Izračun koncentracije plina z laserskim plinskim analizatorjem. Laserski optično-akustični plinski analizator intrakavitacijskega tipa

zelo občutljiva laserski plinski analizator zasnovan za analizo vsebnosti nečistoč v vzorcih zraka. Glavni elementi plinskega analizatorja so: valovodni CO 2 laser, resonančna optoakustična celica in računalnik, katerega knjižnica vsebuje informacije o absorpcijskih linijah 37 plinov. Predstavljene so informacije o mejah detekcije plinov z razvitim plinskim analizatorjem. Meja detekcije za amoniak s 15-odstotno napako je 0,015 ppb.

Potreba po stalnem spremljanju vsebnosti velikega števila onesnaževal v zraku na velikih površinah ob razumnih stroških denarja in dela predstavlja problem opremljanja službe za nadzor okolja s plinskimi analizatorji, ki izpolnjujejo naslednje zahteve: 1) prag zaznavanja na ravni najvišjih dovoljenih koncentracij analiziranih snovi; 2) visoka selektivnost glede na tuje snovi; 3) večkomponentna analiza; 4) visoka hitrost (kratek čas meritvenega cikla pri jemanju enega vzorca), ki zagotavlja zmožnost dela v gibanju in razmeroma hiter odziv na preseganje dane koncentracije; 5) neprekinjenost meritev 2-4 ure za določitev velikosti kontaminiranega območja.

Obstoječe metode za odkrivanje plinov lahko konvencionalno razdelimo na tradicionalne (nespektroskopske) in optične (spektroskopske). V prispevku so navedene prednosti in slabosti glavnih tradicionalnih metod v smislu njihove uporabe za analizo plinastih nečistoč kompleksne sestave v zraku.

Spektroskopske metode, katerih hiter razvoj je določen z edinstvenimi lastnostmi laserjev, omogočajo odpravo glavnih pomanjkljivosti tradicionalnih instrumentov in zagotavljajo potrebno hitrost, občutljivost, selektivnost in kontinuiteto analize. V večini primerov se onesnaženost zraka zazna s spektroskopskimi metodami z uporabo srednjega IR območja spektra, kjer so koncentrirani glavni vibracijski pasovi velike večine molekul. Vidno in UV območje sta glede tega manj informativni.

Posebno mesto v družini IR laserskih plinskih analizatorjev zasedajo naprave s CO 2 laserji. Ti laserji so trpežni, zanesljivi in ​​enostavni za uporabo ter lahko zaznajo več kot 100 plinov.

V nadaljevanju je opisan analizator plina (prototip), ki izpolnjuje zgornje zahteve. Kot vir sevanja se uporablja valovodni CO 2 laser, občutljiv element je resonančna optoakustična celica (r.o.a.u.). Optoakustična metoda temelji na registraciji zvočnega vala, ki se vzbudi v plinu ob absorpciji amplitudno moduliranega laserskega sevanja v RAOA. Tlak zvočnega vala, ki je sorazmeren s specifično absorbirano močjo, se beleži z mikrofonom. Blok diagram plinskega analizatorja je prikazan na sl. 3.1. Modulirano CO 2 lasersko sevanje vstopi v enoto za uravnavanje valovne dolžine. To vozlišče je difrakcijska rešetka, ki vam omogoča nastavitev valovne dolžine sevanja v območju 9,22-10,76 μm in pridobite 84 laserskih linij. Nato se sevanje skozi sistem ogledal usmeri v občutljivo prostornino RAA, kjer se zabeležijo plini, ki absorbirajo sevanje, ki vstopa vanjo. Energija absorbiranega sevanja poveča temperaturo plina. Toplota, ki se sprosti na osi celice, se prenaša predvsem s konvekcijo na stene celice. Modulirano sevanje povzroči ustrezno spremembo temperature in tlaka plina. Spremembo tlaka zazna membrana kapacitivnega mikrofona, kar vodi do pojava periodičnega električnega signala, katerega frekvenca je enaka frekvenci modulacije sevanja.

Slika 3.1. Strukturni diagram plinskega analizatorja

Slika 3, 2 prikazuje skico notranje votline r.o.a.u. Sestavljajo ga trije valjasti aktivni volumni: simetrično nameščeni volumni 1 in 2 s premerom 20 mm in notranji volumen 3 s premerom 10 mm. Vhodna 4 in izhodna 5 okna sta izdelana iz materiala BaF 2. Mikrofon je nameščen v spodnjem delu celice in je preko luknje 6 s premerom 24 mm priključen na aktivno glasnost.

Slika 3.2 Notranja votlina resonančne optoakustične celice. 1, 2 - zunanji volumen, 3 - notranji volumen. 4, 5 - vhodna in izhodna okna, 6 - luknja za mikrofon

Optična resonanca" zaradi absorpcije laserskega sevanja s plinom v normalnih pogojih nastane pri frekvenci modulacije sevanja 3,4 kHz, signal ozadja zaradi absorpcije sevanja s strani oken R.O.A.I. pa je največji pri frekvenci 3,0 kHz. Faktor kakovosti v obeh primerih je >20. Ta zasnova RAOA zagotavlja visoko občutljivost plinskega analizatorja in omogoča zatiranje prispevka signala ozadja s pomočjo frekvenčno in fazno selektivnega ojačevalnika. čas, je RAOI neobčutljiv na zunanji zvočni šum.električni signal pri merjenju koncentracije se določi po formuli

kjer je K konstanta celice, je moč laserskega sevanja, b je absorpcijski koeficient sevanja plina in C je koncentracija plina.

Pred meritvami se analizator plina kalibrira s preskusnim plinom (CO2) z znano koncentracijo.

Merjenje amplitude se izvaja s pomočjo ADC plošče, ki je del računalnika Advantech. Isti računalnik se uporablja za krmiljenje enote za uravnavanje valovne dolžine in izračun koncentracij izmerjenih plinov.

Razvit program za obdelavo informacij je namenjen kvalitativni in kvantitativni analizi mešanice plinov po absorpcijskem spektru CO 2 laserskega sevanja. Začetna informacija za program je izmerjen absorpcijski spekter analizirane plinske mešanice. Primer absorpcijskega spektra dušika, vgrajenega v enotah optične debeline, je prikazan na slikah 3, 3a, na slikah 3, 3b pa je prikazan primer absorpcijskega spektra z majhnim dodatkom amoniaka.

Slika 3.3 Absorpcijski spektri: a - dušik pri normalnem atmosferskem tlaku, b - zmesi dušik-amoniak.

Optična debelina, kje

cm -1 atm -1 - absorpcijski koeficient j-tega plina na i-ti laserski liniji, C i , atm - koncentracija j-tega plina, i

Knjižnica možnih komponent vsebuje vrednosti absorpcijskih koeficientov in je matrika z dimenzijami (N x m). Število plinov, predstavljenih v knjižnici, je m = 37, največje število analiziranih laserskih linij je N - 84 (21 vrstic v vsaki veji CO 2 laserja).

V procesu analize spektra plinske zmesi, ki nastane s prekrivanjem absorpcijskih linij plinov, vključenih v mešanico, program izbere iz knjižnice tiste komponente, ki najbolje opisujejo spekter mešanice. Eno glavnih meril za iskanje najboljšega nabora komponent je vrednost srednjega kvadratnega odstopanja med eksperimentalnim in absorpcijskim spektrom, ugotovljenim kot rezultat iteracij:

Algoritem za reševanje inverznega problema - iskanje koncentracij iz znanega absorpcijskega spektra - je zgrajen z uporabo Gaussove eliminacijske metode in Tikhonovove regularizacijske metode, glavne težave pri njegovi izvedbi pa so povezane z oceno stabilnosti rešitve (elementi matrika koeficienta absorpcije, kot tudi prosti členi, so znani le približno ), izbira parametra regularizacije in iskanje meril za zaključek iterativnega procesa.

V tabeli so podane izračunane informacije o mejah zaznavanja nekaterih plinov z opisanim plinskim analizatorjem:

Glavne značilnosti delovanja plinskega analizatorja: število sočasno izmerjenih plinov - do 6; čas merjenja 2 min; meja detekcije za ogljikov dioksid 0,3 ppm: meja zaznave za amoniak 0,015 ppb: merilno območje za ogljikov dioksid 1 ppm -10%; merilno območje za amoniak 0,05 ppb-5 ppm; merilna napaka 15 %; napajalna napetost 220V ±10%. [ena]

Značilnost

Naprava je zasnovana za operativno plinsko analizo atmosferskega zraka po metodi optično-akustične laserske spektroskopije.

Načelo delovanja plinskega analizatorja temelji na generiranju akustičnih valov v zraku med interakcijo moduliranega laserskega žarka z molekulami plinaste nečistoče, ki absorbira lasersko sevanje pri določeni valovni dolžini. Mikrofon pretvori akustične valove v električne signale, sorazmerne s koncentracijo absorbiranega plina. Z nastavitvijo valovne dolžine laserja in z uporabo znanih spektralnih podatkov o absorpcijskih koeficientih različnih plinov je mogoče določiti sestavo zaznane plinaste nečistoče.

Posebnost tega plinskega analizatorja je kombinacija v eni sami zasnovi nastavljivega valovodnega CO2 laserja in črpalnega optično-akustičnega detektorja (OAD) diferencialnega tipa. OAD se nahaja znotraj laserskega resonatorja in tvori enotno strukturo z laserjem. Zaradi tega se zmanjšajo izgube na optičnih elementih, povečata se moč znotraj delovnega kanala PMA in togost celotne konstrukcije. Plinski analizator uporablja avtomatsko linearno nastavljiv valovodni CO2 laser z visokofrekvenčnim (HF) vzbujanjem, pri katerem se ponavljajoči impulzni način generiranja nastavi z moduliranjem moči RF generatorja, kar omogoča optimizacijo porabe energije s prilagajanjem delovni cikel vzbujevalnih impulzov. Pri zasnovi uporabljenega diferencialnega tipa DMA sta dva resonančna akustična kanala, v

ki tvorijo protifazne akustične valove, kar omogoča z uvedbo ustrezne obdelave minimiziranje hrupa pri pretoku zraka skozi kanale.

Te lastnosti naprave so edinstvene in skupaj zagotavljajo najvišjo občutljivost zaznavanja za optoakustične naprave, nizek šum strojne opreme in relativno nizko skupno porabo energije.

Analizator plina je sposoben zabeležiti minimalne absorpcijske koeficiente plinastih nečistoč v atmosferi v plinskem toku na ravni ~ 5 × 10-10 cm-1 z visoko hitrostjo, ki je značilna za metode optične analize plina. Zahvaljujoč tem lastnostim, pa tudi zmožnosti prilagajanja valovne dolžine laserskega sevanja v območju 9,3÷10,9 μm, plinski analizator omogoča meritve nizkih koncentracij atmosferskih in antropogenih plinov v realnem času (na ravni 1 ppb oz. manj), kot je C2

H4, NH3, O3, C6, SO2, SF6, N2

O, CH3, CH3 itd.,

vključno s pari številnih eksplozivnih in strupenih snovi (skupaj približno 100 snovi).

Te lastnosti omogočajo uporabo naprave za nadzor koncentracije kemičnih molekularnih spojin v atmosferskem zraku in tehnoloških procesov, analizo izdihanega zraka za odkrivanje različnih bolezni itd.

