Содержание к диссертации
Введение
1. Современные спектроскопические методы измерения концентраций малых газовых составляющих .
1.1. Методы регистрации газовых примесей 12
1.2. Особенности метода диодной лазерной спектроскопии 16
1.3. Использование методов диодной лазерной спектроскопии для измерения концентраций парниковых газов с мобильных платформ 18
Выводы 22
2. Метод определения концентраций парниковых газов с помощью перестраиваемых диодных лазеров 23
2.1. Модельные расчеты спектров поглощения парниковых газов в тропосфере 23
2.2. Моделирование высотных профилей поглощения по методу «Line by-line» 27
2.3. Особенности функционирования перестраиваемого диодного лазера 36
2.4. Фотоприемники для системы регистрации парниковых газов 40
2.5. Чувствительность ДЛ-спектрометра
2.5.1. Шумы фотоприемников 44
2.5.2. Шумы диодных лазеров 46
2.5.3. Шумы оптического тракта спектрометра 48
2.6. Анализ характеристик спектрометра в зависимости от времени накопления сигнала 50
2.7. Метод определения концентраций малых газовых составляющих
Выводы 54
3. Разработка самолетного спектрометра на основе перестраиваемых диодных лазеров 55
3.1. Функциональная схема спектрометра 55
3.2 Состав блока диодных лазеров 56
3.2.1. Электроника по управлению диодными лазерами
3.2.2. Фотоприемники 65
3.2.3. Волоконно-оптические элементы 65
3.2.4. Реперные кюветы 66
3.2.5. Диодные лазеры 67
3.3. Состав кюветного блока 68
3.3.1. Компьютерная станция для обработки и получения данных 68
3.3.2. Электрическое питание ДЛ-спектрометра 68
3.3.3. Система стабилизации давления в аналитической кювете 69
3.3.4. Многопроходная кювета 70
3.4. Внешние и внутренние соединения блоков ДЛ-спектрометра 72
3.4.1. Соединения внутри кюветного блока спектрометра 72
3.4.2. Соединения внутри электронного блока спектрометра 73
3.4.3. Внешние соединения
3.5. Схема расположения спектрометра на борту самолета 76
3.6. Массогабаритные характеристики спектрометра 79
3.7. Амортизация прибора в стойке 79
Выводы 80
4. Алгоритм измерений и программное обеспечение 82
4.1. Принцип записи данных о спектральных линиях 82
4.1.1.Алгоритм регистрации 82
4.1.2. Режим временного мультиплексирования трехканальной системы 85
4.2. Программа управления ДЛ-спектрометром 88
4.2.1.Программа контроля работы спектрометра и получения данных о концентрациях 88
4.2.2. Программа измерения шумовых характеристик спектрометра 92
4.3. Передача данных от спектрометра на бортовой информационно вычислительный комплекс (БИВК) 93
Выводы 95
5. Испытания и проверка работоспособности самолетного спектрометра 96
5.1. Лабораторные исследования параметров аналитических спектральных линий некоторых парниковых газов 96
5.2. Натурные испытания спектрометра 104
5.3. Проверка работоспособности спектрометра при различных условиях эксплуатации 107
5.4. Наземные испытания ДЛ-спектрометра 109
5.4.1. Калибровочные лабораторные испытания ДЛ спектрометра 109
5.4.2. Наземные испытания спектрометра в составе самолета лаборатории ЯК-42Д 112
5.5. Первые результаты летных испытаний ДЛ спектрометра 115
Выводы 119
Заключение 120
Приложения
- Использование методов диодной лазерной спектроскопии для измерения концентраций парниковых газов с мобильных платформ
- Особенности функционирования перестраиваемого диодного лазера
- Компьютерная станция для обработки и получения данных
- Калибровочные лабораторные испытания ДЛ спектрометра
Введение к работе
Актуальность работы. Первой попыткой использования диодных лазеров для газового анализа атмосферы принято считать работу, опубликованную в 1974 году Хинкли. Впервые, отечественные работы по применению методов диодной лазерной спектроскопии для высокочувствительного газоанализа и исследования состава атмосферы проводились в 70-80 г. г. в Центральной Аэрологической Обсерватории. За прошедшие годы были разработаны и успешно апробированы методы диодной лазерной спектроскопии для контроля содержания окиси углерода, хлорфторуглеродов (ХФУ-11, ХФУ-12), метилхлороформа и ряда других примесей в атмосфере. Работы по этому направлению проводились ЦАО в содружестве с коллективами ученых Академии наук СССР. В упомянутых работах дается описание трассового газоанализатора окиси углерода на основе перестраиваемых по частоте полупроводниковых лазеров, современное название которых - диодные. Созданный в ходе совместных работ прибор являлся первым отечественным спектрометром для измерения концентраций угарного газа в оперативном режиме на основе перестраиваемых диодных лазеров.
