レーザーガス分析計。 レーザーガス分析装置 SITRANS SL. 測定方法に関する情報

原稿として

ドルギイ・セルゲイ・イワノビッチ

示差吸収法によるレーザーガス分析装置

01.04.01 - 実験物理学の機器と方法

物理および数理科学の候補者学位論文

バルナウル - 2004

この研究はロシア科学アカデミーのシベリア支部の大気光学研究所で行われた。

科学的指導者: - 物理数理科学博士

教授、ロシア科学アカデミー通信会員 ウラジミール・ウラジミロヴィチ・ズエフ

公式対戦相手: - 物理数学博士

ストリキン・イーゴリ・アナトリエヴィチ教授。 - 物理および数学の候補者、上級研究員ウラジミール・エゴロヴィッチ・プロコピエフ。

主導組織: トムスク工科大学

弁護は2004年12月15日に行われる。 14:00に アルタイ州立大学の論文審議会 D 212.005.03 の会議にて、住所: 656049, Barnaul, Lenin Ave., 61

この論文はアルタイ州立大学の図書館で閲覧できます。

科学秘書

論文評議会 Ph.D.

DD ルーダー

トピックの関連性。 さまざまな要因の影響により、環境は変化します。 産業、エネルギー、農業、交通の急速な発展は、環境に対する人為的影響の増大につながります。 多くの有害な副産物がエアロゾル、ガス、生活排水、産業排水、石油製品などの形で大気圏、水圏、岩石圏に入り込み、人間の生存条件と生物圏全体に悪影響を及ぼします。 したがって、環境制御は現代の緊急の課題です。

現在、大気の状態を監視するために、化学、熱、電気、クロマトグラフィー、質量スペクトル、および光学ガス分析装置が使用されています。 さらに、後者のみが非接触であり、サンプリングを必要としないため、測定値に追加の誤差が生じます。 ガス分析の光学的方法の中で特別な位置を占めるのはレーザー法であり、測定の高濃度感度と空間分解能、距離と速度によって特徴付けられます。 まず第一に、これは共鳴吸収の効果に基づいて動作するレーザーガス分析装置に関するもので、共鳴吸収は光放射と研究対象の媒体との相互作用の断面積が最も大きく、最大の感度を提供します。 このようなガス分析計は通常、差動吸収方式を実装しています。 国内外のレーザー技術の発展に伴い、光音響（局所的なガス分析用）およびパス（研究対象のガス濃度の積分値を提供する）レーザーガス分析装置、ならびにライダー（LIDAR -英語の単語 Light Detection と Ranging の略語）は、空間分解能による大気中のガスの濃度に関する情報を開発しました。 しかし、論文の作業を開始した時点では、まれな例外を除いて、これらはすべて 1 つ、最大 2 つのガス成分を測定するように設計された実験室モデルでしたが、環境モニタリングには多成分ガスの分析が必要でした。

地球の大気のすべてのガス成分は、窒素、酸素、アルゴンなどの主要成分を除き、通常、いわゆる微量ガス成分 (MGC) として分類されます。 大気中の MGS の割合は小さいですが、人為的要因による MGS 含有量の増加は、大気中で起こる多くのプロセスに重大な影響を与えます。

文献から明らかなように、スペクトルの中赤外領域は、MGS のレーザーガス分析の目的に最も適しています。 構造が解明されているほとんどの MGS の主要な振動回転バンドはここにあります。 この領域では、信頼性が高く効率的な CO および CO2 レーザーなどの高エネルギー分子レーザーが放射されます。 これらのレーザー用に高効率のパラメトリック周波数コンバーター (PPC) が開発されており、これにより 3 つのレーザーを十分に密にカバーすることが可能になります。

大気の透明度の浮遊スペクトルint

シンミオテカ i

球体。 レーザーガス分析にとって有益なもう 1 つのスペクトル範囲は UV 領域です。 多くの汚染ガスの強力な電子バンドがここにあります。 スペクトルの中赤外領域とは対照的に、UV 吸収バンドは非選択的であり、相互に重なり合っています。 オゾン測定法は、ハートレー・ハギンズ オゾン吸収バンドの存在により、この分野で最も大きな発展を遂げてきました。

仕事の目標。 大気中のMGM濃度を検出・測定し、その時空間分布を測定するための示差吸収法に基づくガス分析装置の開発。

作業中に次のタスクが実行されました。

シベリアライダーステーション（SLS）における成層圏のオゾンの垂直分布（VDO）を測定するためのチャンネル（受信ミラー0～0.5mに基づく）の作成。

日常的な測定によるオゾン層の状態の監視。

オゾン層の気候学の研究、成層圏のオゾン傾向の評価。

以下のものが弁護のために提出されます。

2. スペクトルの中赤外範囲における「TRAL」シリーズのレーザーガス分析装置の開発モデル。これにより、長さ 2 km の経路上で 12 を超えるガスの濃度を最大許容濃度以下で迅速に測定できます。鏡または地形再帰反射板。

3. エキシマ XeQ レーザーに基づいて著者が作成した UV オゾン ライダー。これにより、シベリアのライダー ステーションでトムスク上空のオゾン層を高度 13 ～ 45 km の範囲で、最大垂直解像度 100 で中断なく長期間測定することができました。メートル。

研究の科学的新規性:

初めて、IR 分子レーザーと PFC を使用して MGS 大気を感知するための有益な波長が選択され、実験的に検証されました。

独自の移動式および固定式ルートガス分析計が多数開発されており、大気のガス組成の迅速な多成分分析が可能です。

人為的負荷が大きい国内の環境に優しい地域において、MHC (C2H4、NH3、H2O、CO2、CO、Oz、NO2 など) の濃度の日次変動を測定しました。

仕事の結果を活用する。 ガス分析装置を使用して得られたデータは、1979 年から 1980 年にかけてソ連オリンピック委員会に提出されました。 モスクワだけでなく環境団体にも。 トムスク、ケメロヴォ、ソフィア (NRB) は、「TOR」 (対流圏オゾン研究)、「SATOR」 (成層圏および対流圏オゾン研究) など、さまざまな RFBR 補助金、協定、契約、プログラムに関する IOA SB RAS の最終報告書に含まれていました。研究）など。

この研究の実際的な価値は次のとおりです。 - 天然油と随伴油の混合物中のメタン系炭化水素の合計とメタンおよびより重質の炭化水素の濃度を個別に測定できる光音響ガス分析装置が開発されました。ガス。 このガス分析装置を使用すると、炭化水素堆積物の上で地表に現れるガスのハローによって石油とガスを検索することができます。

開発されたルートガス分析装置は、優先汚染ガスの広範なリストから最大許容濃度以下のガス濃度を測定することを可能にします。

0 0.5 m のミラーに基づいてオゾン SLS の垂直分布を感知するためのチャネルを作成し、最大解像度 100 m で高度 13 ～ 45 km の範囲で信頼性の高い VRO プロファイルを取得できるようにします。

