РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКОГО МЕТОДА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ГОРЮЧИХ КОМПОНЕНТ В ГАЗОВЫХ СРЕДАХ
Проведенный в первом разделе анализ методов и средств контроля газовых сред, показал перспективность методов поляризационной оптики для создания устройства раннего обнаружения горючих газов в атмосфере производственной среды.
Мы предлагаем устройство раннего обнаружения горючих компонентов в многокомпонентных газовых средах на производственных объектах. Принцип действия устройства основан на использовании явления электрического двойного лучепреломления (ЭДЛП). Основным измеряемым параметром, в случае инструментальной реализации данного метода, выступает фундаментальная характеристика вещества - тензор молекулярной поляризуемости. Предлагаемое устройство характеризуется высокой точностью определения концентрации горючих компонент и их идентификации. Характеристики прибора обусловлены использованием метода поляризационной оптики, который опирается на разработанную нами теоретическую модель явления ЭДЛП в многокомпонентных газовых средах. Необходимость создания теоретической модели обусловлена тем, что существующие методики ориентированы на однокомпонентные и бинарные газы. Предлагаемая в настоящем разделе модель основана на новом подходе к описанию явления ЭДЛП многокомпонентных газовых смесей и, в частности, в учете вероятностного характера локальной анизотропии поляризационных свойств среды путем введения новой модели внутреннего поля. Предложенная модель позволяет обосновать возможность создания прибора по определению концентрации горючих компонент с высокой точностью.
2.1. Особенности приборной реализации явления электрического двойного лучепреломления для раннего обнаружения горючих компонент в газовых средах и постановка задач теоретических исследований
Определение величины ЭДЛП сводится к измерению отношения оптических свойств среды в присутствии и в отсутствии поляризующего электрического поля. Различают визульный и фотоэлектрические методы наблюдения явления Керра, выбранного нами для контроля горючих компонент в газовых средах. В первом сравниваются яркости полей зрения, что существенно ограничивает предел его чувствительности до 8,5?10-4? (? - длина волны зондирующего луча света) [29]. Во втором интенсивность света на выходе оптической схемы, изображенной на рис. 2.1, регистрируется фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Здесь достигается повышение чувствительности (относительно визуального) на 3...4 порядка [30]. Оптическое излучение источника света последовательно проходит монохроматор, поляризатор, ячейку Керра (в общем случае - плоский конденсатор, между электродами которого помещена исследуемая горючая среда), анализатор, плоскость пропускания которого ориентирована под углом ?/2 к соответствующей плоскости поляризатора, и поступает на фотоприемник. Возникающий в последнем, под действием падающего излучения, фототок можно представить в виде суммы:
, (2.1)
где J0 - фототок светового потока, прошедшего через исследуемую среду в ячейке, в случае "открытой" системы поляризатор-анализатор; q1=q1(?) и q2=?2 -коэффициенты пропорциональности; ? - разность хода лучей в ячейке Керра, определяющая величину ЭДЛП; Jтемн - темневой ток фотоприемника.
Рис. 2.1. Принципиальная схема наблюдения явления электрического двойного лучепреломления
1 - источник света; 2 - монохроматор; 3 - поляризатор; 4 - фазосдвигающая пластинка (?/4); 5 - ячейка Керра; 6 - анализатор (скрещенный с поляризатором); 7 - регистратор излучения.
Качественно идеальная оптическая система характеризуется отсутствием светового потока на выходе анализатора (если исследуемая среда оптически не активна) при отсутствии напряжения на электродах ячейки Керра. В случае пренебрежимо малых изменений интенсивности источника света, деполяризации света в исследуемой среде, флуктуации потока определяются эффектом Шоттки [31]. При малых Jтемн и наименьшей величине ЭДЛП, при которой имеет величину порядка шума (?min), предельная чувствительность квадратичного детектирования есть:
Режим линейного детектирования ЭДЛП реализуется путем введения в оптическую схему элемента (пластинку оптически анизотропного кристалла - рис. 2.1), создающего постоянную разность хода. Тем самым, система переводится в режим линейной зависимости переменной вариации фазы и переменной составляющей светового потока, что улучшает отношение сигнал/шум фотоприемника [32]. Измеряемая величина ЭДЛП меньше постоянной разности хода, внесенной фазосдвигающей пластиной. Минимально определяемая величина ЭДЛП в режиме линейного детектирования есть:
, (2.2)
где - постоянная оптическая разность хода, внесенная фазосвигающей пластиной. Для устройства с идеальными оптическими элементами или при изучении веществ сильно рассеивающих, деполяризующих свет, выражение (2.2) имеет вид:
В случае же большой , когда имеем:
Измерения величины ЭДЛП могут осуществляться абсолютными и относительными методами. Первый - реализуется при помощи оптических схем, изображенных на рис. 2.1, 2.2.
Рис. 2.2. Принципиальная схема однолучевого некомпенсационного устройства наблюдения электрооптического эффекта
1 - источник света; 2 - монохроматический фильтр; 3 - диафрагма; 4 - поляризатор; 5 - электрооптическая ячейка; 6 - анализатор (скрещенный с 4); 7 - световод (прменяется для возможности конструктивного размешения в одном корпусе передающего (I) и фотоприемного (II) блоков); 8 - фотоприемник; 9 - регистрационный усилитель; 10 - осцилограф для визуального наблюдения.
Кривая зависимости тока фотоприемника от амплитуды приложенного к электродам ячейки Керра постоянного напряжения U - статическая характеристика ячейки (рис. 2.3), позволяет определить возникающее в веществе ЭДЛП.
Рис. 2.3. Статическая характеристика ячейки Керра
Выражени