RU2288462C1 - Method for determining concentrations of gas components on atmospheric route and route gas analyzer - Google Patents
Method for determining concentrations of gas components on atmospheric route and route gas analyzer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2288462C1 RU2288462C1 RU2005115326/28A RU2005115326A RU2288462C1 RU 2288462 C1 RU2288462 C1 RU 2288462C1 RU 2005115326/28 A RU2005115326/28 A RU 2005115326/28A RU 2005115326 A RU2005115326 A RU 2005115326A RU 2288462 C1 RU2288462 C1 RU 2288462C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- spectrum
- path
- retroreflector
- gas
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Изобретение относится к средствам исследования или анализа материалов с помощью оптических средств, т.е. с использованием инфракрасных, видимых или ультрафиолетовых лучей, а точнее к средствам анализа газов с применением техники оптической абсорбционной спектроскопии, и предназначено для измерения концентрации газовых примесей в атмосфере на открытых трассах. Изобретение может быть использовано для исследования атмосферы и контроля газовых загрязнений окружающей среды.The invention relates to a means of research or analysis of materials using optical means, i.e. using infrared, visible or ultraviolet rays, and more specifically to gas analysis tools using optical absorption spectroscopy techniques, and is intended to measure the concentration of gas impurities in the atmosphere on open paths. The invention can be used to study the atmosphere and control gas pollution of the environment.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION
В основе принципа работы трассового газоанализатора лежит метод дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии (ДОАС), основанный на измерении поглощения газами излучения в ультрафиолетовой области спектра.The principle of operation of a gas analyzer is based on the method of differential optical absorption spectroscopy (DOAS), based on measuring the absorption of radiation by gases in the ultraviolet region of the spectrum.
Для реализации этого метода обычно используют спектрометрический газоанализатор, основными узлами которого являются источник излучения, приемный телескоп, анализатор спектра излучения и электронная система регистрации и обработки данных. Классической схемой для трассового зондирования атмосферы является такая, при которой источник излучения и спектрометр размещаются на противоположных концах трассы (D.Perner and U.Platt. Absorption of light the atmosphere by collision pairs of oxygen (О2)2. Geophys Res. Lett. 7, 1053-1056, 1980].To implement this method, a spectrometric gas analyzer is usually used, the main nodes of which are a radiation source, a receiving telescope, a radiation spectrum analyzer and an electronic data recording and processing system. A classical scheme for atmospheric path sounding is one in which the radiation source and spectrometer are located at opposite ends of the path (D.Perner and U. Platt. Absorption of light the atmosphere by collision pairs of oxygen (O 2 ) 2. Geophys Res. Lett. 7, 1053-1056, 1980].
Спектральный прибор, входящий в состав газоанализатора, позволяет фиксировать изменения в спектральном распределении регистрируемого излучения, обусловленные поглощением излучения газовыми компонентами атмосферы при его прохождении по трассе между источником и приемником излучения.The spectral instrument, which is part of the gas analyzer, allows you to record changes in the spectral distribution of the recorded radiation due to the absorption of radiation by the gas components of the atmosphere as it passes along the path between the radiation source and receiver.
Основными недостатками этого устройства являются необходимость использования двух отдельных блоков питания для источника излучения и для приемно-регистрирующей аппаратуры; необходимость обеспечения и поддержания высокой точности совпадения оптических осей коллимирующего и приемного зеркал; неудобства обслуживания разнесенных на большое расстояние частей прибора, особенно при работе на протяженных трассах.The main disadvantages of this device are the need to use two separate power supplies for the radiation source and for receiving and recording equipment; the need to ensure and maintain high accuracy of coincidence of the optical axes of the collimating and receiving mirrors; inconvenience of servicing parts of the device spaced over a long distance, especially when working on long routes.
Известны газоанализаторы [устройство US 5255073, кл. G 01 J 3/42, 1993 и US 5764053, кл. G 01 В 7/14, G 01 N 33/00, 1998], содержащие коллимирующее зеркало и ламповый источник излучения, расположенные внутри приемного телескопа на его оптической оси между приемным зеркалом, размеры которого больше размеров коллимирующего зеркала, и его фокусом, в котором установлено входное окно оптоволоконного кабеля, передающего собранное излучение на вход спектрального прибора. Такое соосное расположение источника и приемника излучения позволяет значительно уменьшить габариты приемопередающего устройства, увеличить жесткость конструкции и повысить точность и надежность юстировки оптических осей коллимирующего и приемного зеркала.Known gas analyzers [device US 5255073, class. G 01 J 3/42, 1993 and US 5764053, cl. G 01 B 7/14, G 01 N 33/00, 1998], containing a collimating mirror and a tube radiation source located inside the receiving telescope on its optical axis between the receiving mirror, which is larger than the size of the collimating mirror, and its focus, in which The input window of the fiber optic cable that transmits the collected radiation to the input of the spectral instrument is installed. Such a coaxial arrangement of the radiation source and receiver can significantly reduce the dimensions of the transceiver device, increase the structural rigidity and increase the accuracy and reliability of alignment of the optical axes of the collimating and receiving mirrors.
