Способ и устройство для измерения концентрации загрязняющих газов Советский патент 1982 года по МПК G01N21/31 

(54) СПСХЗОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ГАЗОВ Изобретение относится к аналитичеокой технике для газового анализа и может быть использовано для измерения концентрации малых газовых гф месей на длинных и коротких оптических трассах, в чаЬтности для определения кондентрашш малых газовых примесей в а1мосфере Известны способы и устройства для измерения концентрации примесных газов в атмосфере, основанные на измерении спектров поглощения для двух длин волн в полосе и вне полосы поглощения исследуемого газа соответственно lj . Недостатком их является сравнительно низкая точность, связанная с влиянием перекрывания полос поглощения различных веществ и наличием погрещности за счет рассеяния света аэрозольными частицами. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения концентрации загрязняющих газов, включающий получение оптического спектра поглощения газа и измерение отнощения cyiviM интенсивностей в заданном числе спектральных областей заданной щирины, совпадающих с минимумом и максимумом спектра поглощения соответственно, и устройство для измерения концентрации загрязняющих газов, содержащее оптический источник излучения, спектрометр для разложения прощедщего через исследуемый газ излучения в спектр, раоположенную в выходной фокальной плоскости спектрометра корреляционную маску со щелями для выборки максимумов и минимумов интенсивности спектра при первом и втором положениях маски соответственно, расположенный за маской фотодетектор, подключённый к устройству обработки сигнатш, включающему схему формирования отношения сигналов фотодетектора при первом и втором положениях маски 2 . Недостатком известного способа к устройства являются значительные noi решности определения концентрации при проведении измерений в атмосфере на дли ных трассах, поскольку молекулярвое и 39S аэрозольное рассеяние света неконтропируемым образом изменяет наблюдаемую величину оптической толщи исследуемого газа и не позволяет использовать ла6ора торные калибровочные кривые. Цель изобретения - расширение облаотей применения путем обеспечения измерений концентрации на длинных трассах. Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения концентрации загрязняюштос газов, включающем получение оптического спектра поглощения газа и измерение отношения сумм интенсивностей в заданном числе спектральных областей заданной ширины, совпадающих с минимумом и максимумом спектра пог лощения соответственно, дополнительно измеряют отношение сумм интенсивностей в соответствующем .числе спектраль ных областей, смещенных в одном направлешш на дробную часть заданной шири ны относительно минтгмума и соответственно максимума поглощения и имеющих ту же ширину, добавляют известную концентрацию газа, измеряют отношения сумм интенсивностей при новой концентрации газа и определяют 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 для измерения концентрации загрязняющих газов. содержащем оптический источник излучения, спектрометр для разложения прошедшего через газ излучения в спектр, расположенную в фокальной плоскости стектрометра корреляционную маску со щелями для выборки максимумов и минимумов интенсивности спектра при первом и втором положениях маски соответственно, расшмгоженный за маской фотодетектор, подключенный к устройству обработки 74 сигнала, включающему схему формирования отношения сигналов фотодетектора при первом и втором положениях маски, маска выполнена с дополнительными щелями для выборки спектральных областей, смещенных относительно максимума и минимума интенсивности на дробную часть ширины спектральной области при третьем и четвертом положениях маски соответственно, устройство обработки сигнала, фотодетектора содержит вторую схему формирования отношения сигналов при третьем и четвертом положениях маски и снабжено счетно-вычислительной системой для определения искомой концентрации газа, а на входе спектрометра раоположена кювета с газом известной концентрации, выполненной с возможностью перемещения. На фиг. 1 схематично представлено предлагаемое устройство; на фиг. 2 детальная блок-схема электронной аппаратуры, входящей в устройство; на фиг. 3 - спектр пропускания SQj; на фиг. 4 (a,S) - спектры пропускания на фиг. 5 - Пример полной последовательности сигналов на входе фотодетектора. На схемах (фиг. 3 и 4) ординаты относятся к величинам пропускания (Т), а абсциссы - к величинам длин волн (А). На фиг. 5 ординаты относятся к величинам напряжений (V ), а абсциссы к величинам времени. ( t ). Телескопическая система 1 фокусирует световой пучок, ЁЫХОДЯЩИЙ из оптического источника излучения, например из ду говой лампы, в щель 2, предусмотренную на входе спектрометра 3, Спектрометр 3 является спектрометром с дифракционной решеткой. На входе спектрометра 3 расположена кювета 4, содержащая исследуемый газ известной концентрации. В выходной фокальной.