CC BY
43
где N - число румбов розы ветров. Обычно метеорологическая информация публикуется в 16 румбовой розе ветров. При численном методе решения задачи (1) ср - угол поворота подвижной сетки.
Влияние выпуклых элементов рельефа на атмосферный перенос загрязнений сказывается через коэффициенты осаждения и выражается в деформации изолиний горизонтального поля осаждений. Для пологого рельефа, каковым является поверхность Тегерана, это приводит к сжатию изолиний в
направлении господствующих ветров.
Данная модель легко учитывает и вклад трансграничного переноса.
Литература
1. Состояние атмосферы в Тегеране. - № 42. - Тегеран , 1996 . (на фарси).
2. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. -488 с.
3. Hunt Y.C., Milhearh P.Y. Turbulent dispertion from sources near two - dimensional obstacles // Y. of Fluid Mech. 1973.-V. 61. - Pt. 2. - P. 245-274.
ЛАЗЕРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СН4 ДЛЯ МОБИЛЬНЫХ СТАНЦИЙ КОНТРОЛЯ АТМОСФЕРЫ В ГОРОДЕ
А.И. НАДЕЖДИНСКИЙ, А.Г. БЕРЕЗИН, Ю.В. БУГОСЛАВСКИЙ, О.В. ЕРШОВ, В.Г. КУТ-НЯК, С.М. ЧЕРНИН, Ю.С. ГАЛКИН, В.Н. ХАРЧЕНКО, МГУ Л
Из анализа современного состояния методов и средств мониторинга загрязнений в атмосфере следует, что наиболее оптимальным решением по техническим (чувствительность, избирательность и вариабельность измеряемых примесей и т.п.), конструкторским (размеры, масса, энергопотребление и т.п.) и экономическим (стоимость изготовления и эксплуатации) параметрам являются системы, основанные на использовании лазеров. Наибольшее развитие в этом направлении получили системы спектроскопии сверхвысокого разрешения на базе полупроводниковых перестраиваемых диодных лазеров (ДЛ) [1]. Подобные системы благодаря высокой селективности могут обеспечить определение концентраций широкого класса загрязнителей (окиси углерода, диоксида углерода, метана и т.п.). В данной статье представлены результаты разработки детектора метана на основе неохлаждаемого диодного лазера и многоходовой кюветы, наиболее подходящего для комплектования мобильных станций в наиболее распространенных технологиях экологического мониторинга атмосферы городов [2].
Для измерения концентрации метана в атмосфере и ранее создавались различные приборы и экспериментальные установки, так как метан является одним из важных газов как для глобальной экологии Земли, так и при различных технологических процессах, транспортировках и хранении газа. При этом использовались различные оптические методы измерений: солнечная радиометрия с оптическими фильтрами, Фурье-спектро-метрия с наружным оптическим путем, спектрометр на удвоенной длине волны от гелий-неонового лазера и т.д. Измерения проводились в различных условиях как на открытом оптическом пути, так и внутри различных кювет, различались и длины оптических путей, и длительность одного измерения, и методики измерений и обработки данных. Следует заметить, что большинство из существующих приборов или экспериментальных установок по детектированию метана технологически неудобны или совсем не подходят для локальных оперативных измерений (измерения ~1 раз в секунду или быстрее) в полевых условиях на транспортном носителе по причине специфичности своей работы (необходимость откачки,
или необходимость охлаждения жидким азотом, или громоздкость установок),
Разработанный автоматизированный высокочувствительный детектор метана предназначен для измерения концентрации метана в различных газовых смесях при атмосферном давлении. Измерения производятся при помощи неохлаждаемого перестраиваемого ДЛ излучающего на длине волны около 1,65 мкм, в состав прибора входит многопроходная оптическая кювета с длиной оптического пути до 100 м. Основное назначение прибора - мониторинг содержания метана в воздухе в объеме оптической кюветы прибора. Измерения могут проводиться как в открытой кювете, так и в закрытом состоянии путем напуска внутрь кюветы различных проб газа или при прокачке газа через закрытую кювету. Прибор выполнен в портативном переносимом варианте, что дает возможность проведения мониторинга в полевых условиях, как в стационарном режиме, так и на автомобиле или летательном аппарате.