Главным достоинством диодных лазеров (ДЛ) по сравнению с другими лазерными источниками излучения является возможность широкодиапазонной перестройки частоты излучения ДЛ простыми аппаратными средствами. Частоту излучения ДЛ можно изменять в достаточно широких пределах (~100 см" ) с помощью изменения рабочей температуры лазера. Важными преимуществами диодных лазеров в сравнении с другими типами лазеров являются: малые размеры, большой диапазон длин волн и относительно малая себестоимость. За счет узкой ширины линии генерации диодного лазера возможно сканирование слабых линий поглощения основных парниковых газов в большом (около 104) динамическом диапазоне. При работе в лаборатории, по величине коэффициента полезного действия и диапазону перестройки, с диодными лазерами могут сравниться лазеры на красителях, однако использование их в полевых условиях, в том числе на мобильных платформах крайне неудобно.
Развивая метод измерения концентраций малых газовых примесей в атмосфере, в том числе парниковых газов и их изотопов с помощью диодных лазеров с улучшенными качественными и количественными характеристиками, в данной работе был разработан метод и реализован экспериментальный образец спектрометра, предназначенного для использования на самолете-лаборатории. Создание самолета-лаборатории началось в 2009 году в
авиационном конструкторском бюро «Экспериментальный
машиностроительный завод им. В.М. Мясищева» по заказу Росгидромета на базе пассажирского лайнера ЯК-42Д. В составе научного оборудования самолета-лаборатории имеется комплекс приборов для измерений газового и аэрозольного состава атмосферы. Одним из таких приборов является экспериментальный образец спектрометра на основе перестраиваемых диодных лазеров, разработанный в данной диссертационной работе. Спектрометр предназначен для систематических измерений в атмосфере фоновых концентраций метана, углекислого газа, водяного пара и его изотопов в реальном масштабе времени. В качестве источников излучения в спектрометре используются перестраиваемые диодные лазеры с распределенной обратной связью и волоконным выводом излучения, работающие в ближней ИК области. Выбор в качестве источников излучения диодных лазеров объясняется их простотой в эксплуатации, малыми размерами и долговечностью. Помимо этого, применяемые в спектрометре современные диодные лазеры, имеют узкую ширину линии генерации (2-3 МГц), обеспечивающую высокое разрешение при измерениях спектрального поглощения различных газов. Методы диодной лазерной спектроскопии, обладающие высоким разрешением и большим динамическим диапазоном измерений (от 1 до 15000 ррт), в настоящее время находят все большее применение в измерениях концентраций парниковых газов. Важным аспектом, который дает преимущество лазерным методам исследования парниковых газов, является то, что измерения с помощью диодных лазеров не требуют какой-либо предварительной подготовки образцов воздушных проб, позволяя проводить измерения оперативно, в режиме реального времени.
Необходимость создания современного самолетного лазерного спектрометра, обеспечивающего в реальном масштабе времени измерения содержания С02, СН4, Н20 в тропосфере на уровне фоновых концентраций газов определяет актуальность настоящей работы.
Целью работы является разработка и изготовление экспериментального образца спектрометра, предназначенного для установки на самолете-лаборатории в качестве штатной аппаратуры, изготовленного на основе диодных лазеров ближнего ИК-диапазона для измерения в реальном масштабе времени концентраций С02, СН4, Н20 и их изотопов.
Для достижения цели работы необходимо было решить следующие задачи:
-
Адаптировать метод диодной лазерной спектроскопии применительно к самолетным измерениям и обосновать его применение для определения концентраций метана, углекислого газа, водяного пара и его изотопов.
