eng
Выпуск #1/2016
Д.Васильев, М.Коняев, А.Ким, Л.Абрамов
Лазерная диодная спектроскопия. Бесконтактная система измерения концентрации паров этилового спирта в выдохе человека
Лазерная диодная спектроскопия. Бесконтактная система измерения концентрации паров этилового спирта в выдохе человека
Просмотры: 6204
Лазерная диодная спектроскопия на основе диодных перестраиваемых лазеров (TDLAS – Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) – универсальный метод детектирования химических веществ в составе атмосферы. Представлена система детектирования паров этилового спирта в выдохе человека методами TDLAS на фоне "мешающих" атмосферных примесей. Рассмотрены особенности систем для детектирования малых концентраций газов в атмосфере для эксплуатации в условиях проходных и пунктов пропуска предприятий при значительных потоках людей.
Теги: tunable diode laser absorption spectroscopy лазерная диодная спектроскопия на основе диодных перестраиваемых
В
основе метода спектроскопии лежит характерное свойство веществ – селективно поглощать излучение на определенных длинах волн. Преимущество диодных перестраиваемых лазеров быстро менять длину волны излучения на 2–3 нм позволяет сканировать несколько линий поглощения вещества. А малые размеры TDLAS-лазера дают возможность создавать на их базе достаточно компактные аналитические приборы. При прохождении излучения через слой поглощающего газа интенсивность проходящего сигнала определяется законом Бугера-Ламберта:
(1)
где: I0 – начальная интенсивность, α0 (λ) – коэффициент поглощения вещества, С – концентрация вещества, L – длина трассы измерения.
Использование диодной лазерной спектроскопии оказывается эффективным при детектировании веществ, имеющих узкие отдельно расположенные в спектре полосы поглощения. Классическим примером применения TDLAS является задача детектирования метана в атмосфере. Линии поглощения молекулы метана лежат около 1,6 мкм и обладают высокой интенсивностью. Но главное – ширина этих линий не превышает 0,3 нм даже при высокой концентрации метана. Следовательно, возможно сканировать полную линию поглощения или даже две линии, перестраивая излучения лазера в пределах 3 нм. На длинах волн около 1,6 мкм в атмосфере практически отсутствуют примеси, затрудняющие идентификацию молекул метана. Это позволяет применять для детектирования довольно традиционный метод частотной модуляции излучения лазера с детектированием второй гармоники.
При модуляции длины волны излучения DFB-лазера (distributed feedback laser – лазер с распределённой обратной связью), генерирующего излучение в области 1,6 мкм, с помощью пилообразного сигнала и частотной синусоидальной гармоникой, частота изменяется по закону:
(2)
а, интенсивность:
(3)
где: υ0 – частота лазера без модуляции, hm – амплитуда модуляции, η – коэффициент модуляции, ω = 2πf – угловая частота токовой модуляции лазерного тока.
Предполагая, что выполняются такие соотношения и , выражение (1) можно переписать в следующем виде:
. (4)
При атмосферном давлении форма линии поглощения считается Лоренцевской. Тогда, применяя Фурье-преобразование к сигналу зависимости тока с приемника, можно получить, что коэффициенты для мощности тока на первой и второй гармонике частоты модуляции тока f определяют концентрацию газа:
. (5)
На рис.1 графически представлена схема метода модуляции частоты лазерного излучения при зондировании метана [1].
Рассмотренный выше подход является традиционным для детектирования различных газов в атмосфере и успешно реализован в приборах для веществ с "узкими" линиями поглощения и при отсутствии поглощения "мешающих" примесей, которые могут содержаться в атмосфере. Гораздо более сложный случай для детектирования представляют условия, когда ширина линии поглощения вещества сопоставима с шириной спектральной перестройки лазера. Усугубляют эту ситуацию условия, когда детектирование слабого поглощения целевого газа ведется на фоне примесей, имеющих гораздо более интенсивное поглощение. Такая ситуация возникает при детектировании сложных органических веществ, например, паров этилового спирта в условиях сильного поглощения излучения парами воды.
Ниже рассмотрены некоторые практические аспекты процесса разработки системы для бесконтактного измерения концентрации паров алкоголя в выдохе человека по измерению параметров спектра поглощения этилового спирта в ближнем инфракрасном диапазоне.
