Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Окись углерода в атмосфере и проблемы ее контроля
Глава 2. Трассовый газоанализатор окиси углерода на основе импульсных полупроводниковых лазеров .
Метод измерений и аппаратура
2.1. Метод измерений концентрации окиси углерода и функциональная схема газоанализатора
2.2. Описание функциональных узлов газоанализатора СО и оценка требований к их характеристикам
2.2.1. Полупроводниковые лазеры
2.2.2. Фотодетектор
2.2.3. Предусилитель и входные цепи
2.2.4. Электронный .блок
2.2.5. Оптико-механический блок
2.3. Краткие выводы
Глава 3. Теоретические оценки и экспериментальное определение рабочих характеристик трассового газоанализатора окиси углерода
3.1. Оценка погрешностей метода измерений
З.1.1. Случайная составляющая погрешности выходных показаний и предельные характеристики газо анализатора
3.1.2. Влияние параметров анализируемой среды на выходные показания газоанализатора
3.2. Экспериментальное определение метрологических характеристик газоанализатора СО
3.2.1. Определение погрешностей измерений и предельной чувствительности газоанализатора 58
3.2.2. Зависимость выходных показаний от состояния анализируемого газа 62
3.3. Краткие выводы 65
Глава 4. Натурные измерения концентрации окиси углерода в атмосфере 66
4.1. Измерения концентрации окиси углерода в атмосфере промышленных районов 68
4.2. Фоновые измерения концентрации окиси углерода 73
4.3. Краткие выводы 82
Заключение 83
Цитированная литература
- Описание функциональных узлов газоанализатора СО и оценка требований к их характеристикам
- Предусилитель и входные цепи
- Случайная составляющая погрешности выходных показаний и предельные характеристики газо анализатора
- Фоновые измерения концентрации окиси углерода
Введение к работе
"В основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 гг. и на период до 1990 г.", принятых на ХХУІ съезде КПСС, указывается на необходимость повышения эффективности мероприятий в области охраны окружающей среды. Важное место в комплексе этих мероприятий отводится созданию современных средств контроля загрязнения атмосферы растущими выбросами промышленных предприятий и транспорта. Решению одной из таких задач • разработке эффективного метода контроля примеси окиси углерода в атмосфере, посвящена настоящая работа, выполненная в соответствии с планом научно исследовательских работ Госкомгидромета по созданию новых средств контроля газовых примесей в атмосфере.
Применяемые в настоящее время на сети наблюдений загрязнения воздуха средства контроля примеси окиси углерода из-за низкой чувствительности, сравнимой с уровнем предельной допустимой концентрации, не обеспечивают необходимой информативности данных измерений в городской атмосфере и,тем более, непригодны для использования на сети фонового мониторинга, где по этой причине контроль окиси углерода не проводится.
Этими обстоятельствами определяется актуальность и цель данной работы, состоящая в создании технических и методических основ для разработки на более высоком метрологическом уровне аппаратуры контроля примеся окиси углерода в атмосфере, в том числе в фоновых условиях.
Предложенный метод определения концентрации окиси углерода в атмосфере базируется на достижениях последнего десятилетия в области спектроскопии высокого разрешения с использованием перестраиваемых по частоте полупроводниковых лазеров инфракрасного диапазона на тройных соединениях свинца/29,41,46,47
В ходе разработки метода и аппаратуры трассового газоанализатора СО непосредственно автором были решены следующие задачи:
- проведено экспериментальное расследование спектральных и перестроечных характеристик импульсных полупроводниковых лазеров, работающих в полосе поглощения окиси углерода в диапазоне 4,7 мкм;
- разработана функциональная схема газоанализатора и определены требования к характеристикам его отдельных узлов;
- разработан (при творческом участии В. И,Астахова) полевой экспериментальный образец трассового газоанализатора;
- выполнено теоретическое и экспериментальное обоснование предложенного метода определения концентрации окиси углерода в атмосфере;
- проведены натурные измерения концентрации окиси углерода в загрязненной атмосфере и в фоновых условиях Работа выполнена в период 1980 - 1984 гг. Экспериментальные исследования характеристик полупроводниковых лазеров и лабораторное макетирование выполнялось совместно с сотрудниками лаборатории сильных магнитных полей ИОФАН СССР. Перестраиваемые лазеры на основе полупроводникового соединенияР! $$е » излучающие в полосе поглощения окиси углерода в диапазоне 4«7 мкм, разрабатывались и изготавливались в лаборатории физики полупроводников ФИАН СССР.