Uporaba učinka

Očitne prednosti metode OA v kombinaciji z uporabo dovolj zmogljivih laserjev, ki jih je mogoče nastaviti s frekvenco, jo naredijo še posebej privlačno za reševanje problemov, ki zahtevajo merjenje šibke absorpcije sevanja molekularnih plinov. Najprej gre za probleme plinske analize pri nizkih in ultranizkih koncentracijah molekul v mediju.

Povezani članek

Signalna komunikacijska sredstva in sodobna komunikacijska sredstva na odpravah
komunikacijska alarmna ekspedicija arktika V kateri koli odpravi, na morju ali kopnem, v kateri koli kampanji ali letu, se lahko pojavijo izredne razmere, zaradi katerih bodo njihovi udeleženci izgubili vso opremo, zaloge vode, hrane ali pomemben del sebe. Radiokomunikacijske naprave so najpomembnejši element ...

Laserski plinski analizator SITRASN SL je zasnovan za avtomatsko merjenje volumskega deleža kisika ali ogljikovega monoksida v procesnih in dimnih plinih.

Opis

Načelo delovanja plinskega analizatorja je fotometrično.

Analizator plina je kontinuiran instrument, ki deluje na principu enolinijske molekularne absorpcijske spektroskopije.

Analizator plina SITRANS SL je sestavljen iz para medkanalnih senzorjev z oddajno in sprejemno enoto. Oddajna enota je opremljena z laserjem, katerega žarek sega do sprejemnika vzdolž merilne poti. Sprejemna enota vsebuje fotodetektor z elektronsko napravo. Sprejemna enota je povezana z oddajnikom s priključnim kablom senzorja. Priključni kabel sprejemnika se uporablja za povezavo napajalnih in komunikacijskih vmesnikov. Ohišje sprejemnika vsebuje lokalni uporabniški vmesnik skupaj z LCD zaslonom, ki ga je mogoče brati skozi okno v pokrovu. V standardnih pogojih se upravlja z daljinskim upravljalnikom. Strukturno je analizator plina izdelan v obliki dveh blokov - sprejemnika in oddajnika.

Oddajni diodni laser oddaja infrardeči žarek, ki prehaja skozi vzorčni plin in ga sprejemna enota zazna. Valovna dolžina izhodnega signala diodnega laserja ustreza absorpcijski liniji plina, ki ga je treba določiti. Laser nenehno skenira to absorpcijsko črto z visoko spektralno ločljivostjo. Na meritve ne vplivajo nobene motnje, saj se kvazimonokromatsko lasersko sevanje absorbira izjemno selektivno pri določeni valovni dolžini v skeniranem spektralnem območju. Dolžina optične poti je od 0,3 do 8,0 m. Odvisno od valovne dolžine laserja plinski analizator meri koncentracijo kisika ali ogljikovega monoksida.

Na sprednji plošči plinskega analizatorja je zaslon za prikaz rezultatov meritev, pa tudi meni za nastavitev parametrov naprave.

Videz naprave je prikazan na sl.1.

sl.1. Videz plinskega analizatorja

Programska oprema

Analizator plina ima vgrajeno programsko opremo, ki jo je proizvajalec razvil posebej za reševanje problemov merjenja prostorninskega deleža kisika in ogljikovega monoksida v vzorcih plina. Programska oprema omogoča izpis odčitkov koncentracije na prikazovalniku instrumenta, nadzor instrumenta in prenos podatkov.

Programska oprema se na zahtevo uporabnika identificira preko servisnega menija plinskega analizatorja s prikazom različice programske opreme na zaslonu.

Podatki o identifikaciji programske opreme so prikazani v tabeli 1.

Tabela 1.

list številka 3 skupaj listov 5

Stopnja zaščite programske opreme pred nenamernimi in namernimi spremembami ustreza stopnji "C" po MI 3286-2010.

Pri normalizaciji meroslovnih značilnosti se upošteva vpliv programske opreme na meroslovne značilnosti.

Specifikacije

1. Merilna območja volumskega deleža določenih komponent, meje osnovne napake plinskega analizatorja in cena enote najmanjšega izpusta so podana v tabelah 2 in 3 (z dolžino optične poti 1 m). ).

tabela 2

Tabela 3

2. Čas poravnave odčitka (čas snemanja podatkov je odvisen od izmerjene koncentracije): od 2 do 10 s.

3. Meja dopustne variacije odčitkov, bd, v delcih meje dopustne osnovne napake: 0,3

4. Dodatna napaka zaradi vpliva sprememb temperature okolice v temperaturnem območju delovanja za vsakih 10 0C odstopanja od nazivne temperaturne vrednosti 20 °C, v delih dopustne osnovne napake: 0,5.

5. Električno napajanje zagotavlja enosmerna napetost 24 V.

6. Poraba energije, V A, ne več kot: 10.

7. Skupne mere, mm, ne več kot: sprejemnik in oddajnik - premer 165, dolžina 357.

8. Teža, kg, ne več kot:

Sprejemnik 6.0;

Oddajnik 5.2.

9. Polna povprečna življenjska doba, leta: 3

10. Čas med okvarami, h najmanj: 25000

11. Pogoji delovanja analizatorja:

Temperaturno območje okolice od minus 20 do 55 °C;

Relativna vlažnost zunanjega zraka do 95 % pri temperaturi 30 °C;

Razpon atmosferskega tlaka od 80 do 110,0 kPa (630 - 820 mmHg).

12. Parametri analiziranega plina na vstopu v analizator:

Temperaturno območje od minus 20 do 70 °C

Oznaka homologacije

natisnjeno na sprednji strani navodil za uporabo in na zadnji plošči plinskega analizatorja v obliki nalepke.

Popolnost

Obseg dobave analizatorja vključuje:

Laserski plinski analizator SITRANS SL (sprejemnik) 1;

Laserski plinski analizator SITRANS SL (oddajnik) 1;

Daljinski upravljalnik 1:

Navodila za uporabo, izvod: 1;

Postopek preverjanja št. MP-242-1232-2011, kopija. eno.

Preverjanje

se izvaja v skladu z dokumentom MP-242-1232-2011 “Laserski plinski analizator SITRANS SL. Metodologija preverjanja, odobrena s strani GCI SI FSUE VNIIM im. DI. Mendelejev" septembra 2011.

Osnovni načini preverjanja:

Standardni vzorci sestave: plinske mešanice 02/N2 GSO 3720-87 in GSO 3729-87;

Standardni vzorci sestave: plinske mešanice CO/N2 GSO 3806-87 in GSO 3816-87.

Kalibracijski ničelni plin - dušik visoke čistosti po GOST 9293-74.

Informacije o merilnih metodah

Metode merjenja pretokov plina so podane v dokumentu »Laserski analizator plina SITRANS SL. Priročnik".

Regulativni in tehnični dokumenti, ki določajo zahteve za laserski plinski analizator SITRANS SL

1 GOST 8.578-2008 GSI. Shema državnega preverjanja merilnih instrumentov za vsebnost komponent v plinastih medijih.

2 GOST 13320-81 Avtomatski industrijski plinski analizatorji. Splošne specifikacije.

3 Tehnična dokumentacija Siemens AG, oddelek Siemens S.A.S, Francija.

Kot rokopis

DOLGIJ SERGEJ IVANOVIČ

LASERSKI ANALIZATORJI PLIN NA TEMELJ DIFERENCIALNE ABSORPCIJSKE METODE

01.04.01 - Instrumenti in metode eksperimentalne fizike

disertacije za diplomo kandidata fizikalnih in matematičnih znanosti

Barnaul - 2004

Delo je potekalo na Inštitutu za atmosfersko optiko Sibirske podružnice Ruske akademije znanosti.

Znanstveni svetnik: - doktor fizikalnih in matematičnih znanosti

Profesor, dopisni član Ruske akademije znanosti Zuev Vladimir Vladimirovič

Uradni nasprotniki: - doktor fizikalnih in matematičnih znanosti

Profesor Sutorikhin Igor Anatoljevič. - Kandidat fizikalnih in matematičnih znanosti, višji raziskovalec Prokopyev Vladimir Egorovich.

Vodilna organizacija: Politehnična univerza Tomsk

Zagovor bo 15.12.2004. ob 14.00 na seji disertacijskega sveta D 212.005.03 na Altajski državni univerzi na naslovu: 656049, Barnaul, Lenin Ave., 61

Disertacijo lahko najdete v knjižnici Altajske državne univerze.

znanstveni sekretar

disertacijski svet dr.

D.D. Ruder

Relevantnost teme. Pod vplivom različnih dejavnikov se okolje spreminja. Hiter razvoj industrije, energetike, kmetijstva in prometa vodi v vse večji antropogeni vpliv na okolje. V ozračje, hidrosfero in litosfero vstopajo številni škodljivi stranski produkti v obliki aerosolov, plinov, odpadnih gospodinjskih in industrijskih voda, naftnih derivatov itd., ki negativno vplivajo na pogoje za obstoj človeka in biosfere kot celote. . Zato je dejanski problem našega časa nadzor nad okoljem.

Trenutno se za spremljanje stanja ozračja uporabljajo kemični, termični, električni, kromatografski, masni spektralni in optični analizatorji plinov. Poleg tega so le slednji brezkontaktni, ne zahtevajo vzorčenja, kar prinaša dodatne napake v izmerjeni vrednosti. Posebno mesto med optičnimi metodami analize plinov imajo laserske metode, za katere so značilne: visoka koncentracijska občutljivost meritev in prostorska ločljivost, oddaljenost in hitrost. Najprej gre za laserske plinske analizatorje, ki delujejo na učinek resonančne absorpcije, ki ima največji presek za interakcijo optičnega sevanja s preučevanim medijem, kar zagotavlja največjo občutljivost. Takšni plinski analizatorji praviloma izvajajo diferencialno absorpcijsko shemo. Z razvojem laserske tehnologije pri nas in v tujini se uporabljajo optično-akustični (za lokalno analizo plina) in poti (ki dajejo integralne vrednosti koncentracij preučevanega plina) laserski plinski analizatorji, pa tudi lidarji (LIDAR je okrajšava). angleških besed Light Detection and Ranging), ki dajejo informacije o koncentraciji plinov v ozračju s prostorsko ločljivostjo. Toda na začetku dela na diplomski nalogi so bili vsi z redkimi izjemami laboratorijski modeli, zasnovani za merjenje ene, največ dveh plinskih komponent, medtem ko spremljanje okolja zahteva večkomponentno analizo plina.

Vse plinske komponente zemeljske atmosfere, razen glavnih: dušika, kisika in argona, običajno imenujemo tako imenovane majhne plinske komponente (MHC). Odstotek MHC v ozračju je majhen, vendar povečanje njihove vsebnosti zaradi antropogenega dejavnika pomembno vpliva na številne procese, ki se dogajajo v ozračju.

Kot izhaja iz literaturnih virov, je za namene laserske plinske analize MGS najprimernejša srednja IR regija spektra. Tu se nahajajo glavni vibracijsko-rotacijski pasovi večine MHS z dovoljenimi strukturami. Na tem področju sevajo visokoenergetski molekularni laserji, vključno z zanesljivimi in učinkovitimi CO in CO2 laserji. Za te laserje so bili razviti visoko učinkoviti parametrični frekvenčni pretvorniki (PFC), ki omogočajo dovolj gosto prekrivanje sevalnih linij

podprta spektralna preglednost atmosfere

SYMYOTEK i

krogle. Drugo informativno spektralno območje za lasersko analizo plina je UV območje. Tu se nahajajo močni elektronski pasovi številnih onesnaževalnih plinov. V nasprotju s srednjim IR območjem spektra so pasovi UV absorpcije neselektivni in se medsebojno prekrivajo. Ozonometrična metoda je na tem področju dobila največji razvoj zaradi prisotnosti Hartley-Hugginsovega absorpcijskega pasu ozona.