Выбор спектрального диапазона для систем лазерной диодной спектроскопии
При разработке приборов, работающих на принципах точного измерения спектров поглощения различных веществ в атмосфере методами лазерной спектроскопии, первый вопрос, возникающий перед разработчиком, – это выбор спектрального диапазона, в котором будут проводиться измерения.
На первый взгляд кажется, что если речь идет об органических веществах, то наиболее сильные линии поглощения лежат в средней и дальней ИК-области оптического спектра. Считается, что в ближнем ИК-диапазоне поглощение на обертонах и составных полосах во много раз слабее, чем для поглощения на фундаментальных полосах. На рис.2 в качестве примера представлены спектры пропускания для молекул метана и углекислого газа [2].
Если ориентироваться на максимальное поглощение веществ, то детектирование большинства органических соединений предпочтительнее вести в среднем и дальнем ИК-диапазонах. С другой стороны, вопрос выбора спектрального диапазона является комплексным и в каждом конкретном случае требует детального рассмотрения. Следует принимать во внимание не только уровень поглощения интересующего нас вещества, но и, как минимум, наличие коммерчески доступных лазерных источников и приемников излучения.
Например, при выборе оптимального приемника излучения можно использовать такой характеризующий его критерий, как мощность, приведенная к шуму NEP (Noise Equivalent Power). И для приемника, работающего в ближней ИК-области, эта величина на порядки меньше, чем для приемников в средней ИК-области, что при правильно реализованном электронном тракте проектируемого прибора выразится в пропорциональном увеличении соотношения получаемого сигнала к шумам. Шумовые характеристики приемников, работающих в дальнем ИК-диапазоне, также могут быть снижены, но за счет введения дополнительных систем охлаждения до практически криогенных температур. Это, безусловно, снижает эксплуатационные характеристики и надежность в целом и повышает стоимость системы.
Выбор лазерного источника излучения для приборов "ближнего действия", т. е. приборов, не требующих большой энергии лазерного излучения, очень щирок. И в нем особое место занимают разнообразные лазерные полупроводниковые диоды, которые перекрывают диапазон от жесткого УФ- до дальнего ИК-излучения. В этой области лучшие результаты по уровню выходной мощности, подавлению фазовых шумов и боковых мод излучения достигнуты в ближней ИК-области по сравнению со средним и дальним ИК-диапазоном. Важна возможность иметь волоконный выход для лазерного излучения в ближнем до 2 мкм ИК-диапазоне. Применение оптического волокна позволяет избавиться от лишних оптических элементов, повысить надежность прибора и частично разрешить проблемы с интерференцией оптического излучения. Отметим, что на практике основным лимитирующим фактором, ограничивающим чувствительность, являются именно интерференционные эффекты в оптическом тракте.
Подводя итог, можно утверждать, что выбор спектрального диапазона прибора требует внимательного рассмотрения в каждом конкретном случае. Далеко не всегда желание работать в областях сильного поглощения вещества согласуется с возможностью реализовать прибор, максимально отвечающий требованиям пользователей.
Предлагаем рассмотреть бесконтактную систему экспресс-теста на алкогольное опьянение (рис.3). Система предназначена для обеспечения полного контроля персонала на состояние алкогольного опьянения на проходных и пропускных пунктах предприятий. Ее основные технические характеристики:
• время анализа на алкогольное опьянение – не более 1 с.;
• время готовности к последующему тесту – не более 1 с.;
• минимальный устанавливаемый порог срабатывания – 0,2 промилле (90 мкг/м 3);
• диапазон измерения – 0,2–10 промилле;
• погрешность измерения – 0,1 промилле.
Особенности проектирования системы измерения концентрации алкоголя в выдохе человека
Исходя из задач экспресс-контроля, система должна отвечать весьма жестким требованиям на время срабатывания, и обладать высоким ресурсом и надежностью работы. При этом система должна быть бесконтактной и обеспечивать измерение концентрации алкоголя в выдохе за одну секунду, чтобы через секунду быть готовой к следующему измерению. Это позволит вести непрерывный контроль без образования очередей. Система должна обеспечивать до 20000 тестов в сутки при непрерывной круглосуточной работе в течение нескольких лет без замены самого датчика. Для выполнения предъявленных технических требований наиболее предпочтительным, а скорее всего и единственно возможным, является применение методов диодной лазерной спектроскопии.