Поскольку в этих устройствах источник излучения размещен внутри телескопа, это накладывает ограничения на размеры источника излучения, т.к. он находится в зоне распространения отраженного от ретрорефлектора излучения и экранирует часть площади приемного зеркала, уменьшая тем самым интенсивность регистрируемого сигнала. При такой конструкции происходит нагрев воздуха внутри приемного телескопа, что приводит к возникновению турбулентности и, вследствие этого, к искажению светового пучка и уменьшению точности измерений. Кроме того, ухудшается безопасность эксплуатации прибора, так как для работы дуговых ламп используется высокое напряжение, а ограничение размеров конструкции источника излучения увеличивает вероятность электрического пробоя внутри прибора.Since the radiation source is placed inside the telescope in these devices, this imposes restrictions on the size of the radiation source, since it is located in the propagation zone of radiation reflected from the retroreflector and shields part of the receiving mirror area, thereby reducing the intensity of the recorded signal. With this design, air is heated inside the receiving telescope, which leads to turbulence and, as a result, to distortion of the light beam and a decrease in measurement accuracy. In addition, the operational safety of the device is impaired, since high voltage is used for the operation of arc lamps, and limiting the size of the radiation source design increases the likelihood of electrical breakdown inside the device.
Известен трастовый газоанализатор [RU №9311 U1, кл. G 01 N 21/01, 1998], содержащий на одном конце трассы ретрорефлектор, а на другом - систему регистрации-обработки данных, анализатор спектра и приемопередающее устройство, включающее источник излучения и оптическую систему, образованную вогнутым и зеркалом меньшего диаметра, установленным передней поверхностью в сторону вогнутого зеркала, перпендикулярно и симметрично относительно оптической оси вогнутого зеркала, при этом приемопередающее устройство оптически связано с анализатором спектра гибким оптоволоконным кабелем (гибким световодом), входное отверстие которого расположено в фокусе оптической системы, находящемся на оптической оси вогнутого зеркала.Known trust gas analyzer [RU No. 9311 U1, class. G 01
Такая компоновка узлов этого устройства позволяет исключить нагрев воздуха перед приемопередающим зеркалом, что исключает возникновение турбулентности и, как следствие, к снижению шумов сигнала.This arrangement of the nodes of this device eliminates the heating of air in front of the transceiver mirror, which eliminates the occurrence of turbulence and, as a result, to reduce signal noise.
Однако это устройство имеет существенный недостаток: оптическая схема может быть реализована только при использовании анализатора спектра с большой фотосилой, т.е. с большим относительным отверстием, что ведет к существенному усложнению устройства.However, this device has a significant drawback: the optical scheme can be implemented only when using a spectrum analyzer with a large photo power, i.e. with a large relative aperture, which leads to a significant complication of the device.
Наиболее близким по технической сущности является трассовый газоанализатор, описанный в полезной модели [RU №16032 U1, кл. G 01 N 21/01, 2000] (прототип).The closest in technical essence is the route gas analyzer described in the utility model [RU No. 16032 U1, class. G 01
Известный трассовый газоанализатор содержит на одном конце трассы ретрорефлектор, а на другом - систему регистрации-обработки данных, анализатор спектра и приемопередающее устройство, включающее оптическую систему, образованную последовательно установленными вогнутым зеркалом и двумя плоскими зеркалами меньшего диаметра, первое из которых установлено передней поверхностью в сторону вогнутого зеркала перпендикулярно и симметрично относительно оптической оси, а второе - перед обратной стороной первого плоского зеркала с возможностью поворота по углом 45° к оптической оси системы, источник излучения, размещенный перпендикулярно к оптической оси системы на одном уровне со вторым плоским зеркалом. Приемопередающее устройство газоанализатора оптически связано с анализатором спектра (спектрографом) гибким оптоволоконным кабелем, вход которого расположен в фокусе оптической системы, находящемся на оси вогнутого зеркала.The well-known gas analyzer contains a retroreflector at one end of the route, and a data-processing system, a spectrum analyzer and a transceiver device including an optical system formed by a concave mirror and two flat mirrors of a smaller diameter, the first of which is installed with the front surface to the side concave mirrors perpendicularly and symmetrically with respect to the optical axis, and the second in front of the reverse side of the first flat mirror with the possibility rotation at an angle of 45 ° to the optical axis of the system, a radiation source placed perpendicular to the optical axis of the system at the same level with the second flat mirror. The gas analyzer transceiver is optically connected to the spectrum analyzer (spectrograph) by a flexible optical fiber cable, the input of which is located at the focus of the optical system located on the axis of the concave mirror.
Этот трассовый газоанализатор имеет более удобную и простую в эксплуатации конструкцию, что позволяет использовать монохроматоры малой светосилы и что, в свою очередь, позволяет использовать устройство для определения концентрации газовых компонентов на открытых атмосферных трассах, т.е. в полевых условиях.This route gas analyzer has a more convenient and easy-to-operate design, which allows the use of low-aperture monochromators and which, in turn, allows the use of a device to determine the concentration of gas components on open atmospheric paths, i.e. in the field.
В способе, осуществляемом этим устройством, для определения концентрации газовых компонентов на атмосферной трассе создают с помощью оптической системы излучение в выбранных длинах волн с полосами поглощения в определяемых газах, направляют это излучение на выбранную атмосферную трассу, перехватывают с помощью ретро-рефлектора, установленного на противоположном конце трассы, пучок этого излучения, направляют этот пучок излучения обратно, регистрируют его, фокусируют, разлагают его в спектр, оцифровывают и подают далее оцифрованное излучение в компьютер для дальнейшей обработки, при которой сравнивают спектр излучения источника (например, ксеноновой лампы) и спектр отраженного пучка излучения (атмосферного спектра).In the method carried out by this device, to determine the concentration of gas components on the atmospheric path, an optical system generates radiation at selected wavelengths with absorption bands in the detected gases, directs this radiation to a selected atmospheric path, and intercepts it using a retro reflector mounted on the opposite side at the end of the path, a beam of this radiation directs this beam of radiation back, registers it, focuses it, decomposes it into a spectrum, digitizes it and then delivers the digitized and radiation during computer for further processing, which is compared with the spectrum of the radiation source (e.g., a xenon lamp) and the spectrum of the reflected radiation beam (atmospheric spectrum).