-
На основе моделирования спектров поглощения исследуемых газов определить минимальные уровни измеряемых концентраций, выбрать типы диодных лазеров, обосновать выбор спектральных аналитических линий и определить оптимальную схему измерений с борта самолета-лаборатории.
-
Разработать структурную схему спектрометра, определить основные технические характеристики элементов прибора.
-
Провести тестовые измерения концентраций парниковых газов в атмосфере в лабораторных и полевых условиях.
-
Провести тестовые измерения высотных профилей концентраций парниковых газов в ходе экспериментального полета самолета-лаборатории ЯК-42Д «Росгидромет».
Научная новизна работы.
-
Впервые, на основе метода диодной лазерной спектроскопии, разработан и изготовлен самолетный спектрометр, предназначенный для определения высотных профилей концентраций малых газовых примесей в атмосфере с борта исследовательского самолета-лаборатории.
-
Экспериментальный образец спектрометра установлен на борт самолета-лаборатории ЯК-42Д «Росгидромет» в качестве штатного средства измерений концентраций парниковых газов и их изотопов в атмосфере.
-
Разработан пакет программ обработки данных спектрометра для обеспечения оперативных самолетных наблюдений парниковых газов.
-
С помощью диодного лазерного спектрометра проведены экспериментальные исследования спектров поглощения водяного пара, позволившие уточнить значения интенсивности, полуширины и величины сдвига линий поглощения водяного пара относительно спектроскопической базы данных HITRAN в области длины волны 1.39 мкм.
-
В ходе тестовых испытаний самолета-лаборатории ЯК-42Д «Росгидромет» получены высотные профили концентраций метана и водяного пара на высотах полета до 9500 метров в атмосфере.
Практическая ценность работы заключается в том, что созданный образец спектрометра внедрен в качестве штатной аппаратуры в составе научного оборудования самолета-лаборатории ЯК-42Д «Росгидромет». Разработанная методика самолетных измерений парниковых газов в атмосфере с помощью спектрометра и разработанная техническая документация прибора являются частью руководства по эксплуатации научного оборудования самолета-лаборатории. Результаты диссертации могут быть полезны для оценки влияния выбросов парниковых газов на радиационный баланс в атмосфере. Для этой цели планируется применять разработанные метод и аппаратуру для измерений содержания парниковых газов и их изотопов в атмосфере с помощью различных мобильных платформ (самолет-лаборатория, аэростат, автомобиль и др.). Результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке спектрометров на основе диодных лазеров для измерения концентраций других малых газовых составляющих атмосферы.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты моделирования спектров поглощения парниковых газов, проведенного с целью выбора оптимальных условий для их измерения с борта самолета-лаборатории.
-
Метод измерений концентраций парниковых газов и их изотопов в реальном масштабе времени, реализованный с борта самолета с помощью спектрометра на основе перестраиваемых диодных лазеров в ближнем инфракрасном диапазоне.
-
Оценки значений минимально обнаружимых концентраций углекислого газа, метана, водяного пара и их изотопов в атмосфере с помощью диодного лазерного спектрометра.
-
Структурная схема самолетного спектрометра, в том числе система отбора воздушных проб, программа получения и обработки спектров.
Использование результатов работы:
-
С помощью изготовленного прибора были проведены тестовые измерения концентрации водяного пара в приземном слое атмосферы вблизи автотрасс в Москве и Московской области. Спектрометр был установлен на крыше движущегося легкового автомобиля.
-
Экспериментальный образец спектрометра использовался для измерений концентраций парниковых газов (Н20, С02, СН4) на различных высотах в
тропосфере при проведении летных испытаний самолета-лаборатории Як-42Д «Росгидромет».
Достоверность полученных в диссертации результатов исследований подтверждается сопоставлением результатов измерений с данными, полученными с помощью серийных аттестованных зарубежных газоанализаторов, в том числе самолетных, и калибровкой созданного спектрометра с помощью поверочных газовых смесей. Разработанный метод измерений малых газовых примесей в атмосфере обоснован теоретически с использованием современной базы спектроскопических данных и апробирован в тестовых измерениях концентраций парниковых газов в атмосфере.
Личный вклад автора.
Автор принимал участие на всех этапах работы по созданию самолетного спектрометра, в том числе в постановке задачи, теоретическому обоснованию метода, разработке основных элементов конструкции спектрометра, в проведении наземных и летных испытаний спектрометра в составе самолета лаборатории Як-42Д «Росгидромет» и в интерпретации полученных результатов. Основные результаты диссертационной работы получены автором лично. Автором были проведены все расчеты, связанные с анализом используемых данных наблюдений и модельных результатов. Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на международных и всероссийских научных конференциях, семинарах и симпозиумах, список которых приведен в конце автореферата. Изготовленный экспериментальный образец спектрометра прошел предполетную аттестацию, подтвердил основные технические характеристики в самолетных измерениях концентраций парниковых газов на различных высотах в тропосфере в рамках программы летных испытаний самолета-лаборатории ЯК-42Д «Росгидромет».
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано 18 работ, включая две статьи из перечня изданий, рекомендованных ВАК, 16 в докладах, опубликованных в трудах международных и всероссийских научных и технических конференций.
Структура и объем диссертации.
Использование методов диодной лазерной спектроскопии для измерения концентраций парниковых газов с мобильных платформ
Нужно отметить, что модель Фойгта описания контура спектральной линии достаточно грубая, поскольку объединяет процессы ударного и доплеровского уширения по определению процедуры свертки линии как статистически независимые. Таким образом, эта модель не может описывать такие явления как сужения Дикке линии из-за упругих столкновений, зависимости ударной ширины от скорости взаимодействующих частиц, расщепление линии из-за эффекта ветра и так далее. При низких давлениях, когда молекулы движутся без столкновений, контур линии определяется распределением Максвелла молекул по скоростям, а его ширина - средней тепловой скоростью молекул.
Профиль Фойгта, является всего лишь приближением, поэтому эффектом сужения линии, также известным как эффект Дикке, в случае использования этого профиля пренебрегают [53].
Одной из моделей, принимающей во внимания эффект сужения Дикке, является модель контура Раутиана-Собельмана[54]. Эта модель одновременно принимает во внимание эффекты допплеровского уширения, сужения Дикке и столкновительного уширения. В модели Раутиана-Собельмана считается, что масса двигающейся молекулы намного больше массы возбуждаемой молекулы. По этой причине, описанная модель называется моделью жестких столкновений. Этот контур может быть выражен как: Kr.s(x,y,z,A) = A-Re[ Д(х У + г) ],гдеЩа,/3) = --1ехр( dt,z = Jb2-&-(l0) l-Jn-z-W(x,y + z) n a+i-p Yd где, A, y, x такие же как в уравнение (9), z- дополнительный параметр, описывающий эффект сужения Дикке, Д- коэффициент столкновительного уширения.
В основном, в процессе наземной калибровки спектрометра, использовались модели подгонки контуров Раутиана-Собельмана и Фойгта.
Однако, возможно, что для повышения точности измерений потребуются более сложные модели контура, учитывающие большее количество варьируемых подгоночных параметров. К сожалению, в таком случае увеличатся временные затраты на обработку получаемых спектров, что нежелательно, так как основными достоинствами создаваемого прибора являются быстродействие и оперативность получения данных в режиме реального времени. Связь между плотностью молекул, давлением и температурой в первом приближении задается уравнением идеального газа. Таким образом, на основании измеренного спектра поглощения молекулы, при известных параметрах аналитической линии, давлении и температуры газовой смеси в аналитической кювете, а также длине кюветы, можно определить концентрацию газа.
При выборе аналитической линии, на которой будут проводиться измерения концентрации газа, основными критериями, предъявляемыми к ней, являются значительная интенсивность и отсутствие интерференции с линиями поглощения основных составляющих атмосферы. Процедура моделирования оптических плотностей, с целью выбора рабочих линий поглощения, выполнялась по методу «Line-by-Line», реализованному в среде графического программирования Lab View 8.6. Процедура «Line-by-Line» заключается в том, что каждое значение коэффициента поглощения является суммой вкладов каждой линии поглощения, находящейся в рассматриваемом спектральном диапазоне, который в данной работе простирался от 1.3 до 1.7 мкм. В разработанной программе имеется возможность осуществлять подгонку спектра в заранее известной области перестройки диодного лазера (около 2см"1) используя контура Лоренца, Фойгта и Раутиана-Собельмана. Возможности разработанной программы позволяют проводить подгонку спектральных линий одновременно и определять следующие спектроскопические параметры: частотный сдвиг линии, её уширение, интенсивность, коэффициент сужения Дикке. В основе моделирования лежит модель стандартной атмосферы США[55]. Стандартная атмосфера это условная атмосфера, для которой давление и температура на уровне поверхности моря, градиент температуры и другие значения были выбраны намеренно так, чтобы получить схематичную модель атмосферы, которая наилучшим образом согласуется со средними значениями ее параметров, наблюдаемыми на средних широтах.
