Способ определения пространственного распределения физических параметров газовой среды

Способ определения пространственного распределения физических параметров газовой среды

Реферат

 

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность изобретения состоит в том, что способ включает зондирование исследуемой области среды электромагнитным излучением с фиксированной длиной волны, измерение интенсивности сигналов взаимодействия излучения со средой на второй длине волны и прием сигнала взаимодействия из заданного количества точек исследуемой области среды. Зондирование среды осуществляют в прямом и обратном направлениях и измеряют интенсивность сигналов взаимодействия на третьей длине волны для обоих направлений зондирования. Технический результат: повышение точности определения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике для диагностики атмосферы.

Известен способ определения физических параметров газовой среды путем облучения ее пучком излучения и последующею выделения и регистрации сигнала, обусловленного взаимодействием зондирующего пучка и исследуемой среды (а.с. СССР N 1288561, МКИ кл. G 01 N 21/64,1984). Недостатком способа являлся низкая точность определения в условиях оптической неоднородности исследуемой среды.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения пространственного распределения физических параметров газовой среды, заключающийся в облучении его пучком излучения, выделения сигнала, обусловленного взаимодействием зондирующего пучка и исследуемой среды, и регистрации пространственного распределения этого сигнала (а.с. СССР N 1665285, МКИ кл. G 01 N 21/64, 1991). Оптическое излучение просвечивает объект исследования, а результатом взаимодействия излучения и исследуемой среды могут быть лазерно-индуцированная флуоресценция, комбинационное рассеяние, также являющиеся излучением. Выделение сигнала, обусловленного этим взаимодействием для разных областей воздушной среды, позволяет зарегистрировать его пространственное распределение.

Недостатком этого способа является низкая точность определения в условиях неоднородности объекта измерений, поскольку неравномерность оптической плотности среды при зондировании разных точек выбранного сечения непосредственно влияет на результат измерения.

Решаемая техническая задача изобретения - повышение точности определения пространственного распределения физических параметров газовой среды.

Решаемая техническая задача в способе определения пространственного распределения физических параметров газовой среды, заключающемся в зондировании электромагнитным излучением с фиксированной длиной волны исследуемой области среды, измерении интенсивности сигналов взаимодействия излучения со средой на второй длине волны, направление приема сигналов взаимодействия выбирают под углом к оси зондирования, проведении приема сигналов взаимодействия из заданного количества точек исследуемой области среды, достигается тем, что зондирование среды осуществляют в прямом и обратном направлениях, измеряют интенсивности сигналов взаимодействия излучения со средой на третьей длине волны для обоих направлений зондирования, пространственное распределение физических параметров среды определяют по формуле: где _n - физический параметр в n-й точке сечения исследуемой среды; L - коэффициент пропорциональности; P^п_n^р(₂) - интенсивность измеренного сигнала из n-й точки среды на второй длине волны ₂ при зондировании в прямом направлении; P^п_n^р(₃) и P^о_n^бр(₃) - интенсивности измеренного сигнала из n-й точки среды на третьей длине волны ₃ в прямом и обратном направлениях соответственно.

Возможен прием сигналов взаимодействия излучения со средой на длине волны ₃, равной длине волны зондирующего излучения ₁. Возможен прием сигналов взаимодействия излучения со средой на длинах волн ₂ и ₃, равных длине волны зондирующего изучения ₁. На чертеже изображена блок-схема устройства, реализующего способ.

Устройство содержит блок 1 управления, блоки передающей оптики 2 и 3 с диаграммами направленности, расположенными вдоль одной оптической оси AB, линии передачи светового излучения 4 и 5. оптический коммутатор 6, излучатель 7 с источником накачки, исследуемую среду 8, приемный объектив 9, блок оптических фильтров 10 с селективным элементом 11 на длину волны излучения ₂, обусловленного полезным эффектом взаимодействия зондирующего пучка и объекта исследования, селективный элемент 12 на длину волны ₃, другого взаимодействия и блок 13 замены селективных элементов, координатно-чувствительное фотоприемное устройство 14 с блоком предварительной обработки, вычислитель 15.