При регистрации как спектра источника, так и атмосферного спектра возникают дополнительные паразитные структуры в самом спектрографе, особенно заметные в том случае, когда дифракционная решетка освещается неравномерно или имеются небольшие дефекты решетки. Существенно, что данные тонкие структуры в спектре зависят от углового распределения излучения, освещающего решетку, на входной щели спектрографа. Все описанные выше структуры накладываются друг на друга и регистрируются совместно, что приводит к значительному снижению точности и чувствительности устройства в целом.When recording both the source spectrum and the atmospheric spectrum, additional parasitic structures appear in the spectrograph itself, which are especially noticeable when the diffraction grating is not uniformly illuminated or there are small lattice defects. It is significant that these fine structures in the spectrum depend on the angular distribution of the radiation illuminating the grating at the entrance slit of the spectrograph. All the structures described above are superimposed on each other and recorded together, which leads to a significant decrease in the accuracy and sensitivity of the device as a whole.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Задачей заявленного изобретения является повышение точности измерений и чувствительности прибора.The objective of the claimed invention is to improve the accuracy of measurements and the sensitivity of the device.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе определения концентраций газовых компонентов на атмосферной трассе, заключающемся в том, что создают с помощью оптической системы излучение в выбранных длинах волн с полосами поглощения в определяемых газах, направляют это излучение на выбранную атмосферную трассу, перехватывают с помощью ретрорефлектора, установленного на противоположном конце трассы, пучок этого излучения, направляют этот пучок излучения обратно, фокусируют его, разлагают его в спектр, оцифровывают и подают далее оцифрованное излучение в компьютер для дальнейшей обработки, внутри оптической системы создают референтный пучок излучения, придавая ему перед разложением в спектр угловое распределение, идентичное таковому для лучка излучения, отраженного ретрорефлектором, установленным на противоположном конце трассы, для этого устанавливают перед выходом оптической системы второй ретрофлектор с заслонкой, закрепленной с возможностью вращения, которую поворачивают так, чтобы ее плоскость была бы перпендикулярна оптической оси системы и перекрывала выход излучения на трассу, референтное излучение фокусируют, разлагают его в спектр, оцифровывают и подают далее оцифрованное референтное излучение в компьютер для дальнейшей обработки, а для регистрации излучения, отраженного от ретрорефлектора, установленного на противоположном конце трассы, поворачивают заслонку так, чтобы ее плоскость была бы параллельна оптической оси системы, затем в процессе обработки сравнивают спектр излучения, отраженного от ретрорефлектора, установленного на противоположном конце трассы, и спектр референтного пучка излучения, и таким образом выявляют изменения, обусловленные поглощением излучения газовыми компонентами.The problem is solved in that in the known method for determining the concentration of gas components on the atmospheric path, which consists in creating radiation at selected wavelengths with absorption bands in the detected gases using an optical system, directing this radiation to a selected atmospheric path, intercepting with a retroreflector mounted at the opposite end of the path, a beam of this radiation, direct this beam of radiation back, focus it, decompose it into a spectrum, digitize and feed Then, the digitized radiation in the computer for further processing, a reference beam of radiation is created inside the optical system, giving it an angular distribution identical to that for the radiation beam reflected by the retroreflector mounted on the opposite end of the path before decomposition into the spectrum; for this, a second retroreflector is installed before the optical system exits with a shutter fixed with the possibility of rotation, which is rotated so that its plane would be perpendicular to the optical axis of the system and the exit of radiation onto the path is focused, the reference radiation is focused, decomposed into a spectrum, digitized and then the digitized reference radiation is fed to a computer for further processing, and to register the radiation reflected from the retroreflector mounted on the opposite end of the path, turn the shutter so that its plane would be parallel to the optical axis of the system, then during processing the spectrum of radiation reflected from the retroreflector mounted at the opposite end of the path is compared and the spectrum reference radiation beam, and thus reveal changes due to absorption of radiation by gas components.
Для повышения чувствительности измерений создают излучение в ультрафиолетовом диапазоне длин волн оптического излучения.To increase the sensitivity of measurements, radiation is generated in the ultraviolet wavelength range of optical radiation.
