Способ одновременного определения концентрации молекул со и co2 в газообразной среде и устройство для одновременного определения концентрации молекул со и co2 в газообразной среде

Способ одновременного определения концентрации молекул со и co2 в газообразной среде и устройство для одновременного определения концентрации молекул со и co2 в газообразной среде

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Изобретение относится к области лазерной спектроскопии и спектрального анализа, а именно к области применения перестраиваемых полупроводниковых лазеров, и может быть использовано для одновременной диагностики абсолютного и относительного содержания окислов углерода CO и CO₂ в газообразной среде, для мониторинга содержания окислов углерода CO и CO₂, например, в выдыхаемом воздухе, в атмосфере, в частности для биомедицинской диагностики.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В области высокочувствительного анализа химического состава газообразных веществ актуальными являются проблемы повышения качества диагностики, а именно: точности, чувствительности, наглядности и селективности анализа исследуемых сред.

Известны изобретения, направленные на решение задач в области газового анализа, в том числе состава выдыхаемого воздуха, основанные на масс-спектрометрии, например такие, как «Медицинский прибор для анализа вдыхаемого и выдыхаемого воздуха» [1].

Данный медицинский прибор, согласно его описанию, прост в эксплуатации, но не обладает достаточной чувствительностью анализа.

Известен «Лазерный газоанализатор» [2], содержащий лазерную газоразрядную трубку, к которой подключены источник высоковольтного напряжения и блок охлаждения, расположенный на одной оптической оси с лазерной газоразрядной трубкой, блок формирования луча, выполненный в виде дифракционной решетки на пьезокорректоре, и оптикоакустическую ячейку (ОАЯ), к которой подсоединены блок забора воздуха и измерительный микрофон, пироэлектрический датчик, подключенный через последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и блок сопряжения к входу персональной ЭВМ, отличающийся тем, что газоанализатор дополнительно содержит фоновый микрофон, расположенные на одной оптической оси с оптико-акустической ячейкой реперную коювету и дополнительный пироэлектрический датчик, подключенный аналогично основному пироэлектрическому датчику, а также дифференциальный усилитель, в блоке формирования луча дифракционная решетка и пьезокорректор расположены в тангенциальном узле, связанном с шаговым двигателем, за тангенциальным узлом установлено поворотное зеркало, направляющее излучение на входное окно ОАЯ, причем выходы измерительного и фонового микрофонов через дифференциальный усилитель подключены к АЦП, выходы блока управления соединены с соответствующими входами пьезокорректора и шагового двигателя блока формирования луча, выход персональной ЭВМ через блок сопряжения соединен с блоком управления.

Описанное в [2] устройство при всей сложности конструкции не может обеспечить сочетания требуемых аналитических характеристик, таких как чувствительность, точность и селективность, необходимых, например, для одновременного анализа нескольких газовых составляющих в анализируемой газовой среде.

Известен «Оптический газоанализатор» [3], содержащий перестраиваемый по частоте полупроводниковый лазер с устройством ввода оптического излучения в моноволокно, волоконно-оптическую линию, измерительную ячейку и оптоэлектронный преобразователь с устройством регистрации сигнала, отличающийся тем, что оптическая схема измерительной ячейки содержит вогнутое сферическое или параболическое зеркало, оптически сопряженное с выходным или входным торцом моноволокна так, что названный торец и его изображение полностью совпадают, а разделение оптического излучения, транслируемого моноволокном к измерительной ячейке и в обратном направлении к оптоэлектронному преобразователю, осуществляется посредством тонкой плоскопараллельной пластины, установленной под углом большим, чем угол полного внутреннего отражения, в котором также измерительная ячейка может быть выполнена в виде оптического волновода - алюминиевой тонкостенной трубки с полированной внутренней поверхностью, свернутой в форме цилиндрической пружины или плоской спирали. В данном оптическом газоанализаторе труднореализуема высокая концентрационная чувствительность анализа.