Излучатель 7 электрически соединен с блоком 1 управления и оптически связан через оптический коммутатор 6 с линиями передачи светового излучения 4 и 5 и блоками передающей оптики 2 и 3. Блоки передающей оптики 2 и 3 расположены на одной оптической оси, вдоль которой измеряется пространственное распределение физического параметра, например концентрации молекул какого-либо газа объекта 8. Координатно-чувствительное фотоприемное устройство 14 служит для приема сигналов взаимодействия излучения со средой из заданных направлений.

Координатно-чувствительное фотоприемное устройство 14 и селективные элементы 11 и 12 оптически связаны с приемным объективом 9. Блок 1 управления соединен с управляющим входом излучателя 7, со входом оптического коммутатора 6, с управляющими входами координатно-чувствительного фотоприемного устройства 14, управляющими входами блока 13 замены селективных элементов, и входами вычислителя 15. Выходы координатно-чувствительного фотоприемного устройства 14 связаны с информационными входами вычислителя 15.

Способ осуществляют с помощью устройства следующим образом.

Блок 1 управления запускает лазер 7 с источником накачки. Изучение на длине волны ₁, пройдя через оптический коммутатор 6, линию передачи светового излучения 4 и блок передающей оптики 2, направляется из точки А в подлежащую исследованию область 8 газовой среды. При взаимодействии излучения со средой могут иметь место явления лазерно-индуцированной флуоресценции, комбинационного рассеяния, рассеяния и другие. Результат взаимодействия несет в себе информацию о таких параметрах исследуемой среды как концентрация частиц и их скорость, давление и так далее, также является излучением. Часть этого излучения, являющегося результатом взаимодействия, например, из точки M₁, собирается объективом 9, выделяется селективным элементом 11 (например, интерференционным фильтром) на длине волны ₂ и регистрируется координатно-чувствительным фотоприемным устройством 14 с блоками предварительной обработки. После этого по сигналу с блока управления 1 блок 13 замены селективных элементов устанавливает перед блоком 14 селективный элемент 12 на длину волны ₃. То есть прием излучения из той же точки M₁ ведется на длине волны ₃. Далее блок управления 1 при помощи оптического коммутатора 6 переключает излучения лазера 7 в линию передачи светового излучения 5. Зондирующее изучение через блок передающей оптики 3 направляется в исследуемую область 8 из точки В. Координатно-чувствительное фотоприемное устройство 14 регистрирует сигнал на длине волны ₃ из той же точки M₁, но направление облучения среды противоположно рассмотренному ранее. Сигналы с выхода координатно-чувствительного фотоприемного устройства подаются на вычислитель 17 для определения искомой характеристики в точке M₁ объекта исследования.

После этого по сигналу с блока 1 координатно-чувствительное фотоприемное устройство 14 перестраивается на прием излучения из новой точки исследуемой области среды, например из точки М₂; затем из точки M₃ и так далее. Число точек M_i в данном случае определяется количеством фотоэлементов в координатно-чувствительном фотоприемном устройстве (например, число исследуемых точек может быть равно 10). При выполнении условия малости расстояния между точками M₁ и M₂ и между M₂ и между M₂ и M₃ по сравнению с расстояниями M₁C, M₂C и M₃C можно считать угол постоянным для всех точек M₁, M₂ и M₃ (фиг. 1).

В результате снимается пространственное распределение физического параметра (например, концентрации молекул какого-либо газа) в выбранном сечении среды.

Оптический коммутатор 8 может быть реализован на основе механического дефлектора дискретного отклонения с системой поворотных зеркал либо электрооптического дефлектора.

Покажем, что предлагаемый способ позволяет достичь поставленной решаемой технической задачи - повысить точность измерения пространственного распределения физических параметров исследуемой среды.

При определении пространственного распределения физических параметров исследуемой среды (например, концентрации газа) но результатам измерения сигналов взаимодействия зондирующего излучения с исследуемой средой оказывается значительной погрешность, вносимая различным ослаблением сигналов от точек M_i до точки A в направлении измерения пространственного распределения. Пренебрежение этой погрешностью может сильно исказить измеряемое распределение.

Рассмотрим возможность повышения точности измерений на примере комбинационного рассеяния и флуоресценции.