Cilj. Razvoj na podlagi metode diferencialne absorpcije plinskih analizatorjev za detekcijo in merjenje koncentracij MHC ter določanje njihove prostorske in časovne porazdelitve v atmosferi.

Med delom so bile opravljene naslednje naloge:

Izdelava kanala za sondiranje vertikalne porazdelitve ozona (VRO) v stratosferi (na podlagi sprejemnega ogledala 0 0,5 m) na Sibirski lidarski postaji (SLS);

Nadzor stanja ozonosfere v načinu rutinskih meritev;

Študija klimatologije ozonosfere, ocena trendov stratosferskega ozona.

V zagovor se predložijo:

2. Razvite postavitve laserskih analizatorjev plinov serije "TRAL" v srednjem IR območju spektra, ki vam omogočajo hitro merjenje koncentracij več kot 12 plinov pri in pod MPC na poteh do 2 km dolgih z uporabo ogledalo ali topografski odsevnik.

3. UV ozonski lidar, ki ga je avtor ustvaril na podlagi laserja excimer XeQ, ki je zagotavljal neprekinjeno dolgotrajno sondiranje ozonosfere nad Tomskom na Sibirski lidarski postaji v območju višin 13-45 km z največjo navpično ločljivostjo 100 m.

Znanstvena novost dela:

Prvič so bile izbrane in eksperimentalno preverjene informativne valovne dolžine sondiranja MHS atmosfere z uporabo IR molekularnih laserjev in PFC;

Ustvarjeni so bili številni edinstveni mobilni in stacionarni plinski analizatorji, ki omogočajo hitro izvedbo večkomponentne analize plinske sestave ozračja;

Meritve dnevnih sprememb koncentracije MHC (kot so C2H4, NH3, H2O, CO2, CO, Oz, NO itd.) so bile opravljene na ekološko čistih območjih države, ki so izpostavljena znatnim antropogenim obremenitvam;

Uporaba rezultatov dela. Podatki, pridobljeni s pomočjo plinskih analizatorjev, so bili v letih 1979-1980 predloženi Olimpijskemu komiteju ZSSR. v Moskvi, pa tudi okoljskim organizacijam v mestu. Tomsk, Kemerovo, Sofija (NRB) so bili vključeni v končna poročila IOA SB RAS o različnih donacijah, sporazumih, pogodbah in programih RFBR, na primer "TOR" (raziskave troposferskega ozona), "SATOR" (stratosferski in troposferski ozon raziskave) in drugi.

Praktična vrednost dela je naslednja: - razvit je optično-akustični plinski analizator, ki omogoča z visoko natančnostjo merjenje koncentracije tako vsote ogljikovodikov metanske skupine kot ločeno metana in težjih ogljikovodikov v mešanica naravnih in pripadajočih naftnih plinov. S pomočjo tega plinskega analizatorja je mogoče iskati nafto in plin po plinskih halosih plinov, ki se pojavljajo na površini zemlje nad nahajališči ogljikovodikov;

Razviti linijski plinski analizatorji omogočajo merjenje koncentracij MHC na in pod MPC s širokega seznama prednostnih onesnaževalnih plinov;

Ustvarite kanal za zaznavanje navpične porazdelitve ozona SLS na podlagi ogledala 0 0,5 m, ki vam omogoča, da dobite zanesljive profile VRO v območju nadmorske višine 13-45 km z največjo ločljivostjo 100 m.

Zanesljivost rezultatov dela zagotavlja: - dobro ujemanje med eksperimentalnimi podatki, pridobljenimi z uporabo razvitih plinskih analizatorjev, in podatki, pridobljenimi hkrati z drugimi metodami, kot tudi; podatki, ki so jih pridobili drugi avtorji v podobnih podnebnih in okoljskih razmerah;

Dobro ujemanje med stratosferskimi profili WRA, izmerjenimi z lidarskimi podatki, podatki ozonske sonde in satelitskimi meritvami v okviru napake uporabljenih naprav.

Odobritev dela. Glavni rezultati na temo disertacije, ki jih je pridobil avtor, so bili objavljeni v 11 člankih v ruskih znanstvenih recenziranih revijah, poročani na: VI, VII in XI vsezveznih simpozijih o laserskem in akustičnem sondiranju (Tomsk, 1980). , 1982, 1992); VI. Vsezvezni simpozij o širjenju laserskega sevanja v atmosferi (Tomsk, 1881); XII vseslovenska konferenca o koherentni in nelinearni optiki (Moskva, 1985); V Mednarodna šola-seminar o kvantni elektroniki. Laserji in njihova uporaba (NRB, Sunny Beach, 1988); 5. znanstveni zbor Mednarodnega združenja za atmosfersko fiziko in meteorologijo (Reading, UK, 1989); XI simpozij o laserskem in akustičnem sondiranju (Tomsk, 1992); I, III, IV in VI medrepubliški simpoziji "Optika atmosfere in oceana" (Tomsk, 1995, 1996, 1997 in 1999); III Sibirsko srečanje o podnebnem in ekološkem spremljanju (Tomsk, 1999); I medregionalno srečanje "Ekologija sibirskih rek in Arktike" (Tomsk 1999); VII mednarodni simpozij o atmosferski in oceanski optiki (Tomsk, 2000); VIII in IX mednarodni simpozij o atmosferski in oceanski optiki ter atmosferski fiziki (Tomsk 2001 in 2002); 11 Delavnica o meritvah atmosferskega sevanja (Atlanta, ZDA 2001); IX delovna skupina "Aerosoli Sibirije" (Tomsk, 2002); 21. in 22. mednarodna laserska konferenca (Quebec, Kanada, 2002, Matera, Italija 2004); II mednarodna konferenca "Okolje in ekologija Sibirije, Daljnega vzhoda in Arktike" (Tomsk, 2003). Mednarodna konferenca o optičnih tehnologijah za atmosferske, oceanske in okoljske raziskave (Peking, Kitajska 2004).

Osebni prispevek. Delo uporablja rezultate, ki jih je pridobil avtor osebno ali z njegovim neposrednim sodelovanjem. Gre za sodelovanje avtorja pri razvoju tako splošnih shem za konstrukcijo plinskih analizatorjev kot njihovih posameznih optično-mehanskih in elektronskih komponent in blokov; izvajanje montažnih in zagonskih del. Razvoj merilnih metod, testnih ter ekspedicijskih in terenskih preizkusov izdelanih plinskih analizatorjev, ki so predstavljeni tudi v delu, je potekal ob neposrednem sodelovanju avtorja. Od leta 1996 se skoraj vsa opazovanja stanja ozonosfere na SLS izvajajo z aktivnim sodelovanjem avtorja. Ustvaril je izboljšan kanal za zaznavanje vertikalne porazdelitve ozona SLS na osnovi XeQ laserja in sprejemnega ogledala 0 0,5 m.

Razvoj IR plinskih analizatorjev "LAG-1" in "Resonance-3" je potekal skupaj z dr. G.S. Khmelnitsky, ostali rezultati so bili pridobljeni pod vodstvom dopisnega člana. RAS, doktor fizike in matematike V.V. Zueva s sodelovanjem njegovega laboratorijskega osebja na različnih stopnjah dela.

Uvod utemeljuje relevantnost teme, formulira cilje in cilje študije, poudarja znanstveno novost in praktični pomen ter podaja glavne določbe, predložene v zagovor.

V prvem poglavju je opisana optično-akustična metoda, blokovni diagram optično-akustičnega plinskega analizatorja, namenjenega ločenemu merjenju koncentracij metana in drugih nasičenih ogljikovodikov v vzorcih zraka.

Številne študije so pokazale prisotnost povišanih koncentracij ogljikovodikov (HC) v ozračju in vzorcih talnega zraka na območjih naftnih in plinskih polj. Avtorji so izrazili mnenje, da je to posledica sproščanja ogljikovodikov iz nahajališča na dnevno površino. Ta dejstva so osnova za geokemične metode iskanja naftnih in plinskih polj. Glede na odstotno (volumensko) sestavo zemeljskih plinov s polj nekdanje ZSSR: metan 85-95 %; etan do 7 %; propan do 5%; butan do 2 %; pentan in težji ogljikovodiki do 0,4 %. Sestava pridruženih plinov naftnih in plinskih polj: metan do 80 %; etan do 20 %; propan do 16 %; izobutan + n-butan do 6 %; pentan in težji ogljikovodiki do 0,9 %. Tako pentan in težji ogljikovodiki prispevajo zanemarljiv prispevek k vsebnosti plinskih halojev nad naftnimi in plinskimi polji.

riž. 1. Blok diagram plinskega analizatorja 1-2-CO g laserja z uklonsko rešetko;; 4, 5 - He-Ne-laser; 7, 9, 10-impulzno oblikovanje; 8-modulator; 11- krmilna enota modulatorja; 12-kamerni spektrofon; 13-mikrofon; 14-selektivni ojačevalnik; 15- ADC!; 16-frekvenčni števec; 17-attenuator; 18-sprejemnik; 19-elektronska ura; 20-ADC2; 21- krmilna enota; 22 mikroračunalnik; 23 digitalni tisk.

Pri iskanju nahajališč nafte in plina s plinskimi halomi ogljikovodikov, ki nastajajo nad nahajališči na površini zemlje, je zelo pomembno ločeno merjenje koncentracije metana in težjih ogljikovodikov, saj je metan lahko produkt ne le globokih struktur, ampak tudi zgornjih biološko aktivnih plasti in ni vedno predhodnik usedline. To je značilno na primer za

Zahodna Sibirija, kjer lahko močvirja na njenem ozemlju proizvajajo metan v velikih količinah, medtem ko težki ogljikovodiki ne nastajajo v zgornjih plasteh zemeljske skorje. V prispevku je analizirana možnost takšne ločene meritve, če vsebnost metana v mešanicah ni več kot 100-krat višja od vsebnosti drugih ogljikovodikov.

Razvit visoko občutljiv optično-akustični plinski analizator "LAG-1" omogoča registracijo koncentracij ogljikovodikov s katerim koli mešanim razmerjem metana in drugih ogljikovodikov. Blok diagram plinskega analizatorja je prikazan na sl. eno.

Tlak plina v komori cilindričnega spektrofona (optično-akustični detektor) med prehodom moduliranega laserskega sevanja pri frekvenci modulacije sevanja co je odvisen od moči laserskega sevanja u, absorpcijskega koeficienta preučevanega plina aor in faktorja kakovosti. akustičnega resonatorja pri modulacijski frekvenci Q(co) kot:

5zhg02[co2+ t1)"

kjer je t) premer valja; tr je čas temperaturne relaksacije spektrofona.

Pulsacije tlaka se pretvarjajo v električni signal s kondenzatorskim mikrofonom tipa MKD/MV 101 (13). Nadalje je signal ojačan s selektivnim ojačevalnikom U2-8 (14), digitaliziran z ADC1 (15) in dodan v sistem za obdelavo rezultatov. Lasersko sevanje, ki prehaja skozi spektrofonsko komoro, oslabi dušilnik (17), vstopi v termoelektrični sprejemnik (18), ga digitalizira ADC2 (20) in vstopi tudi v sistem za obdelavo rezultatov.