Система работает на измерении поглощения паров этилового спирта в ближней ИК-области спектра, а именно около 1,4 мкм. Применен перестраиваемый полупроводниковый лазерный диод с распределенной обратной связью, сканирующий заданный интервал спектра. На рис.4 представлена функциональная схема прибора.
Система выполнена по традиционной схеме с перестраиваемым полупроводниковым лазерным источником, сканирующим заданную область спектра шириной несколько нанометров с частотой 2 кГц. Оптическая трасса построена по принципу открытой оптической кюветы на многократном отражении от плоских зеркал. Исходные параметры лазерного излучения контролируется опорным фотоприемником. Основная сложность технической реализации связана с необходимостью выделения весьма слабого дифференциального поглощения лазерного излучения парами спирта на фоне сильного поглощения мешающих примесей, в частности парами воды. Особенность измерений состоит еще и в том, что во время выдоха абсолютная влажность в измеряемом объеме может изменяться в десятки раз, так как выдыхаемый воздух увлажнен практически до 100% при 36° С. Здесь мы не будем детально рассматривать особенности алгоритма выделения полезного сигнала, а подробнее рассмотрим более практические моменты, связанные с обоснованием выбора спектрального диапазона и конструкции измерительного объема системы.
Первоначально был рассмотрен спектр поглощения паров спирта в различных спектральных диапазонах. На рис.5 представлен спектр поглощения этилового спирта.
Как видно, существует три спектральных диапазона для измерения концентрации этой сложной молекулы, основные линии поглощения лежат около 3,4 мкм (2900 см–1), а обертона на 2,7 мкм (3700 см–1) и 1,4 мкм (7190 см–1) [4].
Диапазон около 3,4 мкм не вполне обеспечен, как приемниками, так и источниками излучения. Уровень средней выходной мощности лазерных диодов на порядок меньше, чем для диодов, работающих на длине волны 1,4 мкм, и не превышает 1 мВт. На рис.6 представлено сравнение уровня селекции боковых мод для лазеров, излучающих на длинах волн 3,4 и 1,4 мкм [3]. Для длинноволнового лазера уровень сигнала на 10 Дбм хуже. В этом диапазоне, как известно, работа с оптическим волокном также невозможна. Важную роль играет стоимость комплектующих изделий. На сегодняшний момент, стоимость лазерного диода с излучением на длине волны 3,4 мкм более чем в пять раз превышает стоимость диода с излучением на 1.4 мкм. Для коммерческого серийного продукта это неприемлемое условие.
Использование длины волны 2,7 мкм также сопряжено с определенными трудностями. На рис.7 представлено пропускание атмосферы на пяти метрах оптической трассы при температуре 20°C и относительной влажности 60%. В этой области спектра присутствует очень сильное поглощение излучения парами воды, которые неизбежно присутствуют в атмосфере. А если учесть, что прибор предназначен для измерения параметров человеческого выдоха, имеющего при 36°C влажность, близкую к 100%, то детектировать малые концентрации паров спирта на фоне столь сильного поглощения мешающих примесей будет весьма сложно [2]. Использование оптического волокна для этого диапазона также невозможно.
Таким образом, область спектра около 1,4 мкм является наиболее удобной для бесконтактного измерения концентрации паров этилового спирта. И это несмотря на то, что относительное поглощение излучения в этом диапазоне в 50 раз слабее по сравнению с областью вокруг длины волны 3,4 мкм и в 10 раз меньше по сравнению с областью 2,7 мкм. На рис.8 представлен спектр пропускания атмосферы в обсуждаемом диапазоне [2]. Видно присутствие области сильного поглощения излучения парами воды, но обнаруживаются участки спектра, на которых возможно измерение слабого поглощения излучения парами спирта.
Особое внимание при проектировании системы уделяли конструкции её оптической трассы. Согласно техническому заданию система должна контролировать большие потоки проверяемых лиц, обеспечивая непрерывный режим измерений. Поэтому конструкция кюветы должна быть открытой, одновременно обеспечивая, с одной стороны, высокую концентрацию выдыхаемого воздуха, с другой – быстрое удаление контролируемого объема воздуха.Были рассмотрены различные конструкции оптической трассы, проведено численное моделирование газодинамических процессов в различных условиях работы. В процессе исследования менялись интенсивность и направление выдоха, а также варьировалась конструкция дефлектора, рассеивающего поток воздуха. Схема оптической трассы и некоторые результаты моделирования представлены на рис.9.