плоскости 5 спектрометра 3 находится корреляционная маска 6, приводимая во вращение с ni мощью двигателя 7, управляемого посредгством электронной аппаратуры 8 (фиг. 2). Управление электронной -аппаратурой осуь. ществляется с помощью программнрук щего устройства 9. Маска 6 содержит кварцевый диск с непрозрачной поверхностью в отношении излучения, диск имеет четыре рйда щ«шей, нанесенных путем фотографирования, соотоящих вз частей концентрических участков торомца, расположенных в виде секто ров. Эти четыре ряда щелей одинаковы (одинаковая длина соответствующих щелей одинаковое расстояние между двумя пооледующнми щелями каждого ряда, одинако вое число щелей), эти ряда отличаются только расстоянием, на котором они расположены относительно оси диска, и, следовательно, различным положением, в котором осуществляется выборка спектрал НЫХ областей во время вращения маски. Положение щелей одна относительно другой и относительно оси диска является 4 ункцией исследуемого загрязняющего газа. Если исследуемым газом является, например SO, спектр пропускания иссле дуемого газа ограничен в пределах диапа зона длин волн от 29ОО до 315О А (фиг: 3). В этсм случае заключение о положени четырех рядов щелей может быть сделано с помощью фиг. 4 (а,б), где для каждого ряда щелей изображены только гри следующие одна за другой тцепи. В действительности, обозначая четыре ряда щелей -i, j , В и d ряд щелей -t (фиг. 4а) совпадает с окнами поглощения, а ряд щелей j совпадает с полоса ми поглощения 502На фиг. 4 (а,5) щирина означенных щелей находится в масштабе полос и окон поглощения. РЯД щелей & (фиг. 4 6) смещен на определенную величину в сторону ультрафиолета, в частности на 2,4 А в отношении положения группы - . Группа d смещена в сторону ультрвт фиолета на ту же величину относительно груш1Ы j . Вращающаяся маска осуществляет параллельный перенос в фокальную плоскость спектрометра и точное центрирование четырех щелевых рядов относительно окон и полос спектра поглощения газа, появляющегося в выходной фокальной плоскости 5 спектрометра 3. Фотодетектор 10, расположенный позади вращающейся маски 6, принимает диспергир1 ванное световое излучение, проходящее через означенные ряды щелей, осущест&ляющих выборку спектральных областей, и преобразует выборки в электрические сигналы 11.1-11.4 (фиг. 5), имеющие сходную длительность, поскольку маска вращается с постоянной скоростью. Поскольку существуют четыре ряда щелей, на выходе фотодетектора 1О будет существовать периодическая последовательность из четырех электрических сигналов 11.1, 11.2, 11.3 и 11.4, повторяющихся с частотой вращения маски 6. Каждый из означенных электрических сигналов относится к выборке, осуществленной соответствующим рядом щелей в ряде спектральных областей диспергированного светового луча. Электрический сигнал 11.1, имеющий амплитуду возникает, когда ряд щелей , проходящий перед выходной фокалыной плоскостью спектрометра 3 видит окна спектра поглощения исследуемого газа, например SOj. Эл тантрический сигнал 11.2 с амплитудой V получается таким же путем, когда ряд щелей j видит полосы означенного спектра поглощения. Электрический сигнал 11.3 с амплитудой Y меньшей, чем амплитудаV; получается, когда ряд щелей видит спектральные области, смещенные на некоторую величину в.направлении ультрафиолета относительно положения окон поглощения газа. Электрический сигнал 11.4 с амплитудой YJ , большей, чем, получается, , когда ряд щелей о видят спектральные диапазоны, смещенные -на такую же величину в сторону ультрафиолета относительно полос поглощения. Покрытый хромом кварцевый диск, образующий маску, имеет в положениях, отличных от участков, относящихся к означенным четырем рядам щелей, отверстия, полученные, подобно щелям, путем фото.