2
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МОЛЕКУЛ СО И СО

Область применения
2
2
Полезная модель относится к области лазерной спектроскопии и спектрального анализа, а именно к области применения перестраиваемых полупроводниковых лазеров и может быть использована для одновременной диагностики абсолютного и относительного содержания окислов углерода СО и СO в газообразной среде, для мониторинга содержания окислов углерода СО и СO, например, в выдыхаемом воздухе, в атмосфере, в частности, для биомедицинской диагностики.
Предшествующий уровень техники
Известны изобретения, направленные на решение задач газового анализа, таких, например, как определение состава выдыхаемого воздуха, которые используют в своей конструкции датчики, основанные на различных физических принципах.
Известно устройство для диагностики заболеваний человека по выдыхаемому воздуху [1]. Подход, основанный на применении различных принципов детектирования для разных веществ, используемый в конструкции данного устройства, обуславливает необходимость использования отдельного метрологического и инструментального обеспечения для каждого из применяемых принципов, что значительно усложняет всю систему в целом.
Известен лазерный газоанализатор [2], содержащий систему отбора газа на анализ, аналитическую кювету и оптически с ней связанные твердотельный лазер с накачкой, линзы, зеркала и спектральный фильтр для формирования входного и выходного потоков излучения, спектральный прибор, приемник излучения, а также систему регистрации, электрически соединенную с приемником излучения, и ЭВМ для обработки и отображения данных и управления лазерным анализатором, отличающийся тем, что твердотельный лазер используют с диодной накачкой, в качестве спектрального фильтра применен сдвоенный голографический фильтр, в качестве спектрального прибора используют полихроматор с вогнутой дифракционной решеткой, а в качестве приемника излучения - фотодиодные линейки.
Известен помехозащищенный оптико-электронный газоанализатор [3], содержащий блок питания, лазер, декогерентор, оптическую кювету, спектральный элемент, оптическую систему, фотоприемник, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, цифроаналоговый преобразователь, отличающийся тем, что к выходу блока питания подсоединены: лазер, фотоприемник, усилитель, а к входу присоединен блок управления через цифроаналоговый преобразователь; к кювете последовательно присоединены спектральный элемент, оптическая система, фотоприемник, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок управления; лазер, декогерентор и кювета соединены лучом проходящего света.
2
2
Однако, применительно к одновременному анализу нескольких газовых компонент в анализируемой газовой смеси, например, содержания молекул СО и СO в газовой среде, в том числе, в выдыхаемом воздухе, все перечисленные изобретения имеют существенные недостатки, затрудняющие решение поставленной задачи одновременного определения содержания молекул СО и СO и анализа их относительного содержания в газообразной среде, и, в частности, в выдыхаемом воздухе, который был бы наглядным, точным и селективным, а также мог бы быть реализован в полном объеме в виде надежного и эргономичного устройства с использованием перестраиваемого диодного лазера.
2
2
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является создание устройства для одновременного определения концентрации молекул СО и CO с использованием перестраиваемого диодного лазера, которое было бы применимо для одновременного определения содержания молекул СО и СO и анализа их относительного содержания в газообразной среде, и, в частности, в выдыхаемом воздухе, которое обеспечивало бы чувствительность, точность, селективность, динамический диапазон анализа, наглядность полученных результатов, было бы надежным в эксплуатации, эргономичным по составу конструктивных элементов.
