SU953997A3 - Способ и устройство дл измерени концентрации загр зн ющих газов - Google Patents

Description

(54) СПСХЗОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ГАЗОВ Изобретение относитс  к аналитичеокой технике дл  газового анализа и может быть использовано дл  измерени  концентрации малых газовых гф месей на длинных и коротких оптических трассах, в чаЬтности дл  определени  кондентрашш малых газовых примесей в а1мосфере Известны способы и устройства дл  измерени  концентрации примесных газов в атмосфере, основанные на измерении спектров поглощени  дл  двух длин волн в полосе и вне полосы поглощени  исследуемого газа соответственно lj . Недостатком их  вл етс  сравнительно низка  точность, св занна  с вли нием перекрывани  полос поглощени  различных веществ и наличием погрещности за счет рассе ни  света аэрозольными частицами . Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  способ измерени  концентрации загр зн ющих газов, включающий получение оптического спектра поглощени  газа и измерение отнощени  cyiviM интенсивностей в заданном числе спектральных областей заданной щирины, совпадающих с минимумом и максимумом спектра поглощени  соответственно , и устройство дл  измерени  концентрации загр зн ющих газов, содержащее оптический источник излучени , спектрометр дл  разложени  прощедщего через исследуемый газ излучени  в спектр, раоположенную в выходной фокальной плоскости спектрометра коррел ционную маску со щел ми дл  выборки максимумов и минимумов интенсивности спектра при первом и втором положени х маски соответственно, расположенный за маской фотодетектор, подключённый к устройству обработки сигнатш, включающему схему формировани  отношени  сигналов фотодетектора при первом и втором положени х маски 2 . Недостатком известного способа к устройства  вл ютс  значительные noi решности определени  концентрации при проведении измерений в атмосфере на дли ных трассах, поскольку молекул рвое и 39S аэрозольное рассе ние света неконтропируемым образом измен ет наблюдаемую величину оптической толщи исследуемого газа и не позвол ет использовать ла6ора торные калибровочные кривые. Цель изобретени  - расширение облаотей применени  путем обеспечени  измерений концентрации на длинных трассах. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе измерени  концентрации загр зн юштос газов, включающем получение оптического спектра поглощени  газа и измерение отношени  сумм интенсивностей в заданном числе спектральных областей заданной ширины, совпадающих с минимумом и максимумом спектра пог лощени  соответственно, дополнительно измер ют отношение сумм интенсивностей в соответствующем .числе спектраль ных областей, смещенных в одном направлешш на дробную часть заданной шири ны относительно минтгмума и соответственно максимума поглощени  и имеющих ту же ширину, добавл ют известную концентрацию газа, измер ют отношени  сумм интенсивностей при новой концентрации газа и определ ют искомую концентрацию газа по формуле . Г R-R UR-R)-(R-R) Ь - длина оптического пути в газе искомой концентрации С; L - длина оптического пути в газе известной концентрации С - первое отношение сумм интенсивностей в присутствии искомой концентрации и, соот ветственно, в присутствии искомой и известной концентJI рации; R и R - второе отношение сумм ин- тенсивностей в присутствии искомой и, соответственно, искомой и известной концентрации . Кроме того, в устройстве дл  измерени  концентрации загр зн ющих газов. содержащем оптический источник излучени , спектрометр дл  разложени  прошедшего через газ излучени  в спектр, расположенную в фокальной плоскости стектрометра коррел ционную маску со щел ми дл  выборки максимумов и минимумов интенсивности спектра при первом и втором положени х маски соответственно, расшмгоженный за маской фотодетектор, подключенный к устройству обработки 74 сигнала, включающему схему формировани  отношени  сигналов фотодетектора при первом и втором положени х маски, маска выполнена с дополнительными щел ми дл  выборки спектральных областей, смещенных относительно максимума и минимума интенсивности на дробную часть ширины спектральной области при третьем и четвертом положени х маски соответственно , устройство обработки сигнала, фотодетектора содержит вторую схему формировани  отношени  сигналов при третьем и четвертом положени х маски и снабжено счетно-вычислительной системой дл  определени  искомой концентрации газа, а на входе спектрометра раоположена кювета с газом известной концентрации , выполненной с возможностью перемещени . На фиг. 1 схематично представлено предлагаемое устройство; на фиг. 2 детальна  блок-схема электронной аппаратуры , вход щей в устройство; на фиг. 3 - спектр пропускани  SQj; на фиг. 4 (a,S) - спектры пропускани  на фиг. 5 - Пример полной последовательности сигналов на входе фотодетектора . На схемах (фиг. 3 и 4) ординаты относ тс  к величинам пропускани  (Т), а абсциссы - к величинам длин волн (А). На фиг. 5 ординаты относ тс  к величинам напр жений (V ), а абсциссы к величинам времени. ( t ). Телескопическа  система 1 фокусирует световой пучок, ЁЫХОДЯЩИЙ из оптического источника излучени , например из ду говой лампы, в щель 2, предусмотренную на входе спектрометра 3, Спектрометр 3  вл етс  спектрометром с дифракционной решеткой. На входе спектрометра 3 расположена кювета 4, содержаща  исследуемый газ известной концентрации . В выходной фокальной.