Главной особенностью метода комбинационного рассеяния является то, что длина волны лазерного излучения не связана жесткими требованиями резонанса частоты излучения лазера с частотами переходов атомов и молекул. Это позволяет использовать один источник накачки для одновременной регистрации большого числа молекулярных примесей, выделяя рассеянные стоксовые (иногда - антистоксовые) компоненты на различных частотах ^c_i = ₁+^м_i ^a_i^c = ₁+^м_i - для антистоксовых), где ₁ - частота лазерного излучения; ^м_i - -частота, соответствующая колебательному кванту молекулы i-той примеси.

Как концентрации N, так и (в значительно меньшей степени) сечения комбинационного рассеяния ^кр различных компонент могут сильно различаться. Если для двух молекулярных компонент справедливо N₂^к₂^р N₃^к₃^р, то принимаемый на длине волны ₂ сигнал комбинационного рассеяния, соответствующий частоте ^c₂ = ₁+^м₂, может быть во много раз меньше, чем сигнал комбинационного рассеяния, принятый на длине волны ₃, соответствующий частоте ^c₃ = ₁+^м₃. В силу этого относительная погрешность измерений на ₃ оказывается значительно ниже, чем на ₂. Поэтому если для измерений пространственного распределения физического параметра исследуемой среды по результатам измерений интенсивности сигнала комбинационного рассеяния на длине волны ₂ суметь ввести корректирующие коэффициенты (устраняющие влияние различного ослабления сигналов от точек M_i в направлении измерения пространственного распределения, которые получены по результатам более точных измерений интенсивности комбинационного рассеяния на длине волны ₃ , то можно повысить точность измерений пространственного распределения 1-й компоненты. При этом длины волн ₂ и ₃ должны отличаться незначительно, чтобы не проявилась возможная спектральная изменчивость оптической плотности исследуемой среды. В то же время спектральное разрешение измерительной аппаратуры должно обеспечивать возможность уверенного раздельного измерения сигналов на этих длинах волн.

Приводить количественные соотношения для комбинационного рассеяния не будем - рассмотрим их ниже на примере флуоресценции. Однако следует иметь в виду, что они полностью применимы для комбинационного рассеяния, в случае которого ₁,₂,₃ - различны, тогда как для флуоресценции удобно принять ₃= ₁. Метод лазерной флуоресценции основан на регистрации спонтанного изучения молекул и атомов примеси, подвергнутых действию изучения, длина волны которого находится в резонансе с одним из разрешенных переходов с переводом молекул в возбужденное состояние. При этом релаксация в основное состояние происходит излучательно.

Пусть методом лазерно-индуцированной флуоресценции измеряется относительный профиль распределения концентрации исследуемых молекул в точках M₁, M₂, M₃ (фиг. 1), расположенных на одной прямой; длина волны зондирующего излучения ₁, длина волны флуоресценции ₂. Будем считать, что прозрачности среды от приемника излучения (от точки C) до точек M₁, M₂, M₃ (то есть T(CM₁), T(CM₂), T(CM₃)) отличаются незначительно и равны T.

При приеме излучения из точки M₁ три сигнала - сигнал флуоресценции P^п₁^р(₂) на = ₂, рассеянный сигнал P^п₁^р(₁) при облучении среды в прямом направлении, а также рассеянный сигнал P^о₁^бр(₁) при облучении среды в обратном направлении - равны: P^п₁^р(₂) = kTT(M₁A)₁ (1) P^п₁^р(₁) = kTT(M₁A)⁰₁i() (2) Здесь и далее понимается: _n= ^ф_n (для комбинационного рассеяния - ^к_n^р1) - характеризует основное взаимодействие; ⁰_n = ^p_n (для комбинационного рассеяния - ^к_n^р2) - вспомогательное.

Аналогично при возбуждении точек M₁ и M₂ P^п₂^р(₂) = kTT(M₁M₂)T(M₁A)₂ (4) P^п₂^р(₁) = kTT(M₁M₂)T(M₁A)⁰₂i() (5) P^о₂^бр(₁) = kTT(M₂M₃)T(M₃B)⁰₂i(-) (6) P^п₃^р(₂) = kTT(M₂M₃)T(M₁M₂)T(M₁A)₃ (7) P^о₃^бр(₁) = kTT(M₃B)⁰₃i(-) (9) Определение относительного распределения концентрации N по измерениям только сигналов P^п₁^р(₂),P^п₂^р(₂),P^п₃^р(₂) ₁:₂:₃= P^п₁^р(₂):P^п₂^р(₂):P^п₃^р(₂) (10) приведет к значительным погрешностям, которые определяются различным ослаблением сигналов от точек M₁, M₂, M₃ до точки A.

