Оптико-акустический метод в лазерном газоанализе

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ГОУВПО СибГМУ Росздрава)

“Утверждаю”:

_____________________

Проректор по НР СибГМУ

проф. Венгеровский А.И.

Кафедра физики СибГМУ

ЛАБАРОТОРНАЯ РАБОТА

Измерение концентраций газов методом дифференциального поглощения

Томск -2006 г.

Цель работы

 

Познакомиться на практике с методом дифференциального поглощения и определить концентрацию углекислого газа в атмосфере

 

I. Теоретическая часть

Метод дифференциального поглощения

Метод дифференциального поглощения (МДП) впервые был предложен и реализован на практике Счетлэндом для лазерного зондирования водяного пара атмосферы. Он основан на явлении резонансного поглощения в пределах контура линии поглощения исследуемого газа. Концентрация исследуемого газа вычисляется при использовании сигналов на двух близких частотах, находящихся на линии поглощения и вне её. МДП широко используется для измерения концентрации газов, таких как NO₂, SO₂, СO₂, с высокой чувствительностью.

Для того чтобы выделить вклад поглощения интересующей нас молекулы в ослабление лазерного пучка, обычно применяется метод так называемого дифференциального поглощения. В этом случае используется две частоты: одна в центре полосы поглощения интересующей нас молекулы, а другая – на крыле этой линии.

В ряде случаев для построения моделей взаимодействия лазерного излучения с веществом удобнее использовать квантовый подход в описании излучения, согласно которому свет – поток световых квантов или фотонов, обладающих основной характеристикой hv, где h – постоянная Планка, v – частота. При этом поглощающие свойства вещества определяются величиной hv, а энергия или интенсивность излучения количеством и плотностью потока фотонов. Используя планетарную модель атома, согласно которой оптические поглощающие свойства вещества, состоящие из того или иного вида атомов или молекул, определяются конфигурацией электронных, колебательных и вращательных уровней, на которые может переходить электрон из основного (невозбужденного состояния) при поглощении фотона. Спектры поглощения большинства молекул, представляющих интерес для дистанционного зондирования, находятся в ИК-области спектра и соответствуют колебательно-вращательным переходам. Как правило, в этом случае используется бистатическая схема, когда источник излучения и приемник находятся по разные стороны от исследуемой среды.

Принцип работы МДП

В основу МДП положено различие зависимости поглощения узкополосного лазерного излучения различными газовыми компонентами атмосферы и аэрозолем. В этом случае прошедшая через среду интенсивность в соответствии с законом Бугера будет зависеть от длины волны лазерного излучения. В частности при наличии двух поглощающих компонент закон Бугера примет вид:

, (1)

где , - начальная интенсивность излучения (на входе в среду) и на расстоянии от ее начала, - коэффициенты поглощения каждой газовой компоненты среды. Уравнение (1) можно представить в виде

. (2)

Это уравнение - линейное (первой степени) относительно неизвестных параметров среды . Нахождение этих неизвестных возможно, если коэффициенты поглощения различных компонент среды будут по разному зависеть от длины волны падающего излучения. Например, пусть , т.е. не зависит от длины волны. Тогда, проводя измерение интенсивности прошедшего излучения на двух длинах волн, можно найти неизвестные параметры среды, если их зависимость от длины волны известна:

. (3)

Для газов коэффициент поглощения представим в виде , где - концентрация, а - сечение поглощения. Наиболее просто концентрация исследуемого газа вычисляется при использовании сигналов на двух близких частотах, находящихся на линии поглощения (on) и вне её (off), поскольку вне линии поглощения . При этом

. (4)

Точность определения концентрации газа зависит от разных факторов, основным из которых является выбор оптимальных длин волн λ_on и λ_off и следовательно выбор соответствующего ∆σ. Основные критерии для выбора пар длин волн (λ_on, λ_off) для дистанционного зондирования газов атмосферы методом МДП заключаются в следующем:

 

1. Совпадение длины волны лазерa λ_on с центром линии поглощения, или, по крайней мере, разница между ними должна быть меньше ширины линии поглощения газа.
2. Оптимальная интенсивность линии поглощения газа: интенсивность должна быть велика для достижения требуемой чувствительности, и в тоже время достаточно слабая, чтобы доля прошедшего излучения была бы не очень мала.
3. Разница ∆λ между λ_on и λ_off должна быть очень мала. Это обусловлено, прежде всего, влиянием на ослабление лазерного излучения атмосферного аэрозоля.
4. Поглощение мешающими газами на длинах волн λ_on и λ_off либо очень мало либо одинаково на этих длинах волн.

Оптико-акустический метод в лазерном газоанализе

Принцип реализации оптико-акустического (ОА) метода с непрерывными перестраиваемыми лазерами заключается в следующем [1].Модулированное по амплитуде (или частоте) монохроматическое излучение лазера проходит через ячейку ОА детектора (ОАД) с прозрачными окнами, заполненную газом, поглощающим излучение. В результате поглощения газ нагревается и создает в замкнутом объеме ячейки колебания давления (звук) на частоте модуляции источника излучения. При условии, что длина звуковой волны в газе больше внутренних размеров ячейки ОАД и выполняется закон поглощения Бугера, амплитуда D P колебаний давления пропорциональна средней по объему V ячейки мощности, выделяющейся при поглощении

 

D P = kW _погл / V = kW [1 – exp (– s (λ) N l)] / V. (5)

 

где W – мощность излучения, Вт; V = p a ² l, a, l – объем, м³, радиус и длина ячейки, м; k – коэффициент пропорциональности.

При слабом поглощении (s(λ) N l << 1), с которым приходится иметь дело при решении практических задач, соотношение (5) примет вид

 

D P = kW s (λ) N /p a ² = R _c s (λ) NW. (6)

 

Колебания давления преобразуются помещенным в ячейку конденсаторным микрофоном в переменный электрический сигнал амплитудой U и регистрируются:

U = R _м D P = R _м R _c s(λ) NW = Rs (λ) NW. (7)

Это общий вид основного уравнения, связывающего регистрируемый ОА сигнал с исследуемым параметром, в данном случае концентрацией газа.

Перестраивая длину волны излучения лазера λ и откладывая ее значение по оси абсцисс, а по оси ординат – отношение U / W, получаем частотное распределение (спектр) величины, пропорциональной коэффициенту поглощения (концентрации) газа.

Коэффициент пропорциональности R определяет важнейший параметр - чувствительность ОАД (В × Вт^–1 × см):

R = U / s (λ) NW, (8)

которая характеризует эффективность преобразования поглощенной мощности в электрический сигнал акустического датчика и представляет собой амплитуду электрического сигнала, генерируемого датчиком на единицу мощности, поглощенной исследуемой средой на единицу длины. Чувствительность R = R _м R _с зависит от параметров ОА - ячейки, микрофона, термодинамических свойств исследуемой среды и представляет собой произведение двух составляющих, где R _с – коэффициент преобразования поглощенной мощности в акустический сигнал (чувствительность ячейки, Па × Вт^–1 × см); R _м - коэффициент преобразования акустического сигнала в электрический (чувствительность микрофона в ОА - ячейке, В × Па^–1). Чувствительность конкретного ОАД определяется в процессе калибровки при использовании эталонных газовых смесей с известным содержанием поглощающей компоненты. При этом сопоставляются сигнал ОАД и известный коэффициент поглощения эталонной смеси.

12Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: