RU2480737C1 - Method of measuring transparency, concentration of gaseous components of scattering media on two-wave laser - Google Patents

Method of measuring transparency, concentration of gaseous components of scattering media on two-wave laser Download PDF

Info

Publication number
RU2480737C1
RU2480737C1 RU2011150771/28A RU2011150771A RU2480737C1 RU 2480737 C1 RU2480737 C1 RU 2480737C1 RU 2011150771/28 A RU2011150771/28 A RU 2011150771/28A RU 2011150771 A RU2011150771 A RU 2011150771A RU 2480737 C1 RU2480737 C1 RU 2480737C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radiation
medium
recirculation
boundary points
concentration
Prior art date
Application number
RU2011150771/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Леонидович Козлов
Михаил Михайлович Кугейко
Original Assignee
Белорусский Государственный Университет (Бгу)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Белорусский Государственный Университет (Бгу) filed Critical Белорусский Государственный Университет (Бгу)
Priority to RU2011150771/28A priority Critical patent/RU2480737C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2480737C1 publication Critical patent/RU2480737C1/en

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to monitoring environmental pollution and can be used to measure transparency and component composition (concentration of gaseous components) of scattering media (atmosphere, smokiness of car emissions, chimneys of industrial plants etc). The method involves sending through the analysed section of the gas jet beams of probing radiation towards each other and receiving from two boundary points of the section of the medium at an angle of 90° to the direction of probing scattered radiation, the intensity value of which is used to determine transparency of the section of the medium. The radiation source used is a two-wave laser, wherein a mode for successive optoelectronic recirculation of the first and second boundary points is realised. The length of the inspected path ΔR is determined from the difference in recirculation frequencies, and the unknown gas concentration is determined from the ratio of intensity of scattered radiation at two wavelengths.
EFFECT: high accuracy of measuring attenuation coefficient and broader functional capabilities of the measuring device.
1 dwg

Description

Изобретение относится к области контроля загрязнений окружающей среды и может использоваться для измерения прозрачности и компонентного состава (концентрации газовых компонент) рассеивающих сред (атмосферы, дымности выбросов автомобилей, труб промышленных предприятий и т.п.).The invention relates to the field of environmental pollution control and can be used to measure transparency and component composition (concentration of gas components) of scattering media (atmosphere, smoke emissions from automobiles, pipes of industrial enterprises, etc.).

Известен измеритель прозрачности атмосферы [1], содержащий два лазера, два приемника излучения, вычислительный блок. Однако эта система не позволяет измерять дымность выбросов автомобилей, концентрацию выбросов из труб промышленных предприятий и т.п. из-за того, что невозможно зарегистрировать сигналы обратного рассеяния из рядом расположенных точек.Known meter transparency of the atmosphere [1], containing two lasers, two radiation receivers, a computing unit. However, this system does not allow measuring the smoke emissions of automobiles, the concentration of emissions from pipes of industrial enterprises, etc. due to the fact that it is impossible to register backscatter signals from adjacent points.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ измерения прозрачности рассеивающей среды [2], заключающийся в посылке через исследуемый участок газовой струи навстречу друг другу пучков зондирующего излучения и приеме под углом 90° к направлению зондирования рассеянного излучения. По значению интенсивности излучения определяется прозрачность или дымность участка струи. Недостатком этого устройства является ограниченная точность измерений, обусловленная не точным совмещением пучков зондирующего излучения, флуктуациями разностной частоты излучений и не точным знанием длины контролируемого участка среды.Closest to the proposed method is a method for measuring the transparency of a scattering medium [2], which consists in sending through the studied section of a gas jet towards each other beams of probe radiation and receiving at an angle of 90 ° to the direction of sounding of the scattered radiation. The value of the radiation intensity determines the transparency or smokiness of the jet section. The disadvantage of this device is the limited measurement accuracy due to inaccurate alignment of probe radiation beams, fluctuations in the difference frequency of the radiation, and inaccurate knowledge of the length of the monitored portion of the medium.

Задача изобретения - повышение точности измерения коэффициента ослабления и расширение функциональных возможностей измерителя. Расширение функциональных возможностей заключается в обеспечении возможности одновременно измерять концентрацию газовых компонент в среде, а также в процессе измерений определять длину контролируемого участка среды и учитывать ее значение при расчете прозрачности.The objective of the invention is to improve the accuracy of measuring the attenuation coefficient and expand the functionality of the meter. The expansion of functionality consists in providing the ability to simultaneously measure the concentration of gas components in the medium, as well as in the measurement process to determine the length of the controlled section of the medium and take into account its value when calculating transparency.

Поставленная задача решается путем того, что в способе измерения прозрачности, концентрации газовых компонент рассеивающих сред на двухволновом лазере [2], заключающемся в посылке через исследуемый участок газовой струи навстречу друг другу пучков зондирующего излучения и приеме от двух граничных точек участка среды под углом 90° к направлению зондирования рассеянного излучения, по значению интенсивности которого определяется прозрачность участка среды, в качестве источника излучения используют двухволновой лазер и осуществляют режим оптоэлектронной рециркуляции последовательно относительно первой и второй граничных точек; длину контролируемой трассы ΔR определяют по разности частот рециркуляции из выраженияThe problem is solved by the fact that in the method for measuring transparency, the concentration of the gas components of scattering media using a two-wave laser [2], which consists in sending through the studied section of the gas jet towards each other beams of probe radiation and receiving from two boundary points of the medium at an angle of 90 ° to the direction of sounding of scattered radiation, the intensity of which determines the transparency of the medium, using a two-wave laser as a radiation source and m optoelectronic recirculation in series with respect to the first and second boundary points; the length of the controlled path ΔR is determined by the difference in the recirculation frequencies from the expression

Figure 00000001
Figure 00000001

где f1, f2 - частоты рециркуляции относительно первой и второй граничных точек, соответственно, а коэффициент ослабления участка среды определяют из выраженияwhere f 1 , f 2 are the recirculation frequencies relative to the first and second boundary points, respectively, and the attenuation coefficient of the medium section is determined from the expression

Figure 00000002
Figure 00000002

где Sλ2(R0,R1), Sλ2(R3,R1), Sλ2(R0,R2), Sλ2(R3,R2) - интенсивности рассеянного излучения в первой (R1) и второй (R2) граничных точках на длине волны λ2 при прямом и обратном походе, соответственно; при этом искомую концентрацию газа определяют из выраженияwhere S λ2 (R 0 , R 1 ), S λ2 (R 3 , R 1 ), S λ2 (R 0 , R 2 ), S λ2 (R 3 , R 2 ) are the intensities of the scattered radiation in the first (R 1 ) and the second (R 2 ) boundary points at a wavelength of λ 2 for the forward and backward paths, respectively; the desired gas concentration is determined from the expression

Figure 00000003
Figure 00000003

где ΔK - дифференциальный коэффициент поглощения на длинах волн λ1 и λ2, Sλ1(R0,R1), Sλ1(R3,R1), Sλ1(R0,R2), Sλ1(R3,R2) - интенсивности рассеянного излучения в первой и второй граничных точках на длине волны λ1 при прямом и обратном походе, соответственно.where ΔK is the differential absorption coefficient at wavelengths λ 1 and λ 2 , S λ1 (R 0 , R 1 ), S λ1 (R 3 , R 1 ), S λ1 (R 0 , R 2 ), S λ1 (R 3 , R 2 ) are the intensities of the scattered radiation at the first and second boundary points at a wavelength of λ 1 for the forward and backward paths, respectively.

Свойства, появляющиеся у заявляемого объекта, это повышение точности измерения коэффициента ослабления, обусловленное тем, что обеспечивается измерение длины контролируемого участка среды и учет ее значения при расчете прозрачности. Так как два зондирующих сигнала генерируются в одной активной области лазера, обеспечивается совмещение оптических осей зондирующих сигналов и более высокая стабильность разностной частоты зондирующих излучений. Так как длины волн λ1 и λ2, незначительно различаются, то в отсутствие контролируемой газовой компоненты усреднение полученных результатов обеспечивает повышение точности измерения коэффициента ослабления в

Figure 00000004
раз по сравнению с прототипом. Расширение функциональных возможностей заключается в обеспечении возможности одновременно с измерением коэффициента ослабления измерять концентрацию газовых компонент в контролируемой среде.The properties appearing in the claimed object are an increase in the accuracy of measuring the attenuation coefficient, due to the fact that the length of the controlled section of the medium is measured and its value is taken into account when calculating transparency. Since two probing signals are generated in one active region of the laser, the optical axes of the probing signals are combined and the difference in frequency of the probing radiation is more stable. Since the wavelengths λ 1 and λ 2 slightly differ, then in the absence of a controlled gas component, averaging the results provides an increase in the accuracy of measuring the attenuation coefficient in
Figure 00000004
times compared to the prototype. The expansion of functionality lies in the possibility of simultaneously measuring the attenuation coefficient to measure the concentration of gas components in a controlled environment.

Сущность способа поясняется с помощью чертежа, на котором представлена функциональная схема измерителя прозрачности рассеивающей среды на двухволновом лазере. Система содержит: двухволновой лазер 1, блок питания лазера 2, зеркало 3, первый приемник излучения 4, второй приемник излучения 5, блок процессора 6, блок рециркуляции 7.The essence of the method is illustrated using the drawing, which shows a functional diagram of a transparency meter for a scattering medium using a two-wave laser. The system comprises: a two-wave laser 1, a laser power supply 2, a mirror 3, a first radiation receiver 4, a second radiation receiver 5, a processor unit 6, a recirculation unit 7.

В качестве источника излучения используется двухволновой полупроводниковый лазерный диод с асимметричной квантово-размерной гетероструктурой, обеспечивающей генерацию на двух различных оптических длинах волн [3]. Переключение длины волны излучения в импульсе с λ1 на λ2 происходит при скачкообразном изменении амплитуды тока накачки в импульсе с I1 на I2. Длительность электрических импульсов и, соответственно, импульсов излучаемого света на разных длинах волн может быть сделана достаточно малой, менее единицы наносекунд. Разность длин волн генерации Δλ=λ12 достигает значений 10-90 нм. Если использовать терморегулятор и стабилизировать амплитуду тока инжекции, то достигается высокая стабильность разности длин волн генерации.As a radiation source, a two-wave semiconductor laser diode with an asymmetric quantum-dimensional heterostructure providing generation at two different optical wavelengths is used [3]. Switching the radiation wavelength in the pulse from λ 1 to λ 2 occurs when the amplitude of the pump current in the pulse jumps from I 1 to I 2 . The duration of electrical pulses and, accordingly, pulses of emitted light at different wavelengths can be made sufficiently short, less than a few nanoseconds. The difference in the generation wavelengths Δλ = λ 12 reaches values of 10-90 nm. If you use a temperature controller and stabilize the amplitude of the injection current, then a high stability of the difference in the generation wavelengths is achieved.

Измеритель работает следующим образом. Через исследуемую среду двухволновым лазером 1 посылается импульсное зондирующее излучение на длине волны λ1. Излучение, рассеянное в первой граничной точке R1 контролируемого участка среды под углом φ, величина которого Sλ1(R0, R1), регистрируется приемником 4 и поступает в процессор 6. Излучение, рассеянное во второй граничной точке R2 участка среды под углом φ, величина которого Sλ1(R0, R2), регистрируется приемником 5 и поступает в процессор 6. Затем зондирующее излучение отражается от зеркала 3 и осуществляет обратный проход через исследуемую среду. На приемниках 4 и 5 регистрируются значения сигналов Sλ1(R3,R1) и Sλ1(R3,R2), которые записываются в память процессора. На приемники 4 и 5 рассеянное излучение из-за разных длин трасс будет поступать в разные моменты времени, поэтому система цифровой обработки процессора позволяет эффективно разрешить и идентифицировать эти сигналы. Для величин сигналов при прямом проходе среды на длине волны λ1, рассеянных под углом φ к направлению посылки в точках R1 и R2 можно записать следующие выражения:The meter works as follows. A pulsed probe radiation at a wavelength of λ 1 is sent through the medium under study by a two-wave laser 1 . The radiation scattered at the first boundary point R 1 of the controlled medium at an angle φ, the value of which S λ1 (R 0 , R 1 ), is recorded by the receiver 4 and goes to the processor 6. The radiation scattered at the second boundary point R 2 of the medium at an angle φ, the value of which S λ1 (R 0 , R 2 ), is recorded by the receiver 5 and enters the processor 6. Then, the probe radiation is reflected from the mirror 3 and carries out a return passage through the medium under study. At receivers 4 and 5, the values of the signals S λ1 (R 3 , R 1 ) and S λ1 (R 3 , R 2 ) are recorded, which are recorded in the processor memory. Due to different path lengths, scattered radiation will arrive at receivers 4 and 5 at different times, therefore, the digital processing system of the processor allows you to efficiently resolve and identify these signals. For the values of the signals with a direct passage of the medium at a wavelength of λ 1 scattered at an angle φ to the direction of the sending at points R 1 and R 2 , the following expressions can be written:

Sλ1(R0,R1)=A1P1σφ(R1)Tλ1(R0,R1)Tλ1(R1,R4),S λ1 (R 0 , R 1 ) = A 1 P 1 σ φ (R 1 ) T λ1 (R 0 , R 1 ) T λ1 (R 1 , R 4 ),

Sλ1(R0,R2)=A2P1σφ(R2)Tλ1(R0,R1)Tλ1(R1,R2)Tλ1(R2,R5),S λ1 (R 0 , R 2 ) = A 2 P 1 σ φ (R 2 ) T λ1 (R 0 , R 1 ) T λ1 (R 1 , R 2 ) T λ1 (R 2 , R 5 ),

где A1, А2 - аппаратурные константы приемников 4 и 5, соответственно; Р1 - мощность излучения на длине волны λ1 при прямом проходе, σφ - коэффициент рассеяния под углом φ, R4, R5 - координаты местонахождения приемников 4 и 5, соответственно; R0, R3 - координаты местонахождения соответственно лазера 1 и зеркала 3; R1, R2 - координаты рассеивающих точек; Tλ1(Ri,Rj)=exp{-ελ1(Ri,Rj)·(Rj-Ri)} - прозрачности участков [Ri,Rj), i, j=0…5 на длине волны λ1.where A 1 , A 2 are the hardware constants of the receivers 4 and 5, respectively; P 1 is the radiation power at a wavelength of λ 1 with a direct pass, σ φ is the scattering coefficient at an angle φ, R 4 , R 5 are the coordinates of the location of the receivers 4 and 5, respectively; R 0 , R 3 - the coordinates of the location of the laser 1 and mirror 3, respectively; R 1 , R 2 - coordinates of scattering points; T λ1 (R i , R j ) = exp {-ε λ1 (R i , R j ) · (R j -R i )} - transparency of the sections [R i , R j ), i, j = 0 ... 5 on wavelength λ 1 .