Где = N^ф, N - концентрация молекул; ^ф - - сечение флюоресценции. Чем больше отличаются обычно не учитываемые оптические плотности между точками M₁, M₂, M₃ и точкой A (то есть T(M₁A), T(M₂A), T(M₃A)), тем ниже точность измерения пространственного распределения по результатам измерения величин P^п_n^р(₂), n = 1, 2, 3, ...

Формула (10) характеризует пространственное распределение физических параметров исследуемой среды, например концентрации какой-либо молекулярной компоненты, поучаемое прототипом и другими традиционными методами.

Из (1) и (2), (4) и (5), (7) и (8) следует _n= P^п_n^р(₂)⁰_ni()/P^п_n^р(₁), n = 1,2,3,... (11) Из (2) и (3) вытекает, что произведение принятых сигналов P^п_n^р(₁) и P^о_n^бр(₁) равно: Аналогичные выражения можно получить из (5) и (6), (8) и (9).

В общем виде: Здесь: T(AB) - прозрачность среды на всем участке зондирования от точки A до точки B. Поэтому отношение коэффициентов: ⁰₁:⁰₂:⁰₃ в выбранных точках объекта исследования Отсюда с учетом (11) соотношение между параметрами _n в разных точках Формула (14) описывает пространственное распределение физического параметра. Параметр _n в произвольной n-й точке сечения L - коэффициент пропорциональности. Выражение (15) сразу дает профиль концентрации, поскольку N = /. Прием и регистрация, кроме сигналов флуоресценции, рассеянных сигналов на длине волны ₁ зондирующего излучения позволяют значительно повысить точность измерения. Хотя _{1 2}, но это отличие незначительно, так что оптические характеристики (в частности, прозрачность) близки с высокой точностью. В то же время сечение флуоресценции ^ф мало по сравнению с сечением упругого рассеяния на частицах ^p. При исследовании среды различные частицы, находящиеся в исследуемом сечении, способны весьма существенно ослабить (за счет рассеяния и поглощения) возбужденный лазером сигнал флуоресценции. Поэтому в силу ^{p ф} измерение на = ₁ рассеянных сигналов при зондировании среды с двух сторон позволяет получить более высокую точность измерения соотношения прозрачностей участков между исследуемыми точками сечения, так как значительно возрастает по сравнению с флуоресценцией отношение сигнал/шум.

Ход приведенных выше рассуждений и окончательные формулы справедливы и для определения распределения физических параметров среды методом комбинационного рассеяния, которое регистрируется на ₂ и ₃. Если, как отмечалось ранее, неравенство N₂^к₂^р N₃^к₃^р выполняется довольно сильно, то точность измерения физического параметра (например, концентрации молекул N) в условиях неоднородной среды может быть существенно повышена. Для количественного описания пространственного распределения, измеренного методом комбинационного рассеяния, в формуле (15) под P^п_n^р(₂) следует понимать интенсивность принятого сигнала на ₂, а под P^о_n^бр(₃) и P^п_n^р(₃) интенсивности сигналов на ₂, полученных при облучении среды в прямом и обратном направлении соответственно.

Поэтому в этом случае Оценим выигрыш в точности измерений по предлагаемому способу на примере использования эффекта комбинационного рассеяния. Пусть концентрация измеряемых молекул в точках M₁, M₂, M₃, а значит, и параметры ₁,₂,₃, относятся как 1:1:1. Предположим, что излучение ослабляется средой, и прозрачность среды T между точками M₁ и M₂, а также между точками M₂ и M₃ одинакова и равна, например, 0,8 : T(M₁M₂) = T(M₂M₃) = 0,8. Ослабление излучения на пути M₁A и M₃B (соответственно T(M₁A) и T(M₃B)) учитывать не будем, так как при измерении относительного профиля пространственного распределения T(M₁A) и T(M₃B) сокращаются.