Моделирование спектров поглощения и оптических плотностей измеряемых газов необходимо для выбора оптимальных параметров функционирования спектрометра. По результатам предварительного моделирования определяется оптимальное рабочее давление и температура в аналитической кювете, с учетом особенностей проведения эксперимента, реализуемых при работе ДЛ-спектрометра на борту самолета-лаборатории. Например, возможны исследовательские полеты, при которых есть необходимость с высокой точностью сотен единиц ррш измерять концентрации изотопов водяного пара, не обращая внимания на определение концентраций метана и углекислого газа. По итогам предварительных расчетов выбирались оптимальные аналитические линии поглощения для определения концентрации каждого из измеряемых газов и их изотопов. Кроме этого, по итогам моделирования делались предложения о возможности измерения методами диодной лазерной спектроскопии тех или иных парниковых газов и их изотопов на различных высотах полета самолета-лаборатории.
В рамках поставленной задачи, моделирование оптических плотностей проводилось для метана, углекислого газа и водяного пара. На рис. 1 представлены зависимости концентраций измеряемых парниковых газов от высоты полета самолета-лаборатории и максимальные высоты полета самолетов, имеющихся в настоящее время в распоряжении ЦАО (1-ЯК-42Д, 2-М55) [56]. Данные о забортном давлении и температуре, показанные на рис.2, и данные о концентрациях парниковых газов, использовались для изучения возможности измерения концентрации того или иного газа в выбранном спектральном диапазоне.
Особенности функционирования перестраиваемого диодного лазера
Для простоты рассмотрим диодный лазер, который генерирует одновременно две моды. В этом случае наличие источника шума приводит к перераспределению интенсивности излучения между модами, при сохранении общей интенсивности излучения. Вопросы описания шумов лазерного излучения были рассмотрены на заре лазерной физики. В общем виде описание доступно в [64]. Эти описания базируются на трех основных моделях, соответствующих приведенной выше классификации:
Известно, что наличие шумов связано с квантовой природой света, вызванной присутствием спонтанного излучения. Детальное описание этого процесса, а также расчет величины шумов, связанных с этим механизмом, подробно изложены в существующей литературе [см. например,68] и требуют специального рассмотрения, которое не входит в рамки данной диссертации. Однако понимание данного механизма и его общие свойства могут быть получены из рассмотрения достаточно простой модели. Вероятность излучательного перехода состоит из двух частей: вынужденной и спонтанной. Вынужденное испускание света происходит в том же направлении и с той же фазой, и частотой, что и присутствующее в среде излучение его вызывающее. Спонтанное испускание происходит в случайном направлении и со случайной фазой. Вероятность вынужденного процесса пропорциональна интенсивности присутствующего излучения, а вероятность спонтанного есть величина постоянная. Данная модель позволяет понять несколько классических эффектов. Среди них, обратно пропорциональная зависимость ширины спектра генерации лазера от интенсивности его излучения. Отсюда же следует, что величина шумов интенсивности диодного лазера, обусловленная спонтанным излучением, не зависит от мощности излучения, т.е. не зависит от превышения над порогом.
Определенную роль в ограничении чувствительности ДЛС может играть оптический тракт. При прохождении лазерного излучения через оптический тракт происходит его отражение и рассеяние от элементов конструкции. При этом возникает интерференция между различными пучками, а попадание части отраженного или рассеянного излучения обратно в активную область лазера приводит к образованию оптической обратной связи. Опыт изготовления подобных приборов показывает, что за счет оптимизации конструкции (отсутствие поверхностей, перпендикулярных лазерному пучку, правильный выбор размеров и расположения элементов и т.д.), правильной юстировки системы, выбора режима работы лазера и алгоритма обработки нежелательное влияние этих эффектов может быть практически исключено.