Поставленная задача решается также тем, что трассовый газоанализатор, содержащий на одном конце трассы ретрорефлектор, а на другом конце - приемопередающее устройство, соединенное оптоволоконным кабелем с анализатором спектра, включающим источник излучения и оптическую систему, образованную вогнутым зеркалом и двумя плоскими зеркалами, одно из которых установлено передней поверхностью в сторону вогнутого зеркала перпендикулярно и симметрично относительно оптической оси вогнутого зеркала, в котором выполнено отверстие для вывода излучения, отраженного от плоского зеркала, а второе зеркало установлено перед обратной стороной первого зеркала с возможностью поворота под углом 45° к оптической оси системы, при этом источник излучения размещен перпендикулярно оптической оси системы на одном уровне с вторым плоским зеркалом, а анализатор спектра через диодную линейку и аналого-цифровой преобразователь соединен с компьютером, дополнен узлом для создания референтного пучка излучения, содержащим установленную перед выходом оптической системы штангу с закрепленной на ней с возможностью вращения заслонкой, на которой размещен второй ретрорефлектор так, что плоскость его апертуры параллельна плоскости заслонки, а сама апертура второго ретрорефлектора пересекается как с сечением пучка излучения, направляемого на трассу, так и с апертурой приемной части оптической системы, на входном конце оптоволоконного кабеля, в месте его соединения с приемопередающим устройством, установлен смеситель мод, содержащий жесткий контейнер, внутри которого размещены две катушки переменного диаметра, на которые петлеобразно намотано не менее трех витков оптоволоконного кабеля, при этом оси катушек смесителя мод ориентированы антипараллельно и установлены на расстоянии 1,5-3 диаметров катушек.The problem is also solved by the fact that a gas analyzer containing a retroreflector at one end of the path and a transceiver at the other end connected by a fiber optic cable with a spectrum analyzer including a radiation source and an optical system formed by a concave mirror and two flat mirrors, one of which is installed by the front surface in the direction of the concave mirror perpendicularly and symmetrically with respect to the optical axis of the concave mirror, in which a hole is made for output from exercises reflected from a flat mirror, and the second mirror is mounted in front of the reverse side of the first mirror with the possibility of rotation at an angle of 45 ° to the optical axis of the system, while the radiation source is placed perpendicular to the optical axis of the system at the same level with the second flat mirror, and the spectrum analyzer through the diode a ruler and an analog-to-digital converter are connected to a computer, supplemented by a node for creating a reference radiation beam, containing a rod installed before the output of the optical system with with the possibility of rotation of the shutter, on which the second retroreflector is placed so that the plane of its aperture is parallel to the plane of the shutter, and the aperture of the second retroreflector intersects both the cross section of the radiation beam directed to the path and the aperture of the receiving part of the optical system at the input end of the fiber optic cable , at the place of its connection with the transceiver, a mixer of mods is installed, containing a rigid container, inside of which are placed two coils of variable diameter, on which a loop-shaped of the wound at least three turns of the fiber optic cable, wherein the mixer coil axis oriented antiparallel fashion and mounted on a distance of 1.5-3 diameter coils.
Катушки смесителя для удобства могут быть выполнены в виде цилиндрического тела со ступенчато меняющимся диаметром.Mixer coils for convenience can be made in the form of a cylindrical body with a stepwise changing diameter.
Для упрощения работы был использован оптоволоконный кабель из моноволокна.To simplify the work, a monofilament fiber optic cable was used.
Сравнительный анализ с прототипом показал, что заявленное решение отличается тем, что в него добавлена операция создания референтного пучка излучения с угловым распределением, идентичным угловому излучению пучка излучения, отраженного ретрорефлектором, установленным на противоположном конце атмосферной трассы, что позволяет судить о соответствии критерию «новизна».Comparative analysis with the prototype showed that the claimed solution is characterized in that it adds the operation of creating a reference radiation beam with an angular distribution identical to the angular radiation of the radiation beam reflected by the retroreflector installed at the opposite end of the atmospheric path, which allows us to judge whether the criterion of "novelty" .
Устройство для осуществления этого способа отличается тем, что введен узел для создания референтного пучка излучения, который выполнен в виде установленной на оси с возможностью вращения заслонки, на которой размещен дополнительный уголковый отражатель так, что плоскость его апертуры и плоскость заслонки параллельны, а апертура дополнительного уголкового отражателя пересекает как сечение направляемого на трассу излучения, так и апертуру оптической системы, и смеситель мод, содержащий жесткий контейнер, внутри которого установлены две катушки переменного диаметра, на которые петлеобразно намотан оптический кабель, что позволяет судить о соответствии критерию «новизна».A device for implementing this method is characterized in that a node for creating a reference radiation beam is introduced, which is made in the form of a rotatable damper mounted on an axis, on which an additional angular reflector is placed so that its aperture plane and the damper plane are parallel, and the additional angular aperture the reflector crosses both the cross section of the radiation directed to the path, and the aperture of the optical system, and a mode mixer containing a rigid container inside which two e coils of variable diameter, on which an optical cable is wound loopwise, which allows us to judge the compliance with the criterion of "novelty."
Сущность изобретения заключается в следующем.The invention consists in the following.
В основу работы трассового газоанализатора положен метод дифференциальной оптической спектроскопии, который заключается в измерении избирательного спектрального поглощения излучения атмосферными газами при прохождении излучения по атмосферной трассе. В отличие от обычного метода абсорбционной спектроскопии, где определяется полный коэффициент поглощения излучения, прошедшего через измерительную трассу, дифференциальный метод фиксирует только изменения в тонкой структуре спектра поглощения, связанной с поглощением атмосферными газами (дифференциальное поглощение). При этом плавно изменяющиеся с длиной волны изменения в спектре, вызванные поглощением и рассеянием излучения атмосферным аэрозолем, а также молекулярным рассеянием света атмосферными газами исключаются из рассмотрения и не влияют на результаты измерений. Таким образом, в основе метода лежит разделение спектра на плавно меняющуюся и дифференциальную части.The path gas analyzer is based on the method of differential optical spectroscopy, which consists in measuring the selective spectral absorption of radiation by atmospheric gases during the passage of radiation along the atmospheric path. In contrast to the conventional absorption spectroscopy method, where the total absorption coefficient of radiation transmitted through the measuring path is determined, the differential method only records changes in the fine structure of the absorption spectrum associated with absorption by atmospheric gases (differential absorption). In this case, changes in the spectrum that smoothly vary with the wavelength caused by absorption and scattering of radiation by atmospheric aerosol, as well as by molecular scattering of light by atmospheric gases, are excluded from consideration and do not affect the measurement results. Thus, the method is based on the separation of the spectrum into smoothly varying and differential parts.