Sistem izračuna absorpcijske koeficiente:

in koncentracija plina v primeru prevladujoče absorpcije v eni liniji:

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

kjer je l kalibracijski faktor spektrofona; n število meritev; £/s/ - signal iz mikrofona; -signal, sorazmeren z močjo laserskega sevanja; - signal ozadja spektrofona; masni absorpcijski koeficient preučevanega plina. Rezultat izračuna se skupaj s kodo valovne dolžine in časom digitalno natisne.

V območju nastavitve laserja W-N emisijska črta pri valovni dolžini 1,15 μm sovpada z absorpcijsko črto atmosferske vodne pare, črta 3,39 μm pa sovpada z absorpcijskimi pasovi ogljikovodikov metanske skupine, začenši od samega metana. V območju uravnavanja valovne dolžine CO2 laserja (9,1–10,8 μm) obstajajo pasovi absorpcije SW, ki se začnejo od

etana, tako z merjenjem koncentracij vsote ogljikovodikov in ločeno etana, propana in butana, postane mogoče določiti koncentracijo metana. Tabela 1 vsebuje seznam teh plinskih komponent, njihove absorpcijske koeficiente pri ustreznih valovnih dolžinah sevanja in CO2 laserjev:

Tabela 1

Plin Ne-Me X. \u003d 3,39 μm a, cm "1 atm" 1 CO2

A, µm a, cm "1 atm" 1

Metan 9,0 - -

Etan 4,1 10,8847 0,5

Propan 9,0 10,8352 0,45-0,5

N-butan 12,6 10,4762 0,9

izobutan 13 10,8598 0,4

Zaradi dejstva, da ima CO2 laser širok razpon nastavitve, je možno ločeno meriti etan, propan, n-butan, izobutan, etilen in benzen ter druge plinske komponente. Iz iste tabele je razvidno, da so absorpcijski koeficienti sevanja CO2 laserja z ogljikovodiki 10–20-krat nižji od absorpcijskih koeficientov sevanja III-Ni laserja. Toda za resonančni spektrofon je občutljivost sorazmerna z močjo laserskega sevanja, ki prehaja skozi njega (formula 1), in nato z močjo laserja tipa LG-126 po dolžini

valov 3,39 µm 8 mW in CO2 laser 10 W, ima ta plinski analizator 100-krat večjo občutljivost za težke SW.

Na sliki 2 so prikazani rezultati primerjalnih meritev ogljikovodikov, pridobljenih na eni od odprav ob reki Ob z več različnimi plinskimi analizatorji: LAG-1 (merjena je bila tako vsota ogljikovodikov z metanom kot ločeno težji ogljikovodiki), "Iskatel" izmerjena je bila vsota ogljikovodikov z metanom ) in Raman lidar (izmerjena je bila vsota ogljikovodikov brez metana). Podatki, pridobljeni z vsemi temi napravami, kažejo na močno povečanje vsebnosti ogljikovodikov v ozračju nad naftnimi in plinskimi polji.

razdalja hmm

riž. 2. Koncentracije ogljikovodikov, merjene z različnimi plinskimi analizatorji

Daleč od usedlin, koncentracije etana, propana in butana ne

presegla 0,02 milijona "1, metan - 1,7-2 milijona" 1, a ko smo se približevali raziskanim nahajališčem, se je koncentracija težjih ogljikovodikov močno povečala. Tako so na primer na območju naftnega polja v spodnjem toku reke Vakh (točka 650 km na sliki 2.) izmerili naslednje koncentracije: vsota ogljikovodikov je 5,1 milijona "1, etan - 1,0 milijona" 1, propan - 1,7 milijona "1, butan - 0,3 milijona" 1, pri koncentraciji metana 2,1 milijona "1. Tako je jasno, da z relativno majhnimi spremembami koncentracije metana v ozračju (1,5 -2,0 milijona" 1), velike vrednosti vsote ogljikovodikov nad naftnimi in plinskimi polji so posledica povečanih koncentracij težkih ogljikovodikov.

Opravljeni testni preizkusi so pokazali dobre obratovalne lastnosti plinskega analizatorja "LAG-1" na terenu. Rezultati, pridobljeni z njegovo pomočjo, se dobro ujemajo z rezultati, pridobljenimi na drugih merilnih sistemih pri skupnih meritvah, kažejo na njihovo zanesljivost. Kombinacija dveh laserskih virov (He-Ni in CO2) in spektrofona omogoča merjenje koncentracije širokega spektra atmosferskih in onesnaževalnih plinov. Najpomembneje je, da je možno ločeno meriti frakcijo metana in težje ogljikovodike v mešanici naravnih in pripadajočih naftnih plinov. To nam omogoča, da upamo na uporabo predlaganega plinskega analizatorja za iskanje nahajališč nafte in plina s plinskimi haloji ogljikovodikov, ki se pojavljajo na površini zemlje, pa tudi za operativno analizo plinske frakcije jeder med raziskovalnim vrtanjem.

V drugem poglavju so opisani številni linijski plinski analizatorji "Resonance-3", "TRAL", "TRAL-3", "TRAL-ZM", "TRAL-4", ki delujejo na podlagi diferencialne absorpcijske metode (DP). Na kratko je opisana sama metoda.

Moč optičnega signala, prejetega v času I, z metodo DP za eno valovno dolžino X, lahko zapišemo kot:

kjer je P- prenesena optična moč (W),

d - razdalja (cm), c - hitrost svetlobe - 3 x 10 cm / s,

P, (r) ~ skupna optična učinkovitost oddajnika,

<т,- поперечное сечение поглощения (см2),

A - sprejemna odprtina (cm2),

a (d) - koeficient slabljenja (cm "1),

I, je trdni kot povratnega sipanja tarče (prim. "1),

/ "- indeks valovne dolžine, / \u003d / in 2, za valovne dolžine pri največji in najmanjši absorpciji, N0 je koncentracija plina (cm "3).

Za dve bližnji valovni dolžini velja:

Nato lahko povprečno koncentracijo plina v preučevanem volumnu izrazimo na naslednji način, pa tudi lidarje (LIDAR je okrajšava za angleški besedi Light Detection and Ranging), ki zagotavljajo informacije s prostorsko časovno ločljivostjo za preučevanje koncentracije MHC v ozračju. . Toda v času, ko se je začelo delo na disertaciji, so bili z redkimi izjemami vsi zasnovani za merjenje ene, največ dveh plinskih komponent ali pa so bili laboratorijski modeli, medtem ko spremljanje okolja zahteva večkomponentno analizo plina na dokaj dolgih poteh (po mestnih avtocestah, ozemlja velika industrijska podjetja).

Kot izhaja iz literaturnih virov, je za namene laserske plinske analize MGS najprimernejša srednja IR regija spektra. Tukaj so glavni vibracijsko-rotacijski pasovi večine MHS. Dovoljene so strukture in posamezne absorpcijske linije skoraj vseh atmosferskih plinov, z izjemo preprostih, kot so N2, O2, H2.

V srednjem IR območju spektra, kot je znano, oddajajo visoko učinkoviti molekularni laserji: CO, CO2, NH3, HF, DF in druge. Med njimi so najbolj zanesljivi in ​​primerni za namene analize plinov visoko učinkoviti CO2 laserji. V teh laserjih je poleg tradicionalnih pasov 9,6 in 10,6 μm mogoče ustvariti zaporedne pasove, ki so zamaknjeni glede na tradicionalne za približno 1 cm -1, pa tudi glavni pas 4,3 μm in vroče emisijske linije. in izotopov CO2 za pridobitev dodatnega niza premaknjenih generacijskih linij, dobimo bogat nabor emisijskih linij za ta laserski vir.

Nedavno razviti visoko učinkoviti parametrični frekvenčni pretvorniki na osnovi ZnGeP2, CdGeAs2, TlAsSe3, AgGaSe2 itd., NH3, Erbium itd. Za lasersko sondiranje atmosferskih MHS je pomembno, da večina teh emisijskih linij, vključno s transformiranimi, spada v okna spektralne preglednosti atmosfere.

Tako nizkotlačni molekularni CO2 laser, opremljen z nizom brezpražnih parametričnih frekvenčnih pretvornikov iz ZnGeP2, CdGeAs2, TlAsSe3 in AgGaSe2, izpolnjuje večino naslednjih zahtev. Razdalja med sosednjimi linijami takšnih laserjev je približno 1,5–2 cm"1, kar poenostavlja problem spektralne selekcije in frekvenčnega uglaševanja. Z uporabo dvostopenjske pretvorbe, na primer CO2 laserja ali vsote diferencialnih frekvenc dveh CO2 , ali CO2 in CO2 laserjev in njihovih harmonik, je mogoče zelo tesno pokrivati ​​območje od 2 do 17 μm v korakih do 10 cm"1. Položaj središč emisijskih linij laserjev črpalke in precej ozko spektralno širino (2 x 10"3 cm"1) zagotavljajo fizikalni parametri aktivnega medija. Položaj središč črt in posledično položaj emisijskih linij pretvorjenih frekvenc je znan z zelo visoko natančnostjo, kar odpravlja problem nadzora spektralnih značilnosti. Učinkovitost takšnih pretvornikov je precej visoka in se giblje od desetin do deset odstotkov, kar omogoča izdelavo linijskih analizatorjev plina z uporabo topografskih objektov in atmosferskih aerosolov kot reflektorjev.

Drugo informativno spektralno območje za lasersko analizo plina je UV območje. Tu se nahajajo močni elektronski pasovi številnih onesnaževalnih plinov. V nasprotju s srednjim IR območjem spektra so pasovi UV absorpcije neselektivni in se medsebojno prekrivajo. Ozonometrična metoda je na tem področju dobila največji razvoj zaradi prisotnosti Hartley-Hugginsovega absorpcijskega pasu ozona.

Zmožnost izvajanja prostorsko ločljivih meritev atmosferskega ozona z lidarjem je bila prvič prikazana leta 1977 (Mege et al.). In od druge polovice 80-ih let prejšnjega stoletja je lasersko sondiranje ozonosfere postalo redna značilnost številnih observatorijev. Zagotavlja informacije o vertikalni porazdelitvi ozona (VDO), ki uspešno dopolnjuje informacije, pridobljene s kontaktno metodo z uporabo ozonskih sond in raket, zlasti nad 30 km, kjer podatki ozonske sonde postanejo nereprezentativni.

Opazovanja ozonosfere se na Sibirski lidarski postaji izvajajo od decembra 1988. V tem obdobju se je lidarska tehnologija nenehno izboljševala, razvijale in izboljševale so se tehnike merjenja in obdelave podatkov, ustvarjena je bila programska oprema za nadzor meritvenega procesa, novi programski paketi za obdelavo dobljenih rezultatov.

Cilj. Razvoj na podlagi metode diferencialne absorpcije plinskih analizatorjev za odkrivanje in merjenje koncentracije MHC ter določanje njihove prostorske in časovne porazdelitve v atmosferi.