Раскрытие полезной модели
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Технический результат достигается тем, что предложено устройство для одновременного определения концентрации молекул СО и СО, выполненное с возможностью ввода параметров лазерной аналитической системы и запуска процесса лазерного спектрального анализа, а также с возможностью выбора спектральных и частотных характеристик лазерного излучения, температурного режима работы используемого лазера, параметров сканирования спектров, их регистрации, оцифровки, передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, включающее в качестве используемого лазера перестраиваемый диодный лазер, выполненный с возможностью генерации монохроматического и контролируемым образом перестраиваемого по частоте оптического излучения, длина волны которого лежит в той спектральной области, в которой расположены используемые для анализа линии поглощения СО и СО, находящихся в газообразном состоянии, включающее также систему управления, выполненную с возможностью поддержания заданных параметров, синхронизации циклов сканирования спектров, осуществления регистрации спектров, их оцифровки, а также с возможностью передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, выдачи результатов измерений, систему термостабилизации, выполненную с возможностью настройки используемого лазера на спектральный диапазон, в котором лежат аналитические линии поглощения СО и СO, и поддержания с необходимой точностью рабочей температуры используемого лазера и его рабочей длины волны, систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, выполненную с возможностью генерации тока определенной амплитуды и формы, используемого для накачки указанного перестраиваемого диодного лазера, и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера посредством изменения амплитудных и временных параметров тока накачки, систему формирования пространственных характеристик лазерного пучка, выполненную с возможностью коллимации расходящегося излучения используемого лазера в пучок, пригодный для пропускания через исследуемый объект, и фокусировки на систему детектирования оптического излучения, выполненную с возможностью выделения в принимаемом модулированном лазерном сигнале радиочастотной составляющей, содержащей информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращения ее в электрический радиочастотный сигнал, систему предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, выполненную с возможностью предварительного усиления регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды и, в случае необходимости, аналогового дифференцирования регистрируемого сигнала, систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, выполненную с возможностью перевода аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, с возможностью считывания получаемого цифрового сигнала и передачи его в память устройства, предназначенного для накопления и хранения цифровой информации, систему обработки лазерных спектров пропускания, выполненную с возможностью обработки получаемой информации и расчета спектра коэффициента поглощения в анализируемых линиях СО и СО в регистрируемом диапазоне спектра, систему расчета абсолютного и относительного содержания молекул СО и СО в анализируемой среде, выполненную с возможностью осуществления расчета концентрации молекул СО и СO в анализируемой среде, а также их относительного содержания, систему вывода результирующих данных, выполненную с возможностью вывода и визуализации полученных данных абсолютного и относительного содержания молекул СО и СО в анализируемой среде, а также других промежуточных результатов обработки спектров, отражающих изменения измеряемых параметров, при этом ввод основных параметров возможен посредством системы управления, которая выполнена с возможностью передачи информации на систему термостабилизации, накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, которая сопряжена с используемым лазером, а также на систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала и систему обработки лазерных спектров пропускания, выбор параметров системы также возможен посредством системы управления, с которой сопряжен используемый лазер, который, в свою очередь, сопряжен с системой термостабилизации и с системой формирования пространственных характеристик лазерного пучка, с которой последовательно соединены объект спектрального анализа, содержащий СО и СО, система детектирования лазерного излучения, выполненная с возможностью детектирования прошедшего через анализируемую среду лазерного излучения с помощью фотодиода, система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, система обработки лазерных спектров пропускания, выполненная с возможностью одновременного анализа содержания молекул СО и СО в объекте спектрального анализа с возможностью использования линий поглощения СО и линий поглощения СО, попадающих в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым диодным лазером, а именно с возможностью использования не перекрывающихся с линиями поглощения паров воды линий поглощения СО из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0, или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи 4.7 мкм, 2.35 мкм, 1.57 мкм, соответственно, и линий поглощения СО полос 20001-01101 или 00021-01101, или 30012-00001, расположенных, соответственно, в этих же спектральных областях и перекрывающихся с соответствующими полосами поглощения СО, с использованием в качестве объекта спектрального анализа, содержащего СО и СО, газообразной среды, в том числе выдыхаемого воздуха, для выполнения последующего расчета абсолютного и относительного содержания молекул СО и СО в анализируемой среде с возможностью повышения чувствительности определения абсолютной и относительной концентрации молекул, обеспечивая регистрацию первой и/или второй производной спектров пропускания молекул, а также предусматривая многоходовые схемы прохождения излучения через анализируемую среду, с возможностью использования для каждой спектральной области разных по химическому составу перестраиваемых диодных лазеров и разных фотодиодов.
2
2
2
2
2
2
Известно, что молекула СО в силу присущего ей типа симметрии имеет в инфракрасном диапазоне спектра достаточно большое количество колебательно-вращательных полос, активных в поглощения. Большая часть из них соответствует возбуждению так называемых составных колебаний молекулы, которые являются суммой нескольких различных ее колебаний в различных сочетаниях, или обертонов основных колебаний. Эти полосы являются существенно более слабыми, чем полосы фундаментального поглощения, однако, в силу многочисленности всевозможных комбинаций колебательного возбуждения молекулы СО при поглощении ИК-излучения, эти слабые колебательно-вращательные полосы СО можно обнаружить практически во всем ИК-диапазоне, от 1 до 16 мкм. В то же время, молекула СО имеет всего одну колебательную степень свободы и одну соответствующую ей полосу колебательно-вращательного фундаментального поглощения, расположенную в среднем ИК-диапазоне вблизи 4.7 мкм. В ближнем ИК-диапазоне расположено лишь несколько существенно более слабых полос поглощения СО, соответствующих обертонам основного перехода. В силу распространенности полос поглощения СО по спектру, полосы поглощения СО и СO перекрываются. Причем, в известных областях их перекрытия сила резонансного поглощения в линиях СО может на 5-6 порядков превышать поглощения линиями СО.
2
2
2
-4
Указанная закономерность использована в предлагаемой полезной модели для одновременного измерения абсолютных и относительных концентраций молекул СО и CO в газовых смесях, где содержание этих веществ также различается на несколько порядков. В частности, такая ситуация реализуется в выдыхаемом воздухе, где содержание эндогенного, образуемого в организме за счет естественного обмена веществ, СО составляет порядка 1×10 об.%, а концентрация выделяемого СО может находиться в диапазоне 3-6 об.%. Различие спектральных свойств СО и СО может быть использовано для их одновременного селективного спектрального анализа, например, в целях биомедицинской диагностики, основанной на определении относительного содержания окислов углерода в выдыхаемом воздухе.
2
Предлагаемое устройство для одновременного определения концентрации молекул СО и СO, представленное схематично на Фиг 1, включает следующие основные элементы с указанием их позиций:
2
Используемый лазер - перестраиваемый диодный лазер 3, который предназначен для генерации монохроматического и контролируемым образом перестраиваемого по частоте оптического излучения, длина волны которого лежит в спектральной области, где расположены используемые для анализа линии поглощения СО и СO, находящихся в газообразном состоянии.
Систему управления 4, предназначенную для поддержания заданных параметров системы, синхронизации циклов сканирования спектров, осуществления регистрации спектров и их оцифровки, а также передачи, буферирования, хранения и обработки спектральных данных и выдачи результата измерений.
2
Систему термостабилизации 5, предназначенную для настройки перестраиваемого диодного лазера на спектральный диапазон, в котором лежат аналитические линии поглощения СО и СО, и поддержания с необходимой точностью рабочей температуры лазера и его рабочей длины волны.
Систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого диодного лазера 6, предназначенную для генерации тока определенной амплитуды и формы, используемого для накачки указанного лазера, и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера посредством изменения амплитудных и временных параметров тока накачки.
Систему формирования пространственных характеристик лазерного пучка 7, предназначенную для коллимации расходящегося излучения перестраиваемого диодного лазера в пучок, пригодный для пропускания через исследуемый объект, и фокусировки на устройство детектирования оптического излучения.
Систему детектирования лазерного излучения 9, предназначенную для выделения в принимаемом модулированном лазерном сигнале радиочастотной составляющей, содержащей информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращения ее в электрический радиочастотный сигнал.
Систему предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала 10, предназначенную для предварительного усиления регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды и, если необходимо, для аналогового дифференцирования регистрируемого сигнала.
Систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала 11, предназначенную для перевода аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, считывания получаемого цифрового сигнала и передачи его в память электронного устройства, предназначенного для накопления и хранения цифровой информации.