плоскости 5 спектрометра 3 находитс  коррел ционна  маска 6, приводима  во вращение с ni мощью двигател  7, управл емого посредгством электронной аппаратуры 8 (фиг. 2). Управление электронной -аппаратурой осуь. ществл етс  с помощью программнрук щего устройства 9. Маска 6 содержит кварцевый диск с непрозрачной поверхностью в отношении излучени , диск имеет четыре рйда щ«шей, нанесенных путем фотографировани , соото щих вз частей концентрических участков торомца, расположенных в виде секто ров. Эти четыре р да щелей одинаковы (одинакова  длина соответствующих щелей одинаковое рассто ние между двум  пооледующнми щел ми каждого р да, одинако вое число щелей), эти р да отличаютс  только рассто нием, на котором они расположены относительно оси диска, и, следовательно , различным положением, в котором осуществл етс  выборка спектрал НЫХ областей во врем  вращени  маски. Положение щелей одна относительно другой и относительно оси диска  вл етс  4 ункцией исследуемого загр зн ющего газа. Если исследуемым газом  вл етс , например SO, спектр пропускани  иссле дуемого газа ограничен в пределах диапа зона длин волн от 29ОО до 315О А ( фиг: 3). В этсм случае заключение о положени четырех р дов щелей может быть сделано с помощью фиг. 4 (а,б), где дл  каждого р да щелей изображены только гри следующие одна за другой тцепи. В действительности, обознача  четыре р да щелей -i, j , В и d р д щелей -t (фиг. 4а) совпадает с окнами поглощени , а р д щелей j совпадает с полоса ми поглощени  502На фиг. 4 (а,5) щирина означенных щелей находитс  в масштабе полос и окон поглощени . РЯД щелей & (фиг. 4 6) смещен на определенную величину в сторону ультрафиолета , в частности на 2,4 А в отношении положени  группы - . Группа d смещена в сторону ультрвт фиолета на ту же величину относительно груш1Ы j . Вращающа с  маска осуществл ет параллельный перенос в фокальную плоскость спектрометра и точное центрирование четырех щелевых р дов относительно окон и полос спектра поглощени  газа , по вл ющегос  в выходной фокальной плоскости 5 спектрометра 3. Фотодетектор 10, расположенный позади вращающейс  маски 6, принимает диспергир1 ванное световое излучение, проход щее через означенные р ды щелей, осущест&л ющих выборку спектральных областей, и преобразует выборки в электрические сигналы 11.1-11.4 (фиг. 5), имеющие сходную длительность, поскольку маска вращаетс  с посто нной скоростью. Поскольку существуют четыре р да щелей, на выходе фотодетектора 1О будет существовать периодическа  последовательность из четырех электрических сигналов 11.1, 11.2, 11.3 и 11.4, повтор ющихс  с частотой вращени  маски 6. Каждый из означенных электрических сигналов относитс  к выборке, осуществленной соответствующим р дом щелей в р де спектральных областей диспергированного светового луча. Электрический сигнал 11.1, имеющий амплитуду возникает, когда р д щелей , проход щий перед выходной фокалыной плоскостью спектрометра 3 видит окна спектра поглощени  исследуемого газа, например SOj. Эл тантрический сигнал 11.2 с амплитудой V получаетс  таким же путем, когда р д щелей j видит полосы означенного спектра поглощени . Электрический сигнал 11.3 с амплитудой Y меньшей, чем амплитудаV; получаетс , когда р д щелей видит спектральные области, смещенные на некоторую величину в.направлении ультрафиолета относительно положени  окон поглощени  газа. Электрический сигнал 11.4 с амплитудой YJ , большей, чем, получаетс , , когда р д щелей о вид т спектральные диапазоны, смещенные -на такую же величину в сторону ультрафиолета относительно полос поглощени . Покрытый хромом кварцевый диск, образующий маску, имеет в положени х, отличных от участков, относ щихс  к означенным четырем р дам щелей, отверсти , полученные, подобно щел м, путем фото .