке лазера на центр линии поглошения можно было бы получить при отсутствии паразитной амплитудной модуляции излучения лазера на частоте " 1 . Внесением такой поправки достигается повьпиение чувствительности измерений резонансного поглощения, истинный сигнал отделяется от маскирующей его помехи.

Чтобы операция вычитания сигналов, фиксируемых в разные моменты времени, не вносила дополнительных погрешностей, ее исполняют следуюшим образом.

Частоту опорного напряжения Fz, используемого при демодуляции второго (эталонного) пучка, изменяют периодически при помощи коммутатора, приводимого в действие устройством, выполняющим функцию часов (часовой механизм, синхронный электродвигатель, стабильный генератор импульсов . и т.п.) . Синхронно с переключением напряжения .частоты F изменяют на ,Ф

1155869

180 фазу опорного напряжения исполь- зуемого для синхронной амплитудной демодуляции излучения в первом измерительном пучке, Получаемый в этих условиях сигнал демодуляции первого пучка усредняют ло време|и| за интервал, превышающий период перек|почения опорных напряжений. Эта процедура эквивалента усреднению разности сигналов, регистрируемых на первой и второй стадиях. Поэтому постоянную составляющую усредненного сигнала рассматривают как результат вычитания сигналов, уменьшенный в два раза.

Для усреднения используют, например, RC- фильтр пнжпих частот.

Выделение постошшой составляюшей усредненного сип ала и подавление его переменной составляющей осушсствляют следуюшим образом, Текущее значепие усредненного сигнала фиксируют в моменты времени, отстоящие от начала каждой стадии измерений на половину длительности одного такта (стадии) измерений.. Тем самым постоянную составляющую усредненного сигнала фиксируют в те моменты времени, когда текущее значение переменой составляющей (колебания практически треугольной формы) проходит через ноль. Йля этого используют, например, одно из устройств выборки-хранеш я аналоговых сигналов.

Для устранения погрешности, вызванной зависимостью глубины параэитной амплитудной модуляции излучения лазера от расстройки частоты, измерение выполняют следующим образом.

В каждом втором из тактов измерешй, в которых используют Fä = F (т,е. фиксируют величину ложного сигнала), изменяют на 180 фазу опорного напряжения частоты Fq (т.е. опорного напряжения, подаваемого на синхронный усилитель и используемого для демодуляции второго (эталонноГо) пучка) . За счет этого измерение ложного сигнала проводят попеременно при двух значениях расстройки лазера, сим . метри иных по отношению к центру линии поглощения. В этом случа как поправку учитывают среднее арифметическое от двух значений ложного сигнала, зафиксированных при симметричных расстройках лазера. Этот прием наиболее эффективен тогда, когда глубина паразитной амплитудной модуляции излучения лазера монотонно зависит от его расстройки в пределах линии резонансного поглощения.

Для практической реализации предлагаемого способа измерения пригодны в первую очередь инжекционные лазеры, частоту генерации которых перестраивают изменением тока накачки. Для коммутации опорных напряжений используют, например, интегральные мультиплексоры, управляемые разрядными сигналами двоичного счетчика.

Прн реализации способа подавляется ложный сигнал, превосходяший истинный сигнал поглощения на 2 — 3 порядка, Этим обеспечивается повышение чувствительности также на 2 — 3 порядка. На практике длительность такта измерений следует выбирать в пределах 1 — 5 с, время усреднения сигнала должно превышать длительность такта не менее чем 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 линии поглощения окиси азота NO (около 5 3 мкм), имеющей ду блетную структуру, цри этом девиация частотной модуляции превышала величину расщепления дублета. Испытания проведены при j, 6 =1,2 и m = 1,2, На практике для измерений в газах при низких давлениях (до 1000 Па) J i E следует

4О выбирать равными 1 илн 2; для измерений при атмосферном давлении j, 6 - "3,4 и и = 2. Использовать, (> 5 и rn w 3 нецелесообразно.

Таким образом, предложенный способ поэ4З ляет повысить чувствительность и упростить измерения

1155869

Жгло л

Составитель С. Бочниский

Техред С,Мигунова Корректор Л. Пилипенко

Редактор М. Недолуженко

Подписное

Филиал ИПП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 3129/36 Тираж 897

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб,, д. 4/5