СПОСОБ КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01N21/64 

Изобретение относится к специальной измерительной технике, в частности - к способам и устройствам для контроля состояния окружающей среды.

Известны способы и устройства для контроля содержания вредных веществ в атмосфере, основанные на взятии проб воздуха и проведении последующего физико-химического анализа взятых проб воздуха в лабораторных условиях. Достоинством этих способов является возможность проведения глубокого дифференциального анализа содержания и концентраций широкого круга вредных веществ, которые могут содержаться в атмосфере.

Недостатками этих способов является низкая оперативность и большая трудоемкость анализа вследствие применения ручных операций и лабораторного оборудования с недостаточно высокой степенью автоматизации.

Указанные недостатки устранены в способе по патенту РФ №2187092, кл. G 01 N 21/35, 2001), включающем получение проб исследуемого вещества, измерение спектральных образов проб исследуемого вещества в видимом спектре и в спектре возбужденной флюоресценции, сравнении получаемых спектральных образов с критериальными спектральными образами для разного уровня концентрации вредных веществ и идентификацию наличия и уровня концентрации вредных веществ в составе проб исследуемого вещества.

Достоинством указанного способа является высокая оперативность, простота реализации и низкая трудоемкость.

Недостатком данного способа, принимаемого за ближайший аналог, является невозможность непосредственного оперативного дистанционного контроля уровня содержания вредных веществ в заданных участках атмосферы, т.к. в данном способе необходимо предварительно получить пробу воздуха из заданного участка пространства и только после этого проводить анализ содержания воздуха с помощью устройства, реализующего данный способ.

Техническим результатом от использования способа является устранение указанного недостатка, а именно - обеспечение оперативного дистанционного определения наличия и уровня концентрации вредных веществ в заданном участке пространства.

Указанный технический результат достигается в способе контроля концентрации вредных веществ, включающем формирование и подачу в заданный участок пространства зондирующих оптических сигналов, измерение спектральных образов возбужденной флюоресценции, сравнение измеренных спектральных образов с критериальными спектральными образами для различных уровней концентрации измеряемых вредных веществ, подачу зондирующих оптических сигналов в видимой области, в области ультрафиолетового излучения и в области инфракрасного излучения осуществляют направленно в заданный участок пространства, измеряют спектральные образы спектров рассеяния и спектров возбужденной флуоресценции в заданном участке пространства, причем моменты измерения амплитуд спектральных составляющих принимаемых сигналов определяются дальностью R до зоны измерений, где R - расстояние от выхода передающей оптической системы (от входа приемной оптической системы) до центра зоны измерений, при этом полученная совокупность измеренных значений амплитуд спектральных составляющих представляет собой интегральный спектральный образ, дополнительно измеряют фоновые спектральные образы при отсутствии воздействия на заданный участок зондирующих импульсов и формируют дифференциальные спектральные образы состава атмосферы в заданном участке пространства путем исключения составляющих спектра фонового излучения, сравнивают измеренные дифференциальные спектральные образы состава атмосферы заданного участка пространства с критериальными дифференциальными спектральными образами, полученными при предварительной калибровке, при этом диаграмму измеренного дифференциального образа последовательно совмещают с наиболее близкими критериальными дифференциальными спектральными образами, определяют наилучшее приближение и по результатам сравнения определяют состав атмосферы обследуемого участка, наличие, виды и уровень концентрации вредных веществ.

Из техники известны устройства для определения концентрации вредных веществ (патент РФ №2187092, кл. G 01 N 21/35, 2001, патент РФ №2184950, кл. G 01 N 21/35, 2001), каждое из которых содержит группу источников излучения, соединенных с оптическими трактатами, анализаторы спектров сигналов, входы которых соединены с выходом выходного оптического тракта, выходы анализаторов спектра подключены к входам блока обработки данных и управления, выходы которого соединены с управляющими входами источников излучения.

В обоих устройствах имеется пробник, в который помещается исследуемая заранее отобранная проба (нефть, нефтепродукты, горюче-смазочные материалы, воздушная среда). Связь между оптическими трактами источников излучений и выходным оптическим трактом, соединенным с пробником, осуществляется оптически через пробник.