графировани , причем означенные отверсти  обнаруживаютс  трем  оптическими прерывател ми 12 - 14. Первый прерыватель 12 дает первый электрический сигнал Y программирук щему устройству 9, этот сигнал Y  вл етс  сигналом запуска последовательности и последовательности сигналов 11.1, 11.2, 11.3 и 11.4. Второй прерыватель 13 дает второй и третий электрический сигналы Vj и Y , которые посмлаютс  на программирующее устройство 9. Эти сигналы  вл ютс  соответственно стартовым и конечным сигналами последовательности четырех электрических сигналов 11.1, 11.2, 11.3 и 11.4 на выходе фотодетектора 10. Прерыватель 14 формирует р д элект- . рических сигналов (например, четыре дл  каждого оборота диска), которые направл ютс  на устройство 15 дл  регулировани  скорости двигател  7, который вращает диск, образующий коррел ционную маску 6. Предусвпитепь 16 расположен на выходе фотодетектора 10, выходные электрические сигналы предусилител  посылаютс  на устройство 17, содержащее аналоговую схему совпадени , включаемую вторым электрическим сигналом Yj и вы ключаемую третьим электрическим сигналом Yg , и соединенную с цифровым аналоговыМ преобразователем, преобразующим амплитуду означенных электрических сигналов 11.1, 11.2, 11.3 и 11.4, усиленных предусилителем 16, в соответств ющие серии импульсов, выраженных в бинарном коде. Означенный аналоговый преобразователь соединен с блоком 18 адресовани  данных, которь1й имеет четыре выхода, соединенных с таким же количеством циф ровых накоштелей 19, 2О, 21 и 22. Программирующее устройство 9 управл ет блоком is таким образом, чтобы серии импульсов, относ щиес  соответст венно к усиленным электрическим сигналам 11.1 и 11.2, 11.3 и 11.4 достигали цифровых накопителей 19, 2О, 21 и 22. Число последовательностей, которое будет суммироватьс , устанавливаетс  кратными V (например, lOVg , lOOY,, И так далее), что заранее выбираетс  программирующим устройством 9. Когда число поспедоватепьностей совпадает с запрограммированным, накопители 19 и 2О сбрасывают накопленные данные в первую схему 23 формировани  отношени  сигналов фотодетектора (т. е. сигналов 11.1 и 11.2). Схема 23 формировани  отношени  дает первую величину отношени  R;. Подобные рассуждени  применимы в отношении второй схемы 24 формировани  отношени , дающей второе отношение R , равное отношению между сигналами 11.3 и 11.4. Означенные величины R и R подаютс  на схему 25 формировани  разности, создающую первую разность ( R - ), означенна  разность через переключатель 26, управл емый программирующим устройством 9, поступает в первое запоминающее устройство U7. Работа устройства дл  измерени  ковцентрании загр зн ющих газов будет повгробно рассмотрена на примере определени  кониентрацЕИ 502 в загр зненной окружающей среде. Установив источнш света, например йодную лампу или ксевоновую дуговую лам пу, расположенную на заданном рассто нии от устройства, юстируют маску & таким образом, чтобы р д щелей 4 видел окна, а р д щелей j видел полосы, означенное юстирование осуществлено, когда сигнал 11.1 с амплитудой доо тигает наибольлией величины. Означенные четыре р да щелей ч четыре р да щелей , j , и (3 осуществл ют выборку в четырех соответствующих спектральных област х диспергированного светового пучка. После юстировани  маски 6 и предварительной установки определенного числа последовательностей , которые будут накоплены посредством программирующего устройства 9, осуществл етс  первое измерение , величина которого, равна  первой разности ( R - R ) I выраженна  в двоичном коде, подаетс  в первое запоминающее устройство 27. Это первое измерение осуществл етс  без установки кюветы 4 между телескопической системой 1 и щелью 2. Таким образом , световой пучок, выход щий из источника света, проходит только через дагр зненную окружающую среду, котора  исследуетс . Как только заранее выбранное число последовательностей достигнуто, программирующее устройство 9 выдает команду устройству 28 на установку кюветы 4, имеющей длину LJ и содержащей 5О2 с известной конаентраиией С;, между световым пучком, выход щим из телескопической системы щелью 2 спектрометра 3. Далее осуществл етс  второе измере ние, при котором перва  схема 23 формировани  отношени  дает третью величину R , отличную от R , поскольку она получена, когда .кювета 4 расположена между телескопической системой 1 и щелью 2 спектрометра, а втора  схема 24 формировани  отношени  дает четвертую величину R , отличную от R , поокольну она получена, когда кювета 4 , введена. Треть  и четверта  величины R иR ввод тс  в схему 25, осуществл  к щую создание второй разности ( R -R ). Величина (R-) означенного второго измерени  подаетс  через переключатель 26, управл емый программирующим устройством 9, во второе запоминающее устройство 29. Первое запоминающее устройство 27 и второе запоминающее устройство 29 подключены к схеме 30 отноше ш  разностей , на которую они подают хран щиес  в них данные посредством схемы 31 сбро995399710

са пам ти, . управл емый в свою очередь где К - посто нна , учитывающа  г&программирующим устройством 9. Схема 30 отношени  разностей дает величину. U-R) (,R-R)) Эта величина, созданна  схемой ЗО и умноженна  на С, Ц , дает неизвестный оптический путь 5 О и, соответственно концентраци  загр зн ющего газа соста& л ет C,L/ tR-R) -R)j L UR-R)-tR Означенна  схема 30 отношени  разностей дает возможность ввода выражени С Ь /Ь , Поэтому на выходе этой схе мы формируетс  требуема  величина концентрации С загр зн ющего газа (средн   величина по всей длине пути L ), означенна  величина, выраженна  в двоично-дес тичном коде, подаетс  на ааф ровой индикатор 32. Можно показать, что приведенна  зав симость дает действительную величину неизвестной концентрации загр зн ющего газа, в частности 5 02Действительно перва  схема 23 отно шени  дает величину т амплитуды электрических сиг налов 11,1 и 11.2 соответственно. Подобно этому втора  схема 24 фор- мировани  отношени  дает «Ч. . гдеЛ7. и 7, - амплитуды электрических сигналов 11.3 и 11.4 с другой стороны  сно, что . i-p7. где Р и Р-2  вл ютс  средними значени ми энергий света, воздействующих на фотодетектор и относ щихс  к энерги м световых сигналов, проход щих соответственно через р д щелей -i и i маски . 6, котора  вращаетс  равномерно. Известные уравнени  дают R, :N. p.... |i,,))