Med delom so bile opravljene naslednje naloge;

Razvoj optično-akustičnega plinskega analizatorja za lokalno plinsko analizo in študij prostorske porazdelitve ogljikovodikov in drugih MHS z njegovo pomočjo;

Razvoj in izdelava tračnih laserskih plinskih analizatorjev za preučevanje plinske sestave atmosfere;

Razvoj metod za merjenje MHC v ozračju;

Terenski preizkusi razvitih naprav na podlagi razvitih merilnih tehnik;

Študija časovne dinamike IGU v ekološko čistih območjih države, ki so podvržena večjim antropogenim obremenitvam;

Izdelava kanala za sondiranje vertikalne porazdelitve ozona (VDO) v stratosferi (na osnovi sprejemnega ogledala 0 0,5 m) CJIC;

Nadzor stanja ozonosfere v načinu rutinskih meritev; -študij klimatologije ozonosfere, ocena trendov stratosferskega ozona.

V zagovor se predložijo:

1. Razvit laserski optično-akustični plinski analizator "LAG-1", ki omogoča na podlagi razvite tehnike ločeno merjenje koncentracij metana in težjih ogljikovodikov v zračnih mešanicah naravnih in pripadajočih naftnih plinov s poljubnim razmerjem sestavine v mešanici.

2. Razvite postavitve laserskih analizatorjev plinov serije "TRAL" v srednjem IR območju spektra, ki vam omogočajo hitro merjenje koncentracij več kot 12 plinov pri in pod MPC na poteh do 2 km dolgih z uporabo ogledalo ali topografski odsevnik.

3. UV ozonski lidar, ki ga je avtor ustvaril na podlagi ekscimernega laserja XeCl, ki je zagotavljal neprekinjeno dolgotrajno sondiranje ozonosfere nad Tomskom na sibirski lidarski postaji v območju višin 13-45 km z največjo navpično ločljivostjo 100 m.

Znanstvena novost dela.

Prvič so bile izbrane in eksperimentalno preverjene informativne valovne dolžine za sondiranje MGS atmosfere;

Ustvarjeni so bili številni edinstveni mobilni in stacionarni plinski analizatorji na osnovi nastavljivih molekularnih laserjev s frekvenčnimi pretvorniki sevanja, ki omogočajo hitro izvedbo večkomponentne analize plinske sestave ozračja;

Meritve dnevnih sprememb koncentracije MHC (kot so С2Н4, NH3, Н2О, СО2, СО, О3, N0 itd.) so bile izvedene v ekološko čistih območjih države, ki so izpostavljena znatnim antropogenim obremenitvam;

Klimatološke značilnosti ozonosfere nad Tomskom so bile prvič določene na podlagi rednih in dolgoletnih meritev profilov vertikalne porazdelitve ozona;

Uporaba rezultatov dela. Podatki, pridobljeni s pomočjo plinskih analizatorjev, so bili v letih 1979-1980 predloženi Olimpijskemu komiteju ZSSR. v Moskvi, pa tudi okoljskim organizacijam v mestu. Tomsk, Kemerovo, Sofija (NRB). Vključeni so bili v končna poročila IOA SB RAS o različnih donacijah, sporazumih, pogodbah in programih RFBR, na primer "TOR" (raziskave troposferskega ozona), "SATOR" (raziskave stratosferskega in troposferskega ozona) in drugi.

Praktična vrednost dela je naslednja:

Razvit je bil optično-akustični plinski analizator, ki omogoča z visoko natančnostjo merjenje koncentracije tako vsote ogljikovodikov metanske skupine kot ločeno metana in težjih ogljikovodikov v mešanici naravnih in pripadajočih naftnih plinov. S pomočjo tega plinskega analizatorja je mogoče iskati nafto in plin po plinskih halosih plinov, ki se pojavljajo na površini zemlje nad nahajališči ogljikovodikov;

Razviti linijski plinski analizatorji omogočajo merjenje koncentracij MHC na in pod MPC s širokega seznama prednostnih onesnaževalnih plinov;

Ustvarjen je bil kanal za zaznavanje vertikalne porazdelitve ozona CJIC na podlagi sprejemnega ogledala 0 0,5 m, ki omogoča pridobivanje zanesljivih VRO profilov v višinskem območju 13-45 km z največjo ločljivostjo 100 m.

Zanesljivost rezultatov dela zagotavlja: - dobro ujemanje med eksperimentalnimi podatki, pridobljenimi z uporabo razvitih plinskih analizatorjev, in podatki, pridobljenimi hkrati z drugimi metodami, kot tudi; podatki; pridobljeni pri drugih avtorjih v podobnih klimatskih in ekoloških razmerah;

Dobro ujemanje med stratosferskimi profili WRA, merjenimi z lidarskimi podatki, podatki ozonske sonde in satelitskimi meritvami v okviru napake uporabljenih naprav | (petnajst %).

Osebni prispevek. Delo uporablja rezultate, ki jih je pridobil avtor osebno ali z njegovim neposrednim sodelovanjem. Gre za sodelovanje avtorja pri razvoju tako splošnih shem za konstrukcijo plinskih analizatorjev kot njihovih posameznih optično-mehanskih in elektronskih komponent in blokov ter montaže in zagona. Razvoj merilnih tehnik, testnih in ekspedicijskih^ ter terenskih preizkusov izdelanih plinskih analizatorjev, ki so tudi predstavljeni v delu, je potekal ob neposrednem sodelovanju avtorja. Od leta 1996 se skoraj vsa opazovanja stanja ozonosfere na CJIC izvajajo z aktivnim sodelovanjem avtorja. Ustvaril je izboljšan kanal za zaznavanje vertikalne porazdelitve ozona CJIC na osnovi XeCl laserja in sprejemnega ogledala 0 0,5 m.

Procesa razvoja plinskih analizatorjev, njihovih testnih testov, obdelave rezultatov, pridobljenih med ekspedicijskim delom, dolgoletnega kopičenja tako velike količine empiričnih informacij o VRO in njegove analize ne bi bilo mogoče izvesti brez aktivnega sodelovanja celotne ekipe, brez katere tega disertacijskega dela ne bi bilo. Postavljanje problemov in znanstveno vodenje na različnih stopnjah je izvajal kor. RAS Zuev V.V. in dr. Hmelnicki G.S. Razvoj plinskih analizatorjev ter njihove testne in terenske preizkuse smo izvedli skupaj z dr. sci. Andreev Yu.M., dr. Geiko P.P., raziskovalec Shubin S.F. Teoretično delo o iskanju informativnih valovnih dolžin je opravil doktor tehniških znanosti. Mitselem A.A., doktor fizikalnih in matematičnih znanosti Kataev M.Yu., dr. Ptashnik I.V., dr. Romanovsky O.A. Lidarske meritve VRO je skupaj opravil višji raziskovalec Nevzorov A.V., dr. Burlakov V.D. in dr. Marichev V.N., in obdelava podatkov sondiranja skupaj z dr. Bondarenko SL. in dr. Elnikov A.V.

Odobritev dela. Glavni rezultati na temo disertacije, ki jih je pridobil avtor, so bili objavljeni v 11 člankih v ruskih znanstvenih recenziranih revijah, poročani na: VI, VII in XI vsezveznih simpozijih o laserskem in akustičnem sondiranju (Tomsk, 1980). , 1982, 1992); VI. Vsezvezni simpozij o širjenju laserskega sevanja v atmosferi (Tomsk, 1881); XII vseslovenska konferenca o koherentni in nelinearni optiki (Moskva, 1985); V Mednarodne šole: I Seminar o kvantni elektroniki. Laserji in njihova uporaba (NRB, Sunny Beach, 1988); 5. znanstveni zbor Mednarodnega združenja za atmosfersko fiziko in meteorologijo (Reading, UK, 1989); XI simpozij o laserskem in akustičnem sondiranju (Tomsk, 1992); I, III, IV in VI medrepubliški simpoziji "Optika atmosfere in oceana" (Tomsk, 1995, 1996, 1997 in 1999); III Sibirsko srečanje o podnebnem in ekološkem spremljanju (Tomsk, 1999); I medregionalno srečanje "Ekologija sibirskih rek in Arktike" (Tomsk 1999); VII mednarodni simpozij o atmosferski in oceanski optiki (Tomsk, 2000); VIII in IX mednarodni simpozij o atmosferski in oceanski optiki ter atmosferski fiziki (Tomsk 2001 in 2002); 11 Delavnica o meritvah atmosferskega sevanja (Atlanta, ZDA 2001); IX delovna skupina "Aerosoli Sibirije" (Tomsk, 2002); 21. in 22. mednarodna laserska konferenca (Quebec, Kanada, 2002, Matera, Italija 2004); II mednarodna konferenca "Okolje in ekologija Sibirije, Daljnega vzhoda in Arktike" (Tomsk, 2003); Mednarodna konferenca o optičnih tehnologijah za atmosferske, oceanske in okoljske raziskave (Peking, Kitajska 2004).

Struktura in obseg disertacije. Diplomsko delo je sestavljeno iz uvoda, treh poglavij in zaključka. Obseg disertacije je 116 strani, vsebuje 36 slik, 12 tabel. Seznam uporabljene literature vsebuje 118 naslovov.

Zaključek disertacije na temo "Instrumenti in metode eksperimentalne fizike"

Zaključek

V okviru disertacije je avtor kot del ekipe naredil naslednje:

Razvit je optično-akustični plinski analizator za lokalno plinsko analizo, z njegovo pomočjo je bila izvedena študija prostorske porazdelitve -ogljikovodikov (med več ekspedicijami na ladji) na območjih, kjer se nahajajo naftna polja. Izmerjeno povečanje vsebnosti ogljikovodikov v vzorcih zraka na območju naftnih polj je potrdilo hipotezo o prisotnosti plinskih halojev nad polji ogljikovodikov in možnosti za uporabo tega plinskega analizatorja za iskanje naftnih in plinskih polj;

Razvit in ustvarjen je bil kompleks laserskih analizatorjev plinov v sledovih, ki delujejo v IR območju spektra z uporabo diferencialne absorpcijske metode in omogočajo merjenje koncentracij več kot 12 plinov pri in pod MPC;

Izdelana je bila tehnika za merjenje MHC v ozračju;

Izvedeni so bili terenski preizkusi razvitih naprav;

Eksperimentalno smo testirali pare informativnih valovnih dolžin in sklepali o njihovi primernosti za namene analize plinov po MDP;

Izvedene so bile študije časovne dinamike MHS v ekološko čistih območjih države, ki so izpostavljena večjim antropogenim obremenitvam;

Primerjalne meritve koncentracij MHC so bile izvedene z uporabo razvitih laserskih plinskih analizatorjev in naprav, ki delujejo na podlagi standardnih metod, ki so pokazale dobro ujemanje dobljenih rezultatov;

Ustvarjen je bil kanal za zaznavanje vertikalne porazdelitve ozona (VOD) v stratosferi (na podlagi sprejemnega ogledala 0 0,5 m) CJIC, ki je zagotavljal zanesljive profile VOD nad Tomskom v daljšem časovnem obdobju, potrjen z dobrim dogovorom s satelitom in podatki o ozonski sondi. To je omogočilo izvedbo klimatoloških študij in vrednotenje stratosferskih trendov ozona, ki so pokazale, da so v spodnji stratosferi na nadmorskih višinah pod 26 km za medletne spremembe koncentracij ozona značilni maksimum spomladi in minimum jeseni ter pri nadmorske višine nad 26 km, se maksimum premakne na poletje, minimum pa na zimo. . Na nadmorski višini 26 km, v območju katere se nahaja ciklična pavza, je ozonosfera razdeljena na dva dela: na dnu njeno obnašanje določajo predvsem dinamični procesi, na vrhu pa fotokemični. Podrobnejši pregled medletnih sprememb v WRO nam omogoča, da izpostavimo naslednje točke: a) na nadmorski višini 14 km, kjer je očitno vpliv nihanj višine tropopavze še vedno pomemben, ni lokaliziranega maksimuma se opazi; b) v območju do vključno 18 km se največja sezonska nihanja pojavijo februarja, v območju 20-26 km pa marca; Največje ujemanje med letnimi spremembami WRO in letnim potekom TO opazimo v območju višin 20–24 km, zlasti na nadmorski višini 22 km. c) na vseh višinah so se trendi v WRO izkazali za statistično nepomembne. Hkrati so v spodnjem delu ozonosfere zanje značilne rahlo negativne vrednosti, v zgornjem delu pa rahlo pozitivne. V območju lokalizacije maksimuma stratosferskega ozona (20 km) so vrednosti negativnih trendov majhne (-0,32% na leto). Ti rezultati so skladni z majhnim statistično nepomembnim trendom v OSA (0,01+0,026 % na leto) v istem šestletnem obdobju.