В ходе экспериментальной отработки системы была проведена верификация численной модели экспериментальным методом. На рис.10 представлен процесс изменения средней влажности в измерительном объеме от времени, полученный на опытном образце системы. Изменение средней влажности является хорошим индикатором процесса заполнения измерительного объема в процессе выдоха. Принимая исходную относительную влажность выдоха, равную 100% при температуре 36°C, и в модели, и в эксперименте, выбранная конструкция измерительной кюветы позволяет достигать пикового значения средней концентрации выдоха до 70% от общего объема измерительной кюветы. При этом опустошение измерительного объема на 95% от предыдущего выдоха происходит через 1,3 с, что позволяет производить следующее измерение.
Дальнейшая практическая эксплуатация серийно выпускаемых приборов на пунктах пропуска персонала предприятий подтвердила работоспособность выбранной конструкции измерительной кюветы. В различных условиях эксплуатации, в летний, в зимний периоды, при высокой и низкой влажности система обеспечивала непрерывное распознавание и контроль выдоха даже при темпе измерений один раз в две секунды.
Заключение
Рассмотренные технические решения позволили разработать и изготовить представленную здесь систему детектирования паров этилового спирта в выдохе человека методами диодной лазерной спектроскопии на фоне "мешающих" атмосферных примесей, поглощение которых на два порядка превышает поглощение целевого вещества в выбранном спектральном диапазоне. Система успешно проэксплуатирована. Проведен обоснованный выбор спектрального диапазона около 1,4 мкм, учитывающий не только уровень поглощения излучения парами спирта, но и возможность работать с коммерчески доступными и сравнительно недорогими источниками и приемниками излучения, применять оптическое волокно.
Анализ численного моделирования процесса выдоха человека в измерительный объем системы лег в основу разработки конструкции измерительной кюветы. Конструкция дает возможность получать в измерительной кювете высокие пиковые значения средней концентрации выдоха, и при этом объем быстро опустошается для следующего выдоха. Это позволяет применять систему для эксплуатации в условиях проходных и пунктов пропуска предприятий при значительных потоках людей.
Литература
1. LASERMETHANE™ – A Portable Remote Methane Detector. Takaya Iseki R&D Division, Technology Development Dept., Sensing & Controls Center Tokyo Gas Co., Ltd.
2. spectra.iao.ru
3. www.nanoplus.com
4. Doroshenko I., Pogorelov V., Sablinskas V. Infrared Absorption Spectra of Monohydric Alcohols. – Dataset Papers in Chemistry, 2013, v. 2013.
основе метода спектроскопии лежит характерное свойство веществ – селективно поглощать излучение на определенных длинах волн. Преимущество диодных перестраиваемых лазеров быстро менять длину волны излучения на 2–3 нм позволяет сканировать несколько линий поглощения вещества. А малые размеры TDLAS-лазера дают возможность создавать на их базе достаточно компактные аналитические приборы. При прохождении излучения через слой поглощающего газа интенсивность проходящего сигнала определяется законом Бугера-Ламберта:
(1)
где: I0 – начальная интенсивность, α0 (λ) – коэффициент поглощения вещества, С – концентрация вещества, L – длина трассы измерения.
Использование диодной лазерной спектроскопии оказывается эффективным при детектировании веществ, имеющих узкие отдельно расположенные в спектре полосы поглощения. Классическим примером применения TDLAS является задача детектирования метана в атмосфере. Линии поглощения молекулы метана лежат около 1,6 мкм и обладают высокой интенсивностью. Но главное – ширина этих линий не превышает 0,3 нм даже при высокой концентрации метана. Следовательно, возможно сканировать полную линию поглощения или даже две линии, перестраивая излучения лазера в пределах 3 нм. На длинах волн около 1,6 мкм в атмосфере практически отсутствуют примеси, затрудняющие идентификацию молекул метана. Это позволяет применять для детектирования довольно традиционный метод частотной модуляции излучения лазера с детектированием второй гармоники.
При модуляции длины волны излучения DFB-лазера (distributed feedback laser – лазер с распределённой обратной связью), генерирующего излучение в области 1,6 мкм, с помощью пилообразного сигнала и частотной синусоидальной гармоникой, частота изменяется по закону:
(2)
а, интенсивность:
(3)
где: υ0 – частота лазера без модуляции, hm – амплитуда модуляции, η – коэффициент модуляции, ω = 2πf – угловая частота токовой модуляции лазерного тока.
