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

System detekcji śladowych ilości gazów w zakresiepodczerwienidr inż. Marcin Miczuga, dr inż. Krzysztof Kopczyński, dr inż. Mirosław Kwaśny,dr inż. Jan KubickiWojskowa Akademia Techniczna, WarszawaZnaczny wzrost zanieczyszczeń atmosfery szkodliwymi dla środowiskagazami będący skutkiem gwałtownego rozwoju przemysłowegooraz coraz bardziej realna groźba wykorzystania przezorganizacje terrorystyczne trujących substancji chemicznych doataku na obiekty użyteczności publicznej i środki transportu zbiorowegospowodowały poszukiwanie szybkich, niezawodnych metoddetekcji i identyfikacji śladowych ilości gazów.W ostatnich latach obserwuje się gwałtowny wzrost zainteresowaniaoptycznymi układami wykrywania i ich aplikacjami w ochronieśrodowiska, medycynie, technice wojskowej oraz poszukiwaniachropy naftowej i gazu ziemnego. Rozwój technologii laserówkaskadowych (QCL) na zakres średniej podczerwieni oraz spektroskopowychmetodach detekcji, jaki nastąpił w ostatnich latach,umożliwia wykrywanie śladowych ilości gazów oraz par związkówchemicznych na poziomie sub-ppb (część na miliard). Przestrajanylaser kaskadowy stanowi przełom w rozwoju spekroskopii laserowejLAS (ang. Laser Absorption Spectroscopy). W stosunku dolaserów gazowych charakteryzuje się on małymi wymiarami, niewymaga wysokonapięciowych układów zasilania i nie emituje zakłóceńelektromagnetycznych. Najważniejszą jednak zaletą tegotypu lasera jest możliwosć emisji impulsów promieniowania IR zezmianą długości fali w czasie trwania impulsu, pozwalająca na dokładnedostrojenie się do wybranej lini absorpcyjnej gazu leżącejw zakresie przestrajania lasera. Nowoczesne układy detekcji bazującena połączeniu laserów kaskadowych ze znanymi metodamidetekcji gazów umożliwiają osiągnięcie bardzo dużej czułości i selektywnościoraz charakteryzują się bardzo dużą szybkością detekcji.Systemy wykrywania gazów zbudowane w oparciu o QCLznajdują coraz szersze zastosowanie w monitoringu środowiskanaturalnego, ochronie zdrowia, układach wykrywania niebezpiecznychsubstancji chemicznych oraz w systemach bezpieczeństwainstalowanych m. in. na lotniskach [1, 2]. Dynamicznie rozwijanesą także militarne mobilne systemy detekcji i identyfikacj bojowychśrodków trujących wykorzystujące lasery kaskadowe [3].Opis systemu pomiarowegoRys. 1. Schemat blokowy systemu detekcji śladowych ilości gazóww zakresie podczerwieniFig. 1. Schematic diagram of the infrared detection system of residualconcentration of gas moleculesSystem pomiarowy umożliwiający detekcję śladowych ilości gazóww zakresie podczerwieni został zaprojektowany i wykonanyw Instytucie Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej[4–7]. Głównymi elementami systemu są: opracowany i wykonanyw Instytucie Technologii Elektronowej laser kaskadowy generującywiązkę promieniowania IR o długości fali 9,4 μm, komórkaprzejść wielokrotnych AMAC-36 firmy Aerodyne ResearchInc. oraz detektor PVI-2TE firmy VIGO System. W skład systemupomiarowego wchodzą ponadto: układ optyczny służący do formowaniai kierowania wiązki IR, kontroler temperatury MPT5000zapewniający właściwą temperaturę struktury lasera kaskadowego,układy zasilania lasera i kontrolera temperatury, komputer PCwraz z oprogramowaniem sterującym pracą systemu pomiarowegoi umożliwiającym analizę wyników pomiaru oraz układ zobrazowaniadanych. Schemat blokowy systemu detekcji śladowychilości gazów przedstawiono na rys. 1.Wiązka promieniowania IR generowana przez umieszczonyw głowicy laser kaskadowy 9,4 μm kierowana jest poprzez układoptyczny do komórki przejść wielokrotnych AMAC-36, w którejzachodzi absorpcja promieniowania przez wykrywany gaz. Komórkata jest komórką typu Herriota (rezonatorem pozaosiowym).Wiązka promieniowania w komórce dokonuje 182 przejść pomiędzylustrami układu optycznego oddalonymi od siebie o 20 cm,natomiast maksymalna długość drogi optycznej wynosi 36 m. Objętośćkomórki równa jest 0,3 l. Liczbę przejść w komórce AMACmożna zmieniać poprzez zmianę odległości pomiędzy lustramioraz obrót jednego z luster względem osi komórki.Wiązka promieniowania IR z komórki przejść wielokrotnychkierowana jest przez układ optyczny systemu do detektora PVI-2TE. Detektor ten jest szybkim detektorem fotowoltaicznymo szerokim zakresie dynamicznym z dwustopniowym termoelektrycznymukładem chłodzenia.Sygnał z detektora przesyłany jest do jednopłytowego komputeraprzemysłowego wyposażonego w procesor P3 1,2 GHz orazdysk twardy 40 GB. Komputer pracuje pod systemem operacyjnymWindows 2000. Sterowanie laserem kaskadowym umieszczonymw głowicy laserowej oraz akwizycja danych z detektora odbywasię za pośrednictwem karty NI PCI 6111. Zainstalowana w komputerzekarta NI PCI 6024 umożliwia pomiar ciśnienia oraz temperaturymieszanki gazów w komórce przejść wielokrotnych. Obydwiekarty wyposażone są w specjalne konektory umożliwiające podłączeniegłowicy laserowej, detektora oraz czujnika temperaturyi ciśnienia. Do sterowania laserem kaskadowym, akwizycji danychoraz ich analizy wykorzystywane jest oprogramowanie TDL Wintelopracowane przez firmę Aerodyne Research Inc oraz dedykowaneoprogramowanie wykonane w trakcie budowy systemu.Wszystkie elementy systemu detekcji śladowych ilości gazówumieszczone są w standardowej kasecie 19´ wykonanej na podstawieprojektu przez firmę EDAK. Kaseta ta spełnia wszystkiewymagania obowiązujących norm militarnych NATO.Opis zjawisk fizycznychW wyniku opromieniowania molekuł gazu przez wiązkę monochromatycznegopromieniowania IR o częstotliwości ν dopasowanejdo różnicy oscylacyjno-rotacyjnych poziomów energetycznychhν= E 2− E1, następuje absorpcja promieniowania, przyczym współczynnik absorpcji wynosi [8]: hν⎛gj⎞κ = S(ν)(1)⎜ n −⎟inj,c ⎝ gi⎠Elektronika 10/2011 35