графирования, причем означенные отверстия обнаруживаются тремя оптическими прерывателями 12 - 14. Первый прерыватель 12 дает первый электрический сигнал Y программирук щему устройству 9, этот сигнал Y является 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 посмлаются на программирующее устройство 9. Эти сигналы являются 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 ряд элект- . рических сигналов (например, четыре для каждого оборота диска), которые направляются на устройство 15 для регулирования скорости двигателя 7, который вращает диск, образующий корреляционную маску 6. Предусвпитепь 16 расположен на выходе фотодетектора 10, выходные электрические сигналы предусилителя посылаются на устройство 17, содержащее аналоговую схему совпадения, 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 адресования данных, которь1й имеет четыре выхода, соединенных с таким же количеством циф ровых накоштелей 19, 2О, 21 и 22. Программирующее устройство 9 управляет блоком is таким образом, чтобы серии импульсов, относящиеся 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 суммироваться, устанавливается кратными V (например, lOVg , lOOY,, И так далее), что заранее выбирается программирующим устройством 9. Когда число поспедоватепьностей совпадает с запрограммированным, накопители 19 и 2О сбрасывают накопленные данные в первую схему 23 формирования отношения сигналов фотодетектора (т. е. сигналов 11.1 и 11.2). Схема 23 формирования отношения дает первую величину отношения R;. Подобные рассуждения применимы в отношении второй схемы 24 формирования отношения, дающей второе отношение R , равное отношению между сигналами 11.3 и 11.4. Означенные величины R и R подаются на схему 25 формирования разности, создающую первую разность ( R - ), означенная разность через переключатель 26, управляемый программирующим устройством 9, поступает в первое запоминающее устройство U7. Работа устройства для измерения ковцентрании загрязняющих газов будет повгробно рассмотрена на примере определения кониентрацЕИ 502 в загрязненной окружающей среде. Установив источнш света, например йодную лампу или ксевоновую дуговую лам пу, расположенную на заданном расстоянии от устройства, юстируют маску & таким образом, чтобы ряд щелей 4 видел окна, а ряд щелей j видел полосы, означенное юстирование осуществлено, когда сигнал 11.1 с амплитудой доо тигает наибольлией величины. Означенные четыре ряда щелей ч четыре ряда щелей , j , и (3 осуществляют выборку в четырех соответствующих спектральных областях диспергированного светового пучка. После юстирования маски 6 и предварительной установки определенного числа последовательностей , которые будут накоплены посредством программирующего устройства 9, осуществляется первое измерение, величина которого, равная первой разности ( R - R ) I выраженная в двоичном коде, подается в первое запоминающее устройство 27. Это первое измерение осуществляется без установки кюветы 4 между телескопической системой 1 и щелью 2. Таким образом, световой пучок, выходящий из источника света, проходит только через дагрязненную окружающую среду, которая исследуется. 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, выходящим из телескопической системы щелью 2 спектрометра 3. Далее осуществляется второе измере ние, при котором первая схема 23 формирования отношения дает третью величину R , отличную от R , поскольку она получена, когда .кювета 4 расположена между телескопической системой 1 и щелью 2 спектрометра, а вторая схема 24 формирования отношения дает четвертую величину R , отличную от R , поокольну она получена, когда кювета 4 , введена. Третья и четвертая величины R иR вводятся в схему 25, осуществл як щую создание второй разности ( R -R ). Величина (R-) означенного второго измерения подается через переключатель 26, управляемый программирующим устройством 9, во второе запоминающее устройство 29. Первое запоминающее устройство 27 и второе запоминающее устройство 29 подключены к схеме 30 отноше шя разностей, на которую они подают хранящиеся в них данные посредством схемы 31 сбро995399710