研究結果の信頼性は、以下によって保証されます。 - 開発されたガス分析装置を使用して得られた実験データと、他の方法で同時に取得されたデータがよく一致していること。 同様の気候および環境条件下で他の著者によって取得されたデータ。

LIDAR、オゾンゾンデデータ、衛星測定によって測定された成層圏のWROプロファイルは、使用したデバイスの誤差範囲内で良好に一致しています。

作品の承認。 著者が入手したこの論文のテーマに関する主な結果は、ロシアの査読付き科学雑誌に 11 件の論文として掲載され、次の場所で報告されました: VI、VII、および XI レーザーおよび音響センシングに関する全連合シンポジウム (トムスク、1980、 1982年、1992年）; VI 大気中のレーザー放射の伝播に関する全連合シンポジウム (トムスク、1881 年)。 XII コヒーレントおよび非線形光学に関する全連合会議 (モスクワ、1985 年)。 V インターナショナルスクール - 量子エレクトロニクスに関するセミナー。 レーザーとその応用 (NRB、サニービーチ、1988); 5 国際大気物理学および気象学協会の学術集会（レディング、イギリス、1989年）。 レーザーおよび音響センシングに関する第 11 回シンポジウム (トムスク、1992 年)。 I、III、IV、VI 共和国間シンポジウム「大気と海洋の光学」(トムスク、1995、1996、1997、1999)。 III 気候生態学的モニタリングに関するシベリア会議（トムスク、1999）。 I 地域間会議「シベリアの川と北極の生態学」（トムスク 1999）。 VII 大気と海洋の光学に関する国際シンポジウム (トムスク、2000)。 VIII および IX 大気海洋光学および大気物理学に関する国際シンポジウム (Tomsk 2001 および 2002)。 11 大気放射線測定に関するワークショップ（米国アトランタ、2001）。 IX 作業部会「シベリアのエアロゾル」 (Tomsk 2002)。 第 21 回および第 22 回国際レーザー会議 (2002 年カナダのケベック、2004 年イタリアのマテーラ)。 II 国際会議「シベリア、極東、北極の環境と生態」（トムスク、2003）。 大気、海洋および環境研究のための光学技術に関する国際会議 (中国、北京、2004 年)。

個人的な貢献。 この作品では、著者が個人的に、または著者の直接の参加によって得られた結果が使用されています。 これは、ガス分析計を構築するための一般的なスキームと、その個別の光学機械および電子コンポーネントおよびブロックの両方の開発に著者が参加したことを意味します。 設置および試運転作業を実行します。 作成されたガス分析計の測定方法の開発、テスト、遠征およびフィールドテストも、この作品で紹介されており、著者の直接の参加によって行われました。 1996 年以来、SLS におけるオゾン層の状態のほぼすべての観測は、著者の積極的な参加のもとに実施されてきました。 彼は、XeQ レーザーと 0 ～ 0.5 m の受信ミラーに基づいてオゾン SLS の垂直分布を感知するための改良されたチャネルを作成しました。著者が実行した VRO データの再分析により、地球の気候学の特徴を決定することが可能になりました。トムスク上空のオゾン層。

IRガス分析計「LAG-1」「Resonance-3」の開発は博士と共同で行いました。 G.S. フメリニツキー、残りの結果は対応するメンバーの指導の下で得られました。 RAS、物理数理科学博士 V.V. Zuev と研究室のメンバーが作業のさまざまな段階で参加しました。

序論では、主題の関連性を実証し、研究の目標と目的を明確にし、科学的な新規性と実際的な重要性を強調し、弁護のために提出された主な規定を提供します。

最初の章では、光音響法について説明し、空気サンプル中のメタンと他の飽和炭化水素の濃度を個別に測定するために設計された光音響ガス分析装置のブロック図を示します。

多くの研究により、油田およびガス田地域の大気および土壌空気サンプル中に高濃度の炭化水素 (HC) が存在することが示されています。 著者らは、これは堆積物から地表への炭化水素の放出によるものであるという意見を表明した。 石油およびガス鉱床を探索するための地球化学的手法は、これらの事実に基づいています。 データによると、旧ソ連のガス田からの天然ガスの組成（体積比）：メタン 85-95％。 エタンは7%まで。 プロパン 5% まで。 ブタン 2% まで。 ペンタンおよび重質炭化水素は最大 0.4%。 油田およびガス田からの随伴石油ガスの組成: 最大 80% のメタン。 エタンは最大 20%。 プロパン 16% まで。 イソブタン + n-ブタン 6% まで。 ペンタンおよび重質炭化水素は最大 0.9%。 したがって、ペンタンおよびより重質の炭化水素は、油田およびガス田上のガスハローの含有量にわずかに寄与します。

米。 1. 回折格子を備えたガス分析装置 1-2-СО g レーザーのブロック図; 4、5-He-Neレーザー。 7、9、10パルス形成。 8モジュレーター。 11-変調器制御ユニット。 12 カメラ分光器。 13マイク。 14選択アンプ; 15-ADC!; 16周波数メーター。 17 アッテネーター。 18レシーバー。 19-電子時計; 20-ADC2; 21-制御ユニット。 22 個のマイクロコンピューター。 23 デジタル印刷。

地表の油田の上に出現する炭化水素のガスハローによって油田やガス田を探索する場合、メタンとより重い炭化水素の濃度を個別に測定することが非常に重要です。メタンは深層構造だけでなく生成物である可能性があるためです。だけでなく、上部の生物学的に活性な層のものもあり、常にフィールドの前駆体であるとは限りません。 これは、たとえば Za- の場合に典型的です。

西シベリアでは、その領土内にある沼地によってメタンが大量に生成される可能性がありますが、地殻の上層では重炭化水素は生成されません。 この研究では、混合物中のメタン含有量が他の炭化水素の含有量の 100 倍以下であるという条件で、そのような個別の測定の可能性を分析しています。

開発した高感度光音響ガス分析装置「LAG-1」は、メタンと他の炭化水素の任意の混合比の炭化水素濃度を記録することができます。 ガス分析計のブロック図を図に示します。 1.

