Устройство для измерения газового состава атмосферы

Устройство для измерения газового состава атмосферы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

G 01 N 21/17

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ.

ГАЗОВОГО СОСТАВА АТМОСФЕРЫ оптическим зондированием, включающее лазер с резонатором и оптическую приемную систему, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и надежности измерений газовых характеристик, резонатор лазера выполнен в виде двух мноГоходовых кювет с оптическим перей1Фочателем, причем ор.на из них заполнена газовым составом, аналогичным составу атмосферы, а другая таким же составом без из меряемого в атмосфере компонента, ГОСУДАРСТВ Е Н НОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 2607348/25 (22) 24.04.78 (46) 07,01.93. Бюл. Р 1 (71) Институт оптики атмосферы

СО АН СССР (72) А,П.Годлевский и Ю.Д.Копытин (53) 543.422 (088.8) (56) Зуев B,E. "Лазер-метеоролог".

Л,: Гидрометеоиздат, 1974, с.28-32.

Патент США М 3788742, кл, С; 01 N 21/00,".опубл; - 1974„

Изобретение относится к области лазерной локации и может быть применено в метеорологии при измерении состава атмосферы в вертикальном и горизонтальном профиле, а также для контроля газового состояния атмосферы.

Известны устройства для контроля газового состояния атмосферы, основанные на измерении резонансного рас сеяния относительно молекулярного или аэрозольного.

Недостатком известных устройств для анализа газового состава атмосфе-; ры является недостаточная точность и надежность в определении газовых компонентов. Это обусловлено большими техническими трудностями, связанными с необходимостью высокой стабилизации частоты излучения лазера, настроенного на частоту спектральной линии газа атмосферы.

„„Я3„„717981 А1

Ввиду изменчивости спектрального состава за счет загрязняющих raзов нет гарантии, что рассеяние опорного излучения лазера обусловлено только молекулярным или аэрозольным рассеянием, т.е. излучение"может не попасть в спектральное "окно" прозрачности атмосферы.

Известно также устройство для измерения газовых характеристик атмосферы оптическим зондированием, включающее лазер и оптическую приемную систему. В устройстве установлены два лазера, изменяющие длины волн, одна из которых совпадает со спектральной линией исследуемого газа, а другая не совпадает. Сравнивая расстояния излучения от обоих лазеров, определяют газовый состав атмосферы.

717981

Настройка частоты излучения лазера на спектральную г(инию и.в "ок но" прозрачности производится при помощи дисперсионных элементов, помещенных в резонатор лазера, à также эа счет сдвига линий в магнитном поле. Возможен подбор типа лазера, час-, тота которого совпадает с частотой линий поглощения. 10

В известном устройстве изменение состава атмосферы технически сложно в связи с большими трудностями стабилизации частоты и выбора "окон" прозрачности для излучения опорного лазера.

Цель изобретения - повышение точности и надежности измерений газовых характеристик, Достигается это тем, что в устрой- 20 стве для измерения газового состава атмосферы оптическим зондированием, включающем лазер с резонатором и оптическую приемную систему, резонатор лазера выполнен в виде двух многоходовых кювет с оптическим переключателем, причем одна из кювет заполнена газовым составом, аналогичным составу атмосферы, а другаятаким же составом без измеряемого 30 в атмосфере компонента.

На чертеже показано предлагаемое устройство.

Устройство содержит две многоходовые герметические кюветы 1 и 2, которые помещены в резонатор лазера.

На оптической оси кювет 1, 2 расположены оптический переключатель

3, активный элемент, например рубин

4, полупрозрачное зеркало 5 Опор- 40 ный сигнал, направляемый в атмосферу, отводится пластинкой 6 и направляется на Фотоприемник 7. Рассеянное излучение улавливается линзой 8 и фотоприемником 9, Сигнал от Фотопри- 45 емников 7 и 9 измеряется измерителем отношений 10, Устройство работает следующим образом.

В процессе зондирования газового состава атмосферы генерации попеременно от импульса к импульсу осуществляются на резонаторе, образованном многоходовой кюветой 1 или 2 и выходным зеркалом 5. Переключенйе

° /

I на соответствующии резонатор осуществляется оптическим переключателем 3.

Кювета 1 заполняется газом, включающим те молекулы rasa, которые необходимо определить. В этом случае при генерации на резонаторе с кюветой 1 за счет резонансного поглощения спектральной линией молекулами исследуемого газа находится в кювете 1, в спектре излучения лазера образуется "провал", обусловленный гашением генерации на частоте линии поглощения. Подбором концентрации поглощающего и постороннего газа и длины кюветы можно добиться полного гашения генерации по всему контуру спектральной линии, при этом энергия генерации перекачивается в область, где отсутствует селективное поглощение.

Кювета 2 заполняется также атмосферой, но в этом случае в кювете отсутствуют молекулы, наличие и состав которых необходимо определить.

При зондировании газового состава атмосферы опорный сигнал от фотоприемника 7 сравнивается с рассеянным излучением, улавливаемым линзой 8 и выдаваемым фотоприемником 9. На линзу 8 попеременно поступает рассеянное излучение от импульсов с "провалом" в спектре излучения и без.

Отношение мощностей этих импульсов будет иметь вид е

5 K„(Q) - И

Р ра =

I Кий)1

0 где Кц(1), K>(0) — контуры линии излучения и поглощения;

- плотность исследуемого газа;

- расстояние, пройденное рассеянным излучением, Количественное содержание газа, который исследуют в атмосфере, оп«ределяют по отношению энергий рассеянного атмосферного излучения лазера при генерации, когда резонатор образован кюветой беэ поглощающего газа, к энергии рассеянного излучения, при генерации, когда в резонатор помещен исследуемый газ, количество которого необходимо определить. Причем оптическая толща исследуемого газа в резонаторе такова, что генерация на линии не происходит, в связи

5 71 с чем излучение в атмосфере не испытывает резонансного поглощения, Величина этого поглощения зависит от величины поглощенной энергии спектральной линией исследуемого rasa в атмосфере при прохождении рассеянного излучения (при генерации, ког" да в резонаторе отсутствует исследуемый газ) для исключения неточностей в измерении, зависящих от нестабильности энергии генерации лазера от импульса к импульсу. Указанное отношение сравнивается с опорным сигналом, который отводящей пластиной

6, подается на фотоприемник 7 и измеритель отношений 10.

При измерении газового состава, когда спектральная ширина посылаемых импульсов много меньше ширины

7981 6 линии поглощения и газовый состав определяется ho отношению сигналов на линии и вне ее, точность определения газового состава зависит от воспроизводимости частоты используемого лазера. Так, например, при сме" щении частоты лазера на О, 1 см коэффициент поглощения линии К() изменяется в 10 раз. На высоте 16 км при смещении на 0,1 см изменяется К()) в 100 раз.

Устройство может найти широков

15 примвнение при зондировании атмосферы с целью определения промышленных загрязнений, в метеорологии и в различных отраслях промышленности, где необходим дистанционный контроль о эа вредными газовыми примесями. Редактор О.филиппова Техрел И,Иоргентал Корректор Л.филь

° » юююмею мамае юиавю маею е Ье

Заказ 1083 . Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

ЮФ производственно-издательский комбинат ".Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101,