Измерения но описанному методу проводятся следующим образом. Световое излучение от источника непрерывного излучения (дуговой ксеноновой лампы) коллимируется телескопом и направляется на атмосферную трассу. На противоположном конце трассы установлен ретрорефлектор, например уголковый отражатель, который отражает часть излучения обратно в сторону телескопа. Часть излучения, прошедшего трассу в обратном направлении, попадает в апертуру приемного канала телескопа и фокусируется на входном окне оптоволоконного кабеля.Measurements but the described method is carried out as follows. Light radiation from a source of continuous radiation (arc xenon lamp) is collimated by a telescope and sent to the atmospheric path. A retroreflector is installed at the opposite end of the path, for example an angle reflector, which reflects part of the radiation back towards the telescope. Part of the radiation that passed the path in the opposite direction falls into the aperture of the telescope receiving channel and focuses on the input window of the fiber optic cable.
По оптоволоконному кабелю световое излучение попадает на входную щель спектрографа, в котором разлагается в спектр. В выходной плоскости спектрографа установлена линейка фотодиодов, сигнал с которой оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и поступает в компьютер для дальнейшей обработки.Through fiber-optic cable, light radiation enters the entrance slit of the spectrograph, in which it decomposes into a spectrum. A line of photodiodes is installed in the output plane of the spectrograph, the signal from which is digitized using an analog-to-digital converter (ADC) and fed to a computer for further processing.
В процессе обработки спектр излучения, прошедшего трассу, разлагается на плавно меняющуюся и дифференциальную части, дифференциальная часть сравнивается со спектрами поглощения газовых компонент, присутствующих в атмосфере. Поскольку каждый газ имеет свой индивидуальный спектр поглощения, анализ спектров позволяет идентифицировать поглощающие газы и определить их концентрации. Обработка спектров проводится в компьютере автоматически. При этом используются специальные математические методы, например метод наименьших квадратов в сочетании с методом сингулярного разложения матриц.During processing, the spectrum of radiation that has passed the path is decomposed into smoothly varying and differential parts, the differential part is compared with the absorption spectra of the gas components present in the atmosphere. Since each gas has its own individual absorption spectrum, the analysis of the spectra makes it possible to identify the absorbing gases and determine their concentrations. Spectra are processed automatically in a computer. In this case, special mathematical methods are used, for example, the least squares method in combination with the method of singular matrix decomposition.
Описанная выше схема метода имеет идеализированный характер. На практике имеют место факторы, мешающие в полной мере реализации этой схемы. Во-первых, спектр исходного излучения лампы не является идеально непрерывным, но в силу ряда причин содержит тонкие структуры, которые при обработке могут быть приняты за спектры поглощения газовых компонент. Во-вторых, чувствительность отдельных пикселов диодной линейки случайным образом меняется от пиксела к пикселу, что также приводит к возникновению паразитных тонких структур. И хотя их относительная величина составляет доли процента от общего сигнала, но для дифференциального метода это большая величина, поскольку с его помощью фиксируются поглощения газами, составляющие (0.01-0.1)%. Для исключения указанных паразитных структур отдельно регистрируют исходный спектр ксеноновой лампы (референтный спектр), использующийся в процессе обработки. Дополнительная сложность заключается в том, что при регистрации как референтного спектра, так и атмосферного спектра возникают дополнительные паразитные структуры в самом спектрографе, особенно заметные в том случае, когда дифракционная решетка освещается неравномерно или имеются небольшие дефекты решетки. Существенно, что данные тонкие структуры в спектре зависят от углового распределения излучения, освещающего решетку, на входной щели спектрографа. Все описанные выше структуры накладываются друг на друга и регистрируются совместно. Для того чтобы паразитные спектральные структуры могли быть исключены при обработке, необходимо, чтобы они были идентичны для референтного и атмосферного спектров и минимальны по величине. Для выполнения этих требований угловые распределения излучения, освещающего решетку, на входной щели спектрографа должны быть однородными и идентичными для референтного и атмосферного спектров.The method scheme described above is idealized. In practice, there are factors that impede the full implementation of this scheme. Firstly, the spectrum of the initial radiation of the lamp is not ideally continuous, but for a number of reasons, it contains fine structures that, when processed, can be taken as absorption spectra of gas components. Secondly, the sensitivity of individual pixels of the diode array randomly varies from pixel to pixel, which also leads to the appearance of spurious fine structures. And although their relative value is a fraction of a percent of the total signal, it is a large value for the differential method, since it absorbs gases, constituting (0.01-0.1)%. To exclude these parasitic structures, the initial spectrum of the xenon lamp (reference spectrum) used in the processing is separately recorded. An additional complication lies in the fact that when recording both the reference spectrum and the atmospheric spectrum, additional parasitic structures appear in the spectrograph itself, which are especially noticeable when the diffraction grating is not uniformly illuminated or there are small lattice defects. It is significant that these fine structures in the spectrum depend on the angular distribution of the radiation illuminating the grating at the entrance slit of the spectrograph. All the structures described above are superimposed and registered together. In order for parasitic spectral structures to be excluded during processing, it is necessary that they are identical for the reference and atmospheric spectra and are minimal in magnitude. To fulfill these requirements, the angular distributions of the radiation illuminating the grating at the entrance slit of the spectrograph must be uniform and identical for the reference and atmospheric spectra.