Предполагая, что выполняются такие соотношения и , выражение (1) можно переписать в следующем виде:
. (4)
При атмосферном давлении форма линии поглощения считается Лоренцевской. Тогда, применяя Фурье-преобразование к сигналу зависимости тока с приемника, можно получить, что коэффициенты для мощности тока на первой и второй гармонике частоты модуляции тока f определяют концентрацию газа:
. (5)
На рис.1 графически представлена схема метода модуляции частоты лазерного излучения при зондировании метана [1].
Рассмотренный выше подход является традиционным для детектирования различных газов в атмосфере и успешно реализован в приборах для веществ с "узкими" линиями поглощения и при отсутствии поглощения "мешающих" примесей, которые могут содержаться в атмосфере. Гораздо более сложный случай для детектирования представляют условия, когда ширина линии поглощения вещества сопоставима с шириной спектральной перестройки лазера. Усугубляют эту ситуацию условия, когда детектирование слабого поглощения целевого газа ведется на фоне примесей, имеющих гораздо более интенсивное поглощение. Такая ситуация возникает при детектировании сложных органических веществ, например, паров этилового спирта в условиях сильного поглощения излучения парами воды.
Ниже рассмотрены некоторые практические аспекты процесса разработки системы для бесконтактного измерения концентрации паров алкоголя в выдохе человека по измерению параметров спектра поглощения этилового спирта в ближнем инфракрасном диапазоне.
Выбор спектрального диапазона для систем лазерной диодной спектроскопии
При разработке приборов, работающих на принципах точного измерения спектров поглощения различных веществ в атмосфере методами лазерной спектроскопии, первый вопрос, возникающий перед разработчиком, – это выбор спектрального диапазона, в котором будут проводиться измерения.
На первый взгляд кажется, что если речь идет об органических веществах, то наиболее сильные линии поглощения лежат в средней и дальней ИК-области оптического спектра. Считается, что в ближнем ИК-диапазоне поглощение на обертонах и составных полосах во много раз слабее, чем для поглощения на фундаментальных полосах. На рис.2 в качестве примера представлены спектры пропускания для молекул метана и углекислого газа [2].
Если ориентироваться на максимальное поглощение веществ, то детектирование большинства органических соединений предпочтительнее вести в среднем и дальнем ИК-диапазонах. С другой стороны, вопрос выбора спектрального диапазона является комплексным и в каждом конкретном случае требует детального рассмотрения. Следует принимать во внимание не только уровень поглощения интересующего нас вещества, но и, как минимум, наличие коммерчески доступных лазерных источников и приемников излучения.
Например, при выборе оптимального приемника излучения можно использовать такой характеризующий его критерий, как мощность, приведенная к шуму NEP (Noise Equivalent Power). И для приемника, работающего в ближней ИК-области, эта величина на порядки меньше, чем для приемников в средней ИК-области, что при правильно реализованном электронном тракте проектируемого прибора выразится в пропорциональном увеличении соотношения получаемого сигнала к шумам. Шумовые характеристики приемников, работающих в дальнем ИК-диапазоне, также могут быть снижены, но за счет введения дополнительных систем охлаждения до практически криогенных температур. Это, безусловно, снижает эксплуатационные характеристики и надежность в целом и повышает стоимость системы.
Выбор лазерного источника излучения для приборов "ближнего действия", т. е. приборов, не требующих большой энергии лазерного излучения, очень щирок. И в нем особое место занимают разнообразные лазерные полупроводниковые диоды, которые перекрывают диапазон от жесткого УФ- до дальнего ИК-излучения. В этой области лучшие результаты по уровню выходной мощности, подавлению фазовых шумов и боковых мод излучения достигнуты в ближней ИК-области по сравнению со средним и дальним ИК-диапазоном. Важна возможность иметь волоконный выход для лазерного излучения в ближнем до 2 мкм ИК-диапазоне. Применение оптического волокна позволяет избавиться от лишних оптических элементов, повысить надежность прибора и частично разрешить проблемы с интерференцией оптического излучения. Отметим, что на практике основным лимитирующим фактором, ограничивающим чувствительность, являются именно интерференционные эффекты в оптическом тракте.