Поэтому с помощью известных устройств невозможно проводить оперативно дистанционное определение наличия и уровня концентрации вредных примесей в заданном участке атмосферы (на заданном расстоянии R в заданном направлении).

Технический результат от использования изобретения-устройства заключается в обеспечении оперативного дистанционного определения наличия и уровня концентрации вредных веществ в заданном направлении на заданном расстоянии R.

Этот технический результат достигается в устройстве для контроля концентрации вредных веществ, включающем группу источников зондирующего излучения, выходы которых подключены соответственно к входам передающей оптической системы, приемную оптическую систему, выходы которой подключены соответственно к измерительным входам блока анализаторов спектра, выходы которых соединены с информационными входами компьютера, первые управляющие выходы которого подключены соответственно к входам запуска источников зондирующего излучения группы, а информационные выходы компьютера являются выходами устройства, использующего группу источников, обеспечивающих подачу импульсных зондирующих сигналов в видимой области, в области ультрафиолетового излучения и в области инфракрасного излучения, передающая оптическая система и приемная оптическая система связаны между собой через измеряемый участок пространства, при этом обеспечена возможность ориентации оптических систем в направлении обследуемого участка пространства, вторые управляющие выходы компьютера соединены соответственно с управляющими входами блока анализаторов спектра, и обеспечена возможность измерения амплитуд принимаемых сигналов в моменты времени, определяемые дальностью R до зоны измерений, где R - расстояние от выхода передающей (от входа приемной) оптической системы до центра участка измерений в заданном направлении.

На фиг.1 изображена схема устройства, на фиг.2 - приведен пример суммарного спектрального образа, на фиг.3 - пример спектрального образа фонового излучения, на фиг.4 - пример наложения (суперпозиции) спектрального образа фиг.2 (измеренного при воздействии зондирующих сигналов на участок пространства) и спектрального образа фонового излучения фиг.3, на фиг.5 - пример дифференциального спектрального образа.

Устройство включает в свой состав группу источников зондирующего излучения 1, которые через передающую оптическую систему 2 направляют импульсы зондирующих излучений на измеряемый участок пространства 3, отраженные сигналы и сигналы возбужденной флюоресценции от измеряемого участка пространства 3 через приемную оптическую систему 4 попадают на блок анализаторов спектра 5, входы запуска источников зондирующего излучения 1 и управляющие входы блока 5 анализаторов спектра соединены с соответствующими управляющими выходами компьютера 6, информационные входы которого соединены с соответствующими информационными выходами блока анализаторов спектра 5, а информационные выходы компьютера 6 являются выходом устройства.

Устройство при реализации заявленного способа работает следующим образом.

Перед началом применения с помощью устройства производят измерения спектральных образов воздуха с заведомо известными концентрациями различных видов примесей и на их основе формируют критериальные спектральные образы для различных видов вредных веществ и для различных уровней концентрации вредных веществ. Измерение критериальных спектральных образов производят, например, следующим образом. На первом этапе в заданном участке пространства (например, в средней зоне диапазона дальности действия устройства) производят измерения спектральных характеристик отраженных (рассеянных) сигналов и сигналов флюоресценции при отсутствии содержания вредных веществ и одновременно берут пробы воздуха из зоны измерений для лабораторных исследований. Лабораторными исследованиями подтверждают отсутствие вредных веществ.

Следующим этапом вводят в измеряемый участок пространства 3 малую дозу одного из видов вредных веществ и измеряют спектральные характеристики отраженных (рассеянных) сигналов и сигналов возбужденной флюоресценции. Одновременно из измеряемой зоны пространства 3 берут пробу воздуха и измеряют уровень концентрации вредных веществ в лабораторных условиях. Методом суперпозиции (с противоположными знаками) из спектрального образа воздуха с содержанием вредных веществ и спектрального образа исходного воздуха (без содержания вредных веществ) получают критериальный дифференциальный спектральный образ, который соответствует значению уровня концентрации данного вида вредных веществ, полученный в результате лабораторных измерений.

Повторяют формирование критериальных дифференциальных спектральных образов для различных значений уровня концентрации каждого ожидаемого вредного вещества, подлежащего определению в обследуемой зоне пространства 3.

Сформированные вышеуказанным или другим методом критериальные дифференциальные спектральные образы заносят в базу знаний в составе компьютера 6 устройства.

Последующая штатная работа устройства на основе заявленного способа происходит следующим образом. Оптические системы 2 и 4 ориентируют оптическими осями в направлении обследуемого участка пространства 3. По сигналам от компьютера 6 источники зондирующих сигналов 1 через оптическую систему 2 подают на участок пространства 3 короткие импульсные зондирующие сигналы соответствующих узких участков оптического диапазона (например, инфракрасного - ИК, красного - К, ультрафиолетового - УФ и др.). В качестве источников 1 могут быть использованы импульсные лазеры соответствующих длин волн или источники непрерывного оптического излучения с установленными на их выходах быстродействующими оптическими клапанами.

В зависимости от диапазона длин волн λ_i зондирующих импульсных сигналов и состава обследуемого воздуха, при воздействии зондирующих сигналов на участок пространства 3 возникает частичное отражение (рассеяние) зондирующих сигналов и/или возникают вторичные сигналы возбужденной флюоресценции (свечение частиц, содержащихся в воздухе).

Отраженные (рассеянные) сигналы и сигналы возбужденной флюоресценции от участка пространства 3 концентрируются приемной оптической системой 4 и попадают на измерительные входы анализаторов спектра 5. Моменты t_r измерения амплитуд спектральных составляющих А(λ_i) принимаемых сигналов задаются управляющими сигналами, поступающими от компьютера 6. Моменты времени t_r определяются заданной дальностью R до зоны измерений по известному физическому соотношению:

где R - расстояние от выхода оптической системы 2 (от входа оптической системы 4) до центра зоны измерений [м];

С_ν - скорость света в воздухе [м/с];

t_r - момент времени измерения спектра сигналов [с];

t_o - момент времени формирования переднего фронта зондирующего импульса [с];

τ₃ - технологическая задержка сигналов в инструментальных каналах блоков 1, 2, 4 и 5 [с].

Согласно соотношению (1) момент времени измерения t_r=(2R/C+t_o+τ₃).

Совокупность измеренных значений А_t(λ_i) амплитуд спектральных составляющих

будет представлять собой интегральный (суммарный) спектральный образ, характеризующий состояние атмосферы в интересующем участке пространства 3. Графическое изображение суммарного спектрального образа условно показано на фиг.2.

Однако измеренный суммарный спектральный образ характеризует совокупный состав атмосферы (включающий как нормальную газовую среду и содержащиеся вредные вещества) и возможные сигналы фонового излучения (помехи).

Для того, чтобы выделить информацию о составе атмосферы и о содержащихся вредных веществах и исключить влияние помех (фонового излучения от внешних источников), производят дополнительные измерения спектра (2) при отсутствии зондирующих сигналов. Графическое изображение распределения амплитуд спектральных составляющих фонового излучения по направлению участка пространства 3 (при выключенных источниках зондирующих сигналов 1) условно показаны на фиг.3.

На фиг.4 условно показано наложение (суперпозиция) спектрального образа фиг.2 (измеренного при воздействии зондирующих сигналов на участок пространства 3) и спектрального образа фиг.3 (фонового излучения).

На фиг.5 условно показано дифференциальное амплитудное распределение (спектр фиг.2 за вычетом спектра фиг.3), характеризующее состав атмосферы в измеряемом участке 3.

Сравнивая последовательно измеренный дифференциальный спектральный образ (фиг.5) с критериальными спектральными образами для различных видов вредных веществ, различных значений концентрации вредных веществ и для различных сочетаний вредных веществ находят наилучшее приближение и по найденному (совпавшему) критериальному спектральному образу определяют виды и уровни концентрации вредных веществ, содержащихся в обследуемом участке пространства 3.

Процедура получения дифференциальных измеряемых спектральных образов (фиг.2, 3, 4, 5) и процедура сравнения полученного дифференциального спектрального образа фиг.5 с предварительно полученными критериальными спектральными образами для различных видов и концентраций вредных веществ (занесенных в базу знаний в компьютер 6) может выполняться автоматически по программе, реализованной в компьютере 6.