変調されたレーザー放射が放射変調周波数 co で円筒形分光器 (光音響検出器) を通過するときの円筒形分光器 (光音響検出器) のチャンバー内のガス圧力は、レーザー放射の出力と、調査対象のガスの吸収係数 aop および品質に依存します。変調周波数 Q(co) における音響共振器の係数は次のようになります。

5zhg02[co2+t1)"

ここで、£) はシリンダーの直径です。 tg はスペクトロフォンの温度緩和時間です。

圧力脈動はコンデンサーマイクタイプ MKD/MV 101 (13) によって電気信号に変換されます。 次に、信号は選択アンプ タイプ U2-8 (14) によって増幅され、ADC1 (15) によってデジタル化されて、結果処理システムに供給されます。 スペクトロフォンチャンバーを通過するレーザー放射は、減衰器 (17) によって減衰され、熱電受信機 (18) に当たり、ADC2 (20) によってデジタル化され、結果処理システムにも入ります。

システムは吸収係数を計算します。

単一ピニウムでの一般的な吸収の場合のガス濃度:

/=/, 2, 3 ...p,

ここで、l はスペクトロフォンの校正係数です。 n は測定の数です。 £/s/ - マイクからの信号; - 信号はレーザー放射パワーに比例します。 - スペクトロフォンのバックグラウンド信号; 研究対象のガスの質量吸収係数。 計算結果は、波長コードと時間とともにデジタル印刷されます。

III-Ni レーザーの調整領域では、波長 1.15 μm の輝線は大気中の水蒸気の吸収線と一致し、3.39 μm の線はメタン基の炭化水素の吸収バンドと一致します。メタンそのもの。 CO2 レーザーの波長調整範囲 (9.1 ～ 10.8 μm) には、

したがって、炭化水素の合計の濃度と、エタン、プロパン、ブタンの濃度を個別に測定することにより、メタンの濃度を決定することが可能になります。 表 1 は、これらのガス成分のリストと、放射線および CO2 レーザーの対応する波長での吸収係数を示しています。

表1

気体 He-Me X. = 3.39 µm a、cm "1 atm" 1 CO2

A、μm a、cm"1 atm"1

メタン 9.0 - -

エタン 4.1 10.8847 0.5

プロパン 9.0 10.8352 0.45-0.5

N-ブタン 12.6 10.4762 0.9

イソブタン 13 10.8598 0.4

CO2 レーザーは広い調整範囲を持っているため、エタン、プロパン、n-ブタン、イソブタン、エチレン、ベンゼンなどのガス成分を個別に測定することができます。 同じ表から、炭化水素による CO2 レーザー放射の吸収係数は、III-Ni レーザー放射の吸収係数より 10 ～ 20 分の 1 であることがわかります。 しかし、共鳴スペクトロフォンの場合、感度はそれを通過するレーザー放射のパワーに比例し (式 1)、さらに LG-126 のようなレーザーのパワーに比例します。

波長 3.39 μm 8 mW、CO2 レーザー 10 W を備えたこのガス分析計は、重炭化水素に対して 100 倍高い感度を持っています。

図 2 は、オビ川沿いの遠征の 1 つで得られた、いくつかの異なるガス分析装置による炭化水素の比較測定結果を示しています。LAG-1 (炭化水素とメタンの合計と、より重い炭化水素を個別に測定)、「Iskatel」(メタンを含む炭化水素の合計が測定されました）および SRS ライダー（メタンを含まない炭化水素の量が測定されました）。 これらすべての装置によって得られたデータは、油田およびガス田の上空の大気中の炭化水素含有量が急激に増加していることを示しています。

距離うーん

米。 2. さまざまなガス分析計で測定された炭化水素の濃度

堆積物どころか、エタン、プロパン、ブタンの濃度は高くありません。

0.02万"1を超え、メタンは170万〜200万"1を超えましたが、探索されたフィールドに近づくにつれて、より重い炭化水素の濃度が大幅に増加しました。 たとえば、ヴァフ川下流の油田地域（図2の650km地点）では、次の濃度が測定されました：炭化水素の量は510万"1、エタンは100万"プロパン - 170万"1、ブタン - 30万"1、メタン濃度は210万"1です。したがって、大気中のメタン濃度の変動が比較的小さい（150万〜200万"1）ことは明らかです。 1)、油田およびガス田上の炭化水素量の値が大きいのは、重質炭化水素の濃度が増加しているためです。

実施されたテストでは、現場条件における LAG-1 ガス分析計の良好な性能特性が示されました。 このツールを使用して得られた結果は、共同測定中に他の測定システムで得られた結果とよく一致しており、その信頼性を示しています。 2 つのレーザー源 (He-Ni および CO2) と分光器を組み合わせて使用​​することにより、大気および大気汚染ガスの両方の広範囲の濃度を測定することが可能になります。 特に重要なことは、天然ガスと随伴石油ガスの混合物中のメタン留分と重質炭化水素を別々に測定できることです。 これにより、提案したガス分析装置を用いて、地表に出現する炭化水素のガス状微小体を利用した石油・ガス鉱床の探索や、試掘中の炉心のガス分率の動作分析などへの応用が期待できます。井戸。

第 2 章では、示差吸収 (DA) 法に基づいて動作する多数の微量ガス分析装置「Resonance-3」、「TRAL」、「TRAL-3」、「TRAL-ZM」、「TRAL-4」について説明します。方法自体は簡単に説明されています。

1 つの波長 X に対して DP パス法を使用して、時間 I で受信された光信号のパワーは次のように記述できます。

ここで、P- は透過光パワー (W)、

g - 距離 (cm)、s - 光の速度 - 3 x 1010 cm/s、

Р,(r)~ トランシーバーの合計光効率、

<т,- поперечное сечение поглощения (см2),

A - 受容開口部 (cm2)、

a(g) - 減衰係数 (cm -1)、

I、 - ターゲットの後方散乱の立体角 (「1」を参照)、

/" - 波長指数、/=/ および 2、それぞれ最大吸収と最小吸収の波長、N0 - ガス濃度 (cm-3)。

2 つの近い波長の場合、次のことが当てはまります。

したがって、研究対象の体積内の平均ガス濃度は、大気中のガスの濃度を研究するための時空間分解能の情報を提供するライダー (LIDAR - 英語の単語 Light Detection と Ranging の略語) と同様に次のように表すことができます。 。 しかし、論文の作業を開始した時点では、まれな例外を除いて、それらはすべて 1 つ、最大 2 つのガス成分を測定するように設計されているか、実験室モデルでしたが、一方、環境モニタリングでは、かなり長いルート (都市沿い) での多成分ガス分析が必要です。高速道路、領土、大企業）。

文献から明らかなように、スペクトルの中赤外領域は、MGS のレーザーガス分析の目的に最も適しています。 ほとんどの MGU の主要な振動回転バンドはここにあります。 ここには、N2、O2、H2 などの単純なものを除いて、ほぼすべての大気ガスの許容される構造と個々の吸収線があります。

知られているように、スペクトルの中赤外範囲では、高効率の分子レーザーが CO、CO2、NH3、HF、DF などを放出します。 これらの中で、最も信頼性が高く、ガス分析目的に適しているのは、高効率の CO2 レーザーです。 これらのレーザーでは、9.6 μm および 10.6 μm の従来のバンドに加えて、4.3 μm のメインバンドと熱い輝線だけでなく、従来のバンドに対して約 1 cm-1 シフトした連続バンドも生成できます。 CO2 同位体を使用してシフトされた生成線の追加のセットを取得できるという事実を考慮すると、このレーザー光源に対して豊富な輝線のセットが得られます。