Подводя итог, можно утверждать, что выбор спектрального диапазона прибора требует внимательного рассмотрения в каждом конкретном случае. Далеко не всегда желание работать в областях сильного поглощения вещества согласуется с возможностью реализовать прибор, максимально отвечающий требованиям пользователей.
Предлагаем рассмотреть бесконтактную систему экспресс-теста на алкогольное опьянение (рис.3). Система предназначена для обеспечения полного контроля персонала на состояние алкогольного опьянения на проходных и пропускных пунктах предприятий. Ее основные технические характеристики:
• время анализа на алкогольное опьянение – не более 1 с.;
• время готовности к последующему тесту – не более 1 с.;
• минимальный устанавливаемый порог срабатывания – 0,2 промилле (90 мкг/м 3);
• диапазон измерения – 0,2–10 промилле;
• погрешность измерения – 0,1 промилле.
Особенности проектирования системы измерения концентрации алкоголя в выдохе человека
Исходя из задач экспресс-контроля, система должна отвечать весьма жестким требованиям на время срабатывания, и обладать высоким ресурсом и надежностью работы. При этом система должна быть бесконтактной и обеспечивать измерение концентрации алкоголя в выдохе за одну секунду, чтобы через секунду быть готовой к следующему измерению. Это позволит вести непрерывный контроль без образования очередей. Система должна обеспечивать до 20000 тестов в сутки при непрерывной круглосуточной работе в течение нескольких лет без замены самого датчика. Для выполнения предъявленных технических требований наиболее предпочтительным, а скорее всего и единственно возможным, является применение методов диодной лазерной спектроскопии.
Система работает на измерении поглощения паров этилового спирта в ближней ИК-области спектра, а именно около 1,4 мкм. Применен перестраиваемый полупроводниковый лазерный диод с распределенной обратной связью, сканирующий заданный интервал спектра. На рис.4 представлена функциональная схема прибора.
Система выполнена по традиционной схеме с перестраиваемым полупроводниковым лазерным источником, сканирующим заданную область спектра шириной несколько нанометров с частотой 2 кГц. Оптическая трасса построена по принципу открытой оптической кюветы на многократном отражении от плоских зеркал. Исходные параметры лазерного излучения контролируется опорным фотоприемником. Основная сложность технической реализации связана с необходимостью выделения весьма слабого дифференциального поглощения лазерного излучения парами спирта на фоне сильного поглощения мешающих примесей, в частности парами воды. Особенность измерений состоит еще и в том, что во время выдоха абсолютная влажность в измеряемом объеме может изменяться в десятки раз, так как выдыхаемый воздух увлажнен практически до 100% при 36° С. Здесь мы не будем детально рассматривать особенности алгоритма выделения полезного сигнала, а подробнее рассмотрим более практические моменты, связанные с обоснованием выбора спектрального диапазона и конструкции измерительного объема системы.
Первоначально был рассмотрен спектр поглощения паров спирта в различных спектральных диапазонах. На рис.5 представлен спектр поглощения этилового спирта.
Как видно, существует три спектральных диапазона для измерения концентрации этой сложной молекулы, основные линии поглощения лежат около 3,4 мкм (2900 см–1), а обертона на 2,7 мкм (3700 см–1) и 1,4 мкм (7190 см–1) [4].
Диапазон около 3,4 мкм не вполне обеспечен, как приемниками, так и источниками излучения. Уровень средней выходной мощности лазерных диодов на порядок меньше, чем для диодов, работающих на длине волны 1,4 мкм, и не превышает 1 мВт. На рис.6 представлено сравнение уровня селекции боковых мод для лазеров, излучающих на длинах волн 3,4 и 1,4 мкм [3]. Для длинноволнового лазера уровень сигнала на 10 Дбм хуже. В этом диапазоне, как известно, работа с оптическим волокном также невозможна. Важную роль играет стоимость комплектующих изделий. На сегодняшний момент, стоимость лазерного диода с излучением на длине волны 3,4 мкм более чем в пять раз превышает стоимость диода с излучением на 1.4 мкм. Для коммерческого серийного продукта это неприемлемое условие.
