 |
Метод дифференциального поглощения для оптико-акустического газоанализа
|
|
|
|
В реальных условиях общий вид уравнения (7) примет вид
U = RW (s (λ) N + β), (9)
где β – коэффициент фонового поглощения, имеющего различную физическую природу. При использовании ОАД с СО2-лазерами приоритетное значение в формировании фона имеет поглощение в окнах ОА-ячейки.
Для устранения влияния фонового поглощения измерения выполняются на двух лазерных линиях: линии, где поглощение исследуемым газом максимально и линии, где такое поглощение практически отсутствует и вклад фонового поглощения в регистрируемый сигнал максимален. В случае монохроматического излучения регистрируемые сигналы ОАД на линиях λon и λoff примут вид:
U on = RWon (s (λ on) N + βon)
(10)
Uoff = RWoff (s (λ off) N + βoff),
Система уравнений (10) не может быть разрешима, так как в нее входят три неизвестных: концентрация N и коэффициенты фонового поглощения βon и βoff. Однако, если длины волн λon и λoff выбраны достаточно близкими и селективность фонового поглощения мала (что в большинстве случаев справедливо для спектральной зависимости поглощения в окнах), то можно положить βon = βoff = β. Тогда система двух уравнений (10) упрощается до двух неизвестных величин – N и β. Решение этих уравнений относительно концентрации исследуемого газа имеет следующий вид:
N = (U on/ W on - U off/ W off)/ R (s (λ on) - s (λ off)) (11)
Сечения поглощения s (λ on) и s (λ off) считаются известными. Их находят либо путем численных расчетов, либо определяют по результатам экспериментов.
II. Практическая часть
Схема оптико-акустического сенсора
Для измерения концентрации используется внутрирезонаторный лазерный оптико-акустический сенсор ILPA-1 (в дальнейшем - Сенсор), который предназначен для детектирования газовых примесей, имеющих полосы поглощения в спектральном диапазоне длин волн 9,2 - 10,8 мкм, в воздухе. Сенсор рассчитан на применение в аппаратуре локального оперативного газоанализа.
|
|
|
Принцип действия Сенсора основан на оптико-акустическом эффекте, возникающем в результате поглощения газами излучения СО2 лазера. На рисунке 1 представлена блок-схема Сенсора. Резонансный дифференциальный оптико-акустический детектор (ОАД) проточного типа 1 установлен внутри резонатора СО2 лазера, благодаря чему мощность оптического излучения, взаимодействующая с молекулами газа в ОАД, достигает 100 Вт и более на различных линиях генерации СО2 лазера. С помощью зонда, присоединенного к штуцеру 5, берется проба воздуха, которая воздушным насосом 13 прокачивается через ОАД. Молекулы газа, имеющего линии поглощения на длине волны излучения СО2 лазера, поглощают модулированное излучение СО2 лазера, при этом внутри ОАД формируются акустические колебания на частоте модуляции, которые регистрируются микрофонами 4. Величина измеренного акустического сигнала пропорциональна концентрации молекул поглощающего газа в пробе воздуха. Информация о величине зарегистрированного сигнала отображается на мониторе блока управления и индикации, в качестве которого используется персональный компьютер.
 |
Рисунок 1 - Блок-схема внутрирезонаторного лазерного оптико-акустического сенсора: 1 - оптико- акустический детектор, 4 - микрофоны, 5 - ввод-вывод газовой пробы, 6 - проходное окно, 7 - уплотнение, 8 - корпус излучателя волноводного СО2 лазера, 9 - волновод, 10 - выходное зеркало лазера, 11 - фотодетектор, 12 - выходное излучение лазера, 13 - воздушный насос, 14 - согласующая линза, 15 - узел перестройки длины волны излучения с дифракционной решеткой, 16 - шаговый привод узла перестройки, 17 - блок управления и индикации, 18 - ВЧ генератор накачки лазера.
|
|
|
Ход работы
1. Произвести выбор зондирующих длин волн излучения λon и λoff для углекислого газа по данным банка спектральных линий (HITRAN [3]).
2. Продуть ОАД атмосферным воздухом. Произвести ОА регистрацию поглощения на выбранных длинах волн. По формуле (11) определить концентрацию атмосферного СО2.
III. Контрольные вопросы
1. Принцип метода дифференциального поглощения.
2. Физические основы оптико-акустического метода.
IV. Литература
1. Лазерный оптико-акустический анализ многокомпонентных газовых смесей / В.И.Козинцев, М.Л.Белов, В.А.Городничев, Ю.В.Федотов, - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003. – 352 с.
2. Внутрирезонаторный лазерный оптико-акустический сенсор ILPA-1. Паспорт. Техническое описание. Руководство по эксплуатации. ЗАО "ЭльСиЭс Фасилити Менеджмент". Новосибирск.
3. Rothman L.S., Jacquemart D., Barbe A. et al. The HITRAN 2004 Molecular Spectroscopic Database // J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 2005. V.95. P.139 – 204.
|
|
|