Таким образом, применительно к одновременному анализу нескольких газовых составляющих в анализируемой газовой смеси, например содержания CO и CO₂ в выдыхаемом воздухе, все вышеуказанные устройства имеют существенные недостатки, затрудняющие решение поставленной задачи.

Известно изобретение [4] «СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗА В ГАЗОВОЙ СМЕСИ, А ТАКЖЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗА», которое касается способа, а также электрохимического чувствительного элемента для измерения концентрации по меньшей мере одного заранее заданного газа в газовой смеси с помощью оснащенного нагружаемыми первым и вторым электродами электролита, который вместе с подключенными к источнику напряжения электродами подвергается воздействию газовой смеси, причем источник напряжения вызывает протекающий через электроды и электролит электрический ток, который зависит от концентрации ионов и измеряется в виде сигнала концентрации газа. Газообразные молекулы адсорбируются в зоне первого каталитически активного электрода и электролита, которые затем расщепляются на атомы и затем или преобразуются в ионы, или после этого принимают участие в химической реакции, причем образующиеся в обоих случаях концентрации ионов зависят от каталитического действия по меньшей мере одного электрода и от измеряемой концентрации газа. Технический результат изобретения - снижение стоимости измерительных систем и способов измерения, исключение загрязнения отработанными газами, возможность измерений концентрации различных газов простым способом.

Однако при решении поставленных в нем задач, он не является достаточно точным, чувствительным и селективным к осуществляемому анализу.

Известен также [5] «ФОТОАКУСТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ НЕУГЛЕВОДОРОДНОГО КОМПОНЕНТА В МЕТАНОСОДЕРЖАЩЕЙ ГАЗОВОЙ СМЕСИ», который относится к измерениям концентрации неуглеводородного компонента, присутствующего в метаносодержащей газовой смеси фотоакустическим способом. Фотоакустический спектр поглощения газовой смеси регистрируют в выбранном диапазоне длин волн при непрерывном пропускании газовой смеси через измерительное устройство. Полученный спектр используют для определения концентрации неуглеводородного компонента в комбинации с фотоакустическим сигналом, создаваемым опорной ячейкой, которая заполнена газом с заранее заданными свойствами.

Метаносодержащая газовая смесь и неуглеводородный компонент предпочтительно представляют собой природный газ, подаваемый в трубопровод, и водяной пар соответственно. Способ позволяет даже в промышленных условиях с высокой точностью измерять содержание водяного пара в природном газе в малых концентрациях.

Согласно описанию способ обладает достаточной точностью, однако не является достаточно чувствительным и селективным, его затруднительно использовать для одновременного анализа нескольких газообразных веществ.

Таким образом, ни одно из описанных изобретений ни в части способа, ни в части устройства не осуществляет одновременный анализ с необходимыми точностью, чувствительностью и селективностью нескольких газовых составляющих в анализируемой газовой смеси, например содержания CO и CO₂ в газообразной среде, в частности в выдыхаемом воздухе, все вышеуказанные способы и устройства имеют существенные недостатки, не позволяющие достичь необходимый технический результат.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является создание способа одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂ в газообразной среде и устройства, реализующего одновременное определение концентрации молекул CO и CO₂ по указанному способу, которое было бы применимо для одновременного определения содержания молекул CO и CO₂ и анализа их относительного содержания в газообразной среде, и, в частности, в выдыхаемом воздухе посредством подбора такого перестраиваемого полупроводникового лазера и такого фотодиода, посредством которых одновременный анализ нескольких газовых составляющих в анализируемой газообразной среде был бы точным, чувствительным и селективным.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технический результат достигается тем, что предложены способ одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂ в газообразной среде и устройство для одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂ в газообразной среде.