При обратном проходе среды излучением на длине волны λ1, отраженным от зеркала 3, величины сигналов, рассеянных под углом (180°-φ) в точках R1 и R2, имеют вид:With the return passage of the medium by radiation at a wavelength of λ 1 reflected from mirror 3, the values of the signals scattered at an angle (180 ° -φ) at points R 1 and R 2 have the form:

Sλ1(R3,R1)=A1P2σ180-φ(R1)Tλ1(R2,R3)Tλ1(R1,R2)Tλ1(R1,R4),S λ1 (R 3 , R 1 ) = A 1 P 2 σ 180-φ (R 1 ) T λ1 (R 2 , R 3 ) T λ1 (R 1 , R 2 ) T λ1 (R 1 , R 4 ),

Sλ1(R3,R2)=A2P2σ180-φ(R2)Tλ1(R2,R3)Tλ1(R2,R5),S λ1 (R 3 , R 2 ) = A 2 P 2 σ 180-φ (R 2 ) T λ1 (R 2 , R 3 ) T λ1 (R 2 , R 5 ),

где Р2 - мощность излучения на длине волны λ1 при обратном проходе.where P 2 is the radiation power at a wavelength of λ 1 with a return pass.

Отношение сигналов, рассеянных в точке R1, равноThe ratio of the signals scattered at the point R 1 is

Figure 00000005
Figure 00000005

Последнее можно записать следующим образом:The latter can be written as follows:

Figure 00000006
Figure 00000006

где K1=Sλ1(R0,R1)/Sλ1(R3,R1); B=P1Tλ1(R0,R1)/P2Tλ1(R2,R3);where K 1 = S λ1 (R 0 , R 1 ) / S λ1 (R 3 , R 1 ); B = P 1 T λ1 (R 0 , R 1 ) / P 2 T λ1 (R 2 , R 3 );

C1φ(R1)/σ180-φ(R1); τλ1(R1,R2)=ελ1(R1,R2)·(R2-R1).C 1 = σ φ (R 1 ) / σ 180-φ (R 1 ); τ λ1 (R 1 , R 2 ) = ε λ1 (R 1 , R 2 ) · (R 2 -R 1 ).

Для сигналов, рассеянных в точке R2,For signals scattered at the point R 2 ,

Figure 00000007
Figure 00000007

Данное выражение можно записать в следующем видеThis expression can be written as follows

Figure 00000008
Figure 00000008

где K2=Sλ1(R0,R2)/Sλ1(R3,R2); C2φ(R2)/σ180-φ(R2).where K 2 = S λ1 (R 0 , R 2 ) / S λ1 (R 3 , R 2 ); C 2 = σ φ (R 2 ) / σ 180-φ (R 2 ).

Решение системы линейных уравнений (1) и (2) относительно τλ1 равно:The solution of the system of linear equations (1) and (2) with respect to τ λ1 is equal to:

Figure 00000009
Figure 00000009

В неоднородных рассеивающих средах для исключения влияния индикатрисы рассеяния σφ, как следует из (3), необходимо регистрировать рассеяние под одним и тем же углом в каждой из рассеивающих точек, т.е. под углом π/2. В этом случае выражение (3) принимает видIn inhomogeneous scattering media, in order to exclude the influence of the scattering indicatrix σ φ , as follows from (3), it is necessary to register scattering at the same angle in each of the scattering points, i.e. at an angle π / 2. In this case, expression (3) takes the form

Figure 00000010
Figure 00000010

Из выражения (4) легко перейти к коэффициенту ослабления:From expression (4) it is easy to pass to the attenuation coefficient:

Figure 00000011
Figure 00000011

Затем через исследуемую среду двухволновым лазером 1 посылается импульсное зондирующее излучение на длине волны λ2. Как и в предыдущих измерениях, при прямом и обратном прохождении т. R1, рассеянные излучения величиной Sλ2(R0,R1) и Sλ2(R3,R1) записываются в процессор, а при прохождении т. R2 рассеянные излучения Sλ2(R0,R2) и Sλ2(R3,R2) также записываются в процессор.Then, pulsed probe radiation at a wavelength of λ 2 is sent through the medium under study by a two-wave laser 1. As in the previous measurements, with forward and backward passage of t. R 1 , scattered emissions of S λ2 (R 0 , R 1 ) and S λ2 (R 3 , R 1 ) are written to the processor, and when passing t. R 2 radiation S λ2 (R 0 , R 2 ) and S λ2 (R 3 , R 2 ) are also written to the processor.

