Способ измерения резонансного поглощения газа Советский патент 1985 года по МПК G01J3/42 

Изобретение относится к лазерной линей ной спектроскопии поглощения и может найти применение в химической технологии, метеорологии, пля санитарного контроля атмосферы и в научных исследованиях, преиму1пественно в автоматизированном обнаружении и измерении концентрации при месей в газовый смесях (мониторинг). Наилучшую чувствительность и высокую избирательность обеспечивают способы, ос нованные на методах модулявдонной спект роскопии поглощения. Наиболее полно преимущества спектрального газоанализа перед иными физико-химическими методами реали зуются при использовании лазерной модуляциониой спектроскопии с применением частотной модуляции лазерного излучения. Известен способ измерения резонансного поглощения газов, состоящий в том, что излучсшгс лазера модулируют по частоте и пропускают через анализируемый газ, а поглощение регистрируют путем синхронной амшппздной демодуляции прощедшего чере анализируемый газ излзчения 1 . Однако чувствительность обнаружения примесей по этому способу ограничена, помехами от амплитудной модуляции излучения лазеров, которая всегда сопровождает частотную модуляцию. Для уменьшения влия1шя этих помех синхронную демодуляцию ведут не на частоте модуляции, а на одной из ее четных гармоник. Этот прием уменьшает влияние помех, но не устраняет ее полностью. На1 более близким по технической сущности к изобретению является способ изме рения резонансного поглощения газа, вклю чающий частотную модуляцию излучения лазера на частотах f, и f2 -f, коллимац1по излучения в два , пропуска1ше первого через анализируемый газ, а второго - через образцовый газ с оптической ачотностью 0,05-2 на резонансной датине волны, синхронную ампЛ11ту;ц1у1о демодуляцию прошедшего через газ из1 учения обоих щ.чков, причем для дзмодуляш1И первого пучка используют опорное напряжение частоты F jf -t-tf где j, - целые шсла, -ь i - четиое число, для демодуляции второго пучка используют опорное напряжение частоты Fj , стабилизащпо несущей частоты излуче1 ия лазера путем перестройки лазера сигналом демодуляции первого пучка, регистращ ю первого сигнала демодуляции пе вого пучка при Рг-( где 1-и - целое число, I- 1,2, регистрацию второго сигнала демодулящш первого пучка, вы 4MTamie второго сигнала из первого н определение величины резонансного поглощения анализируемого газа по разности первого и второго сигналов. Таким образом, измерение проводят в две стадии. На первой регистрируют сигнал, представляющий собой сумму истинного сигнала резонансного поглощения и ложного сигнала, обусловленного паразитной амплитудяой модуляцией излучения лазера. На второй стадии регистрируют величину ложного сигнала, для чего удаляют анализируемый газ 2j. Недостаток данного способа - необходимость откачки анализируемого газа. Эта операция занимает много времени, а для измерений на открытых трассах в атмосфере она невозможна. Кроме того, откачка газа из поглощающей кюветы сильно меняет рефракцию на трассе измерительного пучка, что тоже вносит погрешность при измеренин малых концентраций примеси. Цель изобретения - повышение чувствительности и упрощение измере шй. Цель достигается тем, что согласно способу, включающему частотьгую модуляцию излучения лазера на частотах , коллимацию излучения в два пучка, пропускание первого пучка через анализируемый газ, второго пучка - через образцовый газ с оптической плотностью , 0,05-2 на резонансной длине волны, синхронную амплитудную демодуляцию прошедшего через газ излучения обоих пучков, причем для демодуляции первого пучка используют опорное напряжение частоты F т 2.0 , где j и . - целые числа, а 1, - четное шсло, для демодуляции второго пучка используют опорное напряжение частоты р, , стабилизацию частоты излучения лазера путем пере стройки лазера сигналом демодуляции второго пучка, регистрацию первого сигнала демодуляции первого пучка при -{2, -1) ii , где н-1 - целое число, (. 1,2, регистрацию второго сигнала демодуляции первого пучка, вычитание второго сигнала из первого и определение величины резонансного поглоше1гая анализируемого газа по разности первого и второго сигаалов, второй сигнал демодуляции первого пучка регистрируют при Pz-F Кроме того, вычитание второго сигнала из первого выполняют путем регистрации усредненного по .времени сигнала демодуляции первого пучка при периодическом чередрва1ши регистрации первого и второгс

сигналов, причем синхронно с изменением /-д меняют ла 180° фазу опоррюго напряжения частоты F

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

При этом, в каждом из полупериодов соответствующих регистрации второго сигнала, дополнительно фазу опорного напряже НИЛ частоты PI меняют на 180°.