Диодные лазеры имеют значительные преимущества по совокупности свойств. Во-первых, частота излучения ДЛ легко перестраивается в достаточно широком диапазоне (до 100 см“1 по волновому числу) при помощи изменения температуры ДЛ и питающего его тока, что позволяет настраиваться на различные линии поглощения газов. Во-вторых, производимые в настоящее время ДЛ различных типов перекрывают огромный спектральный диапазон от видимого (0,6 мкм) до дальнего ИК (40 мкм) диапазона, где расположены полосы поглощения большинства молекулярных объектов [1]. В-третьих, ДЛ миниатюрны по своим размерам, что немаловажно при создании компактных приборов. В-четвертых, многие типы ДЛ выпускаются массовым тиражом в стандартном корпусе, и число этих типов непрерывно увеличивается, это позволяет создавать многокомпонентные универсальные газоанализаторы со сменными лазерными блоками на различные загрязнители. Например, анализатор метана можно перестроить для измерения концентрации других
низкомолекулярных газов типа СО, СО2, Н2О и другие на основе единого принципиального и конструктивного решения, используя только перепрограммирование управляющего компьютера (можно обеспечить перестройку длины волны) или механическую замену пары лазер-фотоприемник при значительных различиях выбранных спектральных диапазонов измерений. Подобный подход в настоящее время прорабатывается и базовым прибором, в этом случае может быть разработанный детектор метана.
Детектор метана функционально включает в себя оптическую часть, электронную аппаратуру и программное обеспечение. Блок-схема прибора изображена на рис. 1. Оптическая часть прибора включает в себя блок ДЛ, две оптических кюветы: одна
- многопроходная (аналитический канал), другая - реперная, два фотодетектора ФД1 и ФД2 с предусилителями Пр.У-1 и Пр.У-2 соответственно в аналитическом и реперном каналах. Электроника для управления прибором собрана внутри компьютера типа Pentium и состоит из Интерфейсного модуля (ИМ) и многофункциональной Input/Output платы AT-MIO-16E1 (либо AT-MIO-16E4), производимой компанией «National Instruments Inc.» (плата NI-DAQ). Плата N1-DAQ вставлена в шину PCI компьютера, а ИМ располагается в передней панели компьютера, они соединены специальным кабелем фирмы National Instruments внутри компьютера. ИМ соединен с оптической частью прибора одним многожильным кабелем для управления блоком ДЛ и питания предусилителей и двумя сигнальными 50-омными кабелями с выходами предусилителей обоих каналов.
ДЛ на основе состава GalnPAs изготовлен по гетероструктурной технологии. Частота излучения лазера при помощи тока и температуры перестраивается в диапазоне 6000-6080 см“1 (соответственно по длине волны - 1,645-1,666 мкм), где наблюдаются достаточно сильные линии поглощения метана. Мощность излучения ДЛ - 3 мВт, пороговый ток - 50 мА, ширина полосы излучения - 10“3 см“1. Настройка диапазона час-
тоты излучения лазера производится путем изменения и стабилизации температуры ДЛ в диапазоне 0...+50 °С. Для этой цели ДЛ смонтирован на элементе Пельтье, для измерения температуры ДЛ в приборе используются термодатчик (термистор), расположенный вблизи лазера. Долговременная стабильность температуры ДЛ составляет 10“2 градуса. Собранные вместе ДЛ, элемент Пельтье и термистор составляют блок ДЛ, условно изображенный на рис. 1.
В данном приборе ДЛ работает в импульсном режиме с длительностью импульса
1-10 мс и минимальным промежутком между двумя последовательными импульсами (10-20 % от длительности). Импульсы тока, питающие лазер, имеют трапециевидную форму. Это дает возможность осуществить развертку частоты излучения ДЛ в диапазоне около 1 см“1. ДЛ излучает в двух противоположных направлениях, что используется в конструкции данного прибора. На выходе аналитического и реперного каналов находятся фотоприемники, сделанные на основе германиевых фотодиодов в едином блоке с предусилителями.