Принципиальное ограничение любой оптической системы в первую очередь связано с тепловыми шумами фотоприемника, которые характеризуются его обнаружительной способностью D (см. формулу 11). Величина =5 1012 Гц12 см/Вт является обнаружительной способностью фотоприёмника, используемого для детектирования излучения в аналитической кювете. Тепловой шум фотоприемника является белым, а его спектральная плотность для указанной величины D и площади приемника 4 10"2 см2 составляет величину 4 10"12 Вт Гц ш. Это означает, что минимально обнаружимая мощность, которую может зарегистрировать такой фотоприемник из-за теплового шума, составляет „„=4 10-12 74 (25), где Ц/ ширина полосы, в Гц. При интенсивном освещении фотоприемника (режим большого сигнала) шумы тока, протекающего через фотоприемник определяются дробовым шумом, который также имеет белый спектр, и (Ді2) = 2«Д/, где /- ток, текущий через освещенный фотоприемник, величина которого определяется мощностью падающего излучения с учетом чувствительности фотоприемника, составляющей обычно порядка 1 А/Вт. Вследствие дробового шума, фотоприемник, на который падает излучение мощности Р, может зарегистрировать минимально обнаружимое изменение падающей на него мощности: АРдршум = 2 \0-ІОЩг(2б)
Сравнение мощностей Ртепл. шум и РдР. шум. позволяет сделать вывод, что при использовании фотоприемников с обычными параметрами, при мощности регистрирующего излучения менее 10 мкВт, основным является тепловой шум. При большей мощности определяющим является дробовой шум, величина которого возрастает пропорционально -Jp.
Наконец, при дальнейшем увеличении мощности, падающей на фотоприемник, основным становится шум, пропорциональный мощности, который связан с шумовыми свойствами излучения ДЛ. Положим, что средняя мощность в рабочей моде излучения лазера спектральной ширины порядка 2 см"1 составляет более 30 % от всей мощности генерирующей ДЛ, и составляет величину порядка 2-4 мВт. В таком случае, регистрируемая фотоприемником мощность лазерного излучения, прошедшего через кювету с газом в аналитическом канале, будет на несколько порядков превышать предельную величину, связанную с появлением дробового шума.
Компьютерная станция для обработки и получения данных
Для включения в режим измерений стабилизатора давления El-press, на него подается питание от блока питания типа БПС 15-0.35. Передача данных на компьютерную станцию о значениях давления на входе в аналитическую кювету и дополнительная настройка стабилизатора осуществляются посредством кабеля с выходными разъемами RS-232. 3.4.2. Соединения внутри электронного блока спектрометра Внутренние соединения этого блока состоят из двух типов: электрические и волоконные. Среди волоконных, это: 3 разветвителя, соответствующие трем измеряемым газам, обеспечивающие направление одной части излучения диодного лазера в реперные канала, а второй части в аналитический; 2 объединителя, среди которых, 1-ый - сводит в одно волокно излучение лазеров СИ» и С02, а второй объединяет получившееся излучение с излучением лазера Н20. Среди электрических соединений: 3 соединения блоков питания БПН-12 [81] с генераторами шума диодных лазеров и 3 провода подсоединения блоков питания БПН-12 к розетке самолетного питания типа 2РМТ.
Единственным волоконным соединением между блоками ДЛ-спектрометра является волоконный удлинитель длиной 2 метра. Он осуществляет направление общего излучения трех лазеров на вход аналитической кюветы, расположенной в кюветном блоке.
Для обмена информацией между электронным модулем и компьютерной станцией используются 3 шлейфа. Каждый шлейф соответствует измеряемому парниковому газу. Тип шлейфа- RC68-68, длина -1 метр. Для передачи сигнала с фотоприемника аналитического канала на электронику, управляющую диодными лазерами, используется 7-ми жильный кабель. Для связи ДЛ-спектрометра с БИВК предусматривается подвод в кюветный блок кабеля типа Ethernet и настройка компьютерной станции в локальной компьютерной сети самолета-лаборатории. Кроме этого, из кюветного блока выходят к столу оператора провода от клавиатуры, монитора оператора и мыши.
