RU1369489C - Method of determining concentration of gases and vapors - Google Patents

Description

(,4Ь) 15. 12.92. Бюп. № 46(, 4b) 15.12.92. Bump. Number 46

(21)3952955/25(21) 3952955/25

(22)09.07.85(22) 09.07.85

(71)Институт оптики атмосферы СО АН СССР и Сибирский физико-технический институт им. В.Д.Кузнецова при Томском государственном университете(71) Institute of Atmospheric Optics, Siberian Branch of the Academy of Sciences of the USSR and Siberian Physical-Technical Institute named after V.D. Kuznetsova at Tomsk State University

им. В.В.Куйбышеваthem. V.V. Kuybysheva

(72)Ю.В.Кистенев и Ю.Н.Пономарев(72) Yu.V. Kistenev and Yu.N. Ponomarev

(56)Зуев В.Е., Покасов В.В., Пхала- гов Ю.А., Соснин А.В., Хмелевцев С.С. Извести  АН СССР, сер. Физика атмосферы и океанов - 1968, т.А. № 1.(56) Zuev V.E., Pokasov V.V., Pkhalagov Yu.A., Sosnin A.V., Khmelevtsev S.S. Lime of the USSR Academy of Sciences, ser. Physics of the atmosphere and oceans - 1968, T.A. Number 1.

Захаров В.М., Костько O.K. Метеорологическа  лазерна  локаци , - Л.: Гидрометеоиздат, 1977, с.68-73, 79-. 81./Zakharov V.M., Kostko O.K. Meteorological laser location, - L .: Gidrometeoizdat, 1977, p. 68-73, 79-. 81./

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ И ПАРОВ(54) METHOD FOR DETERMINING GAS AND VAPOR CONCENTRATION

(57)Изобретение относитс  к лазерному газовому анализу и может быть использовано дл  контрол  содержани (57) The invention relates to laser gas analysis and can be used to control the content of

газов и паров в газовых смес х и атмосфере . Целью изобретени   вл етс  повышение точности и оперативности определени  концентрации газов и паров . Сущность изобретени  состоит в том, что среду зондируют последовательно двум  импульсами электромагнитного излучени  разной длительности на длине волны линии поглощени  исследуемого газа или пара. По различию в ослаблении этих двух импульсов с помощью соответствующего соотношени  наход т искомую концентрацию газа или пара. За счет использовани  эффектов нестационарности пол ризации среды, про вл ющейс  при зондировании с весьма короткими импульсами электромагнитного излучени , исключаетс  необходимость в измерении поглощени  на разных длинах волн, что позвол ет избавитьс  от погрешностей, св занных с нерезонансными потер ми.gases and vapors in gas mixtures and atmosphere. The aim of the invention is to increase the accuracy and efficiency of determining the concentration of gases and vapors. The essence of the invention is that the medium is probed sequentially with two pulses of electromagnetic radiation of different durations at the wavelength of the absorption line of the test gas or vapor. From the difference in attenuation of these two pulses, the desired concentration of gas or vapor is found using the appropriate ratio. By using the effects of non-stationary polarization of the medium, which is manifested when probing with very short pulses of electromagnetic radiation, the need to measure absorption at different wavelengths is eliminated, which eliminates the errors associated with non-resonant losses.

ьb

бb

(Л(L

соwith

О5O5

соwith

44

СХ)CX)

соwith

Изобретение относитс  к ллчерному г зппому aFtnjm y н может быть исполь- эоп но дл  контрол  содержани  различных газов в газовых сло х и атмо- сфере,FIELD OF THE INVENTION The invention relates to a phpnjm y nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn

Целью изобретени   вл етс  повышение оперативности и точности измерений .The aim of the invention is to increase the efficiency and accuracy of measurements.

Физическа  основа способ-а состоит в том, что пол ризаци  среды, отсутствующа  до прихода импульса электромагнитного излучени , не возникает мгновенно под действием импульса. Поэтому коэффициент резонансного погло- щени  среды в случае прохождени  очень коротких импульсов будет отличатьс  от коэффициента резонансного поглощени  при зондировании более длинным импульсом.The physical basis of the method consists in the fact that polarization of the medium, which is absent before the arrival of a pulse of electromagnetic radiation, does not occur instantly under the action of a pulse. Therefore, the coefficient of resonant absorption of the medium in the case of the passage of very short pulses will differ from the coefficient of resonant absorption when probing with a longer pulse.

Способ заключаетс  п следующем.The method is as follows.

В среДу, содержащую исследуемый газ, посылают импульс оптического излучени  фиксированной частоты, попадающей в контур линии поглощени  ис- следуемого газа. Повторное зондирование выполн ют с помощью импульса оптического излучени  равной интенсивности на той же частоте. При первом и втором зондировании длительности импульсов f, и ij соответственно выбирают различными, исход  из условий ,/ 7г;1ПA medium of a test gas is sent with a pulse of optical radiation of a fixed frequency that falls into the absorption line of the test gas. Re-sensing is performed using an optical pulse of equal intensity at the same frequency. In the first and second soundings, the pulse durations f and ij are respectively chosen different, proceeding from the conditions, / 7g; 1P

N InJlJ/lll.N InJlJ / lll.