最近開発された非線形結晶 ZnGeP2、CdGeAs2、TlAsSe3、AgGaSe2 などに基づく高効率パラメトリック周波数変換器により、CO2 レーザー放射の第 2、第 3、および第 4 高調波、および 2 つの CO2 の和差周波数を取得することが可能になりました。 CO 、NH3、エルビウムなどの他のレーザー。 大気中の MGU のレーザー測深では、変換されたものを含むこれらの輝線のほとんどが大気透明度のスペクトル窓に入ることが重要です。

したがって、ZnGeP2、CdGeAs2、TlAsSe3、および AgGaSe2 で作られた一連のしきい値のないパラメトリック周波数変換器を備えた低圧分子 CO2 レーザーは、以下の要件のほとんどを満たします。 このようなレーザーの隣接するライン間の距離は約 1.5 ～ 2 cm-1 であり、スペクトルの選択と周波数調整の問題が簡素化されます。たとえば、CO2 レーザーまたは 2 つの CO2 の合計差周波数などの 2 段階の変換を使用すると、または CO2 および CO レーザーとその高調波では、2 ～ 17 μm の範囲を最大 10 cm-1 のステップで非常に厳密にカバーすることが可能です。 ポンプレーザーの輝線の中心の位置とかなり狭いスペクトル幅（2×10 -3 cm -1 ）は、活性媒体の物理的パラメーターによって保証されます。 線の中心の位置、したがって変換された周波数の輝線の位置は非常に高い精度で分かるため、スペクトル特性の制御の問題がなくなります。 このようなコンバータの効率は非常に高く、数十パーセントから数十パーセントの範囲にあり、地形物体や大気エアロゾルを反射体として使用する経路ガス分析装置を作成することが可能になります。

レーザーガス分析にとって有益なもう 1 つのスペクトル範囲は UV 領域です。 多くの汚染ガスの強力な電子バンドがここにあります。 スペクトルの中赤外領域とは対照的に、UV 吸収バンドは非選択的であり、相互に重なり合っています。 オゾン測定法は、ハートレー・ハギンズ オゾン吸収バンドの存在により、この分野で最も大きな発展を遂げてきました。

LIDAR を使用して大気オゾンの空間分解測定を実行できる機能は、1977 年に初めて実証されました (Mege et al)。 そして、前世紀の 80 年代後半から、オゾン層のレーザー測深が多くの天文台で定期的に行われるようになりました。 これは、オゾンの垂直分布 (VOD) に関する情報を提供し、特にオゾンゾンデ データが代表的ではなくなる 30 km 以上で、オゾンゾンデやロケットを使用した接触法によって得られる同様の情報をうまく補完します。

シベリアライダーステーションは、1988 年 12 月以来オゾン層を観測しています。 この期間中、LIDAR 技術は絶えず改良され、測定およびデータ処理技術が開発および改善され、測定プロセスを制御するソフトウェアが作成され、得られた結果を処理するための新しいソフトウェア パッケージが作成されました。

仕事の目標。 MGU の濃度を検出・測定し、大気中の MGU の時空間分布を測定するための示差吸収法に基づくガス分析装置の開発。

作業中、次のタスクが実行されました。

局所的なガス分析のための光音響ガス分析装置の開発、およびそれを使用した炭化水素および他の炭化水素の空間分布の研究。

大気のガス組成を研究するためのルートレーザーガス分析装置の開発と作成。

大気中のMGSを測定する方法の開発。

開発された測定技術に基づいて、開発されたデバイスの本格的なテスト。

重大な人為的負荷を受ける国内の生態学的にきれいな地域におけるIGUの時間的動態の研究。

成層圏のオゾンの垂直分布（VDO）を測定するためのチャネルの作成（受信ミラー0 0.5 mに基づく）CJIC;

日常的な測定によるオゾン層の状態の監視。 -オゾン層の気候学の研究、成層圏のオゾン傾向の評価。

以下のものが弁護のために提出されます。

1. 開発されたレーザー光音響ガス分析装置「LAG-1」は、作成された方法論に基づいて、天然ガスと随伴石油ガスの任意の比率の混合空気中のメタンと重質炭化水素の濃度を個別に測定することを可能にします。混合物中の成分。

2. スペクトルの中赤外範囲における「TRAL」シリーズのレーザーガス分析装置の開発モデル。これにより、長さ 2 km の経路上で 12 を超えるガスの濃度を最大許容濃度以下で迅速に測定できます。鏡または地形再帰反射板。

3. エキシマ XeC1 レーザーに基づいて著者が作成した UV オゾン ライダー。これにより、シベリアのライダー ステーションでトムスク上空のオゾン層を高度 13 ～ 45 km の範囲で最大垂直解像度 100 で中断なく長期間測定することが保証されました。メートル。

研究の科学的新規性。

初めて、MHS 大気を測定するための有益な波長が選択され、実験的にテストされました。

放射周波数変換器を備えた調整可能な分子レーザーに基づいて、多数の独自の移動式および固定式微量ガス分析装置が作成されており、大気のガス組成の迅速な多成分分析が可能です。

人為的負荷が大きい国内の環境に優しい地域において、MHC (C2H4、NH3、H2O、CO2、CO、O3、N2O など) の濃度の日次変動を測定しました。

トムスク上空のオゾン層の気候学的特徴が、オゾンの垂直分布プロファイルの定期的かつ長期的な測定に基づいて初めて決定されました。

仕事の結果を活用する。 ガス分析装置を使用して得られたデータは、1979 年から 1980 年にかけてソ連オリンピック委員会に提出されました。 モスクワだけでなく環境団体にも。 トムスク、ケメロヴォ、ソフィア（NRB）。 これらは、「TOR」（対流圏オゾン研究）、「SATOR」（成層圏および対流圏オゾン研究）など、さまざまなRFBR補助金、協定、契約、プログラムに関するIAO SB RASの最終報告書に含まれていました。

この作品の実用的な価値は次のとおりです。

天然ガスと付随石油ガスの混合物中のメタングループの全炭化水素濃度と、メタンおよびより重質の炭化水素濃度を別々に測定できる光音響ガス分析装置が開発されました。 このガス分析装置を使用すると、炭化水素堆積物の上で地表に現れるガスのハローによって石油とガスを検索することができます。

開発されたルートガス分析装置は、優先汚染ガスの広範なリストから最大許容濃度以下のガス濃度を測定することを可能にします。

オゾンの垂直分布を感知するためのチャネル CJIC は、0.0.5 m の受信ミラーに基づいて作成されており、これにより、高度 13 ～ 45 km の範囲で最大解像度 100 m で信頼性の高い VRO プロファイルを取得することが可能になります。

研究結果の信頼性は、以下によって保証されます。 - 開発されたガス分析装置を使用して得られた実験データと、他の方法で同時に取得されたデータがよく一致していること。 データ; 他の著者が同様の気候および環境条件下で取得したもの。