Аналитическая
кювета
Интерфейсный Модуль ________\
Controller Data acquisition Multifunction NI-DAQ board
Оптическая часть прибора
Рис. 1. Структурная схема прибора для измерения концентрации метана
При правильной настройке температуры и тока ДЛ импульсный сигнал, получаемый с фотоприемника в реперном канале, содержит провал, связанный с выбранной линией поглощения метана. Метод вычисления концентрации метана основан на вычислении корреляционной функции формы сигналов в аналитическом и реперном каналах. Это позволяет достигнуть высокой селективности прибора по отношению к другим газам.
В качестве аналитической многопроходной кюветы 3 применяется матричная
система Чернина базовой длины 0,5 м с перестройкой длины оптического пути от 1 до 100 м. Система Чернина состоит из двух блоков вогнутых сферических зеркал, расположенных на расстоянии радиуса кривизны друг от друга.
С одной стороны системы находится блок из четырех круглых зеркал (объективов), расположенных симметрично относительно центральной оси системы, с противоположной стороны находятся два полевых зеркала прямоугольной формы. На базовом
торце кюветы установлены: блок ДЛ, реперный канал, оптическая система для ввода излучения ДЛ в многопроходную кювету (адаптивная оптика), клапан для откачки и напуска газа (другой такой же клапан расположен на дне кожуха аналитической кюветы), разъемы для подключения электронных кабелей. Кожух многопроходной кюветы герметично крепится к базовому торцу. К съемному дну кожуха крепятся несущие стержни многопроходной кюветы для увеличения жесткости конструкции.
Оптическая система прибора условно состоит из трех частей: матричная многопроходная система Чернина, адаптивная оптика для этой системы, оптическая система реперного канала. Излучение от ДЛ в прямом направлении проходит через линзу и систему из трех плоских зеркал и направляется внутрь многопроходной кюветы через стеклянное окно. Излучение от ДЛ в обратном направлении отражается плоским зеркалом, фокусируется сферическим зеркалом на приемную площадку фотодиода, дважды проходя через реперную кювету. Адаптивная оптика многопроходной кюветы рассчитана и собрана таким образом, чтобы излучение от ДЛ фокусировалось в плоскости полевых зеркал на входе многопроходной системы и засвечивало первый из объективов системы. Апертура входного пучка для многопроходной кюветы определяется диаметром объективов и расстоянием между системами зеркал в многопроходной кювете и составляет 1 : 11. При этом апертура пучка от ДЛ, направляемого в аналитический канал прибора, составляет 1 : 2, в пределах которой находится более 60 % мощности излучения лазера. Для реперного канала нет необходимости захвата большой доли излучения ДЛ, так как в этом канале нет больших потерь; апертура захватываемого излучения ДЛ в обратном направлении составляет 1 : 8 (около 15 % мощности излучения ДЛ). Все зеркала многопроходной кюветы, адаптивной оптики и реперного канала установлены на подвижных платформах, которые могут быть повернуты в различных направлениях при помощи юстировочных винтов.
Четырехобъективная матричная многопроходная система Чернина более подробно описана в статье [3]. Характерными особенностями этой системы являются виб-роусгойчивость и удобство настройки на различное число проходов. В многопроходной системе детектора метана использованы зеркала с напылением меди и диэлектрическим покрытием на диапазон 1,3-1,7 мкм и с защитным покрытием. Коэффициент отражения зеркал в области длин волн 1,65 мкм составляет 0,981. Величина поглощения детектируемого газа пропорциональна длине оптического пути, но при увеличении числа отражений света от зеркал сигнал на выходе многопроходной кюветы падает, что приводит к уменьшению отношения сигнал/шум. Существует оптимальное число проходов (зависящее от коэффициента отражения зеркал системы).