1. Способ одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂ в газообразной среде, включающий измерения резонансного поглощения CO и CO₂ посредством перестраиваемого полупроводникового лазера, оптическую частоту генерации которого настраивают на работу в спектральном диапазоне, в котором расположены линии поглощения, используемые для определения содержания молекул CO и CO₂, оптическую частоту используемого лазера периодически сканируют в анализируемом спектральном диапазоне посредством модуляции величины тока накачки, лазерное излучение пропускают через исследуемую среду, прошедшее анализируемую среду лазерное излучение детектируют с помощью фотоприемника, регистрируют лазерный спектр пропускания среды, содержащий анализируемые линии поглощения CO и CO₂, регистрируемый лазерный спектр обрабатывают, используя средства программно-аппаратного комплекса, и рассчитывают спектр коэффициента поглощения в линиях, при этом учитывают интенсивность лазерного излучения вне анализируемых линий поглощения, расчетным путем по величине резонансного поглощения в линиях определяют концентрации анализируемых молекул CO и CO₂ и их относительное содержание, повышают чувствительность определения абсолютной и относительной концентрации молекул, регистрируя первую и/или вторую производные спектров пропускания молекул, а также используя многоходовые схемы прохождения излучения через анализируемую среду, при этом для одновременного анализа содержания молекул CO и CO₂ в объекте спектрального анализа используют линии поглощения СО и линии поглощения CO₂, попадающие в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым полупроводниковым лазером, а именно используют не перекрывающиеся с линиями поглощения паров воды линии поглощения P-ветви CO из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 и линии поглощения полосы 20001-01101 CO₂, расположенные в спектральном диапазоне от 2100 см^-1 до 2125 см^-1, регистрируют спектр пропускания CO и CO₂ посредством перестраиваемого полупроводникового лазера, работающего в данном спектральном диапазоне, сканируют оптическую частоту лазера в спектральном диапазоне от 1 см^-1 до 10 см^-1, за счет накачки лазера периодически повторяющимися импульсами тока амплитудой от 50 мА до 3000 мА, длительностью от 50 мкс до 10000 мкс и частотой повторения от 20 Гц до 10 кГц, пропускают лазерное излучение через многоходовую оптическую кювету, содержащую исследуемую газовую среду, с длиной оптического пути от 1 до 100 метров, детектируют прошедшее через анализируемую среду лазерное излучение с помощью фотодиода, в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, используют газообразную среду.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, используют выдыхаемый воздух.