Новизна диссертационной работы состоит в следующем:
- разработан новый метод определения концентрации окиси углерода на протяженных трассах в атмосфере, основанный на применении перестраиваемого импульсного полупроводникового лазера;
- создан трассовый газоанализатор окиси углерода, позволяющий оперативно выполнять измерения в широком диапазоне концентраций, включая фоновые, и обладающий чувствительностью
- впервые определены абсолютные значения и особенности суточного хода концентрации окиси углерода на некоторых фоновых станциях Европейской территории СССР.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что метод измерения концентрации окиси углерода в атмосфере с использованием перестраиваемого по частоте импульсного диодного лазера положен в основу создания аппаратуры для исследования и контроля окиси углерода в атмосфере на сети станций фонового мониторинга.
Впервые получены данные о суточном ходе и пространственно-временной изменчивости фоновой концентрации окиси углерода в при -земном слое атмосферы для ряда регионов Европейской территории нашей страны.
Результаты измерений концентрации окиси углерода на станциях фонового мониторинга используются институтами Госкомгидромета и Академии наук СССР для оценки уровня загрязненности атмосферы от источников промышленных выбросов.
На основе выполненных исследований на предприятии Минпри-бора проведена опытно-конструкторская разработка трассовых газоанализаторов окиси углерода ФГЛТ02-І.
Данные о концентрациях окиси углерода, полученные с помощью экспериментального образца газоанализатора в ряде городов нашей страны использованы службами Госкомгидромета, Минздрава и организациями других ведомств для оценки уровней загрязненности воздушного бассейна соответствующих районов в зависимости от мощности автотранспортных потоков и других промышленных источников выбросов. На защиту выносятся:
- оптический трассовый метод определения концентрации окиси уг-лерода, основанный на применении перестраиваемого полупроводникового лазера и стробоскопического анализа сигнала пропускания на трех частотах в пределах контура отдельной линии СО;
- экспериментальный образец газоанализатора окиси углерода, реализующий высокую чувствительность, точность и оперативность разработанного метода;
- результаты измерений концентрации примеси окиси углерода и ее суточного хода в приземном слое городской атмосферы и на фоновых станциях.
Описание функциональных узлов газоанализатора СО и оценка требований к их характеристикам
В этом диапазоне были найдены удовлетворительные совпадения линий генерации С02-лазеров с линиями поглощения большого числа атмосферных примесей - озона, аммиака, двуокиси серы, фреонов, углеводородов и др,/8,17,22,40,42,63/и выбраны наиболее предпочтительные лазерные линии для контроля этих газов по методу дифференциального поглощения/59,77/ . На практике дискретно перестраиваемые С02-лазеры применялись для котроля озона, этилена, аммиака, паров бензола как на трассах в приземном слое атмосферы/2,3,8,40,92/ , так и в вертикальном столбе атмосферы /62,64,90,97/ по поглощению солнечвой радиации, детектируемой избирательным оптическим гетеродинным приемником, в котором С02-лазеры использовались в качестве местного гетеродина. Ряд атмосферных примесей, в частности окислы серы, азота и метан определялись по поглощению лазерного излучения в других диапазонах длин волн/10,48,84,98/ , однако проведение трассовых измерений концентрации окиси углерода, имеющей сильную полосу поглощения в области 4.7 мкм, практически стало возможным лишь с появлением перестраиваемых полупроводниковых лазеров на тройных соединениях свинца.
Уникальным достоинством лазеров на тройных соединениях свинца ( Pii-x?tix Se , Р&І-Х$ПХ » /%Я-х. & х » PIf-x СГЄХ 7" » Р/-х Ctx S , PShX Gfex $ ) является возможность получения генерации на любой частоте в Ж-области 3 40 мкм путем подбора состава соединения (величины -X. ), и простое управление частотой генерации, которое чаще всего осуществляется изменением температуры лазера, за счет изменения тока накачки/100/ . Полный диапазон температурной перестройки, состоящий из участков плавной перестройки шириной порядка I см" 1, может достигать 300 см 779/ . ширина линии излучения ( ІСГ 5 см" 1) по крайней мере на порядок меньше допплеровской . ширины линии для самых тяжелых молекул/ /. Эти достоинства в сочетании с малыми габаритами и малой потребляемой мощности) обеспечили широкое применение полупроводниковых лазеров на солях свинца в фундаментальных спектроскопических исследованиях и в решении прикладных задач газоанализа/41,73,74/.