Claims (2)

1. пескопическую систему 1 и спектрометр 3; П - число щелей, нанесенных фотогравировкой на коррел ционной маске 6; М - средн   величина спектральной интенсивности источника в положении л щели; коэффициент поглощени  газа (SOj) в положении i -ой щели; Pj - средн   величина коэффициента .ослаблени  из-за атмосферного рассе ни  по щирине -ой щели; ,«(.,( I-ередше величины, относ щиес  к j --ой щели, спектральной интенсивности источника, коэф фициенту поглощени  газа и коэффициенту ослаблени  из-за рассе ни ; С - неизвестна  концентраци  загр зн ющего газа; L - рассто ние между источником света и оптическим измерительным устройством. р. где РО и Р  вл ютс  средними величинами световых энергий, поступакших на фотодетектор и относ щихс  к энерги м световых сигналов, проход щих соответственно через р ды щелей В и d означенной маски 6. f e Me pC-o6.eCLVexp(,-(i,eL) A.d i) где 5, об Д и В Д этого выражени  имеют вышеупом нутые значени , но все величинзы берутс  дл  р да щелей 6 и q в положении, смещенном (на 2,4 А дл  ЭОл) относительно величин, соответствующих зависимости, дающей R . Поскольку, независимо от р да величии j avPai РЯ.е « f.d величины R и R могут рассматриватьс  как линейные функции в пределах определенных диапазонов исследуемых газов, первое приближение дает « л-1ш; «- VTTE,. где RO и RQ  вл ютс  реакци ми оптиче кого измерительного устройства дл  к левой концентрации исследуемого газа том же рассто нии L между иетопник и онтгетеским измерительным устройст т. е. CL О. Независимо от атмосфер адх условий R - R c . откуда ( )(лК.г,к).Ц 6(CL,)iCU к хгоэтсму A(CU)4R-R) U(uR-ART A(CL/ задаетс  кюветой 4, в частности ),, AR- (R--R и iR к ) C,Ui b L(R-R)-UТаки л образом, неизвестна  концентр шш загр зн ющего газа измер етс  точн поскольку устройство ин иферентно к х рашгеру источника, к атмосферному расс  нию и следовательно, к рассто нию меж ду источником и опт гческим измеритель ным устройством, Кроме того,означенное оптическое измерительное устройство, помимо опред лени  концентрации S О может быть использовано дл ,определени  концентрации различных загр зн ющих газов, на пример К1О. и. Формула изобретени  1. Способ измерени  концентратда загр зн клцих. газов, вютючающих получение оптического спектра поглош,ени  газа и измерение отношени  сумм интенсивностей в заданном числе спектральнзых областей заданной ширины, совпадающих с минимумом и максимумом спектра поглощени  соответственно, отличающийс  тем, что, с целью расширени  области применени  .путем обеспечени  измерений концентрации на штанных трассах , дополнительно измер ют отношение сумм кнтенсгтностей в соответствующем числе спектральных областей, смещенных В одном направлении иа дробную часть заданнэй imipHip i -относительно минимума и соответственно максимума поглоще ни  и имеющих ту же ширину, добав 97 л ют известную концентрацию газа, изме р ют отношени  сумм интенсивностей при новой концентрации газа и определ ют искомую концентрацию газа по формуле C,L,R-R L 4R-R)-(RR) -Длина оптического пути в газе искомой концентрации С; -длина оптического пути в газе тгавестной концентрации -первое отношение сумм инте сивностей в присутствии искомой концентрации и соответственно в присутствии искомой и известной концентрации; R и R - второе отношение сумм ннтенсивностей в присутствии искомой и соответственно искомой и известной концентрации. 2. Устройство дл  измерени  концентацтгн загр зн ющих газов, содержащее опгическтий источник излучени , спектрометр ш  разложени  прошедшего через- газ из- лучени  в спектр, расположенную в вы-. ходней фокальной плоскости спектрометра коррел ционную маску со щел ми дл  выборки MaKctiMyMOB и минимумов интенсивности спектра при первом и втором по ложенк х маски соответственно, расположенный за маской фотодетектор, подключенный к устройству обработки сигнала, включающему схему фощировани  отношевд  сигналов фотодетектора при первом 12 втором положени х маски, о т л и ч а - ю щ е е с   тем, что, с целью расширени  области применени , маска выполнена с дополнительными , щел ми дл  выборки спектральных областей, смещенных oTHOdaтельно максимума и минимума интенс в ности на дробную часть ширины спектральной области при третьем и четвертом положени х маски соответственно, устрой- ство обработки сигнала фотодетектора содержит вторую схему формировани  отношени  сигналов фотодетектора при тр гтьем и четвертом положени х маски и снабжено счетно-вычислительной системой дпс  определени  искомой концентрации газа, а на входе спектрометра расположена кк вета с газом известной,концентрации, выполненна  с возможностью перемещени . Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе l. Прикладна  инфракрасна  спектро-скошет . Под ред. Д. Кендалла, М./Мтф, 1970, с. 250-257.
2. 2. Патент ФРГ № 1598188, кл. 42 Н 20/01, 1967 (прототип).

   V

   Фиг.)

   Фиг. 2

   а

   Vi И«

   Irf

   A