3. Устройство для одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂ в газообразной среде, выполненное с возможностью ввода параметров лазерной аналитической системы и запуска процесса лазерного спектрального анализа, а также с возможностью выбора спектральных и частотных характеристик лазерного излучения, температурного режима работы используемого лазера, параметров сканирования спектров, их регистрации, оцифровки, передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, включающее в качестве используемого лазера перестраиваемый полупроводниковый лазер, выполненный с возможностью генерации монохроматического и контролируемым образом перестраиваемого по частоте оптического излучения, длина волны которого лежит в той спектральной области, в которой расположены используемые для анализа линии поглощения CO и CO₂, находящихся в газообразном состоянии, включающее также систему управления, выполненную с возможностью поддержания заданных параметров, синхронизации циклов сканирования спектров, осуществления регистрации спектров, их оцифровки, а также с возможностью передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, выдачи результатов измерений, систему термостабилизации, выполненную с возможностью настройки используемого лазера на спектральный диапазон, в котором лежат аналитические линии поглощения молекул CO и CO₂, и поддержания с необходимой точностью рабочей температуры используемого лазера и его рабочей длины волны, систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, выполненную с возможностью генерации тока определенной амплитуды и формы, используемого для накачки используемого лазера, и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера посредством изменения амплитудных и временных параметров тока накачки, систему формирования пространственных характеристик лазерного пучка, выполненную с возможностью коллимации расходящегося излучения используемого лазера в пучок, пригодный для пропускания через исследуемый объект, и фокусировки на систему детектирования оптического излучения, выполненную с возможностью выделения в принимаемом модулированном лазерном сигнале радиочастотной составляющей, содержащей информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращения ее в электрический радиочастотный сигнал, систему предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, выполненную с возможностью предварительного усиления регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды и, в случае необходимости, аналогового дифференцирования регистрируемого сигнала, систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, выполненную с возможностью перевода аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, с возможностью считывания получаемого цифрового сигнала и передачи его в память устройства, предназначенного для накопления и хранения цифровой информации, систему обработки лазерных спектров пропускания, выполненную с возможностью обработки получаемой информации и расчета спектра коэффициента поглощения в анализируемых линиях CO и CO₂ в регистрируемом диапазоне спектра, систему вывода результирующих данных, выполненную с возможностью вывода и визуализации полученных данных абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, а также других промежуточных результатов обработки спектров, отражающих изменения измеряемых параметров, при этом ввод основных параметров возможен посредством системы управления, которая выполнена с возможностью передачи информации на систему термостабилизации, накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, которая сопряжена с используемым лазером, а также на систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала и систему обработки лазерных спектров пропускания, выбор параметров системы также возможен посредством системы управления, с которой сопряжен используемый лазер, который, в свою очередь, сопряжен с системой термостабилизации и с системой формирования пространственных характеристик лазерного пучка, с которой последовательно соединены объект спектрального анализа, содержащий CO и CO₂, система детектирования лазерного излучения, система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, система обработки лазерных спектров пропускания, выполненная с возможностью одновременного анализа содержания молекул CO и CO₂ в объекте спектрального анализа с возможностью использования линий поглощения CO и линий поглощения CO₂, попадающих в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым полупроводниковым лазером, а именно с возможностью использования не перекрывающихся с линиями поглощения паров воды линий поглощения P-ветви CO из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 и линий поглощения полосы 20001-01101 CO₂, расположенных в спектральном диапазоне от 2100 см^-1 до 2125 см^-1, с возможностью регистрации спектра пропускания CO и CO₂ посредством перестраиваемого полупроводникового лазера, работающего в данном спектральном диапазоне, с возможностью сканирования оптической частоты лазера в спектральном диапазоне от 1 см^-1 до 10 см^-1, за счет накачки лазера периодически повторяющимися импульсами тока амплитудой от 50 мА до 3000 мА, длительностью от 50 мкс до 10000 мкс и частотой повторения от 20 Гц до 10 кГц, с возможностью пропускания лазерного излучения через многоходовую оптическую кювету, содержащую исследуемую газовую среду, с длиной оптического пути от 1 до 100 метров, с возможностью детектирования прошедшего через анализируемую среду лазерного излучения с помощью фотодиода, с использованием в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, газообразной среды.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что выполнено с возможностью использования выдыхаемого воздуха в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂.

Предлагаемый способ одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂ в газообразной среде, в частности в выдыхаемом воздухе, включает измерения резонансного поглощения молекул CO и CO₂ с помощью перестраиваемого полупроводникового лазера. Оптическую частоту генерации используемого лазера настраивают на работу в спектральном диапазоне, в котором расположены линии поглощения, используемые для определения содержания молекул CO и CO₂. Оптическую частоту используемого лазера периодически сканируют в анализируемом спектральном диапазоне посредством модуляции величины тока накачки, лазерное излучение пропускают через исследуемую среду. Затем прошедшее анализируемую среду лазерное излучение детектируют с помощью фотоприемника, регистрируют лазерный спектр пропускания среды, содержащий анализируемые линии поглощения CO и CO₂.

Регистрируемый лазерный спектр обрабатывают, используя средства программно-аппаратного комплекса, и рассчитывают спектр коэффициента поглощения в линиях, при этом учитывают интенсивность лазерного излучения вне анализируемых линий поглощения, далее расчетным путем по величине резонансного поглощения в линиях определяют концентрации анализируемых молекул CO и CO₂, а также относительное их содержание.

Для повышения чувствительности определения абсолютной и относительной концентрации молекул регистрируют первую и/или вторую производные спектров пропускания молекул.

Для повышения чувствительности определения абсолютной и относительной концентрации молекул также используют многоходовые схемы прохождения излучения через анализируемую среду.