Первые измерения атмосферной примеси с использованием перестраиваемого полупроводникового лазера были выполнена в 1974 г. в США Ку, Хинкли и Самплом /85/. Для детектирования примеси СО использовался лазер на основе соединения J?tSe , работающий в режиме непрерывной генерации при температуре около 10 К, обеспечиваемой криогенной установкой замкнутого цикла и прецезионной системой стабилизации температуры. Регистрация по первой производной в пределах контура изолированной линии СО в полосе 4.7 мкм сигнала пропускания позволила добиться чувствительности 5 ррв при зондировании трассы длиной 610м.
Дальнейшее повышение чувствительности и избирательности таких систем за счет совершенствования техники регистрации привело к расширению списка детектируемых атмосферных примесей, в который сейчас вошли #0/80/ , у/02/68/, $02/91/ и 0 /85/. Сообщается также/93/ о разработке аэростатного спектрометра для одновременного обнаружения примесей ННО , У02, 03 ігН&г на трассе в стратосфере.
Наибольшая чувствительность достигалась при использовании непрерывного режима генерации и регистрации второй производной сигнала пропускания. Возможности такой техники детектирования иллюстрируются с помощью таблицы 2/Ю7/.
В нашей стране работы по спектроскопии с использованием перестраиваемых полупроводниковых лазеров были начаты в 1977 -1978 гг. и базировались на применении полупроводниковых лазеров, работающих в импульсном режиме. В таком режиме допустимы значительно более высокие уровни инжекции по сравнению с режимом непрерывной генерации, благодаря чему возможна работа при температурах до 100К, что в свою очередь позволяет применять для охлаждения лазеров простые системы криостатирования при температуре кипения жидкого азота (77.4К).
Перестройка частоты происходит из-за нестационарного разогрева активной области лазера импульсным током накачки и характеризуется обычно высокой скоростью, достигающей I CM""VMKC /29/. Поэтому система регистрации должна обладать высоким быстродействием и, как правило, в качестве основных элементов включает быстродействующий фотодетектор на основе соединения Ид Со/Те. , широкополосный предусидитель и стробоскопический интегратор, позволяющий анализировать форду лазерного тампульса, испытавшего поглощение в исследуемой среде. Совершенствование таких систем путем автоматизации управления частотой лазера и машинной обработки сигнала делает их конкурентноспособннми, а по некоторым параметрам и превосходящими аналогичные зарубежные устройства, в которых используются"полупроводниковые лазеры, работающие в непрерывном режиме/11,25,30,41,43,44/.
Предусилитель и входные цепи
Подробный анализ влияния на показания различий в состоянии газа на трассе и в кювете, учитываемого первым слагаемым в (2.17) и влияния искажений формы импульса, связанное с поглощением вблизи стробируемого участка посторонними примесями (в основном за счет паров воды), учитываемое вторым слагаемым, будет проведен в главе 3. Здесь же отметим, что показания газоанализатора не зависят от мощности излучения и искажений принимаемого импульса, которые могут быть описаны умножением его формы на функцию линейную по времени (частоте). Это обусловлено выбранным методом обработки сигнала, сравнимым по помехозащищенности с методом регистрации по второй производной.
На рис. 4 представлена функциональная схема газоанализатора, реализующая такой алгоритм определения концентрации СО.
Газоанализатор состоит из 2-х основных блоков и отражателя. В оптико-механическом блоке (0МБ) формируется зондирующий пучок излучения и осуществляется прием сигнала с трассы. Электронный блок (Эл.Б) газоанализатора производит обработку принятого сигнала и представляет в удобной форме.информацию о средней концентрации.
Для формирования зондирующего пучка используется линза - I, в фокусе которой помещен полупроводниковый лазер (ИЛ), и зеркала 2 и 3, направляющие пучок в сторону отражателя соосно с приемным каналом. Приемный канал образован сферическим зеркалом - 4, фокусирующим принятое излучение на чувствительной площадке фотодетектора (ФД), и плоским зеркалом 5.
При установке нуля и калибровке в оптический канал газоанализатора вводится зеркало 6 (изображено пунктиром) и кювета (К).
Сигнал с фотодетектора усиливается предварительным усилителем (ПУ) до уровня, необходимого для точной обработки, и поступает по кабелю в электронный блок газоанализатора.
Стробинтегратор (СИ) электронного блока производит измерение амплитуд импульса во временных интервалах (стробах),
Функциональная схема трассового газоанализатора СО соответствующих центру (Vs) и краям ( V, и У3 ) контура поглощения СО (рис. 3) и вырабатывает соответствующие напряжения lfz , Iff и #3 , которые затем преобразуются в сумматоре ("+"), логарифмирующих устройствах (#7) и в схеме разЯости ("-") в" напряжение, пропорциональное концентрации. Для цифровой обработки и индикации (ВД) это напряжение преобразуется аналого-цифровым преобразователем (АЦП).