В случае неоднозначного определения наличия вредных веществ и их концентраций окончательное уточнение может быть произведено в автоматизированном режиме с участием оператора устройства. С этой целью диаграмма измеренного дифференциального образа вида фиг.5 выводится на экран монитора компьютера 6 и последовательно совмещается с наиболее близкими критериальными дифференциальными спектральными образами. Наилучшее приближение определяют визуально. На основе этого устанавливают реальное состояние атмосферы в измеряемом участке пространства 3.

Для измерения состояния атмосферы в других участках пространства производят перенацеливание оптических систем 2 и 4 (изменяют угловое направление) и производят изменение времени момента измерения амплитуд спектра (2) согласно соотношению (1) - исходя из заданной дальности до интересующего участка пространства 3.

Для контроля за динамикой изменения состава атмосферы в интересующих участках пространства 3 измерения текущего состава атмосферы рассмотренным способом повторяют через определенные интервалы времени и определяют изменение состава атмосферы по сравнению с предыдущими состояниями.

Изобретение относится к измерительной технике. Способ включает подачу зондирующих оптических сигналов направленно в заданный участок пространства, измерение спектров рассеяния и спектров возбужденной флуоресценции в заданном участке пространства, причем моменты измерения амплитуд спектральных составляющих принимаемых сигналов определяются дальностью R до зоны измерений. Диаграмму измеренного дифференциального образа последовательно совмещают с наиболее близкими критериальными дифференциальными спектральными образами и определяют наилучшее приближение. В устройстве передающая оптическая система и приемная оптическая система связаны между собой через измеряемый участок пространства, при этом обеспечена возможность ориентации оптических систем в направлении обследуемого участка пространства. Технический результат - повышение оперативности измерений. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ контроля концентрации вредных веществ, включающий формирование и подачу в заданный участок пространства зондирующих оптических сигналов, измерение спектральных образов возбужденной флюоресценции, сравнение измеренных спектральных образов с критериальными спектральными образами для различных уровней концентрации измеряемых вредных веществ, отличающийся тем, что подачу зондирующих оптических сигналов в видимой области, в области ультрафиолетового излучения и в области инфракрасного излучения осуществляют направленно в заданный участок пространства, измеряют спектральные образы спектров рассеяния и спектров возбужденной флуоресценции в заданном участке пространства, причем моменты измерения амплитуд спектральных составляющих принимаемых сигналов определяются дальностью R до зоны измерений, где R - расстояние от выхода передающей оптической системы (от входа приемной оптической системы) до центра зоны измерений, при этом полученная совокупность измеренных значений амплитуд спектральных составляющих представляет собой интегральный спектральный образ, дополнительно измеряют фоновые спектральные образы при отсутствии воздействия на заданный участок зондирующих импульсов и формируют дифференциальные спектральные образы состава атмосферы в заданном участке пространства путем исключения составляющих спектра фонового излучения, сравнивают измеренные дифференциальные спектральные образы состава атмосферы заданного участка пространства с критериальными дифференциальными спектральными образами, полученными при предварительной калибровке, при этом диаграмму измеренного дифференциального образа последовательно совмещают с наиболее близкими критериальными дифференциальными спектральными образами, определяют наилучшее приближение и по результатам сравнения определяют состав атмосферы обследуемого участка, наличие, виды и уровень концентрации вредных веществ.2. Устройство для контроля концентрации вредных веществ, включающее группу источников зондирующего излучения, выходы которых подключены соответственно к входам передающей оптической системы, приемную оптическую систему, выходы которой подключены соответственно к измерительным входам блока анализаторов спектра, выходы которых соединены с информационными входами компьютера, первые управляющие выходы которого подключены соответственно к входам запуска источников зондирующего излучения группы, а информационные выходы компьютера являются выходами устройства, отличающееся тем, что использована группа источников, обеспечивающих подачу импульсных зондирующих сигналов в видимой области, в области ультрафиолетового излучения и в области инфракрасного излучения, передающая оптическая система и приемная оптическая система связаны между собой через измеряемый участок пространства, при этом обеспечена возможность ориентации оптических систем в направлении обследуемого участка пространства, вторые управляющие выходы компьютера соединены соответственно с управляющими входами блока анализаторов спектра, и обеспечена возможность измерения амплитуд принимаемых сигналов в моменты времени, определяемые дальностью R до зоны измерений, где R - расстояние от выхода передающей оптической системы (от входа приемной оптической системы) до центра зоны измерений.