LIDAR、オゾンゾンデデータ、および衛星測定によって測定された成層圏の WRO プロファイルは、使用したデバイスの誤差範囲内で良好に一致しています。 (15%)。

個人的な貢献。 この作品では、著者が個人的に、または著者の直接の参加によって得られた結果が使用されています。 これは、ガス分析計を構築するための一般的なスキームと、その個別の光学機械および電子コンポーネントおよびユニットの両方の開発に著者が参加し、設置および試運転作業を実行することです。 測定技術の開発、作成されたガス分析計の遠征およびフィールドテストも、著者の直接の参加によって行われました。 1996 年以来、CJIC におけるオゾン層の状態のほぼすべての観測は、著者の積極的な参加のもとに行われてきました。 彼は、XeC1 レーザーと 0.0.5 m の受信ミラーに基づいてオゾン CJIC の垂直分布を感知するための改良されたチャネルを作成しました。著者が実行した VRO データの再分析により、地球の気候学の特徴を決定することが可能になりました。トムスク上空のオゾン層。

ガス分析計の開発、そのテストテスト、遠征作業中に得られた結果の処理、VRO に関するこのような大量の実証情報の長期蓄積とその分析のプロセスは、チーム全体の積極的な参加なしには実行できませんでした。 、それなしではこの論文の作業は行われなかったでしょう。 問題の定式化とさまざまな段階での科学的指導は、対応するメンバーによって実行されました。 RAS ズエフ V.V. そして博士号 フメリニツキー G.S. ガス分析計の開発とそのテスト、フィールドテストは博士と共同で実施されました。 Andreev Yu.M.、物理数学博士 Geiko P.P.、研究員 Shubin S.F. 有益な波長の探索に関する理論的研究は、博士によって行われました。 Mitselem A.A.、物理数学博士、Kataev M.Yu.、Ph.D. プタシュニク I.V. 博士 ロマノフスキー O.A. VRO のライダー計測は主任研究員と共同で実施しました。 ネフゾロフ A.V.、博士 ブルラコフ V.D. 物理および数理科学の博士号 マリチェフ V.N.、博士とともに測深データを処理 ボンダレンコSL。 物理および数理科学の博士号 エルニコフ A.V.

作品の承認。 著者が入手したこの論文のテーマに関する主な結果は、ロシアの査読付き科学雑誌に 11 件の論文として掲載され、次の場所で報告されました: VI、VII、および XI レーザーおよび音響センシングに関する全連合シンポジウム (トムスク、1980、 1982年、1992年）; VI 大気中のレーザー放射の伝播に関する全連合シンポジウム (トムスク、1881 年)。 XII コヒーレントおよび非線形光学に関する全連合会議 (モスクワ、1985 年)。 Vインターナショナルスクール：量子エレクトロニクスに関するセミナーを行っています。 レーザーとその応用 (NRB、サニービーチ、1988); 5 国際大気物理学および気象学協会の学術集会（レディング、イギリス、1989年）。 レーザーおよび音響センシングに関する第 11 回シンポジウム (トムスク、1992 年)。 I、III、IV、VI 共和国間シンポジウム「大気と海洋の光学」(トムスク、1995、1996、1997、1999)。 III 気候生態学的モニタリングに関するシベリア会議（トムスク、1999）。 I 地域間会議「シベリアの川と北極の生態学」（トムスク 1999）。 VII 大気と海洋の光学に関する国際シンポジウム (トムスク、2000)。 VIII および IX 大気海洋光学および大気物理学に関する国際シンポジウム (Tomsk 2001 および 2002)。 11 大気放射線測定に関するワークショップ（米国アトランタ、2001）。 IX 作業部会「シベリアのエアロゾル」 (Tomsk 2002)。 第 21 回および第 22 回国際レーザー会議 (2002 年カナダのケベック、2004 年イタリアのマテーラ)。 II 国際会議「シベリア、極東、北極の環境と生態」（トムスク、2003年）。 大気、海洋および環境研究のための光学技術に関する国際会議 (中国、北京、2004 年)。

論文の構造と範囲。 論文は序論、3 つの章、結論で構成されています。 論文のボリュームは 116 ページで、36 の図と 12 の表が含まれています。 中古文献リストには 118 タイトルが含まれています。

論文の結論 「実験物理学の機器と方法」というテーマについて

結論

論文の作業中に、著者はチームの一員として次のことを行いました。

局地的なガス分析用に光音響ガス分析装置が開発され、その助けを借りて、油田が位置する地域で炭化水素の空間分布の研究が（モーター船での数回の遠征中に）実施されました。 石油鉱床の領域における大気サンプル中の炭化水素含有量の増加が測定されたことにより、炭化水素鉱床上にガスハローが存在するという仮説と、このガス分析装置を石油およびガス鉱床の検索に使用する可能性が確認されました。

ルートレーザーガス分析装置の複合体が開発、作成されており、示差吸収法を使用してスペクトルの赤外領域で動作し、最大許容濃度以下で 12 種類を超えるガスの濃度を測定できます。

大気中のMGSを測定する技術が開発されました。

開発されたデバイスの本格的なテストが実行されました。

有益な波長のペアが実験的にテストされ、MDP を使用したガス分析の目的への適合性について結論が導き出されました。

人為的負荷が大きい国内の環境に優しい地域における IGU の時間的動態に関する研究が実施されている。

MGM 濃度の比較測定は、開発されたレーザーガス分析装置と標準的な方法に基づいて動作する装置を使用して実行され、得られた結果がよく一致していることが示されました。

成層圏のオゾンの垂直分布（VOD）を測定するためのチャネル（受信ミラー0 0.5 mに基づく）CJICが作成され、トムスク上空で信頼性の高いVDOプロファイルを長期間にわたって確実に受信できることが確認されました。衛星およびオゾンゾンデのデータとよく一致していること。 これにより、気候学的な研究を実施し、成層圏のオゾン傾向を評価することが可能になりました。その結果、高度 26 km 以下の成層圏下部では、オゾン濃度の年間変化が、春に最大、秋に最小となるという特徴があることがわかりました。標高が 26 km を超えると、最高値は夏に、最低値は冬に移ります。 サイクリングの一時停止があるエリアの高度26 kmでは、オゾン層は2つの部分に分かれています。下部ではその挙動は主に動的プロセスによって決定され、上部では光化学的プロセスによって決定されます。 WRO の年内変化をより詳細に調べると、次の点が浮き彫りになります。 a) 高度 14 km で、明らかに対流圏界面の高さの変動の影響が依然として顕著であり、局所的な最大値が存在します。観察されない。 b) 最大 18 km の範囲では、最大の季節変動は 2 月に発生し、20 ～ 26 km の範囲では 3 月に発生します。 WRO の年間変化と TO の年間変動との最も大きな一致は、高度 20 ～ 24 km の範囲、特に高度 22 km で観察されます。 c) すべての高度で、WRO 傾向は統計的に有意ではないことが判明しました。 さらに、オゾン層の下部では弱い負の値、上部では弱い正の値が特徴です。 成層圏オゾンの最大値が位置する地域（20km）では、負の傾向の値は小さいです（年間-0.32％）。 これらの結果は、同じ 6 年間の TCA の統計的に有意ではない小さな傾向 (年間 0.01+0.026%) と一致しています。