2
Систему обработки лазерных спектров пропускания 12, предназначенную для обработки получаемой информации и расчета спектра коэффициента поглощения в аналитических линиях СО и СО в регистрируемом диапазоне спектра.
2
2
Систему расчетов абсолютного и относительного содержания молекул СО и СО в анализируемой среде 13, выполненную с возможностью осуществления расчета концентрации молекул СО и СO в анализируемой среде, а также их относительного содержания.
2
2
Систему вывода результирующих данных 14, предназначенную для вывода и визуализации полученных данных в виде численного значения абсолютного и относительного содержания молекул СО и СО в анализируемой среде, а также и других промежуточных результатов обработки спектров, кривой на мониторе или экране, отражающей изменения измеряемых величин со временем, и/или в виде файла, содержащего последовательность цифровых данных по абсолютному и относительному содержанию молекул СО и СO в анализируемой среде и другим промежуточным результатам.
2
2
Объект спектрального анализа 8, содержащий СО и СO, находящийся в открытой атмосфере или в герметичном объеме, снабженном устройствами ввода и вывода излучения и напуска анализируемой среды, предназначенью для измерения его спектров пропускания в используемом спектральном диапазоне и определения в нем абсолютного и относительного содержания молекул СО и СО.
2
Предлагаемое устройство для одновременного определения концентрации молекул СО и СО выполнено:
- с возможностью ввода параметров лазерной аналитической системы, с возможностью запуска процесса лазерного спектрального анализа, позиция на схеме -1.
а также
- с возможностью выбора спектральных и частотных характеристик лазерного излучения, с возможностью выбора температурного режима работы используемого лазера, с возможностью выбора параметров сканирования спектров, их регистрации, оцифровки, передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных - позиция на схеме - 2
посредством системы управления.
2
Предлагаемое устройство для одновременного определения концентрации молекул СО и СO включает:
2
- в качестве используемого лазера перестраиваемый диодный лазер, выполненный с возможностью генерации монохроматического и контролируемым образом перестраиваемого по частоте оптического излучения, длина волны которого лежит в той спектральной области, в которой расположены используемые для анализа линии поглощения СО и СО, находящихся в газообразном состоянии,
- систему управления, выполненную с возможностью поддержания заданных параметров, синхронизации циклов сканирования спектров, осуществления регистрации спектров, их оцифровки, а также с возможностью передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных, выдачи результатов измерений,
2
- систему термостабилизации, выполненную с возможностью настройки используемого лазера на спектральный диапазон, в котором лежат аналитические линии поглощения СО и СO, и поддержания с необходимой точностью рабочей температуры используемого лазера и его рабочей длины волны,
- систему накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, выполненную с возможностью генерации тока определенной амплитуды и формы, используемого для накачки указанного лазера, и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера посредством изменения амплитудных и временных параметров тока накачки,
- систему формирования пространственных характеристик лазерного пучка, выполненную с возможностью коллимации расходящегося излучения используемого лазера в пучок, пригодный для пропускания через исследуемый объект, и фокусировки на систему детектирования,
- систему детектирования оптического излучения, выполненную с возможностью выделения в принимаемом модулированном лазерном сигнале радиочастотной составляющей, содержащей информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращения ее в электрический радиочастотный сигнал, выполненную с возможностью детектирования прошедшего через анализируемую среду лазерного излучения с помощью фотодиода,
- систему предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, выполненную с возможностью предварительного усиления регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды и, в случае необходимости, аналогового дифференцирования регистрируемого сигнала,
- систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала, выполненную с возможностью перевода аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, с возможностью считывания получаемого цифрового сигнала и передачи его в память устройства, предназначенного для накопления и хранения цифровой информации,
2
- систему обработки лазерных спектров пропускания, выполненную с возможностью обработки получаемой информации и расчета спектра коэффициента поглощения в анализируемых линиях СО и CO в регистрируемом диапазоне спектра,
2
2
- систему расчетов абсолютного и относительного содержания молекул СО и СО в анализируемой среде, выполненную с возможностью осуществления расчета концентрации молекул СО и СO в анализируемой среде, а также их относительного содержания,
2
- систему вывода результирующих данных, выполненную с возможностью вывода и визуализации полученных данных абсолютного и относительного содержания молекул СО и СO в анализируемой среде, а также других промежуточных результатов обработки спектров, отражающих изменения измеряемых параметров.