Seznam virov disertacija in izvleček iz fizike, kandidat fizikalnih in matematičnih znanosti, Dolgiy, Sergej Ivanovič, Tomsk

1. Kuznetsov I. E., Troitskaya T. M. Zaščita zračnega bazena pred onesnaženjem s škodljivimi snovmi. - M.: Kemija, 1979. - 340 str.

2. Bespamyatov G. P., Bogushevskaya K. K. in drugi Največje dovoljene koncentracije škodljivih snovi v zraku in vodi. Ed. 2. pas in dodatno L.: Kemija, 1975. - S. 455.

3. Detri J. Ozračje mora biti čisto. M., 1973. - 379 str.

4. Khrgian A. Kh Fizika atmosferskega ozona. L.: Gidrometeoizdat, 1973. -292 str.

5. Bazhin N.M. Metan v ozračju. // Soros Educational Journal, 2000. T. 6. št. 3.-S. 52-57.

6. Hinkley E.D., Melfi S.H. et al. Lasersko spremljanje atmosfere.- Berlin, Helidelberg, New-York: Springer-Verlag, 1976.-416 str.

7. Omenetto H. Analitična laserska spektroskopija. M., Mir 1982. 606 str.

8. Škotska R.M. Zaznavanje navpičnega profila atmosferskih plinov s pomočjo zemeljskega optičnega radarja. //Proc. 3. simpozij o daljinskem zaznavanju okolja, Michigan: Ann, Arbor, ZDA, 1964, str. 215-224.

9. Uchino O., Maeda M., Hirono M. - Uporaba ekscimernih laserjev za lasersko radarsko opazovanje zgornje atmosfere // JEEE J. Qucnt Electr., 1979, V. QE 15, N 10, P. 10 S 4-1100.

10. Grant W.B., Hake R.D. Daljinsko merjenje SO2 in O3 z diferencialno absorpcijsko tehniko // J. Appl. fiz. -1975.V. 46, št. 5.- P. 3019-3024.

11. G. S. P. Hmelnitsky, Financiranje plinov v atmosferi z molekularno absorpcijo sevanja nastavljivega CO2 laserja. Dis. cand. fizika in matematika znanosti. - Tomsk. 1979. - 241 str.

12. Middleton W.E.K., Spilhaus A.F., Meteorološki instrumenti, Univ. Toronto Ptress, Toronto, 1953, str. 208.

13. Ku R.T., Hinkley E.D., et al. Dolgopotno spremljanje atmosferskega ogljikovega monoksida z nastavljivim diodnim laserjem //Appl. Opt.-1975-V.14. N 4, - str. 854-861.

14. Hinkley E.D., Ku R.T., Nill K.W. et. al. Nadzor dolge poti: napredna instrumentacija z nastavljivim diodnim laserjem // Appl. Opt.-1976-V.15. N 7.- P.1653-1655.

15. Samokhvalov I.V., Sosnin A.V., Khmelnitsky G.S. Določanje koncentracije določenih plinov na vodoravnih poteh v atmosferi z nastavljivim CO2 laserjem. // Journal of Applied Spectroscopy, 1980. V.32. Težava. 3.- S. 525-531.

16 Ukrepi R.M., Pilon G.A. Študija nastavljivih laserskih tehnik za oddaljeno kartiranje specifičnih plinastih sestavin atmosfere, Opto-electronics 4, str. 141-153, (1972).

17. Byer R.L. Daljinsko merjenje onesnaženosti zraka. // Optična in kvantna elektronika 1975. V 7. P. 147-177.

18. Asai K., Igarashi T. Odkrivanje ozona z diferencialno absorpcijo z uporabo laserja C02. //opt. kvant. Elektron., 7. P. 211-214, (1975).

19. Fredriksson K., Galle B., Nystrom K., Svanberg S. Lidarski sistem, uporabljen pri spremljanju onesnaženja atmosfere. //Appl. Opt., 18. P. 2998-3003, (1979).

20. Murray E.R., Hake R.D., et al, Meritve atmosferske vodne pare z 10 mikrometrskim DIAL sistemom. //Appl. fiz. Lett., 28. P. 542-543, (1976).

21. Wetkam C. Porazdelitev vodikovega klorida v slivi sežigalnih ladij: razvoj novih merilnih sistemov, odpadki v oceanu. Zvezek 3, Wiley. 1981.

22. Husson N., Chedin A., Scott N.A. et al. Banka podatkov o parametrih spektroskopske linije GEISA. - Annales Geophysical. Fass. 2 Ser. A. (1986).

23. Rothman L. S., Gamache R. R., Goldman A. et al. //Appl. Opt. 1987 V.26. št. 19. -P. 4058-4097.

24. Butkevič V.I., Privalov V.E. Značilnosti uporabe laserjev pri natančnih analitičnih meritvah. // ZhPS, T. 49. št. 2. S. 183-201.

25. Philip L. Hanst. Merjenje onesnaženosti zraka s pomočjo dolgopotne absorpcijske spektroskopije. //Proc. Drugi pripravnik. kongres čistega zraka. Washington D.C., 6-11 december 1970, NY-London 1971, str. 492-499.

26. Eugenio Zanzottera Diferencialne absorpcijske lidarske tehnike pri določanju sledov onesnaževal in fizikalnih parametrov atmosfere. // Analitična kemija, 1990, V. 21, številka 4 P. 279-319.

27. Grasyuk A.3., Letokhov B.C., Lobko B.V. Molekularni IR laserji z resonančnim laserskim črpanjem (pregled). // Kvantna elektronika, 1980. V. 7. št. 11.-S. 2261-2298.

28. Hinckley E. D., Neill K. V., Bloom F. A. Infrardeča laserska spektroskopija z uporabo nastavljivih laserjev. / Laserska spektroskopija atomov in molekul. -M.: Mir, 1979. S. 155-159.

29. Bertel I. M., Petukhov V. O., Trushin S. A., Churakov B. V. TEA CO2 laser, nastavljiv vzdolž vibracijsko-rotacijskih linij 2. pasu zaporedja. // Prednatis št. 262, Inštitut za fiziko, BAN SSR, Minsk, 1982. -30 str.

30. Killinger D.K., Menyuk N., DeFeo W.E. Daljinsko zaznavanje CO z uporabo laserskega sevanja C02 s podvojeno frekvenco // Apll. fiz. Lett. 1980. V. 36. str. 402-405.

31. Andreev Yu.M., Bochkov D.S., Voevodin V.G. et al Generacija druge harmonike CO2 laserja v kristalih ZnGeP2. // V knjigi: Tr. VII Vseslovenski simpozij o laserskem in akustičnem sondiranju atmosfere. 1982. - C 306-309.

32. Andreev Yu.M., Vedernikova T.V., Betin A.A. et al. Pretvorba laserskega sevanja CO2 in CO v kristalu ZnGeP2 v spektralno območje 2,3-3,1 jx. //Sov. J. Quantum Electron., 15.-P. 1014-1015.

33. Andreev Yu.M., Geiko P.P., Zuev V.V. Visoko učinkovita pretvorba IR laserjev z ZnGeP2 in CdGeAs2. //Bilten 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., Frekvenčna pretvorba CO2 laserja z ZnGeP2. Tehnični memorandum NOAA ERL WPL-224. Wave Propagation Laboratory, Boulder, Colorado, julij 1992. 18 str.

35. Andreev Yu. M., Geiko P.P. Obetaven vir koherentnega sevanja za lasersko plinsko analizo atmosfere na osnovi nelinearnega kristala Tl3AsSe3. // Optika atmosfere in oceana, 1988. letnik 1. št. 1. str. 126129.

36. Wittemann V. CO2 laser. Per. iz angleščine. M.: Mir, 1990. 360 str.

37. Megie G. et al. Vertikalni profili stratosferskega ozona z lidarskim sondiranjem s tal. // Narava, 1977. V. 270. N 5635. P. 349-351.

38. Zuev V.V. Daljinski optični nadzor stratosferskih sprememb. Tomsk: MGP "Rasko", 2000. - 140 str.

39. Bell F.G. Generiranje optp-akustičnih valov. // Philos. Mag., 1881. V. 11.-P.510-513

40. Weingerov M.L. // DAN ZSSR, 1938, .T. 19. S. 687.

41. Kerr E.L., Atwood J.G. Lasersko osvetljeni absorpcijski spektrofon: metoda za merjenje šibke absorpcije pri laserskih valovnih dolžinah. //Appl. Opt, 1968. V. 7. št. 5.-P. 915-921.

42. Ageev B.G., Kapitanov V.A. Ponomarev Yu.N. Opto-akustični laserski plinski analizatorji. // Znanost o proizvodnji 2003. št. 9. S. 30-31.

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

44. Goldan P., Goto K. Akustično resonančni sistem za detekcijo nizke stopnje infrardeče absorpcije v atmosferskih onesnaževalih. // J.Appl. fizike, 1974. V. 45. št. 10. -P. 4350-4355.

45. Max E., Rosengren L.G. Značilnosti resonančnega optoakustičnega detektorja koncentracije plina. // Optične komunikacije, 1974. V.l 1. št. 4. P.422-426.

46. ​​Antipov A.B., Kapitanov V.A., Ponomarev Yu.N., Sapožnikova V.A. Opto-akustična metoda v laserski spektroskopiji molekularnih plinov. -Novosibirsk: Nauka, 1984. 128 str.

47. Shumate M. S., Menzies R. T., Margolis J. S., Rozengren L. G. Absorpcija vodne pare laserskega sevanja ogljikovega dioksida. //Appl. opt., 1976. V. 15. št. 10. -P. 2480-2488.

48. Sidorenko A.V., Sidorenko C.A. // V knjigi: Sodobni problemi geologije in geokemije fosilnih goriv. Moskva: Nauka, 1973.

49. Sidorenko A.V., Sidorenko S.A., Tenyakov V.A. Sedimentno-metamorfni procesi in "plinsko dihanje" zemeljske skorje. // DAN, 1978. V. 238. št. 3-S.705-708.

50. Bartaševič O.V., Zorkin JI.M., Zubaikin C.JI. Osnovna načela in rezultati uporabe neposrednih geokemijskih metod iskanja naftnih in plinskih polj. / Avtokemijske metode iskanja rudnih nahajališč. Essentuki, 1976 - S. 41-47.