Воздушные соединения обеспечивают непрерывную подачу воздуха в аналитическую кювету. Фотография задней панели кюветного модуля с указанием мест стыковки трубок, изготовленных из нержавеющей стали, принадлежащих системе пробоподготовки представлена ниже:
Схема размещения ДЛ-спектрометра на борту самолета разрабатывалась в рамках совместных работ специалистов ФГБУ ЦАО, ИОФ РАН и КБ Мясищева. В ходе мероприятий было решено две основные задачи: размещение модулей спектрометра в стойке и организация стыковки системы пробоподготовки с ДЛ-спектрометром. Общая схема размещения прибора с системой пробоотбора представлена на рисунке:
Одной из основных проблем при использовании спектрометра в составе самолета лаборатории является правильная организация забора воздушных проб из-за борта самолета. При организации отбора необходимо избежать конденсации водяного пара на стенках воздушной магистрали. Для осуществления забора проб было спроектировано и изготовлено воздухозаборное устройство, обеспечивающее направление воздуха без изменения его газового состава к телекоммуникационной стойке аппаратно-программного комплекса (АПК) АПК-2, в состав которой входит ДЛ-спектрометр.
Отбор воздуха производится за пределами пограничного слоя обтекания фюзеляжа самолета. Запирание - отпирание каналов осуществляется на входе воздухозаборника.
Управление работой воздухозаборника (переключение состояний "открыт -закрыт" и "нагрев") обеспечивается дистанционно из салона самолета как в автоматическом режиме (соответственно, от дифференциального реле давления и температурного реле), так и в ручном принудительном режиме. Воздухозаборник является универсальным для многих типов газов и имеет канал со стенками из негигроскопичной нержавеющей стали и каналы из химически пассивных материалов (тефлона), не влияющие на концентрации других газовых компонентов. Все каналы воздухозаборника имеют обогрев. Выходные фитинги воздухозаборника соответствуют входным фитингам газоанализаторов АПК-2. Направление забора воздуха осуществляется в след убегающему потоку. Воздухозаборное устройство установлено по левому борту между шпангоутами 17-18 и стрингерами 13-14. На внешней поверхности установлена поворотная крышка, служащая для защиты ВЗУ от внешних воздействий.
Прокачка воздуха через аналитическую кювету осуществляется безмаслянным спиральным насосом Anest Iwata ISP-90 (см. приложение 7). Он обеспечивает предельный вакуум 50 мБар, скорость откачки 80 л/мин, имеет входной фланец типа KF25, выходной фланец типа KF16. Насос ISP-90, закрепляется на амортизационной платформе и устанавливается по левому борту в багажном отсеке передней части фюзеляжа в районе шпангоутов 17-18 и управление им осуществляется с помощью переключателя, расположенного у рабочего места оператора ДЛ-спектрометра. Подключение насоса к выходному отверстию ДЛ-спектрометра осуществляется трубками, изготовленными из нержавеющей стали и оснащенными быстроразъемными соединениями типа KF16.
Телекоммуникационная стойка, в которой закрепляются ДЛ-спектрометр и зарубежный самолетный газоанализатор Picarro, устанавливается в носовой части самолета-лаборатории для избегания загрязнения поверхности зеркал аналитической кюветы вредными газовыми выхлопами, связанными с работой двигателей самолета на стоянках и в полете. Общая блок схема газоаналитической приборной стойки АПК-2 показана на рисунке:
Калибровочные лабораторные испытания ДЛ спектрометра
Мультиплет, в спектральном диапазоне 7183-7184 см"1 состоит из 7-ми линий изотопов Н2160, Н2180, Н2170 и HDO. Он оптимален для одновременного детектирования изотопов в атмосфере, но при этом необходимо использовать многоходовую кювету с длиной оптического пути не менее 40 метров.
Точность восстановления вертикального профиля концентраций паров воды, а также их анализ в атмосфере напрямую зависят от погрешностей, данных о спектральных параметрах используемых линий, которые в базах спектральных данных варьируются от 5 до 20 % и увеличиваются с уменьшением длины волны. В диапазоне длин волн 1.39 мкм они максимальны и требовали существенной коррекции по сравнению с базой данных HITRAN.
Основным итогом лабораторных испытаний явился окончательный выбор аналитических линий и определение рабочего давления в кювете.
После уточнения параметров аналитических линий и выбора оптимального рабочего давления и температуры, встал вопрос о работоспособности изготовленных электронных компонент и точности измерений в движении и при легких вибрациях. Кроме этого необходимо было отработать методику измерения концентраций и провести предварительную калибровку водяного диодного лазера.