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特性

この装置は、光音響レーザー分光法を使用した大気の作動ガス分析用に設計されています。

ガス分析装置の動作原理は、変調されたレーザー ビームと、特定の波長のレーザー放射を吸収するガス不純物の分子との相互作用中に空気中で音波が発生することに基づいています。 音波はマイクによって吸収ガスの濃度に比例する電気信号に変換されます。 レーザー波長を調整し、さまざまなガスの吸収係数に関する既知のスペクトル データを使用することにより、検出されたガス不純物の組成を決定することができます。

このガス分析装置の特徴は、同調可能な導波路型 CO2 レーザーと差動型のポンピング光音響検出器 (OAD) を単一設計で組み合わせていることです。 OAD はレーザーキャビティ内に配置され、レーザーと単一の構造を形成します。 このおかげで、光学素子の損失が減少し、OAD の作業チャネル内のパワーと構造全体の剛性が増加します。 ガス分析装置は、ラインに沿って自動的に調整可能な高周波 (HF) 励起の導波管 CO2 レーザーを使用します。このレーザーでは、RF 発生器の出力を変調することによってパルス周期発生モードが設定され、エネルギーの最適化が可能になります。励起パルスのデューティサイクルを調整することで消費を抑えます。 使用されている差動型 OAD の設計は、2 つの共鳴音響チャネルを備えています。

ここでは逆位相の音波が形成され、適切な処理を導入することで、空気がチャネルを流れるときのノイズを最小限に抑えることができます。

デバイスのこれらの機能はユニークであり、合わせて光音響デバイスの非常に高い検出感度、低レベルのハードウェア ノイズ、および比較的低い全体の消費電力を実現します。

ガス分析計は、ガス分析の光学的方法に特有の高性能を備え、ガス流中の大気中のガス不純物の最小吸収係数を約 5 × 10-10 cm-1 のレベルで記録できます。 これらの特性と、レーザー放射の波長を 9.3 ÷ 10.9 μm の範囲で調整できる機能のおかげで、ガス分析装置は、低濃度の大気ガスおよび人為起源のガス (1 ppb または 1 ppb のレベル) のリアルタイム測定を可能にします。以下)、C2 など

H4、NH3、O3、C6、SO2、SF6、N2

O、CH3、CH3など、

多数の爆発物と有毒物質のペアが含まれます (合計約 100 物質)。

これらの特性により、この装置を使用して大気中の化学分子化合物の濃度や技術プロセスを監視したり、さまざまな病気を特定するために呼気を分析したりすることが可能になります。

エフェクトを適用する

OA 法の明白な利点は、十分に強力な連続周波数可変レーザーの使用と組み合わせることで、分子ガスによる放射線の弱い吸収の測定を必要とする問題を解決するのに特に魅力的です。 まず第一に、これは媒体中の分子の低濃度および超低濃度でのガス分析の問題に関するものです。

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レーザーガス分析装置「LGAU-02」は、装置のガスセルを介して送り出される空気中のガス状炭化水素の濃度を測定するように設計されています。 このガス分析装置は、スタンドアロン バージョンでも、モバイル自動車および航空研究所の一部としても使用できます。 複合体には次のものが含まれます。

• レーザーガス分析計「LSAU-02」。
• 音声信号源を備えたリモートコントロールユニット。
• 追加: ソフトウェアがインストールされたパーソナルコンピュータ。

米。 1

地下ガスパイプラインからの漏れを探索するための自動車検査室の組織図を図に示します。 1 航空実験室では、外気の圧力による効果的な空気取り入れ口を提供することにより、流れ刺激装置なしで行うことができます。また、ハンドカートでは、地上サンプリング装置の代わりに遠隔サンプリング装置を使用できます。

ガス分析計「LGAU-02」の利点は、問題を解決するときに明らかになります。

• 外出先で測定を行う自動車検査室を使用して、都市ガスネットワークの地下ガスパイプラインからの漏れ、および本管および配水パイプラインからの漏れを検出します。
• 移動中に測定を行う台車を使用して、地下、地上、頭上のガスパイプラインからの漏れを検出します。
• 航空研究所を使用して主要ガスパイプラインからの漏れを検出する。
• 石油とガスの鉱床を探索し、大気の状態を監視するために、航空実験室を使用して広範囲にわたるメタン（炭化水素）バックグラウンドの変動を測定する（炭化水素調査）。

米。 2

• このソフトウェアを使用すると、アーカイブを管理できます。 イベントログも保存されます。

複合体の機能性

• このガス分析計は、防塵・防滴性 IP54 の筐体に収められた光電子測定ユニットの形で作られており、アナログ表示器、1 つのゼロ設定ボタン、および 2 段階のサウンドを備えたリモートコントロールパネルが装備されています。調整可能な反応閾値を備えた濃度増加のための光アラーム。 このデバイスは設置とメンテナンスが容易で、信頼性が高く、サイズが小さく、消費電力が小さいため、スタンドアロン モードで、手持ちのトラック、乗用車、およびハング グライダーや小型航空機を含むほぼすべての航空母艦に搭載して使用できます。 ガス分析計は完全に自律的に動作でき、リモート コントロール パネルの代わりに、0 ～ 5 V の任意の DC 電圧測定デバイスを接続して、測定データの記録とリアルタイムのグラフの構築を通常のパーソナル コンピュータで実行できます。 RS 232C インターフェイスを備えたコンピュータ (ポータブル コンピュータを含む)。 ガス分析計・コンピュータ衛星ナビゲーションシステムを接続すると、ガス汚染現場のマッピングが可能です。 フロースティミュレーターは、デバイスのフロントパネルにある特別な供給電圧切り替えボタンを介して接続できます。

運用経験

• 運用経験。 1998年以来、サンクトペテルブルクの都市ガス事業会社「レンガズ」、2004年からはモスクワ州統一企業「モスガズ」が、「LGAU-02」に基づいて都市地下ガスパイプラインからの天然ガス漏れを調査するための自動車研究所を運営している。 。 この装置のプロトタイプは、タタールスタン、チュヴァシヤ、クラスノヤルスク地方北部のガスと石油の探査施設の複合施設での大気地球化学調査と、トゥーラ市とモスクワ市での大気環境調査中に、航空研究所の一部として使用されました。 。 さらに、これらの装置は、モスクワの多くの大量開発地域でテクノジェニック土壌が分布している地域の地生態学的調査のための自動実験室の一部として使用されたほか、韓国で地上ベースの地球化学調査を実施する際にも自律的に使用されました。 ガス分析装置に基づいて、航空炭化水素ガス調査のための機内コンピューター化複合体が作成されました。 2001 年のフィールドシーズンでは、An 2 航空機に搭載された複合施設の装置の故障なしの飛行時間は 600 時間を超え、カバーされたエリアの総体積は約 30,000 平方メートルでした。 km。