51. Birjulin V.P., Golubev O.A., Mironov V.D., Popov A.I. Geokemična iskanje nahajališč nafte in plina z daljinsko lasersko spektrometrijo metana v površinskem zraku. // Geologija nafte in plina, 1979. št. 4.-S. 27-31.

52. Kolobaškin V.M., Popov A.I. Nove možnosti laserske absorpcijske metode. // Narava, 1981. št.7. str.50-57.

53. Mironov V.D., Popov A.I., Sadchikhin A.V. // ZHPS, T. 33. Št. 4. 1980. -S. 742-744.

54. Dolgiy S.I., Ippolitov I.I., Khmelnitsky G.S., Shubin S.F. Laserski resonančni optično-akustični plinski analizator za spremljanje majhnih atmosferskih nečistoč. // L .: Instrumentacija 1982, T. XXV. št. 12 S. 71-74.

55. Antipov A.B., Antipov B.A., Sapožnikova V.A. Koeficienti absorpcije nekaterih ogljikovodikov v polju nastajanja OKG z A, = 3,39 μm. // Zbornik univerz, Fizika. 1974. št. 2. S. 157-158.

56. Makushkin Yu.S., Mitsel' A.A., Khmelnitsky G.S. Laserska absorpcijska diagnostika atmosferskih plinov. // ZhPS, 1981. T. 35. Št. 5. C 785-791.

57. Andreev Yu.M., Zuev V.V., Romanovsky O.A. Avtomatiziran sistem za iskanje optimalnih valovnih dolžin za analizo plina z uporabo diferencialne absorpcijske metode. // M.: VINITI, 1988. št. 4059-B88 62 str.

58. Kemijska enciklopedija. M.: Sovjetska enciklopedija, 1988. T. 1.1. C.476-477

59. Meri R. M. Lidarjeva enačba za analizo, ki omogoča ciljno življenjsko dobo trajanja laserskega impulza in obdobje integracije detektorja. //Appl. Opt. 16 1092, 1977.

60. Krekov G.M., Rakhimov R.F. Optično-lokacijski model celinskega aerosola. Novosibirsk: Nauka 1982. -196 str.

61. Karapuzikov A.I., Ptashnik I.V. Možnosti uporabe helikopterskega lidarja na osnovi sevanja nastavljivega TEA CO2 laserja za odkrivanje puščanja metana. // Optika atmosfere in oceana, 1999. T. 12. št. 4.-S. 364-371.

62. Rothe K.W., Walther H., Werner J. Meritve diferencialne absorpcije z IR in UV laserji s fiksno frekvenco // Optical and Laser Remote Sensing. Killinger

63. D. K. In Mooradian A., ur., Springer-Verlag, Berlin, 1983.

64 Murray E.R. Daljinske meritve plinov z diskretno nastavljivimi infrardečimi laserji. //opt. inž., 16, 284. 1977.

65. Prokhorov A.M., Bunkin F.M., Gochelashvili K.S., Shishov V.I. Širjenje laserskega sevanja v naključnih nehomogenih medijih. //UFN, 1974.-S. 415-456.

66. Gurvič A.S., Kon A.I. in drugo lasersko sevanje v turbulentni atmosferi. M.: Nauka, 1976. - S. 279.

67. Sedin V.Ya., Khmelevcov S.S. Razširitev usmerjenih svetlobnih žarkov v turbulentnem ozračju. // Izv. univerze. Ser. Fizika, 1972. št.3. -str.91-96.

68. Selby J.E.A. in McClatchey R.A. Atmosferska prepustnost od 0,25 do 28,5 ure: računalniška koda LOWTRAN 2. //Tech. Rep, AFCRL-TR-72-0745, 1972.

69. V. E. Zuev, Širjenje vidnih in infrardečih valov v atmosferi. -M.: Sov. Radio, 1970.- 496 str.

70. McClatchey R.A., Benedict W.S., Clough S.A. et al. /AFCRL Prevajanje parametrov atmosferske absorpcijske linije. //Tehn. Rep, AFCRL-TR-73-0096, ERP št. 434, 1973.

71 Rothman L.S., Gamache R.R., Goldman F. et al. Baza podatkov HITRAN: izdaja 1986. //Appl. Opt. 1987. V. 26. št. 19. P. 4058-4097.

72. Bondarenko S.L., Dolgii S.I., Zuev V.V., Kataev M.Yu., Mitsel’ A.A., Pelymsky O.A., Ptashnik I.V. Laserska večkomponentna plinska analiza površinske plasti atmosfere. // Optika atmosfere in oceana, 1992. V. 2. št. 6.-S.611-634.

73. S. I. Dolgiy, L. P. Kudinova, A. A. Mitsel', G. S. Khmel'nitskii in S. F. Shubin, Russ. Sistem za določanje koncentracije plinov z laserjem, nastavljivim v CO2. / Sistemi za avtomatizacijo eksperimentov na atmosferski optiki. - Tomsk, 1980. - S. 67-78.

74. Zharov V.P., Letokhov B.C. Laserska optično-akustična spektroskopija. -M. Znanost, 1984.-320 str.

75. Andreev Yu.M., Voevodin V.G., Gribenyukov A.I. et al Analizator poti plinov, ki temelji na nastavljivem CO2 laserju s podvojevalnikom frekvenc.

76. Dolgy S.I., Khmelnitsky G.S., Shubin S.F. Daljinska analiza plina v atmosferi z diskretno nastavljivim CO2 laserjem. // Zbornik: Laserske absorpcijske metode za analizo mikrokoncentracij plinov. - M.: Energoatomizdat, 1984. - S.121-130.

77. Tikhonov A.N., Arsenin V.Ya. Metode reševanja slabo postavljenih problemov. M.: Nauka, 1974, 351 str.

78. S. I. Dolgii, V. V. Zuev, S. V. Smirnov in S. F. Shubin, Russ. IR laserski plinski analizatorji diferencialne absorpcije "TRAL-3" in "TRAL-ZM". // Optika atmosfere, 1991. V. 4. št. 5.- P. 515-521.

79. Kemija. Referenčni vodnik. Per. z njim. JI.: Kemija. 1975. - 575 str.

80. Dolgiy S.I., Ippolitov I.I., Khmelnitsky G.S., Shubin S.F. Študija slabljenja laserskega sevanja v ozračju olimpijske Moskve. / Povzetki VII vseslovenskega simpozija o širjenju laserskega sevanja v ozračju. Tomsk 1981.- P.62-65.

81. Elnikov A.V., Zuev B.V., Bondarenko S.L. O rekonstrukciji stratosferskih profilov ozona iz podatkov lidarskega sondiranja // Atmosferska in oceanska optika. 2000. T 13. št. 12 S. 1112-1118.

82. Claude H., Sconenborn F., Streinbrecht W., Vandersee W. DIAL meritve ozona na Met. obs. Hohenpei|3enberg: Klimatologija in trendi. //Proc. 17. ILRC Abst. of papers, Sendai, Japonska. 1994.P.413-415 Sendai, Japonska.l994.P.

83. Zasnova optičnih sistemov McDermit za stratosferski lidarski sistem, Appl. Opt. 1995 V34. N. 27, str. 6201-6210.

84. Godin S., David C., Lakoste A.M. Sistematične meritve ozona in aerosola z lidarjem na OHP (44° S, 6° E) in Dumont // Abstr. Iz dokumentov 17. ILRC. Sendai, Japonska. str. 409-412. 1994.

85. Stefanutti L., Castagnoli F., DelGuastaM. et al. LIDAR s štirivalovno depolarizacijo za povratno sipanje za spremljanje IISC // Appl. fiz. 1992, V. B55. P.13-17.

86. Tikhomirov A.A. Klasifikacija metod strojne opreme za stiskanje dinamičnega razpona lidarskih signalov in merila za njihovo vrednotenje // Zbornik. Dokl.VII Vsezvezna. Symp. Po laz. In akustično. Sonda. Atmosfere. -Tomsk: TF SO AN ZSSR, 1982.- C 173-176.

87. Pravdin B.J.L., Zuev V.V., Nevzorov A.V. Elektronski nadzor PMT ojačevanja pri registraciji lidarskih signalov z velikim dinamičnim razponom v načinu štetja fotonov // Optika atmosfere in oceana, 1996. V. 9. št. 12, str. 1612-1614.

88. Zuev V.V., Elnikov A.V., Burlakov V.D. Lasersko sondiranje srednje atmosfere. / Pod splošnim uredništvom Corr. RAS V.V. Zueva Tomsk: RASKO, 2002.-352 str.

89. Flee J.A., Morris J.R., Feit M.D.// Appl. fiz. 1976. V. 10. Št. 1.-P.129-139

90. Astafurov V.G., Mitsel A.A. Posebnosti obdelave lidarskega signala pri merjenju atmosferskih plinastih nečistoč. // Avtometrija. 1984. Št. 1.-S. 92-97.

91. V. N. Marichev, V. V. Zuev, P. A. Khryapov, S. I. Dolgiy in A. V. Nevzorov, Russ. Lidarska opazovanja navpične porazdelitve stratosferskega ozona nad Tomskom poleti 1998 // Atmosferska optika, 1999. V. 12. št. 5, - P. 428-433.

92. A. V. Elnikov, V. V. Zuev, et al., Prvi rezultati lidarskih opazovanj stratosferskega ozona nad Zahodno Sibirijo. // Optika atmosfere, 1989. V.2. št. 9. S. 995-996.

93. Dolgii S.I., Zuev V.V., Marichev V.N., Sharabarin E.V. Rezultati poskusa lidarskega sondiranja ozona in temperature v troposferi in stratosferi. // Optika atmosfere, 1996. V. 9. št. 8-S. 11231126,.

94. Dolga S.I.,. Zuev V.V., Marichev V.N., Kataev M.Yu., Nevzorov A.V. Razširitev funkcionalnosti DP-lidarja. V: Povzetki IV simpozija // Atmosferska in oceanska optika, 1997. Str. 210.

95. Zuev V.V., Kataev M.Yu., Mitsel’ A.A. Obdelava podatkov stratosferskega ozona, pridobljenih z dvovalnim UV-DP lidarjem: SOUND računalniška koda. // Bilten univerzitetne fizike, №11 per. št. 2672-B94. 25s.

96. Bondaernko C.JI. Rekonstrukcija značilnosti stratosferskega ozonskega plašča iz eksperimentalnih podatkov. Kandidatska disertacija - Tomsk, 2002. - 136 str.

97. Nakane H., Sugimoto N., Hayashida S., Sagano Ya. in Matsui I. Petletno lidarsko opazovanje vertikalnih profilov stratosferskega ozona na NIES, Tsukuba (36° S, 140° E) // Proc 17- ILRC Sendai, Japonska. 1994.-P.416-419.

98. Krueger A.J., Minzner R.A. Model ozona srednje zemljepisne širine za standardno atmosfero ZDA iz leta 1976. // Geofiz. Res. 1976. V. 81. N 24. P. 4477-4487.108. http://www-sage2.larc.nasa.gov/introdaction.

99. Dolgy S.I., Zuev B.V., Bazhenov O.E. Klimatologija in trendi stratosferskega ozona nad Tomskom. // Optika atmosfere in oceana, 2004. V.17.№4.-S. 312-316.

100. Zuev V.V., Dolgii S.I., Bondarenko S.L., Bondarenko M.A. Primerjava profilov vertikalne porazdelitve ozona, pridobljenih na Sibirski lidarski postaji, s satelitskimi podatki. // Proceeding of SPIE. 2004, V. 5743. P. 498-501.