Без учета аппаратурных и геометрических констант, влияние которых легко учесть, сигнал комбинационного рассеяния на = ₂ из точки M₁ при облучении в прямом направлении (из точки A) будет: P^п₁^р(₂) = 1 Аналогично для точек M₁ и M₂ P^п_n^р(₂) = 1T(M₁M₂) = 10,8 = 0,8 P^п₃^р(₂) = 1T(M₁M₂)T(M₂M₃) = 0,64. Относительный профиль распределения концентрации молекул, полученный по традиционной методике, повторяет распределение принятых сигналов P_n: Как видно, это распределение сильно искажено по сравнению с исходным 1: 1:1.

Согласно предлагаемому способу измеряются и сигналы комбинационного рассеяния на длине волны ₃ из тех же точек M₁, M₂, M₃ при облучении среды в прямом направлении (от точки A) и в обратном (от точки B); P^п₁^р(₃) = 1; P^о₁^бр(₃) = 1T(M₁M₂)T(M₂M₃) = 0,64; P^п₂^р(₃) = 1T(M₁M₂) = 0,8; P^о₂^бр(₃) = 1T(M₂M₃) = 0,8; P^п₃^р(₃) = 1T(M₁M₂)T(M₂M₃) = 0,64. P^о₃^бр(₃) = 1 Согласно предложенному алгоритму _n= LP^п_n^р(₂)(P^о_n^бр(₃)/P^п_n^р(₃))^1/2; Поэтому Таким образом, исходное распределение восстановлено правильно. Предлагаемый способ определения пространственного распределение физического параметра устраняет погрешность традиционных методов, связанную с ослаблением излучения в исследуемой среде.

Изобретение можно проиллюстрировать следующими примерами, в которых использован принцип комбинационного рассеяния: зондирующий лазер - аргоновый: ₁= 0,5145 мкм, молекулы с близкими комбинационными сдвигами - CO (комбинационный сдвиг - 2145 см^-1, _кр= 0,5713 мкм и N₂ (комбинационный сдвиг - 2331 см^-1, _кр= 0,5762 мкм ; другая возможная пара молекул: SO₂ (комбинационный сдвиг - 1151 см^-1, _кр= 0,5450 мкм и N₂O (комбинационный сдвиг - 1290 см^-1; _кр= 0,5486 мкм.

Случай, когда длины волн ₁,₂ и ₃ различны, отвечает использованию метода комбинационного рассеяния для измерения пространственного распределения физических параметров.

Случаи, когда ₃= ₁ соответствует использованию лазерно-индуцированной флуоресценции: _n= LP^п_n^р(₂)(P^о_n^бр(₁)/P^п_n^р(₁))^1/2; Случай, когда ₁= ₂= ₃ реализуется при измерении упругого рассеяния на длине волны зондирующего лазера ₁. В этом случае: и P^п_n^р(₁) = P^п_n^р(₃) и _n= L(P^о_n^бр(₁)P^п_n^р(₁))^1/2;M

Формула изобретения

1. Способ определения пространственного распределения физических параметров газовой среды путем зондирования электромагнитным излучением с фиксированной длиной волны исследуемой области среды, измерения интенсивности сигналов взаимодействия излучения со средой на второй длине волны, направление приема сигналов взаимодействия выбирают под определенным углом к направлению зондирования, проведения приема сигнала взаимодействия из заданного количества точек исследуемой области среды, отличающийся тем, что осуществляют зондирование среды в прямом и обратном направлениях, измеряют интенсивности сигналов взаимодействия излучения со средой на третьей длине волны для обоих направлений зондирования пространственное распределение физических параметров среды определяют по формуле где _n - физический параметр в n-й точке сечения исследуемой среды; L - коэффициент пропорциональности; P^п_n^р(₂) - интенсивность измеренного сигнала из n-й точки на второй длине волны ₂ при зондировании в прямом направлении; P^п_n^р(₃) и P^о_n^бр(₃) - интенсивности измеренного сигнала из n-й точки на третьей длине волны ₃ в прямом и обратном направлениях соответственно.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что принимают сигналы взаимодействия излучения со средой на длине волны _3, равной длине волны зондирующего излучения ₁.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что принимают сигналы взаимодействия излучения со средой на длинах волн ₂ и _3, равных длине волны зондирующего излучения ₁.

РИСУНКИ

Рисунок 1