Ввод основных параметров возможен посредством системы управления, которая выполнена с возможностью передачи информации на систему термостабилизации, накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения используемого лазера, которая сопряжена с используемым лазером, а также на систему оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала и систему обработки лазерных спектров пропускания.
Выбор параметров системы также возможен посредством системы управления, с которой сопряжен используемый лазер.
Используемый лазер сопряжен с системой термостабилизации и с системой формирования пространственных характеристик лазерного пучка, с которой последовательно соединены:
2
- объект спектрального анализа, содержащий СО и СO,
- система детектирования лазерного излучения,
- система предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала,
- система оцифровки, считывания, накопления и сохранения регистрируемого сигнала,
- система обработки лазерных спектров пропускания.
2
Система обработки лазерных спектров пропускания выполнена с возможностью одновременного анализа содержания молекул СО и СО в объекте спектрального анализа с использованием линий поглощения СО из:
- фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0
- или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0,
- или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи:
- 4.7 мкм,
- или 2.35 мкм,
- или 1.57 мкм,
соответственно,
2
и линий поглощения СO полос:
- 20001-01101,
- или 00021-01101,
- или 30012-00001,
2
2
2
2
с возможностью использования линий поглощения СО и линий поглощения СО, попадающих в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым диодным лазером, а именно с возможностью использования не перекрывающихся с линиями поглощения паров воды линий поглощения СО из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0, или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи 4.7 мкм, 2.35 мкм, 1.57 мкм, соответственно, и линий поглощения СО полос 20001-01101 или 00021-01101, или 30012-00001, расположенных, соответственно, в этих же спектральных областях и перекрывающихся с соответствующими полосами поглощения СО, с использованием в качестве объекта спектрального анализа, содержащего СО и СО, газообразной среды, в частности, выдыхаемого воздуха, для выполнения последующего расчета абсолютного и относительного содержания молекул СО и СО в анализируемой среде с возможностью повышения чувствительности определения абсолютной и относительной концентрации молекул, обеспечивая регистрацию первой и/или второй производной спектров пропускания молекул, а также предусматривая многоходовые схемы прохождения излучения через анализируемую среду, с возможностью использования для каждой спектральной области разных по химическому составу перестраиваемых диодных лазеров и разных фотодиодов.
2
Пример устройства для одновременного определения концентрации молекул СО и СО
Посредством системы управления вводят основные параметры системы, такие как: рабочая температура лазера, ток накачки лазера, режим модуляции оптической частоты лазера, режим регистрации и оцифровки детектируемого сигнала, параметры обработки спектров пропускания, режим вывода и визуализации получаемых результатов. С ее помощью осуществляют также поддержание перечисленных выше заданных параметров системы, поддержание и синхронизацию циклов сканирования спектров, их регистрации, оцифровки, передачи, буферирования, хранения, обработки спектральных данных и выдачи результата измерений. Система термостабилизации рабочей температуры используемого в примере лазера - перестраиваемого диодного лазера - представляет собой совокупность электронной системы автоматического управления и термостата, включающего датчики температуры, активный нагревательный элемент и охлаждающий элемент. Вблизи комнатных температур в качестве последних может, например, использоваться электрический холодильник типа Пельте, а при криогенных температурах, например, система на основе заливного азотного криостата. Системой термостабилизации температура теплообменника, на котором смонтирован лазер, поддерживается около заданного значения, которое зависит от параметров лазера и может лежать в диапазоне температур жидкого азота или комнатных температур. Система накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого диодного лазера представляет собой источник периодически повторяющихся импульсов тока, имеющих определенную частоту повторения, определенную длительность импульсов, определенную амплитуду тока. В качестве лазера используют перестраиваемый диодный лазер, генерирующий на длине волны вблизи указанных значений: 4.7 мкм, или 2.35 мкм, или 1.57 мкм.