Электронное и программное управление блоком ДЛ осуществляется посредством платы №-ОА<3 и Интерфейсного модуля (см. рис. 1). Многофункциональная плата №-БАС) содержит: два выходных канала (ЦАП), входной канал (АЦП), который может работать с 16 входами при использовании мультиплексора, таймер и буферную память. Два ЦАП платы N1-0АО используются для питания лазера (выход 1) и для питания Пельтье (выход 2), на АЦП платы N1-ЭАС) подаются сигналы с элемента фотоприемника реперного канала (вход 1), фотоприемника аналитического канала (вход 2) и с датчика температуры (вход 3).
Для обеспечения функционирования ДЛ при помощи программы управления производится генерация цугов импульсов трапециевидной формы, записанных в буферной памяти платы N1-0АС). Параметры импульсов задаются так, чтобы обеспечить оптимальный режим генерации ДЛ и обеспечить достаточное число точек (200-1000) в импульсе для обработки сигналов. Цуго-вый режим генерации (обычно от 20 до 200 импульсов) был выбран для того, чтобы обработку сигналов производить в течение времени между цугами по импульсам, усредненным за каждый цуг. С выхода ЦАП
сигнал поступает в ИМ, где усиливается и преобразуется в токовые импульсы, питающие ДЛ.
Для управления температурой ДЛ в ИМ производится измерение сопротивления термистора и преобразование сигнала в напряжение, которое подается на вход 3 АЦП. Из разницы заданной в программе управления и текущей температуры формируется сигнал, подаваемый на вход второго ЦАП платы NI-DAQ. С выхода этого ЦАП сигнал усиливается в ИМ и управляет током элемента Пельтье, на котором установлен ДЛ. Режим стабилизации температуры формируется с учетом пропорциональной, интегральной и дифференциальной компоненты так, чтобы режим выхода температуры на заданное значение был апериодическим. Реализованная таким образом стабилизация температуры ДЛ через компьютер при помощи программы позволяет осуществить другие режимы управления элементом Пельтье, например, в данном приборе реализован режим стабилизации по положению линии поглощения метана в импульсе реперного канала.
Программа для управления детектором метана создана в среде Lab View версия 5.0, работающей под Windows-95 (или 98, или NT). Программа включает в себя около 65 программных модулей, объединенных в библиотеку. Внешний вид панели основного программного модуля DRIVE показан на рис. 2. Из этой программы осуществляется управление режимами работы прибора и обращение к другим программным модулям. Панель программы DRIVE включает в себя ряд управляющих блоков: блок Laser для управления параметрами токовых импульсов, питающих ДЛ; блоки Thermo и Temperature settings для управления режимами стабилизации температуры ДЛ.
Обработка сигналов с фотоприемников производится синхронно с генерацией импульсов лазера. В центре панели программы DRIVE находится график, на который выводятся принимаемые платой NI-DAQ импульсные сигналы с реперного и аналитического каналов, усредненные за
один цуг генерации лазера. При правильном выборе параметров импульсов тока ДЛ и его температуры, на сигнале реперного канала должен наблюдаться провал, соответствующий используемой для измерений линии поглощения метана. Его величина определяется коэффициентом поглощения в реперном канале и составляет ~ 0,15. В этом же месте по оси X находится и провал* связанный с поглощением метана в аналитическом канале. Его величина ~ 10~3 при настройке многоходовой кюветы на длину оптического пути 45 м и фоновой концентрации метана в атмосфере (1,6 ppm).
Для вычисления концентрации метана в аналитическом канале производится трехступенчатое дифференцирование сигналов с усреднением высоких частот. Результат выводится на график, расположенный в правой части панели программы DRIVE (для удобства обработанные сигналы приводятся к одинаковому масштабу). Далее вычисляется коэффициент корреляции К продифференцированных сигналов, который пропорционален концентрации метана в аналитическом канале. Вычисление концентрации метана С в аналитическом канале производится по формуле
С = Кх (Со х Lq/L) х R, где К - вычисленный коэффициент корреляции; Со (в ppm) - объемная концентрация метана в реперном канале; LqvlL соответственно длины оптических путей в реперном и аналитическом каналах; R - калибровочный фактор, близкий к 1. Значения коэффициентов Со, ¿о, L и R задаются в правом нижнем углу панели программы DRIVE. Текущее значение концентрации метана С (в ppm) в аналитическом канале выводится на верхний график панели DRIVE в зависимости от реального времени и может быть записано в файл.
Для устранения этой систематической ошибки, связанной с возможностью паразитной интерференции в оптической системе и «перескоками» мод в излучении лазера (если лазер не одномодовый), в программе введена специальная процедура, названная Baseline. Она заключается в том,
что при нулевой концентрации метана в аналитической кювете (при откачке или напуске буферного газа) оператор имеет возможность зафиксировать обработанный массив данных аналитического канала (т.е. записать базовую линию -baseline). В дальнейшем концентрация метана вычисляется по разнице между текущим сигналом и зафиксированной базовой линией.
При вычислении концентрации может производиться усреднение по несколь-
ким цугам лазерных импульсов, при этом соответственно увеличивается длительность одного измерения. При описанной выше процедуре обработки сигналы в обоих каналах нормируются так, чтобы значение измеряемой в приборе концентрации метана не зависело от величины сигналов на выходе фотоприемников, а значит и от разъюстировки оптики, запыленности зеркал и т.д. Применяемые электроника и метод обработки сигналов позволяют измерять линии с поглощением более 1(Г4.
Рис. 2. Внешний вид панели основного программного модуля DRIVE для управления режимами работы прибора
Для определения результирующих технических параметров прибора были проведены различные тестовые эксперименты, включающие в себя измерения различных калиброванных газовых смесей метана и других газов для определения чувствительности детектора метана, его селективности и стабильности его работы. На основании результатов этих исследований были определены его основные технические параметры:
- пороговая чувствительность детектора метана - 0,02 ppm;
- дрейф показаний прибора при долговременной непрерывной работе в течение десятков часов не превышает 0,1 ppm при изменении температуры окружающей среды на 10 град;
- при использовании «сильной» линии поглощения прибор позволяет измерять концентрации метана в диапазоне 0,02-500 ppm, на «слабой» линии - 300-10000 ppm. При необходимости прибор можно применять и для более высоких концентраций метана, изменив методику измерений;
- относительная точность измерений концентрации метана составляет 1 %, до тех пор, пока эта величина превышает 0,02 ppm;
- прибор настроен на измерения при атмосферном давлении в газовой смеси, но при необходимости может функционировать и при пониженных или повышенных давлениях в диапазоне 0,1 тор - 2 атм.;
- селективность детектора метана по отношению к другим газам составляет: к
С02 - 4 х Ю5, к СО - более 106, к Н20 - 105, к пропану и бутану - 2 х 104;
- минимальное время одного измерения - 2 мс, при измерении концентраций метана близких к фоновой (1,6 ppm) с погрешностью на уровне 5 % необходимо усреднение по 250 импульсам, при этом время одного измерения 0,5 с.
Таким образом, разработка данного прибора свидетельствует о возможности создания целой гаммы лазерных средств и методов определения метана, диоксида углерода, окиси углерода и так далее в атмосфере для целей экологического мониторинга городских территорий, лесных экосистем в задачах вегетационных наблюдений, динамики парниковых газов в климатообразовании и техногенных загрязнений.
Целесообразным продолжением исследований, является разработка технологии применения приборов для практических измерений в целевых программах различного назначения.
Литература
1. Nadezhdinskii A.I., Prokhorov A.M. Modem trends in
diode laser spectroscopy // Proc. SPIE, V. 1724, 1992. -P. 2-19.
2. Галкин Ю.С., Харченко В.H. Технология бесконтактного лазерного мониторинга экологического качества воздушного бассейна городов // Коммунальное хозяйство. - 1996. - № 2.
3. Chemin S.M., Barskaya E.G. Applied Optics, 30, 51 (1991).
