Elektronika 2011-10 I.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

gdzie S(ν) jest funkcją kształtu linii absorpcyjnej, n i, n j oznaczaobsadzenie odpowiednich poziomów oscylacyjno-rotacyjnych,natomiast g jest wagą statystyczną.Kształt linii absorpcyjnej zależy od warunków w jakich znajdujesię gaz [9, 10]. Przy niskich ciśnieniach, gdy oddziaływaniepomiędzy molekułami gazu jest stosunkowo słabe i zderzeniamiędzy nimi występują rzadko, przyjmuje się niejednorodne poszerzeniedopplerowskie, natomiast przy ciśnieniach wyższychdominuje jednorodne poszerzenie opisane krzywą Lorentza:( ) S ν=,(2)2⎡2⎛∆ν⎞ ⎤2π⋅⎢( ν−ν0)+⎜⎟⎥⎢⎣⎝2⎠⎥⎦gdzie Δν jest szerokością połówkową linii absorpcyjnej zależnąod wielu czynników takich jak temperatura, ciśnienie i skład gazu.Na podstawie [10] można przyjąć, że dla gazu składającego sięz wielu składników poszerzenie linii widmowej równe jest:∑2 ∆ν [ MHz]=7,036(P[Tr]/T)ϕα,(3)gdzie φ boznacza udział gazu b poszerzającego linię, α abnatomiastwspółczynnik poszerzania linii absorpcyjnej gazu absorbującegoa przez gaz poszerzający b.Z przedstawionych zależności wynika, że przesyłając wiązkępromieniowania IR przestrajanego lasera kaskadowego przezmieszankę gazów o określonym składzie, otrzymuje się widmoabsorpcyjne odpowiadające dokładnie składowi gazów w mieszance.Przyjmując:1bbabRys. 2. Widmo absorpcyjne amoniaku w zakresie liczby falowej od1046,056 cm -1 do 1046,836 cm -1 . Pomiary wykonano dla ciśnieniamieszanki gazów równego 0,1 atm i jej temperatury wynoszącej 18°C(291K)Fig. 2. Ammonia absorption spectrum in the wavenumber rangefrom 1046.056 to 1046.836 cm -1 . The measurements were performedfor a pressure of gas mixture equal to 0.1 atm and its temperatureof 18 o C (291K) gj(4)ni− nj= γC,gigdzie C oznacza stężenie gazu absorbującego promieniowanie,a γ – współczynnik proporcjonalności, zależność (2) możnaprzedstawić w postaci:hν κ= γS(ν ).(5)cNa podstawie powyższych zależności można wykazać, że minimalnatransmisja w gazie wynosi: ⎛2hν0⎞(6)T( ν0)= exp⎜−γLC⎟.⎝c∆ν⎠Na podstawie wzoru (6) można określić stężenie wykrywanegogazu:c∆ν1 C= [ −lnT(ν0)].(7)2hνγLPrzyporządkowanie minimom poszczególnych pasm absorpcyjnychgazu wartości liczby falowej możliwe jest przy wykorzystaniuetalonu germanowego o określonych częstotliwościach własnych,stężenie gazu w mieszance gazów można określić natomiast napodstawie wartości transmisji dla pasm związanych z tym gazem.Wyniki badańDziałanie systemu zostało przedstawione na podstawie detekcjiamoniaku przeprowadzonej z wykorzystaniem opracowanegow ITE lasera kaskadowego 9,4 μm. Laser generował impulsy promieniowaniaIR o czasie trwania równym 50 ns. W trakcie impulsuprzestrajał się on w zakresie 0,78 cm -1 , od wartości 1046,056 cm -1do wartości 1046,836 cm -1 . Na rys. 2 przedstawiono widmo absorpcyjneamoniaku w podanym zakresie liczby falowej. Pomiaryzostały wykonane dla ciśnienia mieszanki gazów równego 0,1 atmi jej temperatury wynoszącej 18°C (291K). Temperatura strukturylasera kaskadowego stabilizowana była na wartości ~ 272,2K.Jak można zaobserwować na rysunku, w widmie występuje jedno360Rys. 3. Obliczenie minimalnego stężenia amoniaku w mieszance gazówmożliwego do wykrycia i określenia za pomocą prezentowanegosystemu. Obliczeń dokonano dla temperatury mieszanki równej18°C, ciśnienia 0,1 atm oraz różnej długości drogi optycznej w komórceprzejść wielokrotnychFig. 3. Calculation of minimal ammonia concentration to be detectedin a gas mixture by using the presented system. The temperatureand pressure of the mixture were 18 o C and 0.1 atm, respectively. Thedifferent length of the optical distance in the multipath cell was takeninto accountpasmo absorpcyjne, dla którego minimum położone jest dla wartościliczby falowej równej 1046,4 cm -1 .Stężenie amoniaku w mieszance amoniak-azot, dla widma pokazanegona rys. 2, wynosiło ~ 1,4 ppm. Należy zaznaczyć, żeomawiane pasmo absorpcyjne jest pasmem bardzo silnym, a coz tym się wiąże możliwe jest wykrycie i określenie na jego podstawiebardzo małych stężeń amoniaku.Dla wybranego pasma absorpcyjnego dokonano obliczeń minimalnegostężenia amoniaku w mieszance gazów, które możnawykryć i jednoznacznie określić za pomocą wykonanego systemu.Obliczeń dokonano dla długości dróg optycznych charakteryzującychdostępne komercyjnie komórki przejść wielokrotnych:36, 72 oraz 210 m. Na rys. 3. przedstawiono przebiegi wykorzystanedo obliczenia minimalnego stężenia amoniaku w powietrzumożliwego do wykrycia i określenia. Obliczeń dokonano dla temperaturymieszanki równej 18°C, ciśnienia 0,1 atm oraz różnejdługości drogi optycznej w komórce przejść wielokrotnych.Elektronika 10/2011