Для этого выбирается такая схема регистрации референтного пучка излучения, при которой обеспечивается аксиальное угловое распределение референтного излучения, близкое к аксиальному угловому распределению для атмосферного излучения. Дополнительно излучение пропускается через смеситель мод, который при условии равенства аксиального углового распределения на входе обеспечивает смешивание излучения по азимутальным углам и выравнивание по аксиальным углам, в результате чего образуется на выходе плавное колоколообразное распределение излучения, одинаковое по форме для референтного и атмосферного пучков.To this end, a registration scheme for the reference radiation beam is selected in which an axial angular distribution of the reference radiation is ensured close to the axial angular distribution for atmospheric radiation. In addition, the radiation is passed through a mode mixer, which, provided the axial angular distribution at the input is equal, ensures that the radiation is mixed along the azimuthal angles and aligned along the axial angles, resulting in a smooth bell-shaped radiation distribution that is identical in shape to the reference and atmospheric beams.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 - блок-схема устройства, на фиг.2 - оптическая схема при регистрации атмосферного пучка излучения, на фиг.3 - то же, при регистрации референтного излучения, на фиг.4 - схема узла для создания референтного пучка излучения, на фиг.5 - схема смесителя мод (без кабеля), на фиг.6 - схема намотки кабеля на катушки смесителя мод, на фиг.7 - конфигурация пучков излучения на входе оптоволоконного кабеля, на фиг.8 - измеренное угловое распределение излучения на выходе оптоволоконного кабеля без смесителя (а) и со смесителем (б) мод, на фиг.9 - данные измерений концентрации газов О3 и NO2 30 июля - 1 августа 2003 г. в Обнинске, на фиг.10 - данные измерений концентрации газов SO2 и СН2О 30 июля - 1 августа 2003 г. в Обнинске.The invention is illustrated by drawings, where in Fig. 1 is a block diagram of a device, in Fig. 2 is an optical diagram for registering an atmospheric radiation beam, in Fig. 3 is the same when registering reference radiation, in Fig. 4 is a diagram of a unit for creating a reference radiation beam, FIG. 5 is a diagram of a mode mixer (without cable), FIG. 6 is a diagram of a cable winding onto a coil of a mode mixer, FIG. 7 is a configuration of radiation beams at the input of an optical fiber cable, FIG. 8 is a measured angular distribution of radiation at the output of a fiber optic cable without a mixer (a) and with a mixer (b) mode, in Fig. 9 - data of measurements of the concentration of gases O 3 and NO 2 July 30 - August 1, 2003 in Obninsk, Fig. 10 - data of measurements of the concentration of gases SO 2 and CH 2 O on July 30 - August 1, 2003 in Obninsk.
Трастовый газоанализатор (фиг.1) содержит первый ретрорефлектор 1, установленный на дальнем конце трассы, источник излучения 2 (например, ксеноновую лампу), приемопередающую оптическую систему 3 с установленным внутри нее узлом создания референтного пучка излучения, оптоволоконный кабель 4 со смесителем мод 5, соединяющий оптическую систему 3 со спектрографом (анализатором спектра) 6, соединенным через диодную линейку 7 и аналого-цифровой преобразователь 8 с компьютером 9, и источник питания 10. Оптическая система 3 (фиг.2 и 3) размещена в корпусе и состоит из вогнутого зеркала 11, двух плоских зеркал 12 и 13, одно из которых 13 установлено с возможностью поворота под углом 45° к оптической оси, в вогнутом зеркале 11 выполнено отверстие 14 для вывода излучения, отраженного от зеркала 12. На торце корпуса со стороны вогнутого зеркала 11 установлен узел крепления 16 оптоволоконного кабеля 5, снабженный сменными фильтрами 17.The trust gas analyzer (Fig. 1) contains the first retroreflector 1 installed at the far end of the path, a radiation source 2 (for example, a xenon lamp), a transceiver optical system 3 with a reference radiation beam generating unit installed inside it, an
Узел создания референтного пучка излучения (фиг.2, 3, 4) содержит штангу 18, установленную на выходе оптической системы перед защитным стеклом, на этой штанге закреплена с возможностью поворота заслонка 19, на которой размещен второй ретрорефлектор 20.The node for creating a reference radiation beam (Figs. 2, 3, 4) contains a
Смеситель мод 5 (фиг.5, 6) состоит из жесткого контейнера 21, внутри которого установлены две металлические катушки 22 и 23, на которые намотан оптоволоконный кабель 4 в виде петель 24.The mixer mod 5 (Figs. 5, 6) consists of a
Работает трастовый газоанализатор следующим образом.The trust gas analyzer operates as follows.
Для проведения измерений выбирается атмосферная трасса, на одном из концов которой размещаются приемопередающая оптическая система 3 (фиг.1) с узлом создания референтного пучка излучения, спектрограф 6, диодная линейка 7, аналогово-цифровой преобразователь 8 и компьютер 9, а на другом конце трассы устанавливается ретрорефлектор 1.For measurements, an atmospheric path is selected, at one end of which there is a transceiving optical system 3 (Fig. 1) with a node for creating a reference radiation beam, a spectrograph 6, a diode array 7, an analog-to-digital converter 8 and a computer 9, and at the other end of the path retroreflector 1 is installed.