На чертеже показаны графики зависимости величины сигнала синхронной амплитудной демодуляции частотно-модулированного лазерного излучения от величины расстройки несущей частотьг излучения лазера от центра линии поглощения газа: с - зависимость для демодуляции с использованием опорного напряжения частоты f ; S - для частоты 2 f ; 6 - для частоты 3 f ; i - для частоты 4 f ; о для частоты (2|п-l)f ; е- для частоты 2nif .

Зависимости величин сигналов синхроннойдемодуляции от расстройки при использоваНИИ опорного напряжения частоты F jf 2 С)соответствуют: с - для (/I4tt 2; г- для IjUiei - 4; еДля 1 -v Е. четного и о для i --1 нечетного.

Способ осуществляется следующим образом.

Частотно-модулированное излучение перестраиваемого лазера расщепляют на два пучка. Первый пучок пропускают через анализируемый газ на первый фотоприемник, второй пучок пропускают через эталонный газ на второй фотоприемник. Сигнал первого фотоприемника подвергают синхронному детектированию с использованием опорного напряжения частоты Fa., где РЗ. далее на двух различных стадиях измерений устанавливают равной либо F , либо Ft .

Сигнал, получаемый при демодулящш излучения во втором пучке, использз гот для автоподстройки частоты лазера, осуществляемой типовым способом - указанный сигнал воздействует на лазер и перестраивает частоту генерации при ее уходах. Расстройка лазера от частоты, при которой обращается в ноль напряжение демодуляции второго пучка, сопровождается появлением воз. действующего на лазер сигнала, поэтому частота лазера автоматически стабилизируется таким образом, что воздействующий на лазе сигнал обратной связи стремится к нулю, следовательно, частота лазера стабилизируется в одной из точек на щкале частот, в

которой обращается в ноль сшиал демолуляции второго пучка.

На первой стадии измерений для демодулции второго пучка используют синхронное детектирование с опорным на1гряжением час. тоты (2п-1 -l)f . Частоту лазера настраивают на центр линии, далее при правильном выборе фазы опорного напряжения, частота лазера захватьгоается и устойчиво удержива-: ется на центре линии. В этих условиях, как видно из S,i,€. сигнал демодулшщи певого пучка (на четных комбинациях частот модуляции) максимален. Реальный сигнал представляет собой сумму помехи, и истинного сигнала резонансного поглощения.

На второй ста.дии измерений для демодуляции второго (эталонного) пучка используют опорное напряжение частоты Fj F,. При подаче опорного напряжения частота лазера

автоматически перестраивается в один из ближайших нулей сигнала демодуляции второго njTMKa, знак расстройки частоты лазера от центра линии зависит от фазы опорного напряжения этом режиме сигнал демодуляции первого (измерительного) пучка представляет собой чисто ложный сигнал (он обращается в ноль, если амплитудная модуляция падающего на анализируемый газ излучения отсутствует). Истинный сигнал резонансного поглощения, вьщеляемой

на частоте Я , в этих условиях обра щается в ноль, что видно из S,i Таким образом, в двух описанных режимах измерений получают два значения сигнала демодуляции излучения в первом (измерительном) пучке. Их разность эквивалентна сигналу чистого резонансного поглощения, который при настройке пазера на центр линии поглощения можно было бы получить при отсутствии паразитной амплитудной модуляции излучения лазера на частоте F1 . Внесением такой поправки достигается повьапение чувствительности измерений резонансного поглощения, истинный сигнал отделяется от Маскирующей его помехи.

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

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

180° фазу опорного напряжения используемого для синхронной амт лиудной демодулящш излучения в первом измерительном пучке, Полушемый в этих условиях . сигнал демодулящш первого пучка усредняют по времегн за интервал, превышаlouJiHH период переключения опорных напряжений. Эта процедура эквивалента усреднению разности сигналов, регистрируемых па первой и второй стадиях. Поэтому постоянную составляющую усредненного сигнала рассматривают как результат вычнташ1я сигналов, уменьшенньп в два раза. Лля усреднения используют, например, КС-фильтр гапкннх частот.

Вьщеление постоя шой составляющей усред)1е1шого сигнала и подавление его переменной составля ощей осуществляют следующим образом.

Текущее значение усреднешто о сигнала фиксируют в моменты времени, отстоя щне от начала стадии измерений на половину длительности одного такта (стадтО измерен1 Й. Тем самым постоянную составляющую усредненного сигнала фиксируют в те моме1ггы времени, когда текущее эначс1ше нереметюй составляющей (коле6а1шя практически треугольной формы) проходит через ноль. Для этого используют, например, одно из устройств выборки-хранет1я аналоговых сншалов.