Аналогично приведенным выше выкладкам, получаем коэффициент ослабления на длине волны λ2:Similar to the above calculations, we obtain the attenuation coefficient at a wavelength of λ 2 :

Figure 00000012
Figure 00000012

Так как длины волн λ1 и λ2 различаются незначительно, то вычисление среднего значения коэффициента ослабления в соответствии с выражениемSince the wavelengths λ 1 and λ 2 differ slightly, the calculation of the average value of the attenuation coefficient in accordance with the expression

Figure 00000013
Figure 00000013

где ΔP=R2-R1 - длина контролируемой трассы, обеспечит повышение точности измерений в

Figure 00000014
раз по сравнению с прототипом.where ΔP = R 2 -R 1 is the length of the controlled path, will provide increased measurement accuracy in
Figure 00000014
times compared to the prototype.

Одновременно с измерением интенсивности рассеянного излучения в системе осуществляется режим оптоэлектронной рециркуляции последовательно относительно первой и второй граничных точек. Это осуществляется следующим образом. Через исследуемую среду лазером 1 посылается импульсное зондирующее излучение на длине волны λ1. Зарегистрировав сигнал Sλ1(R0, R1), рассеянный первой граничной точкой R1 процессор запускает блок рециркуляции 7, который через блок питания 2 запускает лазер на длине волны λ1. Таким образом, в результате замыкания петли оптической обратной связи в системе устанавливается процесс рециркуляции, период τ которой определяется оптической задержкой излучения на дистанции при постоянной электрической задержке в блоке рециркуляции. Период (частота f1) рециркуляции относительно первой граничной точки R1 будет определяться следующим образомSimultaneously with measuring the intensity of the scattered radiation in the system, the optoelectronic recirculation mode is carried out sequentially with respect to the first and second boundary points. This is as follows. A pulsed probe radiation at a wavelength of λ 1 is sent through the medium under study by laser 1 . Having registered the signal S λ1 (R 0 , R 1 ), the processor scattered by the first boundary point R 1 starts the recirculation unit 7, which, through the power supply 2, starts the laser at the wavelength λ 1 . Thus, as a result of the closure of the optical feedback loop, a recirculation process is established in the system, the period τ of which is determined by the optical delay of radiation at a distance with a constant electrical delay in the recirculation unit. The period (frequency f 1 ) of recirculation relative to the first boundary point R 1 will be determined as follows

Figure 00000015
Figure 00000015

где, topt1=L1/c - время задержки излучения на трассе, L1 - длина трассы, состоящая из участка R0…R1 и участка R1…R4, c - скорость света в воздухе, te - время электрической задержки. Время электрической задержки te блоке рециркуляции выбирается таким образом, чтобы оно было больше суммарной задержки излучения на всей трассе. Следовательно, все импульсы рассеянного излучения при прямом и обратном проходе трассы будут зарегистрированы приемниками 4, 5, и только после этого лазер посылает на трассу очередной оптический импульс.where, t opt1 = L 1 / c is the radiation delay time on the path, L 1 is the path length consisting of the portion R 0 ... R 1 and the portion R 1 ... R 4 , c is the speed of light in air, t e is the electric time delays. The electric delay time t e the recirculation unit is selected so that it is greater than the total radiation delay over the entire path. Consequently, all pulses of scattered radiation during forward and backward passage of the path will be detected by receivers 4, 5, and only after that the laser sends another optical pulse to the path.

Затем процессор, зарегистрировав сигнал Sλ1(R0, R2), рассеянный второй граничной точкой R2, запускает режим рециркуляции относительно точки R2. Период (частота f2) рециркуляции относительно второй граничной точки R2 будет определяться следующим образомThen the processor, having registered the signal S λ1 (R 0 , R 2 ) scattered by the second boundary point R 2 , starts the recirculation mode relative to the point R 2 . The period (frequency f 2 ) of recirculation relative to the second boundary point R 2 will be determined as follows

Figure 00000016
Figure 00000016

где, topt2=L2/c - время задержки излучения на трассе, L2 - длина трассы, состоящая из участка R0…R1, участка R1…R2 и участка R2…R5. Из выражений (8, 9) можно найти длину контролируемой трассы ΔR по разности частот рециркуляцииwhere, t opt2 = L 2 / c is the radiation delay time on the path, L 2 is the path length, consisting of the portion R 0 ... R 1 , the portion R 1 ... R 2, and the portion R 2 ... R 5 . From expressions (8, 9), one can find the length of the controlled path ΔR from the difference in recirculation frequencies

Figure 00000017
Figure 00000017

где f1, f2 - частоты рециркуляции относительно первой и второй граничных точек, соответственно. Полученное значение длины контролируемой трассы ΔR учитывается в (5-7) при расчете оптических характеристик. Если в процессе измерений возникает необходимость изменить границы контролируемого участка среды, то система будет автоматически учитывать изменение длины контролируемой трассы, что значительно расширяет функциональные возможности измерителя.where f 1 , f 2 are the recirculation frequencies relative to the first and second boundary points, respectively. The obtained value of the length of the controlled path ΔR is taken into account in (5-7) when calculating the optical characteristics. If during the measurement process there is a need to change the boundaries of the controlled area of the medium, the system will automatically take into account the change in the length of the controlled path, which greatly expands the functionality of the meter.