Чтобы повысить точность обработки сигнала его уровень на входе стробинтегратора поддерживается постоянным автоматической регулировкой усиления (АРУ) предусилителя. Автоматическая подстройка стробов на центр контура поглощения (АПС) увеличивает долговременную стабильность работы газоанализатора. Импульсы ивжекции вырабатываются блоком накачки лазера (Ш).
Полупроводниковые лазеры, используемые в трассовом газоанализаторе окиси углерода, разработаны и изготавливаются в лаборатории физики полупроводников ФИАН СССР. В качестве активной среды лазеров применяется полупроводниковое соединение в котором состав (величина X ) варьируется в пределах ОС = 0.32 + 0.36, определяя рабочий диапазон 4.7 4.8 мкм при температуре около 80К
Случайная составляющая погрешности выходных показаний и предельные характеристики газо анализатора
При использовании в качестве рабочих сильных линий СО с сечением поглощения ІСГ см2 (2.67 IO pprtv м) заметный провал в импульсе зондирующего излучения можно наблюдать на трассах небольшой сравнительно длины (рис. 2). Так, в зависимости от силы рабочей линии, фоновая концентрация GO равная 0.1 ррт на трассе длиной 100 м приводит к поглощению от Ь% до" 13$ мощности излучения на центральной частоте и может быть достаточно точно определена.
Для работы на трассе такой протяженности при условии идеальной юстировки можно использовать приемо-передающую оптику малого размера, определяемого соотношением Сі (2№ Л Ь) ЗГям , (2.50) где oL - диаметр приемопередающей оптики, А = 4.7 мкм, / = 100 м.
Учитывая погрешности юстировки, неточность нацеливания на отражатель, рассеяние и отклонение зондирующего пучка из-за турбулентности приземного слоя атмосферы, а также возможные вибрации оптико-механического блока, необходимо увеличивать диаметр оптики.
Исходя из этих соображений, приемно-передающая часть 0МБ была выполнена по схеме телескопа Ньютона с диаметром передающей оптики 40 мм и приемного зеркала - 115 мм (рис. 4). Коаксиальная геометрия приемного и передающего каналов позволяет использовать уголковый отражатель апертурой 60 мм, равной половине диаметра приемного зеркала. Нацеливание на удаленный отражатель производится через передающий канал 0МБ с помощью окуляра Кельнера, снабженного визирной сеткой. В поле зрения окуляра одновременно видны отражатель, кристалл лазера-излучателя и визирная сетка с делениями, позволяющая определять длину трассы по геодезической рейке, устанавливаемой рядом с отражателем. Калибровочная кювета вводится в сходящийся пучок перед фотодетектором, благодаря чему уменьшается обратная оптическая связь от окон кюветы.
При тщательной юстировке оптико-механического блока удавалось проводить измерения концентрации на трассах длиной до 400 м. Интересно оценить предельную длину трассы при идеальной юстировке, исходя из допустимых 10-кратных апертурних потерь на трассе, которые могут быть скомпенсированы увеличением усиления с помощью АРУ.
Пренебрегая аберрационными потерями (передающая линза исправлена на аберрации), площадь сечения"принимаемого пучка излучения можно определить по формуле где слагаемые в скобках - составляющие расходимости излучения, включающие: h/TA - геометрическая расходимость за счет конечных размеров излучающей области лазера - А , а & - фокусное расстояние лшзы; yl/V2 - дифракционная расходимость на выходе передающей линзы; -/у%т - дифракционная расходимость на апертуре отражателя. Для большинства лазеров величина к обычно составляет несколько десятков микрон и выбранное фокусное расстояние линзы zhA - 200 мм оптимально, так как обеспечивает примерное равенство геометрических и дифракционных потерь Ф/j. %/ ) Учитывая тоже, что в 0МБ экспериментального макета о/„ = 1.5« , найдем В приближении равномерного распределения мощности в плоскости приемного зеркала коэффициент передачи трассы К составит; У= 7ti V4S„ а/л /лі) , (2 53) где J? - диаметр приемного зеркала» Полагая К » 0.1, получим Lm& = I 000 м.
Выбран простой метод определения концентрации СО путём стробоскопического интегрирования контура линии поглощения, полученного зондированием трассы в атомсфере излучением перестраиваемого импульсного Ро S/mJ/,.% лазера.