2
Накачка такого лазера токовыми импульсами с определенными параметрами позволяет получить перестройку частоты в течение одного импульса, что достаточно для регистрации в одном импульсе двух линий поглощения, одна из которых принадлежит молекулам СО, а другая - молекулам CO.
2
Для формирования пространственных характеристик лазерного пучка применяют объектив, фокусирующий излучение на чувствительную площадку фотодетектора. Лазерное излучение пропускают через многоходовую оптическую кювету с длиной оптического пути, снабженную окошками и устройствами напуска анализируемой среды, в которой находится объект спектрального анализа, содержащий СО и СО.
Для детектирования лазерного излучения в указанных в примере диапазонах используют фотодиод с определенным диаметром чувствительной площадки и определенным быстродействием. С его помощью производят регистрацию лазерного излучения, в результате из принимаемого модулированного лазерного сигнала выделяют радиочастотную составляющую, содержащую информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, и обращают в электрический радиочастотный сигнал, затем осуществляют предварительное усиление регистрируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала, содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды посредством токового усилителя, выполненного, например, на основе стандартных дифференциальных усилителей.
2
2
2
2
2
При необходимости, одновременно с усилением регистрируемого сигнала производят его аналоговое дифференцирование, далее осуществляют перевод аналогового радиочастотного сигнала, регистрируемого с помощью фотодетектора и содержащего информацию о спектрах пропускания исследуемой среды, в цифровую форму, считывание получаемого цифрового сигнала и передачу его в память программно-аппаратного комплекса, предназначенную для накопления и хранения цифровой информации. Система обработки лазерных спектров пропускания - например, компьютерная программа, осуществляет поддержку работы всего программно-аппаратного комплекса. С помощью него осуществляют математическую обработку получаемой цифровой информации - спектров пропускания - позволяющую рассчитывать спектр коэффициента поглощения в аналитических линиях СО и СО в регистрируемом диапазоне спектра. С помощью системы расчета абсолютного и относительного содержания СО и CO в анализируемой среде осуществляют расчет концентрации СО и СO в анализируемой среде, а также их относительного содержания. С помощью системы вывода результирующих данных системы осуществляют вывод и визуализацию поученных данных в виде численного значения абсолютного и относительного содержания молекул СО и СO в анализируемой среде, кривой на мониторе или экране, отражающей изменения измеряемой величины со временем, и/или в виде файла, содержащего последовательность цифровых данных по абсолютному и относительному содержанию молекул СО и СО в анализируемой среде.
2
2
2
2
В примере для одновременного анализа содержания молекул СО и СO в объекте спектрального анализа используют линии поглощения СО и линии поглощения СO, попадающие в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым диодным лазером, а именно используют не перекрывающиеся с линиями поглощения паров воды линии поглощения СО из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 2-0, или обертона этой фундаментальной полосы поглощения 3-0, расположенных вблизи 4.7 мкм, 2.35 мкм, 1.57 мкм, соответственно, и линии поглощения СO полос 20001-01101 или 00021-01101, или 30012-00001, расположенных, соответственно, в этих же спектральных областях и перекрывающихся с соответствующими полосами поглощения СО, в качестве объекта спектрального анализа, содержащего СО и СO, используют газообразную среду, в частности, выдыхаемый воздух.
2
2
2
На Фиг.2 представлен частный случай, описанный в примере, а именно спектральная область вблизи 4.7 мкм, где наблюдается перекрытие фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 СО и составной полосы 20001-01101 СO, и спектры коэффициента поглощения СО, СO и HО в этой спектральной области.
2
-1
На Фиг.3 представлен лазерный спектр пропускания выдыхаемого воздуха, содержащего СО и СO, вблизи 2112 см, как частный случай, описанный в примере.