В режиме регистрации атмосферного излучения (фиг.2) плоскость заслонки 19 устанавливают параллельно оси оптической системы. В этом случае второй ретрорефлектор 20 не мешает прохождению излучения с трассы.In the registration mode of atmospheric radiation (figure 2), the plane of the
Излучение от источника излучения 2, например ксеноновой лампы, попадает на плоское поворотное зеркало 13 и, отразившись от него, попадает на внешнее кольцо вогнутого зеркала 11. При этом внешнее кольцо зеркала 11 становится источником излучения и создает кольцевой пучок направленного излучения, посылаемого на удаленный ретрорефлектор 1. Отразившись от ретрорефлектора, излучение идет обратно и попадает на вогнутое зеркало 11, при этом его внутренне кольцо становится приемником излучения.The radiation from the
Отраженное от зеркала 11 излучение попадает на первое плоское зеркало 12, после чего фокусируется на входе оптоволоконного кабеля 4, вставленного в узел крепления 16.The radiation reflected from the
В режиме регистрации референтного пучка излучения (фиг.3) заслонку 19 устанавливают перпендикулярно оптической оси. Заслонка закрывает апертуру приемной части и перекрывает поступление излучения с атмосферной трассы. Второй ретрорефлектор 20, закрепленный на заслонке 19, оказывается на стыке внешнего и внутреннего колец оптической системы и переводит излучение лампы 2 из внешнего кольца во внутреннее, в результате чего излучение лампы 2 поступает на вход оптоволоконного кабеля 4. При этом аксиальные углы падения излучения φ на торец оптоволоконного кабеля 4 по отношению к его оси оказываются одинаковыми как для атмосферного, так и для референтного излучения (фиг.7). Распределение же по азимутальному углу α для атмосферного и референтного пучков остается различным: для атмосферной трассы излучение распространяется между двумя коническими поверхностями (область 25), а для референтного излучения - между теми же поверхностями, но заполняет пространство между поверхностями не полностью (область 26). Однако последнее обстоятельство не существенно, так как для широкого пучка излучения, заполняющего торец оптоволоконного кабеля, угловое распределение излучения, выходящего из оптоволокна, зависит только от аксиального (но не азимутального) углового распределения падающего излучения. Это означает, что на выходе оптоволоконного кабеля даже без смесителя мод угловые распределения должны быть близки для референтного и атмосферного пучков, что подтверждается примером измерения для реального кабеля без смесителя мод (фиг.8а).In the registration mode of the reference radiation beam (figure 3), the
Для большего выравнивания аксиального углового распределения референтного и атмосферного излучений предложено использовать смеситель мод такой конструкции, при которой обеспечено равномерное угловое распределение яркости излучения на выходном конце кабеля. В результате многочисленных экспериментов была подобрана конструкция смесителя мод, при которой достигается наилучший результат по обеспечению равномерного углового распределения яркости на выходном конце кабеля. Такой смеситель выполнен в виде жесткого контейнера, внутри которого установлены две катушки переменного диаметра, на которые петлеобразно намотан оптический кабель из моноволокна, причем размеры катушек, расстояние между ними и число витков кабеля подобраны так, чтобы было обеспечено равномерное угловое распределение яркости излучения на выходном конце кабеля. Пример измерения углового распределения излучения после прохождения смесителя мод представлен на фиг.8(б).To better align the axial angular distribution of the reference and atmospheric radiation, it is proposed to use a mode mixer of such a design that ensures a uniform angular distribution of the radiation brightness at the output end of the cable. As a result of numerous experiments, the design of the mode mixer was selected, in which the best result is achieved to ensure a uniform angular distribution of brightness at the output end of the cable. Such a mixer is made in the form of a rigid container, inside of which are installed two coils of variable diameter, onto which a monofilament optical cable is looped, the dimensions of the coils, the distance between them and the number of turns of the cable are selected so that a uniform angular distribution of the radiation brightness at the output end is ensured cable. An example of measuring the angular distribution of radiation after passing through a mode mixer is shown in Fig. 8 (b).
ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯMODES FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Натурные исследования содержания загрязняющих газов с использованием ультрафиолетового трассового газоанализатора ДОАС-М1 выполняются эпизодически в г.Обнинск на территории Высотной метеорологической мачты (ВММ) НПО «Тайфун». Измерения проводятся на наклонной атмосферной трассе длиной 225 м, началом которой служит прибор ДОАС-М1, расположенный на уровне земли в лабораторном здании, а концом - ретрорефлектор, установленный на рабочей платформе ВММ на высоте 25 м. Для анализа результатов используются данные измерений метеопараметров (температуры воздуха, направления и скорости ветра) на трех высотах (8,121 и 301 м) ВММ.Field studies of the content of polluting gases using the ultraviolet trace gas analyzer DOAS-M1 are carried out occasionally in Obninsk on the territory of the High-altitude meteorological mast (VMM) of the Typhoon Scientific and Production Association. The measurements are carried out on a 225 m long inclined atmospheric path, the beginning of which is the DOAS-M1 instrument located at ground level in the laboratory building, and the end is a retroreflector mounted on the VMM working platform at a height of 25 m. To analyze the results, the meteorological parameters (temperature air, wind direction and speed) at three heights (8.121 and 301 m) of the VMM.