Для одновременного анализа содержания молекул CO и CO₂ в объекте спектрального анализа используют линии поглощения CO и линии поглощения CO₂, попадающие в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым полупроводниковым лазером, а именно используют не перекрывающиеся с линиями поглощения паров воды линии поглощения P-ветви CO из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 и линии поглощения полосы 20001-01101 CO₂, расположенные в спектральном диапазоне от 2100 см^-1 до 2125 см^-1, регистрируют спектр пропускания CO и CO₂ посредством перестраиваемого полупроводникового лазера, работающего в данном спектральном диапазоне, сканируют оптическую частоту лазера в спектральном диапазоне от 1 см^-1 до 10 см^-1, за счет накачки лазера периодически повторяющимися импульсами тока амплитудой от 50 мА до 3000 мА, длительностью от 50 мкс до 10000 мкс и частотой повторения от 20 Гц до 10 кГц, пропускают лазерное излучение через многоходовую оптическую кювету, содержащую исследуемую газовую среду с длиной оптического пути от 1 до 100 метров, детектируют прошедшее через анализируемую среду лазерное излучение с помощью фотодиода, в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, используют газообразную среду, в частности выдыхаемый воздух.

Объект спектрального анализа, содержащий CO и CO₂, может находиться как в открытой атмосфере, так и в герметичном объеме и предназначен для измерения его спектров пропускания в используемом спектральном диапазоне и определения в нем абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂.

В предлагаемом способе в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, используют газовую среду, в частности выдыхаемый воздух.

Для реализации предлагаемого способа предложено устройство для одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂, схема которого представлена на Фиг.1, которое включает следующие основные элементы с указанием их позиций на схеме.

Используемый лазер - перестраиваемый полупроводниковый лазер, позиция на схеме - 3

Предназначен для генерации монохроматического и контролируемым образом перестраиваемого по частоте оптического излучения, длина волны которого лежит в спектральной области, где расположены используемые для анализа линии поглощения CO и CO₂, находящиеся в газообразном состоянии.

Система управления - 4

Предназначена для поддержания заданных параметров системы, синхронизации циклов сканирования спектров, осуществления регистрации спектров и их оцифровки, а также передачи, буферирования, хранения и обработки спектральных данных и выдачи результата измерений.

Система термостабилизации - 5

Предназначена для настройки перестраиваемого полупроводникового лазера на спектральный диапазон, в котором лежат аналитические линии поглощения CO и CO₂, и поддержания с необходимой точностью рабочей температуры лазера и его рабочей длины волны.

Система накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого полупроводникового лазера - 6

Предназначена для генерации тока определенной амплитуды и формы, используемого для накачки перестраиваемого полупроводникового лазера, и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого перестраиваемого полупроводникового лазера посредством изменения амплитудных и временных параметров тока накачки.

Система формирования пространственных характеристик лазерного пучка - 7

Предназначена для коллимации расходящегося излучения перестраиваемого полупроводникового лазера в пучок, пригодный для пропускания через исследуемый объект, и фокусировки на устройство детектирования оптического излучения.

Система детектирования лазерного излучения - 9

Предназначена для выделения в принимаемом модулированном лазерном сигнале радиочастотной составляющей, содержащей информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращения ее в электрический радиочастотный сигнал.

Система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала - 10

Предназначена для предварительного усиления регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды и, если необходимо, для аналогового дифференцирования регистрируемого сигнала.

Система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала - 11

Предназначена для перевода аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, считывания получаемого цифрового сигнала и передачи его в память электронного устройства, предназначенного для накопления и хранения цифровой информации.

Система обработки лазерных спектров пропускания - 12

Предназначена для обработки получаемой информации и расчета спектра коэффициента поглощения в аналитических линиях CO и CO₂ в регистрируемом диапазоне спектра.

Система вывода промежуточных 13 и результирующих 14 данных

Предназначена для вывода и визуализации полученных данных в виде численного значения абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, а также и других промежуточных результатов обработки спектров, кривой на мониторе или экране, отражающей изменения измеряемых величин со временем, и/или в виде файла, содержащего последовательность цифровых данных по абсолютному и относительному содержанию молекул CO и CO₂ в анализируемой среде и другим промежуточным результатам.