複合施設の発展の見通し

• 追加の USB インターフェイスの実装。
• GPS 衛星ナビゲーション デバイスを地域のインタラクティブ マップに接続します。
• ユーザーのリクエストに応じて追加機能を実装します。

ジャーナル「機器と実験技術」、1999 年、第 5 号

地下ガスパイプラインからのガス漏れを探索するためのレーザーガス分析装置

雑誌「計測器と制御システム」、1998 年、第 9 号

オンボードレーザー吸収炭化水素ガス分析装置

Copyright 1998-2005 Engineering Center MEPhI

レーザーガス分析装置 SITRASN SL は、プロセスガス流および排ガス流中の酸素または一酸化炭素の体積分率を自動測定するように設計されています。

説明

ガス分析計の動作原理は測光式です。

ガス分析計は、単線分子吸収分光法の原理に基づいて動作する連続装置です。

SITRANS SL ガス分析計は、送信機および受信機ユニットを備えた一対のクロスチャネル センサーで構成されています。 送信機ユニットにはレーザーが装備されており、そのビームは測定経路に沿って受信機まで伸びます。 受信機ブロックには、電子デバイスを備えた光検出器が含まれています。 受信機と送信機はセンサー接続ケーブルで接続します。 受信機接続ケーブルは、電源と通信インターフェースを接続するために使用します。 受信機のハウジングには、LCD ディスプレイとともにローカル ユーザー インターフェイスが搭載されており、カバーの窓から情報を読み取ることができます。 標準状態では、リモコンで制御されます。 構造的に、ガス分析計は受信機と送信機の 2 つのブロックの形で作られています。

送信機のダイオード レーザーは、サンプル ガスを通過する赤外線ビームを放射し、受信機ユニットによって検出されます。 ダイオードレーザー出力信号の波長は、検出されるガスの吸収線に対応します。 レーザーは、高いスペクトル分解能でこの吸収線を継続的にスキャンします。 準単色レーザー放射は走査スペクトル範囲内の特定の波長で極めて選択的に吸収されるため、測定は干渉の影響を受けません。 光路長はレーザーの波長に応じて 0.3 ～ 8.0 m の範囲で、酸素または一酸化炭素の濃度を測定します。

ガス分析計のフロントパネルには、測定結果を表示するためのディスプレイと、デバイスパラメータを設定するためのメニューがあります。

装置の外観を図1に示します。

図1。 ガス分析計の外観

ソフトウェア

ガス分析計には、ガスサンプル中の酸素と一酸化炭素の体積分率を測定する問題を解決するために、メーカーが開発したソフトウェアが組み込まれています。 ソフトウェアは、濃度測定値の出力をデバイスのディスプレイ、デバイスの制御、およびデータ転送に提供します。

ソフトウェアは、ユーザーの要求に応じて、ガス分析計のサービス メニューを通じて画面にソフトウェアのバージョンを表示することにより識別されます。

ソフトウェア識別データを表 1 に示します。

表1。

シートNo.3 合計5枚

意図的および意図的でない変更に対するソフトウェア保護のレベルは、MI 3286-2010 によるレベル「C」に相当します。

計測特性に対するソフトウェアの影響は、計測特性を標準化する際に考慮されます。

仕様

1. 測定対象の成分の体積分率の測定範囲、ガス分析計の許容基本誤差の限界、および最小カテゴリーのユニットの価格を表 2 および 3 に示します（光路長1メートル）。

表2

表3

2. 読み取り値を確立するまでの時間 (データ記録時間は測定濃度に応じて異なります): 2 ～ 10 秒。

3. 読み取り値の許容変動の限界 bd (許容基本誤差の限界の分数単位): 0.3

4. 動作温度範囲内の周囲温度の変化の影響による追加誤差は、公称温度値 20 °C から 10 °C 偏差ごとに発生します。許容主誤差の端数は 0.5 です。

5. 電源は DC24 V から供給されます。

6. 消費電力、VA、以下: 10。

7. 全体の寸法、mm、これ以上：受信機と送信機 - 直径 165、長さ 357。

8. 体重、kg、それ以上は不要:

レシーバー6.0;

エミッター5.2。

9. 総平均耐用年数: 3 年

10. MTBF、h、以上: 25000

11. 分析装置の動作条件:

周囲温度範囲はマイナス 20 ～ 55 °C。

温度 30 °C で相対周囲湿度 95% まで。

大気圧範囲は 80 ～ 110.0 kPa (630 ～ 820 mm Hg) です。

12. 分析装置の入口における分析ガスのパラメータ:

温度範囲はマイナス20～70℃

型式承認マーク

取扱説明書のタイトルページおよびガス分析計の背面パネルにステッカーの形で印刷されています。

完全

アナライザー パッケージには以下が含まれます。

レーザーガス分析計 SITRANS SL (受信機) 1;

レーザーガス分析計 SITRANS SL (送信機) 1;

リモコン 1:

操作マニュアル、コピー: 1;

検証方法番号 MP-242-1232-2011、コピー。 1.

検証

文書 MP-242-1232-2011「レーザーガス分析装置 SITRANS SL.」に従って実施されました。 検証方法」、連邦国家統一企業の試験および試験に関する州センターによって承認された「VNIIM」にちなんで命名されました。 DI. メンデレーエフ」、2011 年 9 月

基本的な検証手段:

標準組成サンプル: ガス混合物 02/N2 GSO 3720-87 および GSO 3729-87。

組成の標準サンプル: ガス混合物 CO/N2 GSO 3806-87 および GSO 3816-87。

校正ゼロガスは、GOST 9293-74 に準拠した高純度窒素です。

測定方法に関する情報

ガス流量の測定方法は、文献「レーザーガス分析装置 SITRANS SL.」に記載されています。 マニュアル"。

SITRANS SL レーザーガス分析装置の要件を確立する規制および技術文書

1 GOST 8.578-2008 GSI。 気体媒体中の成分の含有量を測定する機器の状態検証スキーム。

2 GOST 13320-81 自動工業用ガス分析装置。 一般的な技術条件。

3 フランスの Siemens S.A.S の一部門である Siemens AG の技術文書。

高感度レーザーガス分析装置は、空気サンプル中の不純物ガスの含有量を分析するように設計されています。 ガス分析装置の主な要素: 導波路 CO 2 レーザー、共鳴光音響セル、および 37 種類のガスの吸収線に関する情報がライブラリに含まれているコンピューター。 開発したガス分析計のガス検出限界についての情報を掲載しています。 アンモニアの検出限界は 15% の誤差で 0.015 ppb です。