На фиг.8 и 9 показан пример измерений, выполненных в Обнинске в период 30 июля - 1 августа 2003 г. Измерялись газы в спектральном диапазоне 295-350 нм (NO2 и О3 - фиг.8, SO2, CH2O и CS2 - фиг.9). Измерения проводились с интервалом 5 минут.Figures 8 and 9 show an example of measurements made in Obninsk between July 30 and August 1, 2003. Gases were measured in the spectral range 295-350 nm (NO 2 and O 3 — FIG. 8, SO 2 , CH 2 O and CS 2 - Fig. 9). Measurements were taken at intervals of 5 minutes.
Погода 30 июля - 1 августа была в основном ясная, устойчивая; ночной инверсии температуры практически не было. Вечером 30 июля около 19 часов был сильный ливень (время его выпадения показано стрелкой). Из фиг.8 видно, что содержание NO2 в этот момент резко уменьшилось, а количество озона возросло. В последующие дни, при ясной погоде, суточный ход озона был типичным для июля (с минимумом в ранние утренние часы и максимумом порядка 50 ppb в послеполуденное время). Отмечается хорошая антикорреляция концентраций О3 и NO2. Концентрации СН2О (фиг.9) и CS2 (на чертежах не показано) в период измерений были близки к нулю.The weather of July 30 - August 1 was mostly clear, stable; there was practically no night temperature inversion. On the evening of July 30, at about 7 p.m. there was heavy rainfall (the time of its precipitation is shown by the arrow). From Fig. 8 it can be seen that the content of NO 2 at this moment sharply decreased, and the amount of ozone increased. In the following days, in clear weather, the diurnal variation of ozone was typical for July (with a minimum in the early morning hours and a maximum of about 50 ppb in the afternoon). Good anticorrelation of concentrations of O 3 and NO 2 is noted. The concentrations of CH 2 O (FIG. 9) and CS 2 (not shown in the drawings) during the measurement period were close to zero.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005115326/28A RU2288462C1 (en) | 2005-05-20 | 2005-05-20 | Method for determining concentrations of gas components on atmospheric route and route gas analyzer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005115326/28A RU2288462C1 (en) | 2005-05-20 | 2005-05-20 | Method for determining concentrations of gas components on atmospheric route and route gas analyzer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2288462C1 true RU2288462C1 (en) | 2006-11-27 |
Family
ID=37664510
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005115326/28A RU2288462C1 (en) | 2005-05-20 | 2005-05-20 | Method for determining concentrations of gas components on atmospheric route and route gas analyzer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2288462C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2615225C1 (en) * | 2015-12-21 | 2017-04-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Device for measuring methane concentration in gases mixture |
-
2005
- 2005-05-20 RU RU2005115326/28A patent/RU2288462C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2615225C1 (en) * | 2015-12-21 | 2017-04-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Device for measuring methane concentration in gases mixture |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6455851B1 (en) | Spectroscopic remote sensing exhaust emission monitoring system | |
| US5450193A (en) | Raman spectroscopy of airway gases | |
| CN105424631B (en) | A kind of hypersensitivity nitrogen oxides measuring system based on UV, visible light wave band absorption spectrum | |
| CN101109699B (en) | Multiple shaft differential optical absorption spectrometry method and apparatus for detecting vertical distribution of atmospheric composition | |
| CN201359597Y (en) | Measuring instrument for pollution distribution profile in atmosphere | |
| US5793043A (en) | Method and apparatus for determining the alcohol concentration in a gas mixture | |
| WO2021063003A1 (en) | Gas spectrum analyzer | |
| CN105606562B (en) | A kind of near-infrared diffusing reflection automatically corrects probe | |
| US9228893B2 (en) | Apparatus for measuring pollutants and method of operating the same | |
| JPH102857A (en) | Analysis of gas mixture by infrared method | |
| Suhail et al. | Open path incoherent broadband cavity-enhanced measurements of NO3 radical and aerosol extinction in the North China Plain | |
| CN115096840A (en) | Automatic zero calibration multi-gas sensor and automatic zero calibration method | |
| KR20110022099A (en) | Concurrent remote sensing device for scattering lights of ambient | |
| KR101381618B1 (en) | Multi-gas analysis device using non dispersion ultraviolet absorption spectrophotometer | |
| RU2288462C1 (en) | Method for determining concentrations of gas components on atmospheric route and route gas analyzer | |
| CN106018315B (en) | A kind of engine exhaust gas analyzer based on Rowland grating | |
| CN201051075Y (en) | Passive differential optical absorption spectrum analyzer | |
| Mori et al. | A compact ultraviolet spectrometer system (COMPUSS) for monitoring volcanic SO2 emission: Validation and preliminary observation | |
| Baer et al. | Environmental and atmospheric monitoring using off-axis integrated cavity output spectroscopy (OA-ICOS) | |
| CN106970062B (en) | Handheld lycopene nondestructive testing device based on dual-wavelength Raman spectrum | |
| CN212646458U (en) | Optical light splitting device for ultraviolet flue gas analyzer | |
| Yappert et al. | Design and evaluation of a dual multichannel detector spectrometer for simultaneous molecular absorption and luminescence measurements | |
| CN109342344B (en) | Calibration-free device of mercury analyzer and determination method thereof | |
| Nestlen | A new instrument for SO2 eddy flux measurements | |
| RU2359239C1 (en) | Spectral instrument with longitudinal light dispersion into spectrum |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130521 |