Объект спектрального анализа 8, содержащий CO и CO₂, находящийся в открытой атмосфере или в герметичном объеме, снабженном устройствами ввода и вывода излучения и напуска анализируемой среды. Предназначен для измерения его спектров пропускания в используемом спектральном диапазоне и определения в нем абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂.

Предлагаемое устройство для одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂ выполнено:

- с возможностью ввода параметров лазерной аналитической системы и запуска процесса лазерного спектрального анализа - позиция на схеме устройства - 1,

- с возможностью выбора спектральных и частотных характеристик лазерного излучения, с возможностью выбора температурного режима работы используемого лазера, с возможностью выбора параметров сканирования спектров, их регистрации, оцифровки, передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных - позиция на схеме устройства - 2 посредством системы управления 4.

Предлагаемое устройство для одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂ в газообразной среде включает:

- в качестве используемого лазера - перестраиваемый полупроводниковый лазер, выполненный с возможностью генерации монохроматического и контролируемым образом перестраиваемого по частоте оптического излучения, длина волны которого лежит в той спектральной области, в которой расположены используемые для анализа линии поглощения CO и CO₂, находящихся в газообразном состоянии,

- систему управления, выполненную с возможностью поддержания заданных параметров, синхронизации циклов сканирования спектров, осуществления регистрации спектров, их оцифровки, а также с возможностью передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, выдачи результатов измерений,

- систему термостабилизации, выполненную с возможностью настройки используемого лазера на спектральный диапазон, в котором лежат аналитические линии поглощения CO и CO₂, и поддержания с необходимой точностью рабочей температуры используемого лазера и его рабочей длины волны,

- систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, выполненную с возможностью генерации тока определенной амплитуды и формы, используемого для накачки перестраиваемого полупроводникового лазера, и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера посредством изменения амплитудных и временных параметров тока накачки,

- систему формирования пространственных характеристик лазерного пучка, выполненную с возможностью коллимации расходящегося излучения используемого лазера в пучок, пригодный для пропускания через исследуемый объект, и фокусировки на систему детектирования,

- систему детектирования оптического излучения, выполненную с возможностью выделения в принимаемом модулированном лазерном сигнале радиочастотной составляющей, содержащей информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращения ее в электрический радиочастотный сигнал,

- систему предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, выполненную с возможностью предварительного усиления регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды и, в случае необходимости, аналогового дифференцирования регистрируемого сигнала,

- систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, выполненную с возможностью перевода аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, с возможностью считывания получаемого цифрового сигнала и передачи его в память устройства, предназначенного для накопления и хранения цифровой информации,

- систему обработки лазерных спектров пропускания, выполненную с возможностью обработки получаемой информации и расчета спектра коэффициента поглощения в анализируемых линиях CO и CO₂ в регистрируемом диапазоне спектра,

- систему вывода результирующих данных, выполненную с возможностью вывода и визуализации полученных данных абсолютного и относительного содержания молекул CO и CO₂ в анализируемой среде, а также других промежуточных результатов обработки спектров, отражающих изменения измеряемых параметров.

Ввод основных параметров возможен посредством системы управления, которая выполнена с возможностью передачи информации на систему термостабилизации, накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, которая сопряжена с используемым лазером, а также на систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала и систему обработки лазерных спектров пропускания.

Выбор параметров системы также возможен посредством системы управления, с которой сопряжен используемый лазер.

Используемый лазер сопряжен с системой термостабилизации и с системой формирования пространственных характеристик лазерного пучка, с которой последовательно соединены:

- объект спектрального анализа, содержащий CO и CO₂,

- система детектирования лазерного излучения,

- система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала,

- система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала,

- система обработки лазерных спектров пропускания.