妥当な費用と労力をかけて、広範囲にわたる大気中の多数の汚染物質の含有量を継続的に監視する必要があるため、環境管理サービスに以下の要件を満たすガス分析装置を装備するという課題が生じています。 1) 検出閾値分析された物質の最大許容濃度のレベルで。 ２）異物に対する高い選択性。 3) 多成分分析。 4) 高性能 (1​​ つのサンプルを採取する場合の測定サイクル時間が短い) により、移動中でも作業でき、所定の濃度レベルを超えた場合に比較的迅速に対応できます。 5) 汚染領域のサイズを決定するために 2 ～ 4 時間測定を継続します。

既存のガス検出方法は、従来型 (非分光) と光学 (分光) に分類できます。 この研究では、空気中の複雑な組成のガス状不純物の分析に使用するという観点から、主な従来の方法の長所と短所を列挙しています。

レーザーの独特の特性によってその急速な発展が決定される分光法は、従来の機器の主な欠点を排除し、必要な速度、感度、選択性、および分析の継続性を提供することを可能にします。 ほとんどの場合、分光法で大気汚染を検出するには、大多数の分子の主要な振動帯域が集中するスペクトルの中赤外領域が使用されます。 この点に関して、可視領域と UV 領域はあまり情報がありません。

IR レーザーガス分析装置のファミリーの中で特別な位置を占めているのは、CO 2 レーザーを備えたデバイスです。 これらのレーザーは耐久性があり、信頼性が高く、操作が簡単で、100 種類を超えるガスを検出できます。

上記の要件を満たすガス分析計（モデルサンプル）を以下に紹介します。 導波管 CO 2 レーザーが放射線源として使用され、感応素子は共鳴光音響セル (ROAC) です。 光音響法は、室内での振幅変調されたレーザー放射の吸収時に気体中で励起された音波の記録に基づいています。 音波の圧力は、比吸収パワーに比例し、マイクによって記録されます。 ガス分析計のブロック図を図に示します。 3.1. CO 2 レーザーの変調された放射が波長調整ユニットに当たります。 このユニットは、放射波長を 9.22 ～ 10.76 ミクロンの範囲で調整し、84 本のレーザー ラインを取得できる回折格子です。 次に、放射線はミラー システムを通って RAO の感知ボリュームに導かれ、そこで入ってくる放射線を吸収するガスが記録されます。 吸収された放射線のエネルギーにより、ガスの温度が上昇します。 セル軸上で放出される熱は、主に対流によってセル壁に伝達されます。 変調された放射線は、ガスの温度と圧力に対応する変化を引き起こします。 圧力の変化は容量性マイクロフォンの膜によって感知され、その結果、周期的な電気信号が発生します。その周波数は放射線の変調周波数と同じです。

図3.1。 ガス分析計のブロック図

図 3、2 は、r.o.a.ya の内部空洞のスケッチを示しています。 これは、対称的に配置された直径 20 mm のボリューム 1 と 2、および直径 10 mm の内部ボリューム 3 の 3 つの円筒形のアクティブ ボリュームによって形成されます。 入力窓４および出力窓５はＢａＦ ２ 材料で作られている。 マイクロフォンはセルの底部に取り付けられ、直径 24 mm の穴 6 を介してアクティブ ボリュームに接続されます。

図 3.2 共振光音響セルの内部空洞。 1、2 - 外部ボリューム、3 - 内部ボリューム。 4、5 - 入力および出力ウィンドウ、6 - マイク穴

ガスによるレーザー放射の吸収によって引き起こされる「光共鳴」は、通常の条件下では放射変調周波数 3.4 kHz で発生し、R.O.A.Y. ウィンドウによる放射の吸収によるバックグラウンド信号は周波数 3.0 kHz で最大になります。どちらの場合も >20 です。ROA のこの設計により、ガス分析計の高感度が実現され、周波​​数および位相選択アンプを使用してバックグラウンド信号の寄与を抑制することが可能になります。同時に、ROA は外部の影響を受けません。濃度を測定するときの音響ノイズは次の式で決まります。

ここで、K はセル定数、 はレーザー放射パワー、b はガスによる放射の吸収係数、C はガス濃度です。

測定前に、既知の濃度のテストガス (CO2) を使用してガス分析計を校正します。

振幅は、Advantech コンピュータに含まれる ADC ボードを使用して測定されます。 同じコンピュータを使用して波長調整ユニットを制御し、測定されたガスの濃度を計算します。

開発された情報処理プログラムは、CO 2 レーザーからのレーザー放射の吸収スペクトルを使用して混合ガスの定性および定量分析を目的としています。 プログラムの初期情報は、分析された混合ガスの測定された吸収スペクトルです。 光学的厚さの単位でプロットされた窒素の吸収スペクトルの例を図 3 の 3a に示し、図 3 の 3b に少量のアンモニアを添加した吸収スペクトルの例を示します。

図 3.3 吸収スペクトル: a - 通常大気圧における窒素、b - 窒素とアンモニアの混合物。

光学的深さ、ここで

cm -1 atm -1 - i 番目のレーザーライン上の j 番目のガスの吸収係数、C i、atm - j 番目のガスの濃度、i

可能なコンポーネントのライブラリには、吸収係数の値が含まれており、次元 (N x m) の行列です。 ライブラリで表されるガスの数は m = 37、分析されるレーザー ラインの最大数 N は 84 (CO 2 レーザーの各ブランチに 21 ライン) です。

混合物に含まれるガスの吸収線が重なって形成される混合物のスペクトルを分析する過程で、プログラムは混合物のスペクトルを最もよく表す成分をライブラリから選択します。 最適なコンポーネントのセットを検索するための主な基準の 1 つは、実験スペクトルと反復の結果として見つかった吸収スペクトルの間の二乗平均平方根偏差の値です。

逆問題を解くためのアルゴリズム (既知の吸収スペクトルを使用して濃度を検索する) は、ガウス消去法とチホノフ正則化法を使用して構築されました。その実装における主な困難は、解の安定性 (要素の要素) の評価に関連しています。吸収係数行列と自由項は近似的にのみ知られており、正則化パラメーターを選択し、反復プロセスを停止する基準を見つけます。

この表は、説明されているガス分析装置による一部のガスの検出限界について計算された情報を示しています。

ガス分析計の主な動作特性: 同時に測定されるガスの数 - 最大 6。 測定時間は2分。 二酸化炭素の検出限界 0.3 ppm: アンモニアの検出限界 0.015 ppb: 二酸化炭素の測定範囲 1 ppm -10%。 アンモニアの測定範囲は0.05 ppb〜5 ppm。 測定誤差15%; 供給電圧 220V ±10%。 [ 1]