Для устранения ногрешности, вызванной зависимостью глубины паразитной амплитудной модуляции излуче1шя лазера от расстройки частоты, измерение выполняют следующим образом.

В калодом втором из тактов измере1П1Й, в которых используют Fj г F (т.е. фиксируют величи1гу ложного сигнала), изменяют на 180 фазу опорного напряжешш частоты Рг (т.е. опорного напряжения, подаваемого на синхрозшый усилитель н нснользуемого для демодуляции второго (эталонного) пучка). За счет этого измерение ложного сигнала проводят попеременно

при двух значениях расстройки лазера, сим-. метриш-1ых по отношению .к центру /гинии ноглощения. В этом случае как поправку учитывают среднее арифметическое от двух 5 значений ложного сигнала, зафиксированных при симметричных расстройках лазера. Этот прием наиболее эффективен тогда, когда глубина паразитнол амплитудаой модуляции излучения лазера монотонно зависит от его расстройки в пределах линии резонансiioro поглоще1шя.

Для практя геской реализации предлагаемого способа измерения пригодны в первую очередь инжекционные лазеры, частоту ге5 нерпцки которых перестраивают изменением тока накачки. Для коммутации опорных напряжений используют, например, интегральные мультиплексоры, управляемые разрядными сигналагл двоичного c4et4MKa.

0 При реалкзатдш способа подавляется ложный сиг}1ал, превосходящий истинный сигнал поглощешш на 2-3 порядка. Этим обеспечиваето5Г повыше1ше чувствительности также на 2-3 порядка. На практике длительность

5 такта измерешй следует выбирать в пределах 1-5 с, время усреш1еш1я сигнала должно превышать длительность такта не менее чем в 10 раз, длительность выборки усредненного сигнала не более 1 мс.

0 Способ испытан йа установке, содержащей диодный лазер на основе сульфида-селе нида свинца. Испытания проводили на линии поглощения окиси азота NO (около 5,3 мкм), имеющей дублетную структуру, при этом

5 девиация частотной модуляции превышала велищшу расщепления дублета. Испытания проведены при j, , 1,2 и m 1,2. На практике для измерений в газах при низких давлениях (до 10QO Па) Ji следует

0 выбирать равными 1 или 2; для измерений при атмосферном давлении J, - 3,4 и hi 2. Использовать j, и тт-З нецелесообразно.

Таким образом, предложенный способ поз5 ляет повысить чувствительность и упростить измере1шя.

Сигна/7

Pacc/rfpoc// a

1. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РЕЗОНАНСНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ ГАЗА, преимущественно для определения концентрации газовой примеси, включающий частотную модуляцию излучения лазера на частотах f и f f , коллимаютю излучения в два пучка, пропускание первого пучка через анализируемый газ, второго пучка - через образцовый газ с оптической плотностью 0,05-2 на резонансной длине волны, синхронную амплитудную демодуляцию прошедшего через газ излучения обоих пучков, причем для демодуляции первого пучка используют опорное напряжение частоты F. jf,-tef2 jtO, где j и е - целые числа, а j ( - четное число, для демодуляции второго пучка используют опорное напряжение частоты Р, стабилизацию частоть излучения лазера путем перестройки лазера сигналом демодуляции второго пучка, регистрацию первого сигнала демодуляции первого пучка при F - ()fl , где И1 - целое число, L - 1,2, регистрацию второго сигнала демодуляции первого пучка, вычитание второго сигнала из первого и определение величины резонансного поглощения анализируемого газа по разности первого и второго сигналов, о тличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и упрощения измерения, второй сигнал демодуляции первого пучка регистрируют при . 2.Способ по п. I, отличающийся тем, что вычитание второго сигнала из первого выполняют путем регистрации усредненного по времени сигнала демодуляции первого пучка при периодичес(Л ком чередовании регистрации первого и второго сигналов, причем синхронно с изменением опорного напряжения частоты F, меняют на 180 фазу опорного напряжения частоты FI.. 3.Способ по пп. 1 и 2, о т л и чающийся тем, что усредненСП СП ный сигнал регистрируют в момбнты времени, отстоящие от начала полупериода оо чередования первого и второго сигналов на О5 четверть периода. 4.Способ по пп. I и 2, о т л и со чающийся тем, что в каждом из полупериодов, соответствующих регистрации второго сигнала, дополнительно фазу опорного напряжения частоты FI меняют на 180°.