Система обработки лазерных спектров пропускания выполнена с возможностью одновременного анализа содержания молекул CO и CO₂ в объекте спектрального анализа с возможностью использования линий поглощения CO и линий поглощения CO₂, попадающих в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым полупроводниковым лазером, а именно с возможностью использования не перекрывающихся с линиями поглощения паров воды линий поглощения линии поглощения P-ветви CO из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 и линий поглощения полосы 20001-01101 CO₂, расположенных в спектральном диапазоне от 2100 см^-1 до 2125 см^-1, с возможностью регистрации спектра пропускания CO и CO₂ посредством перестраиваемого полупроводникового лазера, работающего в данном спектральном диапазоне, с возможностью сканирования оптической частоты лазера в спектральном диапазоне от 1 см^-1 до 10 см^-1, за счет накачки лазера периодически повторяющимися импульсами тока амплитудой от 50 мА до 3000 мА, длительностью от 50 мкс до 10000 мкс и частотой повторения от 20 Гц до 10 кГц, с возможностью пропускания лазерного излучения через многоходовую оптическую кювету, содержащую исследуемую газовую среду, с длиной оптического пути от 1 до 100 метров, с возможностью детектирования прошедшего через анализируемую среду лазерного излучения с помощью фотодиода, с использованием в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂, газообразной среды, а также с возможностью использования выдыхаемого воздуха в качестве объекта спектрального анализа, содержащего CO и CO₂.

Пример одновременного определения концентрации молекул CO и CO₂ в газообразной среде.

Посредством системы управления вводят основные параметры системы, такие как: рабочая температура лазера, ток накачки лазера, режим модуляции оптической частоты лазера, режим регистрации и оцифровки детектируемого сигнала, параметры обработки спектров пропускания, режим вывода и визуализации получаемых результатов. С ее помощью осуществляют также поддержание перечисленных выше заданных параметров системы, поддержание и синхронизацию циклов сканирования спектров, их регистрации, оцифровки, передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных и выдачи результата измерений. Система термостабилизации рабочей температуры используемого в примере лазера - перестраиваемого полупроводникового лазера - представляет собой совокупность электронной системы автоматического управления и термостата, включающего датчики температуры, активный нагревательный элемент и охлаждающий элемент. Вблизи комнатных температур в качестве последних может, например, использоваться электрический холодильник типа Пельте, а при криогенных температурах, например, система на основе заливного азотного криостата. Системой термостабилизации температуру теплообменника, на котором смонтирован лазер, поддерживают около заданного значения, которое зависит от параметров лазера и может лежать в диапазоне температур жидкого азота или комнатных температур. Система накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого полупроводникового лазера представляет собой источник периодически повторяющихся импульсов тока, имеющих определенную частоту повторения, определенную длительность импульсов, определенную амплитуду тока. В качестве лазера используют перестраиваемый полупроводниковый лазер, работающий в данном спектральном диапазоне, с возможностью сканирования оптической частоты лазера в спектральном диапазоне от 1 см^-1 до 10 см^-1, за счет накачки лазера периодически повторяющимися импульсами тока амплитудой от 50 мА до 3000 мА, длительностью от 50 мкс до 10000 мкс и частотой повторения от 20 Гц до 10 кГц.

Накачка такого лазера токовыми импульсами с определенными параметрами позволяет получить перестройку частоты в течение одного импульса, что достаточно для регистрации в одном импульсе двух линий поглощения, одна из которых принадлежит CO, а другая - CO₂.

Для формирования пространственных характеристик лазерного пучка применяют объектив, фокусирующий излучение на чувствительную площадку фотодетектора. Лазерное излучение пропускают через многоходовую оптическую кювету с определенной длиной оптического пути в интервале значений от 1 до 100 метров, снабженную окошками и устройствами напуска анализируемой среды, в которой находится объект спектрального анализа, содержащий молекулы CO и CO₂.

Для детектирования лазерного излучения в указанных в примере диапазонах используют фотодиод с определенным диаметром чувствительной площадки и определенным быстродействием. С его помощью производят регистрацию лазерного излучения, в результате из принимаемого модулированного лазерного сигнала выделяют радиочастотную составляющую, содержащую информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращают в электрический радиочастотный сигнал, затем осуществляют предварительное усиление регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды посредством токового усилителя, выполненного, например, на основе стандартных дифференциальных усилителей.

При необходимости, одновременно с усилением регистрируемого сигнала прои