Предложен метод стробирования на 3-частотах в пределах контура линии СО и получено общее выражение (2.17), связывающее выходные показания газоанализатора с концентрацией СО на трассе и в калибровочной кювете с особенностями спектрального пропускания трассы в рабочем интервале частот, с возможным различием свойств анализируемого газа на трассе и в кювете и со спектральным разрешением прибора.
Экспериментально исследованы перестроечные и спектральные характеристики более 100 инжекционных лазеров и на основе этих данных оценены основные технические требования к функциональным узлам газоанализатора.
Фоновые измерения концентрации окиси углерода
Фоновые измерения концентрации окиси углерода Являясь распротраненной примесью воздуха, окись углерода оказывает заметное влияние на фотохимию атмосферы, в частности, на концентрацию гидроксила -ОН, обладающего большой химической активностью по отношению к ряду важных газовых примесей, в первую очередь таких, как озон, окислы азота и серы/76/. Поэтому контроль фонового содержания СО рекомендо ван Всемирной Метеорологической организацией (ВМО) и входит в программу работ фоновых станций Глобальной системы мониторинга окружающей среды (НЗМ0С)/36/ Разработанный трассовый газоанализатор является пока единственным средством, которое уже сейчас может быть использовано для измерений приземной концентрации СО на созданной у нас в стране сети станций фонового мониторинга (СвМ)/35/.
Первые такие измерения были выполнены в 1982 году на биосферной станции "Пущино" в районе Приокского террасного заповедника и продолжены там же в 1983 году, а также на станции фонового мониторинга "Березинекий заповедник" и на территории высокогорной базы Института физики атмосферы АН СССР (плато Шиджатмаз, Сев. Кавказ). Все измерения были проведены в период минимума сезонного хода общего содержания СО в атмосфере, который, согласно многолетним наблюдениям с помощью интегральной спектральной методики/19/ приходится в северном полушарии на июль-сентябрь. Целью наших исследований являлось определение минимальных уровней призшных концентраций СО на указанных СШ, наблюдение суточного хода концентрации СО и выявление степени антропогенного воздействия на его формирование. Основные результаты этих исследований изложены в работах/5,6/ .
Временной ход концентрации СО на биосферной станции "Пущино", полученный в результате непрерывных измерений в период с 31 июля по 2 августа 1983 г., показан на рис. 17. Здесь же приведена схема расположения основных источников загрязнений и пункта наблюдений (крестик), а также приведены данные измерений направления и скорости ветра.
Минимальные уровни концентрации наблюдались в ночные часы и в периоды, когда направление ветра не способствовало заносу загрязнений от промышленных источников (с запада -из г.Серпухова и с севера - из промышленных зон г.Москвы). Так, наименьшее зарегистрированное значение 100 ррв наблюдалось при ветре с южного направления ночью 1-го августа, а также начиная с 17 часов после прохождения мощного грозового фронта с юго-восточного направления, вызвавшего глубокое перемешивание воздушных масс. Это минимальное значение приземной концентрации СО совпадает с средним значением фоновой концентрации во всей толще атмосферы, получаемым из известной модели пространственно-временного распределения С(У19,20/ и, таким образом, соответствует предположению о равномерном высотном распределении фоновой примеси СО в атмосфере.
При ветре со стороны источников выбросов уровень концентрации СО на биосферной станции "Пушино" возрастал в 1.5-2 раза, что указывает на сравнительно слабую защищенность воздушного бассейна биосферной станции от антропогенного воздействия. Влияние местных источников выбросов -сельскохозяйственной техники занятой на полевых работах пример но в полукилометре от измерительной трассы, проявилось в виде пика концентрации в период 7 - II часов 2 августа.
На рис. 18 приведены результаты непрерывных измерений концентрации СО на территории станции фонового мониторинга "Березинский заповедник", выполненных в период с 27 по 29 августа 1983 г. Более низкий средний уровень концентраций СО и лучшая", "чём в Пущино, повторяемость суточного хода объясняются географическим положением заповедника, удаленного от крупных промышленных источников загрязнения атмосферы, ближайший из которых - г.Минск находится юго-западнее в 120 километрах. Тем не менее, повышение концентрации СО, начавшееся с 17 часов 28 августа - через 9 - 10 часов после смены ветрового направления на юго-западное, связано с влиянием этого крупного индустриального центра, поскольку наблюдавшаяся в этот период средняя скорость ветра составляла 3.3 м/сек и соответствовала времени переноса облака загрязнения.