Использование длины волны 2,7 мкм также сопряжено с определенными трудностями. На рис.7 представлено пропускание атмосферы на пяти метрах оптической трассы при температуре 20°C и относительной влажности 60%. В этой области спектра присутствует очень сильное поглощение излучения парами воды, которые неизбежно присутствуют в атмосфере. А если учесть, что прибор предназначен для измерения параметров человеческого выдоха, имеющего при 36°C влажность, близкую к 100%, то детектировать малые концентрации паров спирта на фоне столь сильного поглощения мешающих примесей будет весьма сложно [2]. Использование оптического волокна для этого диапазона также невозможно.
Таким образом, область спектра около 1,4 мкм является наиболее удобной для бесконтактного измерения концентрации паров этилового спирта. И это несмотря на то, что относительное поглощение излучения в этом диапазоне в 50 раз слабее по сравнению с областью вокруг длины волны 3,4 мкм и в 10 раз меньше по сравнению с областью 2,7 мкм. На рис.8 представлен спектр пропускания атмосферы в обсуждаемом диапазоне [2]. Видно присутствие области сильного поглощения излучения парами воды, но обнаруживаются участки спектра, на которых возможно измерение слабого поглощения излучения парами спирта.
Особое внимание при проектировании системы уделяли конструкции её оптической трассы. Согласно техническому заданию система должна контролировать большие потоки проверяемых лиц, обеспечивая непрерывный режим измерений. Поэтому конструкция кюветы должна быть открытой, одновременно обеспечивая, с одной стороны, высокую концентрацию выдыхаемого воздуха, с другой – быстрое удаление контролируемого объема воздуха.Были рассмотрены различные конструкции оптической трассы, проведено численное моделирование газодинамических процессов в различных условиях работы. В процессе исследования менялись интенсивность и направление выдоха, а также варьировалась конструкция дефлектора, рассеивающего поток воздуха. Схема оптической трассы и некоторые результаты моделирования представлены на рис.9.
В ходе экспериментальной отработки системы была проведена верификация численной модели экспериментальным методом. На рис.10 представлен процесс изменения средней влажности в измерительном объеме от времени, полученный на опытном образце системы. Изменение средней влажности является хорошим индикатором процесса заполнения измерительного объема в процессе выдоха. Принимая исходную относительную влажность выдоха, равную 100% при температуре 36°C, и в модели, и в эксперименте, выбранная конструкция измерительной кюветы позволяет достигать пикового значения средней концентрации выдоха до 70% от общего объема измерительной кюветы. При этом опустошение измерительного объема на 95% от предыдущего выдоха происходит через 1,3 с, что позволяет производить следующее измерение.
Дальнейшая практическая эксплуатация серийно выпускаемых приборов на пунктах пропуска персонала предприятий подтвердила работоспособность выбранной конструкции измерительной кюветы. В различных условиях эксплуатации, в летний, в зимний периоды, при высокой и низкой влажности система обеспечивала непрерывное распознавание и контроль выдоха даже при темпе измерений один раз в две секунды.
Заключение
Рассмотренные технические решения позволили разработать и изготовить представленную здесь систему детектирования паров этилового спирта в выдохе человека методами диодной лазерной спектроскопии на фоне "мешающих" атмосферных примесей, поглощение которых на два порядка превышает поглощение целевого вещества в выбранном спектральном диапазоне. Система успешно проэксплуатирована. Проведен обоснованный выбор спектрального диапазона около 1,4 мкм, учитывающий не только уровень поглощения излучения парами спирта, но и возможность работать с коммерчески доступными и сравнительно недорогими источниками и приемниками излучения, применять оптическое волокно.
Анализ численного моделирования процесса выдоха человека в измерительный объем системы лег в основу разработки конструкции измерительной кюветы. Конструкция дает возможность получать в измерительной кювете высокие пиковые значения средней концентрации выдоха, и при этом объем быстро опустошается для следующего выдоха. Это позволяет применять систему для эксплуатации в условиях проходных и пунктов пропуска предприятий при значительных потоках людей.
Литература
1. LASERMETHANE™ – A Portable Remote Methane Detector. Takaya Iseki R&D Division, Technology Development Dept., Sensing & Controls Center Tokyo Gas Co., Ltd.
2. spectra.iao.ru
3. www.nanoplus.com
4. Doroshenko I., Pogorelov V., Sablinskas V. Infrared Absorption Spectra of Monohydric Alcohols. – Dataset Papers in Chemistry, 2013, v. 2013.
Отзывы читателей