Если разность измеренных коэффициентов ελ1(R1,R2) и ελ2(R1,R2) имеет большое значение, то наблюдается зависимость коэффициента ослабления от длины волны, что можно использовать для измерения концентрации газа. Ширина спектральных линий поглощения различных газов составляет величину в доли и единицы нанометров, поэтому для контроля любого газа имеется возможность выбрать длины волн генерации лазера таким образом, чтобы одна длина волны находилась в центре полосы поглощения контролируемого газа, а другая вне полосы поглощения. Для измерения концентрации газа, длины волн генерации двухволнового лазера выбираются таким образом, чтобы длина волны λ1 находилась в центре полосы поглощения контролируемого газа, а длина волны λ2 вне полосы поглощения газа. Представим коэффициенты ослабления ε(λ) на длинах волн λ1 и λ2 в видеIf the difference between the measured coefficients ε λ1 (R 1 , R 2 ) and ε λ2 (R 1 , R 2 ) is of great importance, then the attenuation coefficient is dependent on the wavelength, which can be used to measure gas concentration. The width of the absorption spectral lines of various gases amounts to fractions and units of nanometers; therefore, to control any gas, it is possible to choose the laser generation wavelengths so that one wavelength is in the center of the absorption band of the gas under control and the other outside the absorption band. To measure the gas concentration, the wavelengths of the generation of a two-wave laser are chosen so that the wavelength λ 1 is in the center of the absorption band of the gas being monitored, and the wavelength λ 2 is outside the gas absorption band. We represent the attenuation coefficients ε (λ) at wavelengths λ 1 and λ 2 in the form

Figure 00000018
Figure 00000018

где K(λ1) - коэффициент поглощения исследуемой газовой компоненты на длине волны λ1, K(λ2) - коэффициент поглощения исследуемой газовой компоненты на длине волны λ2, Сх - концентрация исследуемой газовой компоненты, β(λ1), β(λ2) - суммарные коэффициенты поглощения и рассеяния на λ1, λ2 всеми другими компонентами, присутствующими в среде.where K (λ 1 ) is the absorption coefficient of the investigated gas component at a wavelength of λ 1 , K (λ 2 ) is the absorption coefficient of the studied gas component at a wavelength of λ 2 , C x is the concentration of the studied gas component, β (λ 1 ), β (λ 2 ) - the total absorption and scattering coefficients on λ 1 , λ 2 by all other components present in the medium.

Решение системы уравнений (5, 6) с учетом выражений (11) относительно Сх будет иметь видThe solution of the system of equations (5, 6), taking into account expressions (11) with respect to C x, will have the form

Figure 00000019
Figure 00000019

Так как длины волн генерации двухволнового лазера выбираются близкими по значению λ1≈λ2 с разницей в единицы нанометров, то

Figure 00000020
, следовательно, искомая концентрация газа будет равнаSince the wavelengths of the generation of a two-wave laser are chosen close in value to λ 1 ≈λ 2 with a difference of a few nanometers, then
Figure 00000020
therefore, the desired gas concentration will be equal to

Figure 00000021
Figure 00000021

где ΔK=K(λ1)-K(λ2) - дифференциальный коэффициент поглощения, ΔR - длина контролируемой трассы.where ΔK = K (λ 1 ) -K (λ 2 ) is the differential absorption coefficient, ΔR is the length of the controlled path.

Как видно из (5-7, 12), выражения для оптических характеристик (τ, ε) и концентрации газа Сх не содержат ни аппаратурных констант, ни энергий посылаемого излучения, ни параметров, отражающих влияние окружающей среды. Это означает, что отсутствует необходимость калибровки измерительной системы и установки аппаратурных константы ввиду их отсутствия в алгоритмах, которые получены без использования каких-либо допущений или пренебрежений этими константами. Устойчивость системы к изменениям аппаратурных констант означает и устойчивость к загрязнению оптики.As can be seen from (5-7, 12), the expressions for the optical characteristics (τ, ε) and gas concentration C x contain neither instrument constants, nor energies of the transmitted radiation, nor parameters reflecting the influence of the environment. This means that there is no need to calibrate the measuring system and install hardware constants due to their absence in the algorithms that are obtained without using any assumptions or neglect of these constants. The stability of the system to changes in hardware constants also means resistance to pollution of optics.