.(. е. (. e

- Г (с,- 7/с)- G (s, - 7 / s)

сойГлы(Г,-z/cJJ - )()JjSOYGLY (G, -z / cJJ -) () Jj

где 1, и I. - измеренные интенсивности импульсов излучени  при первом и втором зондировани х соответственно .where 1 and I. are the measured intensities of the radiation pulses during the first and second soundings, respectively.

Технические преимущества изобретени  заключаютс  в том, что не требуетс  перестраивать частоту источника зондирующего излучени  (лазера) или использовать два источника, генерирующих на различных длинах волн. ПриThe technical advantages of the invention are that it is not necessary to tune the frequency of the probe radiation source (laser) or to use two sources generating at different wavelengths. At

этом устран ютс  погрешности, св занные с Яерезонансными потер ми. Кроме того, при реализации способа резко снижаютс  требовани  к ширине пропус- кани  приемника излучени , что приводит к увеличению отношени  сигнал/ /шум, а следовательно, к увеличению точности измерений.This eliminates the errors associated with the resonance loss. In addition, when implementing the method, the requirements for the transmission width of the radiation receiver are sharply reduced, which leads to an increase in the signal / noise ratio and, therefore, to an increase in the measurement accuracy.

rfi + )rfi +)

где ы- разность частоты зондировани  и частоты центра линии поглощени ;where s is the difference between the sounding frequency and the center frequency of the absorption line;

Г - полуширина линии поглощени . Концентрацию газа определ ют по измеренным значени м интенсивности прошедшего через среду излучени . При зондировании более длинным импульсом (длительностью f,) в среде реализуетс  стационарный коэффициент поглощени  К . . В случае зондировани  коротким импульсом 2 поглощение в среде не успевает вырасти до стационарного значени  и определ етс  вы-- ражеиием дл  коэффициента К поглощени  при нecтaциoнapF oм взаимодействии:G is the half-width of the absorption line. The gas concentration is determined from the measured intensities of the radiation transmitted through the medium. When probing with a longer pulse (of duration f,), a stationary absorption coefficient K is realized in the medium. . In the case of probing with a short pulse 2, the absorption in the medium does not have time to grow to a stationary value and is determined by the expression for the absorption coefficient K during unstable interaction:

-г(Т.-г/с)-g (T.-g / s)

К Кстаи,1-е ( i-z/c)J- -(j/rsinC w («,-z/c) ,Kstai, 1st (i-z / c) J- - (j / rsinC w (a, -z / c),

где z - длина зондируемого участкаwhere z is the length of the probed area

среды; с - скорость света.environment; c is the speed of light.

Указанные выражени  вытекают из уравнений Максвелла дл  случа  линейной резонансной поглощающей среды.These expressions follow from Maxwell's equations for the case of a linear resonant absorbing medium.

Зна  сечение поглощени  6 зондируемой линии исследуемого газа, концентрацию N газа определ ют по формулеGiven the absorption cross section 6 of the probed line of the test gas, the concentration of N gas is determined by the formula

55

g g

00

Claims (1)

Формула изобретени The claims Способ определени  концентрации газов и паров, включающий зондирование среды импульсом электромагнитного излучени  с частотой, принадлежащей интервалу частот контура аналитической линии поглощени , измерение интенсивности прошедшего через среду импульса электромагнитного излучени , повторное зондирование импульсом электромагнитного излучени , интенсивность которого равна интенсивности при первом зондировании, и измерение интенсивности прошедш та через среду импульсов электромагнитного излучени , отличающийс  тем, что, с целью повышени  оперативности и точности измерений, частоту электромагнитного излучени  при повторном зондировани  выбирают равной частоте при первом зондировании, длительность зондирующих импульсоп выбирают из условий:A method for determining the concentration of gases and vapors, including sounding the medium with an electromagnetic pulse with a frequency belonging to the frequency range of the analytic absorption line, measuring the intensity of the electromagnetic pulse transmitted through the medium, re-sensing the electromagnetic pulse with an intensity equal to the intensity during the first sounding, and measuring the intensity passed through a medium of pulses of electromagnetic radiation, characterized in that, for the purpose To increase the efficiency and accuracy of measurements, the frequency of electromagnetic radiation during re-sounding is chosen equal to the frequency during the first sounding, the duration of the probe pulses is selected from the conditions: С./WITH./ , 10,, 10, 77 11 ГУи(лы/Г) где С и Oj - длительности при первом и GUi (ly / G) where C and Oj are the durations at the first and ц lQ iIl/IlL q lQ iIl / IlL гбе- - ч-г . {созГли,(Г,-г/с)- -f (gbe - - h-g. {szGli, (G, -g / s) - -f ( I, и Ij измеренные интенсивности прошедших импульсов излучени  при первом и втором зондировани х соответственно;I, and Ij are the measured intensities of transmitted radiation pulses during the first and second soundings, respectively; аонлнропании соответственно;onlnropania accordingly; 4u разность частот зондирующего излучени  и центра аналитической линии поглощени ; Г - полуширина аналитической линии поглощени , концентрацию N исследуемого газа и пара определ ют по соотношению4u frequency difference between the probe radiation and the center of the analytical absorption line; G is the half-width of the analytical absorption line, the concentration N of the test gas and steam is determined by the ratio ( - сечение поглощени  на аналитической линии;(is the absorption cross section on the analytical line; с - скорость света;c is the speed of light; Z - длина зондируемого участка газовой среды.Z is the length of the probed portion of the gaseous medium.