Для исследования поведения компонент спектрометра в условиях мелких вибраций и отработки работы программного обеспечения, был проведен комплекс полевых испытаний. С целью измерения неоднородностей распределения водяного пара у поверхности земли, был изготовлен экспериментальный вариант ДЛ-спектрометра с открытой аналитической кюветой. Длина основы аналитической кюветы, изготовленной из нержавеющей стали, на которую устанавливалась волоконная розетка, зеркало и фотоприемник составляла 25 см.
В качестве аналитической, была выбрана достаточно интенсивная спектральная линия с частотой 7181.15 см 1. Модуль диодного лазера с волоконным выводом излучения, генерирующий на длине волны 1.39 мкм и управляющая им электроника, размещались в едином корпусе и посредством USB- порта и платы National Instruments USB-6215, осуществляли связь с ноутбуком оператора, который во время движения располагался на заднем сидении автомобиля. Через окно машины протягивалось оптическое волокно и кабель фотоприемника. Оператор ДЛ-спектрометра сидел на заднем сиденье машины и управлял прибором посредством ноутбуку. Питание ноутбука и спектрометра осуществлялось от мотоциклетного аккумулятора, который размещался на полу автомобиля. Во время поездки, проводилась запись траектории движения с помощью GPS-приемника, чтобы потом осуществить привязку измеренных концентраций к координате. Примерный маршрут поездки, восстановленный по данным GPS-приемника, изображен на рисунке 1. Общая протяженность маршрута составила порядка 50км. Автомобиль с оператором ДЛ-спектрометра выезжал с проходной ИОФ РАН и делал разворот около поселка Московский. Запись концентраций проводилась в теплую, сухую погоду в сентябре 2010 года. Средняя скорость движения автомобиля составляла порядка 60 км. На протяжении выбранного маршрута движение проходило как по сухим участкам дороги, так и по участкам, недавно увлажненным поливальной машиной.
На рисунках 52 и 53 показано временное распределение концентраций водяного пара в Москве и за её пределами, в лесных массивах, распложенных между населенными пунктами, стоящими на трассе МЗ Москва-Киев. Можно заметить существенное (почти в 1.5 раза) отличие в значениях концентраций, которое вероятно связано со многими факторами, из которых на данном этапе работ затруднительно выбрать определяющий аспект. Среди возможных причин, наличие и отсутствие достаточного количества деревьев, влажность дорожного покрытия. Значение мгновенных концентраций усреднялось за 30 секунд и выводилось на экран монитора. На первом рисунке представлен фрагмент 45 минутного измерения концентраций. Видно, что парциальное давление паров воды составляет порядка 16-17 мБар. 17.5
На следующем графике представлен более изрезанный график 15-ти минутных измерений Проверка работоспособности спектрометра при различных условиях эксплуатации Для подготовки прибора к летным испытаниям проводились работы по установлению соответствия обязательным требованиям ГОСТ Р 52931 - 2008 «Приборы контроля и регулирования технологических процессов». Проверялись группа климатического исполнения СЗ (диапазон температур -10..+50 С) и группа механического исполнения V4 (диапазон вибраций от 5 ГЦ до 120 Гц).
В соответствии с программой испытаний, согласованной со специалистами ВНИИФТРИ, прибор выдерживался в климатической камере в течение 8 часов при температуре минус 10 градусов, затем температура повышалась до 20 градусов на протяжении 4 часов. После окончания процедур проводился внешний осмотр прибора с целью обнаружения следов нарушения покрытия и присутствия влаги в ДЛ спектрометре, наличие конденсата. После предварительного осмотра проверялась работоспособность прибора, что означало включение прибора и получение данных о концентрациях измеряемых парниковых газов в лабораторных условиях. Далее, в соответствии с программой, ДЛ спектрометр помещался в климатическую камеру на 8 часов при температуре 50 градусов, затем температура понижалась до 20 градусов на протяжении 4 часов. После окончания этих мероприятий, снова проверялась работоспособность прибора.
Затем прибор с помощью универсального приспособления жестко закреплялся на платформе вибростенда в рабочем положении, и проводились испытания плавным изменением во всем диапазоне частот в соответствии с приведенными ниже значениями:
