Способ измерения концентрации компонент среды

 

Использование: исследование и анализ материалов с помощью электромагнитного излучения, область измерений. Сущность изобретения: источник излучения вырабатывает сигнал частоты ω_o, которая выбирается в диапазоне значимой второй производной показателя преломления искомой компоненты и в случае удаленности от этого диапазона подстраивается к нему. Посредством модулятора несущую частоту ω_o модулируют с частотой Ω. Модулирование осуществляют по амплитуде или фазе по определенному (например, гармоническому) закону. В принимаемом излучении регистрируют изменения во времени соответственно фазы или амплитуды и по этим изменениям судят о концентрации искомой компоненты. 1 ил.

Изобретение относится к области исследования и анализа материалов с помощью электромагнитного излучения, конкретно к способам измерений, при которых исследуемый материал возбуждается, в результате чего изменяет длину волны падающего излучения.

Известны способы исследования и анализа среды с помощью электромагнитного излучения, при которых исследуемый материал возбуждается, в результате чего он испускает свет или изменяет длину волны падающего света и по интенсивности принимаемого излучения судят о концентрации искомой компоненты [1] Недостатками известных способов являются низкая чувствительность измерения концентрации анализируемых веществ из-за резонансных явлений поглощения падающего излучения и из-за гашения сета, испускаемого исследуемым веществом, соседними молекулами. Максимальная чувствительность известных методов не превосходит 10^-9 млн^-1.

Наиболее близким к предлагаемому является способ дистанционного газового анализа [2] при котором в анализируемую среду посылают электромагнитное излучение и регистрируют излучение, приходящее из среды, причем излучение посылают парами импульсов так, чтобы сумма частот импульсов излучения равнялась частоте резонансного перехода исследуемого газа, а второй импульс догонял первый, вызывая возбуждение среды в точке совпадения.

Недостатком известного способа является также низкая чувствительность из-за низкой эффективности расхода излучаемой энергии на обеспечение сложения частот импульсов в точке их встречи.

Целью изобретения является повышение чувствительности измерения концентрации примеси за счет того, что посылаемое в среду излучение выбирают в диапазоне значимой величины производной группового показателя преломления искомой компоненты, модулируют по амплитуде или фазе по определенному (например, гармоническому) закону, а в принимаемом излучении регистрируют изменения во времени соответственно фазы или амплитуды и по этим изменениям судят о концентрации искомой компоненты.

Сущность заключается в том, что в способе измерения концентрации компонент среды, включающем облучение анализируемой среды электромагнитным излучением и регистрацию излучения, принимаемого из среды, анализируемую среду облучают излучением с частотой, которую выбирают в диапазоне значимой второй производной показателя преломления искомой компоненты, при этом облучающее излучение модулируют по амплитуде или фазе по фиксированному закону, а в принимаемом излучении регистрируют изменение во времени соответственно или фазы или амплитуды и по этим изменения судят о концентрации искомой компоненты.

На чертеже представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа.

На чертеже показаны: 1 источник излучения; 2 блок подстройки несущей частоты; 3 модулятор излучения; 4 генератор модулирующего сигнала; 5 -передающая система; 6 приемная система; 7 -детектор сигнала принимаемого излучения; 8 -регистратор.

Способ реализуют следующим образом.

Источник излучения 1 вырабатывает сигнал частоты ω_o, которая выбирается в диапазоне значимой второй производной показателя преломления искомой компоненты и в случае удаленности от этого диапазона подстраивается к нему посредством блока 2. Посредством модулятора 3 несущую частоту ω_o модулируют с частотой Ω, которую вырабатывает генератор 4. В данном примере, для определенности, будем рассматривать амплитудную модуляцию посылаемого излучения по закону (l+m cosΩt) и, следовательно, модулированное по амплитуде излучения вида E(t) = (l+m cosΩt)exp(iω_ot) (1) посылают в анализируемую среду посредством передающей системы 5.

Предложим, что анализируемая среда содержит искомую компоненту, имеющую линию поглощения с максимумом на частоте ω_i где N концентрация компоненты, содержащей i-ю спектральную линию; A_i коэффициент, характеризующий вероятность перехода или силу осциллятора; g_i параметр затухания линии.

В этом случае искомая компонента (1) в рассматриваемом диапазоне частот имеет изменения группового показателя преломления вида Сигнал, принимаемый приемной системой 6 после прохождения в среде расстояния L, будет иметь вид где фаза сигнала, прошедшего анализируемую среду, представлена в виде ряда

с производными, взятыми по частоте.

Если принять во внимание, что обычно справедливы для информационного сигнала условия m < 1 и ϕʺ(ω_o)Ω²/2 ≪ 1,, то, ограничиваясь линейным приближением, соотношение (4) можно упростить:
.

Дифференцируя по времени третье слагаемое в показателе экспоненты, что означает регистрацию изменений по времени фазы принятого сигнала, для чего в качестве детектора принимаемого излучения 7 установлен частотный детектор, получают сигнал в точке приема частоты несущих колебаний, связанный с параметрами среды распространения:
.

Раскрывая определение фазы, подставляя соотношение (3) и проводя необходимые математические преобразования, получаем для искомой концентрации в области максимума производной группового показателя преломления искомой компоненты
N = cω_ig³_iΔω_A/2,5Ω³LA_i, (7)
где c скорость света в вакууме.

Численные оценки для средних условий, например, в земной атмосфере показывают, что чувствительность заявленного способа в данном примере реализации достигает 10^-13, в то время как лучшие современные аналоги обеспечивают только 10^-9.

Конкретный вид математического соотношения (7) зависит от конкретных условий реализации предлагаемого способа.

Формула изобретения

Способ измерения концентрации компонент среды, включающий облучение анализируемой среды электромагнитным излучением и регистрацию излучения, принимаемого из среды, отличающийся тем, что анализируемую среду облучают излучением с частотой, которую выбирают в диапазоне значимой второй производной показателя преломления искомой компоненты, при этом облучающее излучение модулируют по амплитуде или фазе по фиксированному закону, а в принимаемом излучении регистрируют изменение во времени соответственно или фазы, или амплитуды и по этим изменениям судят о концентрации искомой компоненты.

РИСУНКИ

Рисунок 1