-1
3
2
2
А - спектр пропускания выдыхаемого воздуха, регистрируемый с помощью перестраиваемого диодного лазера на основе PbEuSe - выбранного для примера, длина волны излучения 4.7 мкм соответствует частоте излучения 2112 см, указаны линия СО и справа от нее линия CO, параметры лазерного импульса: длительность импульса, частота повторения, амплитуда тока накачки, длина оптического пути, содержание СО-3.0 мкг/м, относительное содержание СO-3.1%.
2
Б - спектр коэффициента поглощения СО и СО, получаемый в результате обработки лазерного спектра пропускания (А) и используемый для вычисления относительного содержания анализируемых веществ.
2
2
2
2
2
2
2
Для того, чтобы повысить чувствительность устройства для определения относительной концентрации молекул СО и CO регистрируют и применяют первую и/или вторую производные спектров пропускания СО и СО. Для этого, в системе предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала используют дифференциальное усиление детектируемого с помощью фотодетектора радиочастотного сигнала или дополнительный фильтр высоких частот, настроенный на требуемый радиочастотный диапазон, позволяющие получить на выходе системы предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала аналоговый сигнал, соответствующий первой или второй производным спектра пропускания. При этом искомые концентрации СО и СО пропорциональны размаху резонансных особенностей, образуемых первой или второй производными линий поглощения СО и СО, и интенсивностям лазерного излучения на частотах резонансного поглощения в линиях СО и СО, которые учитывают при проведении вычислений. В этом случае для расчета абсолютного и относительного содержания СО и CO в исследуемой среде систему обработки лазерных спектров пропускания настраивают на работу со спектрами производных линий поглощения. При низком содержании СО и СO в исследуемой газовой среде результат получается более точным.
2
2
2
Для повышения чувствительности определения абсолютной и относительной концентрации молекул СО и СО используют многоходовые оптические схемы пропускания лазерного излучения через анализируемую среду, позволяющие увеличить величину резонансного поглощения в линиях СО и СО при сохранении габаритов оптической кюветы. В этом случае при низком содержании СО и СO в исследуемой среде результат также получается более точным.
2
2
Таким образом, достигнут желаемый технический результат созданием устройства для одновременного определения концентрации молекул СО и СО с использованием перестраиваемого диодного лазера, которое применимо для одновременного определения содержания молекул СО и CO и анализа их относительного содержания в газообразной среде и в выдыхаемом воздухе, которое обеспечивает чувствительность, точность, селективность, динамический диапазон анализа, наглядность полученных результатов, является надежным в эксплуатации, эргономичным по составу конструктивных элементов.
Промышленная применимость
2
2
В качестве полезной модели предложено устройство для одновременного определения концентрации молекул СО и СО, которое применимо для одновременного определения содержания молекул СО и СO и анализа их относительного содержания в газообразной среде, и, в частности, в выдыхаемом воздухе.
2
Предлагаемая полезная модель промышленно применима в области лазерной спектроскопии и анализа, и может быть использована для диагностики и анализа абсолютного и относительного содержания окислов углерода в газообразной среде с помощью перестраиваемых диодных лазеров, в частности, для определения абсолютного и относительного содержания молекул СО и СO в выдыхаемом воздухе, в атмосфере, например для целей биомедицинской диагностики и обеспечивает наглядность полученных результатов, а также обеспечивает чувствительность, точность, селективность, динамический диапазон анализа, является надежным в эксплуатации, эргономичным по составу конструктивных элементов.
Предлагаемое устройство может также широко применяться в биотехнологии, в медицине, в фармацевтике, энергетике и других областях народного хозяйства.
Источники информации:
1. Патент РФ №51849 МПК А61В 5/00 (2006.01) G01N 33/497 (2006.01) Публ. 2006.03.10
2. Патент РФ №10462, МПК 6 G01N 21/25, Публ. 1999.07.16
3. Патент РФ №75472 МПК G01N 21/63 (2006.01) Публ. 2008.08.10