Так как два зондирующих сигнала генерируются в одной активной области лазера, то обеспечивается совмещение оптических осей зондирующих сигналов и более высокая стабильность разностной частоты зондирующих излучений, что также дает повышение точности измерения коэффициента ослабления по сравнению с прототипом. Расширение функциональных возможностей заключается в обеспечении возможности одновременно с измерением прозрачности измерять концентрацию газовых компонент в контролируемой среде, а также определять длину контролируемого участка среды и учитывать ее значение при расчете прозрачности.Since two probing signals are generated in one active region of the laser, the combination of the optical axes of the probing signals and higher stability of the difference frequency of the probing radiation are ensured, which also gives an increase in the accuracy of measuring the attenuation coefficient compared to the prototype. The expansion of functional capabilities consists in providing the possibility, simultaneously with measuring transparency, to measure the concentration of gas components in a controlled environment, as well as to determine the length of a controlled section of the medium and take into account its value when calculating transparency.

Таким образом, в результате использования в измерителе в качестве источника излучения двухволнового полупроводникового лазера и реализации режима оптоэлектронной рециркуляции достигается повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей системы.Thus, as a result of using a two-wave semiconductor laser as a radiation source in the meter and implementing the optoelectronic recirculation mode, an increase in the measurement accuracy and expansion of the system's functional capabilities are achieved.

Использованные источникиUsed sources

1. Сергеев Н.М. Измерение прозрачности атмосферы с использованием двухлазеров // Тез. докл. VI Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Томск, ч.1, 1980. С.123-125.1. Sergeev N.M. Measurement of atmospheric transparency using two lasers // Proc. doc. VI All-Union Symposium on Laser and Acoustic Sounding of the Atmosphere. Tomsk, part 1, 1980. S.123-125.

2. А.с. СССР №1523974, МКИ G01N 21/47. Способ определения прозрачности участка рассеивающей среды / Б.Б.Виленчиц и др. Опубл. 1989 г. Бюл. №43.2. A.S. USSR No. 1523974, MKI G01N 21/47. The method for determining the transparency of the area of the scattering medium / B.B. Vilenchits and other publ. 1989, Bull. No. 43.

3. Патент РБ №1385, МКИ H01S 3/19, Полупроводниковый лазер / А.А.Афоненко, В.К.Кононенко, И.С.Манак. Опубл. 1996.3. Patent RB No. 1385, MKI H01S 3/19, Semiconductor laser / A. A. Afonenko, V. K. Kononenko, I. S. Manak. Publ. 1996.

Claims (1)

Способ измерения прозрачности, концентрации газовых компонент рассеивающих сред на двухволновом лазере, заключающийся в посылке через исследуемый участок газовой струи навстречу друг другу пучков зондирующего излучения и приеме от двух граничных точек участка среды под углом 90° к направлению зондирования рассеянного излучения, по значению интенсивности которого определяется прозрачность участка среды, отличающийся тем, что в качестве источника излучения используют двухволновой лазер и осуществляют режим оптоэлектронной рециркуляции последовательно относительно первой и второй граничных точек; длину контролируемой трассы ΔR определяют по разности частот рециркуляции из выражения
Figure 00000022
,
где f1, f2 - частоты рециркуляции относительно первой и второй граничных точек соответственно, а коэффициент ослабления участка среды определяют из выражения
Figure 00000023
,
где Sλ2(R0,R1), Sλ2(R3,R1), Sλ2(R0,R2), Sλ2(R3,R2) - интенсивности рассеянного излучения в первой (R1) и второй (R2) граничных точках на длине волны λ2 при прямом и обратном походе соответственно; при этом искомую концентрацию газа определяют из выражения
Figure 00000024
,
где ΔK - дифференциальный коэффициент поглощения на длинах волн λ1 и λ2, Sλ1(R0,R1), Sλ1(R3,R1), Sλ1(R0,R2), Sλ1(R3,R2) - интенсивности рассеянного излучения в первой и второй граничных точках на длине волны λ1 при прямом и обратном походе соответственно.
A method for measuring transparency, concentration of gas components of scattering media using a two-wave laser, which consists in sending through the studied section of the gas stream towards each other beams of probe radiation and receiving from two boundary points of the medium at an angle of 90 ° to the direction of sounding of the scattered radiation, the intensity value of which is determined transparency of the medium, characterized in that a two-wave laser is used as the radiation source and the optoelectronic recirculation mode is performed rations sequentially with respect to the first and second boundary points; the length of the controlled path ΔR is determined by the difference in the recirculation frequencies from the expression
Figure 00000022
,
where f 1 , f 2 are the recirculation frequencies relative to the first and second boundary points, respectively, and the attenuation coefficient of the medium section is determined from the expression
Figure 00000023
,
where S λ2 (R 0 , R 1 ), S λ2 (R 3 , R 1 ), S λ2 (R 0 , R 2 ), S λ2 (R 3 , R 2 ) are the intensities of the scattered radiation in the first (R 1 ) and the second (R 2 ) boundary points at a wavelength of λ 2 for the forward and backward paths, respectively; the desired gas concentration is determined from the expression
Figure 00000024
,
where ΔK is the differential absorption coefficient at wavelengths λ 1 and λ 2 , S λ1 (R 0 , R 1 ), S λ1 (R 3 , R 1 ), S λ1 (R 0 , R 2 ), S λ1 (R 3 , R 2 ) are the intensities of the scattered radiation at the first and second boundary points at a wavelength of λ 1 for the forward and backward paths, respectively.
RU2011150771/28A 2011-12-13 2011-12-13 Method of measuring transparency, concentration of gaseous components of scattering media on two-wave laser RU2480737C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011150771/28A RU2480737C1 (en) 2011-12-13 2011-12-13 Method of measuring transparency, concentration of gaseous components of scattering media on two-wave laser