101. Zuev V.V., Dolgii S.I., Nevzorov A.V. Klimatologija in trend stratosferskega ozona nad Tomskom za obdobje 1996-2003. // Povzetki 22. mednarodne konference o laserskih radarjih. Matera, Italija. str. 585-589.

102. Zuev V.V., Dolgii S.I., Nevzorov A.V. DIAL meritve stratosferskega ozona nad Tomskom za obdobje 1996-2003 (klimatologija in trendi), //V: Povzetki ICOT 2004 Peking, Kitajska, 2004. P 12.

103. Dolgi S.I. Rezultati obsežnih študij onesnaženosti na področju naftnih in plinskih polj. // Zbornik I medregionalnega srečanja "Ekologija poplavnih ravnic sibirskih rek in Arktike" / pod. ur. Zueva V.V. Novosibirsk: Založba Sibirske podružnice Ruske akademije znanosti, 1999. P. 171-176.

104. Zuev V.V., Zuev V.E., Burlakov V.D., Dolgii S.I., Elnikov A.V., Nevzorov A.V. Klimatologija stratosferskega aerosola in ozona po dolgoletnih opazovanjih na sibirski lidarski postaji. // Optika atmosfere in oceana, 2003. T16. št. 8. S.719-724.

105. Burlakov V.D., Dolgiy S.I., Nevzorov A.V. Posodobitev merilnega kompleksa sibirske lidarske postaje // Optika atmosfere in oceana, 2004. V.17. št. 10. S.857-864.

106. Zuev V.V., Dolgiy S.I. Klimatologija in trendi stratosferskega ozona nad Tomskom. // Zbornik II mednarodne konference "Okolje in ekologija Sibirije, Daljnega vzhoda in Arktike (EESFEA-2003) Tomsk, 2003. T. 1.-S. 74.

107. Shvartsev S.L., Savichev O.G. Celovite ekološke in geokemične študije voda reke. Obi. // Zbornik I medregionalnega srečanja "Ekologija sibirskih rek in Arktike". Tomsk, 1999. - S. 110-115.

108. Belitskaya E.A., Guznyaeva M.Yu. in drugi Organske nečistoče v vodah Srednjega Ob. // Zbornik I medregionalnega srečanja "Ekologija sibirskih rek in Arktike". Tomsk, 1999. - S. 122-129.

Delovanje laserskega plinskega analizatorja Yokogawa TDLS200 temelji na metodi diodne laserske absorpcijske spektroskopije.

Za ta instrument je značilna visoka selektivnost in dolgoročna stabilnost, ki omogoča hitro analizo plinov s korozivnimi komponentami ali visokimi temperaturami na mestu samem (neposredno v cevi). Kakšno je načelo delovanja te naprave in kje najde svojo uporabo?

Laserski plinski analizator uporablja metodo absorpcijske spektroskopije z nastavljivo lasersko diodo (TDLAS) in ima možnost merjenja koncentracije v vzorcu plina z visoko selektivnostjo in brez neposrednega stika – le z obsevanjem vzorca plina s sevanjem nastavljive laserske diode. Na ta način je mogoče izvesti hitre in natančne meritve "in situ" v procesnih dimovodih pod različnimi pogoji. Na primer, meritve se lahko izvajajo pri temperaturah do 1500°C, pa tudi v okoljih z pulzirajočim tlakom. Laserski plinski analizator Yokogawa TDLS200 lahko meri tudi v prisotnosti korozivnih ali strupenih plinov. Natančni analitični signali, ki jih generira analizator, imajo minimalen odzivni čas, kar poveča donos proizvoda, izboljša energetsko učinkovitost in varnost v različnih industrijskih procesih. Enostavnost zasnove (brez gibljivih delov in komponent, ki omejujejo življenjsko dobo) zagotavlja delovanje in nadzor z malo vzdrževanja ali brez njega.

Laserski plinski analizator Yokogawa TDLS200 je nova vrsta laserskega plinskega analizatorja, ki se uporablja za industrijske meritve. Uporaba metode integracije površine vrha odpravlja napake pri merjenju, ki nastanejo zaradi sprememb tlaka in prisotnosti drugih plinov v vzorcu. Prav tako vam omogoča natančno določitev koncentracije plinskih komponent, tudi če se njegova temperatura in drugi kazalniki spreminjajo hkrati. Ta članek ponuja pregled laserskega plinskega analizatorja TDLS200, njegovih funkcij in merilnega principa ter obravnava tudi primere njegove uporabe.

Analizator plina ima emisijsko enoto in detekcijsko enoto, ki sta običajno nameščeni ena nasproti druge na nasprotnih straneh (čez) dimne cevi, skozi katero teče procesni plin. Podobna možnost se uporablja za plinske kanale širine do 20 m.

Optična okna ločujejo notranje dele analizatorja od merjenega medija. Sevanje polprevodniškega laserja prehaja skozi optično okno sevalne enote, merjeni plin, optično okno detekcijske enote in doseže fotodetektor. Fotodetektor registrira laserski žarek in njegovo energijo pretvori v električni signal. Računalniška naprava sevalne enote določi absorpcijski spekter merjene komponente, izračuna območje vrha spektra, ga pretvori v koncentracijo komponente in odda 4 ... 20 mA kot analogni signal.

Mehanizem za poravnavo ima valovito zasnovo, ki vam omogoča poenostavitev prilagajanja kota optične osi, hkrati pa ohranja tesnost cevovoda, kar je še posebej pomembno za industrijske procese. Povezava emisijske enote in detektorske enote z nastavkom optične osi omogoča enostavno nastavitev optične osi ne samo za standardno konfiguracijo (dve enoti sta nameščeni na obeh straneh cevi, kot je prikazano na sliki 1), temveč tudi za druge možnosti namestitve. Ta tehnična rešitev omogoča izbiro načina vgradnje naprave, ki najbolj ustreza merjenim komponentam in tehnološki zasnovi procesa, hkrati pa zagotavlja optimalne merilne pogoje.

TDLS200 uporablja tehniko diodne laserske absorpcijske spektroskopije (TDLAS). Metoda temelji na merjenju absorpcijskega spektra sevanja (infrardeče/bližnje infrardeče območje), ki je lastnega molekulam snovi zaradi vibracijskih in rotacijskih energij prehoda molekul v merjeni komponenti. Vir sevanja za oblikovanje spektra je polprevodniški laser z izjemno ozko spektralno širino črte. Optični absorpcijski spekter osnovnih molekul, kot so O2, NH3, H2O, CO in CO2, je v infrardečem do skoraj infrardečem območju. Merjenje količine absorbiranega sevanja pri določeni valovni dolžini (spektralna absorbanca) omogoča izračun koncentracije merjene komponente.

Za razliko od običajnih spektrometrov nizke ločljivosti TDLS200 uporablja laserski žarek z izjemno ozko črtno širino. Oddajnik je nastavljiva laserska dioda, katere valovno dolžino oddajanja je mogoče spreminjati s prilagajanjem laserske temperature in vzbujevalnega toka. To omogoča merjenje enega samega absorpcijskega vrha od več prisotnih v spektru. Tako, kot je prikazano na sliki 6, lahko za merjenje izberemo en sam absorpcijski vrh, na katerega drugi plini ne motijo.

Zaradi visoke selektivnosti valovne dolžine in odsotnosti motenj drugih komponent v mešanici plinov ni potrebe po dodatni pripravi vzorcev, kar omogoča uporabo TDLS200 "in situ" (neposredno v procesu).

TDLS200 meri izolirani absorpcijski spekter komponente plinske mešanice, brez motenj motečih komponent. Meritev se izvede s pometanjem valovne dolžine nastavljive laserske diode vzdolž enega samega absorpcijskega vrha merjene komponente.

Čeprav je absorpcijski spekter, ki ga meri TDLS200, izoliran od motečih komponent, se lahko oblika spektra spremeni (učinek razširitve) glede na temperaturo plina, tlak plina, tuje komponente, prisotne v plinski mešanici. Za meritve v teh pogojih je potrebna kompenzacija.

Analizator plina TDLS200 počisti valovno dolžino polprevodniškega laserja vzdolž absorpcijske linije merjene komponente in izračuna njeno koncentracijo iz absorpcijske spektralne regije z integracijo območja vrha.

Analizator plina Yokogawa TDLS200, zahvaljujoč zmožnosti hitrega merjenja "in-situ" (neposredno v cevovodu), se lahko uspešno uporablja v obstoječih tehničnih procesih tako za njihovo hitro regulacijo, ko signali, potrebni za nadzor procesa, vsebujejo indikacije koncentracij komponent, se dovajajo neposredno v DCS in za nadzor procesa v realnem času. Tako lahko TDLS200 pomaga pri optimizaciji delovanja različnih industrijskih procesov. V tem razdelku si bomo ogledali merjenje preostale koncentracije NH3 v dimnih plinih. Upoštevajte, da je bila uporaba TDLS200 za optimizacijo procesa zgorevanja opisana v drugem dokumentu Yokogawa (3). Za podrobnosti si oglejte to poročilo.

Amoniak (NH3) se vnaša v dimni plin za odstranjevanje NOx (čiščenje izpušnih plinov iz dušikovih oksidov), izboljšanje učinkovitosti zbiralnikov prahu in preprečevanje korozije. Presežek NH3 poveča obratovalne stroške in količino preostalega NH3, kar povzroči gnilobeden vonj. Tako je treba količino NH3 v dimnih plinih meriti, spremljati in regulirati. Na primer, čistilnik odpadnih plinov iz sežigalnice NOx uporablja postopek DeNOx SCR (selektivna katalitična redukcija), ki reducira NOx na N2 in H2O z vbrizgavanjem NH3 in selektivno kataliziranjem procesa redukcije ter pusti preostalo koncentracijo NH3 (v vrstnem redu ppm) v dimnih plinih se merijo v realnem času.

Običajni merilniki koncentracije NH3, ki uporabljajo posredne metode merjenja NOx (analiza kemiluminiscence in metoda ionske elektrode), imajo počasen odzivni čas, zahtevajo namestitev linije za vzorčenje, vključno z ogrevanimi cevmi, da se prepreči oprijem NH3, in posledično visoki stroški vzdrževanja tako zapletenih merilnih sistemov. Po drugi strani pa je, kot je prikazano na sliki 8, laserski plinski analizator TDLS200 nameščen neposredno v procesni cevovod in neposredno meri NH3, kar močno skrajša odzivni čas in poenostavi vzdrževanje. Poleg tega se lahko za nadzor in optimizacijo vbrizgavanja NH3 uporabi hitro odzivni analitični signal koncentracije NH3.

Visoka selektivnost, kratek odzivni čas, enostavnost vzdrževanja, dosežena z uporabljeno merilno tehnologijo in zasnovo analizatorja, omogočajo njegovo uporabo v širokem spektru tehnoloških procesov. Aplikacije ne vključujejo le merjenja NH3, ki je obravnavano v tem članku, temveč tudi določanje vsebnosti CO in O2 pri optimizaciji procesov zgorevanja, merjenje majhnih količin vode v elektroliznih napravah itd. Uporaba takšnih plinskih analizatorjev lahko naredi pomemben prispevek k varovanju okolja in nižjim obratovalnim stroškom. , zahvaljujoč uporabi za nadzor procesov in ne samo za namene spremljanja.

Kazuto Tamura,

Yukihiko Takamatsu,

Tomoyaki Nanko,