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011150771/28A RU2480737C1 (en) 2011-12-13 2011-12-13 Method of measuring transparency, concentration of gaseous components of scattering media on two-wave laser

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2480737C1 true RU2480737C1 (en) 2013-04-27

Family

ID=49153222

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011150771/28A RU2480737C1 (en) 2011-12-13 2011-12-13 Method of measuring transparency, concentration of gaseous components of scattering media on two-wave laser

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2480737C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0026046A1 (en) * 1979-09-05 1981-04-01 Imperial Chemical Industries Plc Method of and apparatus for monitoring gaseous pollutants
SU1007516A1 (en) * 1980-12-26 1986-05-15 Предприятие П/Я Р-6575 Method of remote gas analysis
SU1523974A1 (en) * 1987-12-16 1989-11-23 Научно-исследовательский институт прикладных физических проблем им.А.Н.Севченко Method of determining transparence of sector of diffusing medium
RU64779U1 (en) * 2005-09-28 2007-07-10 ООО "Центр делового сотрудничества "Селена-Аэро" LASER GAS ANALYZER FOR DETECTION OF LEAKS OF GAS-HYDROCARBON HYDROCARBONS FROM TECHNOGENIC OBJECTS

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0026046A1 (en) * 1979-09-05 1981-04-01 Imperial Chemical Industries Plc Method of and apparatus for monitoring gaseous pollutants
SU1007516A1 (en) * 1980-12-26 1986-05-15 Предприятие П/Я Р-6575 Method of remote gas analysis
SU1523974A1 (en) * 1987-12-16 1989-11-23 Научно-исследовательский институт прикладных физических проблем им.А.Н.Севченко Method of determining transparence of sector of diffusing medium
RU64779U1 (en) * 2005-09-28 2007-07-10 ООО "Центр делового сотрудничества "Селена-Аэро" LASER GAS ANALYZER FOR DETECTION OF LEAKS OF GAS-HYDROCARBON HYDROCARBONS FROM TECHNOGENIC OBJECTS

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
КОЗЛОВ В.А. и др. Трассовый измеритель концентрации газов на основе двухволнового полупроводникового лазера. - Измерительная техника, №1, 2007, с.64-67. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6034468B1 (en) Real-time non-contact non-destructive thickness measurement system using terahertz waves
US7728295B2 (en) Method and apparatus for detecting surface and subsurface properties of materials
RU2313078C2 (en) Mode of detection of gases with the usage of a spectrometer on the basis of a semi-conducting diode laser and a spectrometer for its realization
KR101923003B1 (en) Method for determining the concentration of a gas component and spectrometer therefor
US10801954B2 (en) Inspection apparatus, inspection method, computer program and recording medium
US20140016130A1 (en) Method and system for gas measurements in a combustion chamber
JP6538191B2 (en) Measuring device, measuring method and computer program
CN104849236A (en) Gas concentration measuring equipment
Krishna et al. High-speed filtered Rayleigh scattering thermometry in premixed flames through narrow channels
JP3896532B2 (en) Terahertz complex permittivity measurement system
CN104792501A (en) Data processing method for measuring cavity ring-down high reflectivity
RU2480737C1 (en) Method of measuring transparency, concentration of gaseous components of scattering media on two-wave laser
CN115290175B (en) Sea water sound velocity measuring device and method and ocean distance measuring system
JP2009031180A (en) Method and device for measuring internal temperature
JP2010528309A (en) Optical remote detection method for compounds in media
WO2008092129A2 (en) Method and apparatus for detecting surface and subsurface properties of materials
KR101348917B1 (en) Lidar system for remote sensing of radioactive materials using injection-seeded laser
JP2007085775A (en) Sample analyzer
WO2017085862A1 (en) Measurement device, measurement method, and computer program
JP7256631B2 (en) distance measuring device
RU2729950C2 (en) Systems and methods of polling parameters in multiple places in a sample
CA2939057A1 (en) Method for determining the temperature of an infrared-active gas by means of infrared spectroscopy
JP6913261B2 (en) Measuring device, measuring method and computer program
Kozlov et al. Principles of measuring and diagnostic systems development based on multiple wavelength injection lasers and concept of elimination of a priori information
RU2032180C1 (en) Velocity field determination method

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20141214