са памяти, . управляемый в свою очередь где К - постоянная, учитывающая г&программирующим устройством 9. Схема 30 отношения разностей дает величину. U-R) (,R-R)) Эта величина, созданная схемой ЗО и умноженная на С, Ц , дает неизвестный оптический путь 5 О и, соответственно концентрация загрязняющего газа соста& ляет C,L/ tR-R) -R)j L UR-R)-tR Означенная схема 30 отношения разностей дает возможность ввода выраженияС Ь /Ь, Поэтому на выходе этой схе мы формируется требуемая величина концентрации С загрязняющего газа (средняя величина по всей длине пути L ), означенная величина, выраженная в двоично-десятичном коде, подается на ааф ровой индикатор 32. Можно показать, что приведенная зав симость дает действительную величину неизвестной концентрации загрязняющего газа, в частности 5 02Действительно первая схема 23 отно шения дает величину т амплитуды электрических сиг налов 11,1 и 11.2 соответственно. Подобно этому вторая схема 24 фор- мирования отношения дает «Ч. . гдеЛ7. и 7, - амплитуды электрических сигналов 11.3 и 11.4 с другой стороны ясно, что . i-p7. где Р и Р-2 являются средними значениями энергий света, воздействующих на фотодетектор и относящихся к энергиям световых сигналов, проходящих соответственно через ряд щелей -i и i маски. 6, которая вращается равномерно. Известные уравнения дают R, :N. p.... |i,,))

пескопическую систему 1 и спектрометр 3; П - число щелей, нанесенных фотогравировкой на корреляционной маске 6; М - средняя величина спектральной интенсивности источника в положении л щели; коэффициент поглощения газа (SOj) в положении i -ой щели;Pj - средняя величина коэффициента .ослабления из-за атмосферного рассеяния по щирине -ой щели;,«(.,( I-ередше величины, относящиеся к j --ой щели, спектральной интенсивности источника, коэф фициенту поглощения газа и коэффициенту ослабления из-за рассеяния; С - неизвестная концентрация загрязняющего газа; L - расстояние между источником света и оптическим измерительным устройством. р. где РО и Р являются средними величинами световых энергий, поступакших на фотодетектор и относящихся к энергиям световых сигналов, проходящих соответственно через ряды 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 выражения имеют вышеупомянутые значения, но все величинзы берутся для ряда щелей 6 и q в положении, смещенном (на 2,4 А для ЭОл) относительно величин, соответствующих зависимости, дающей R . Поскольку, независимо от ряда величии j avPai РЯ.е « f.d величины R и R могут рассматриваться как линейные функции в пределах определенных диапазонов исследуемых газов, первое приближение дает « л-1ш; «- VTTE,. где RO и RQ являются реакциями оптиче кого измерительного устройства для к левой концентрации исследуемого газа том же расстоянии 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/ задается кюветой 4, в частности ),, AR- (R--R и iR к ) C,Ui b L(R-R)-UТаки л образом, неизвестная концентр шш загрязняющего газа измеряется точн поскольку устройство иняиферентно к х рашгеру источника, к атмосферному расс янию и следовательно, к расстоянию меж ду источником и опт гческим измеритель ным устройством, Кроме того,означенное оптическое измерительное устройство, помимо опред ления концентрации S О может быть использовано для,определения концентрации различных загрязняющих газов, на пример К1О. и. Формула изобретения 1. Способ измерения концентратда загрязняклцих. газов, вютючающих получение оптического спектра поглош,ения газа и измерение отношения сумм интенсивностей в заданном числе спектральнзых областей заданной ширины, совпадающих с минимумом и максимумом спектра поглощения соответственно, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения .путем обеспечения измерений концентрации на штанных трассах, дополнительно измеряют отношение сумм кнтенсгтностей в соответствующем числе спектральных областей, смещенных В одном направлении иа дробную часть заданнэй imipHip i -относительно минимума и соответственно максимума поглоще ния и имеющих ту же ширину, добав 97ляют известную концентрацию газа, изме ряют отношения сумм интенсивностей при новой концентрации газа и определяют 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 для измерения концентацтгн загрязняющих газов, содержащее опгическтий источник излучения, спектрометр шя разложения прошедшего через- газ из- лучения в спектр, расположенную в вы-. ходней фокальной плоскости спектрометра корреляционную маску со щелями для выборки MaKctiMyMOB и минимумов интенсивности спектра при первом и втором по ложенкях маски соответственно, расположенный за маской фотодетектор, подключенный к устройству обработки сигнала, включающему схему фощирования отношевдя сигналов фотодетектора при первом 12 втором положениях маски, о т л и ч а - ю щ е е с я тем, что, с целью расширения области применения, маска выполнена с дополнительными, щелями для выборки спектральных областей, смещенных oTHOdaтельно максимума и минимума интенсяв ности на дробную часть ширины спектральной области при третьем и четвертом положениях маски соответственно, устрой- ство обработки сигнала фотодетектора содержит вторую схему формирования отношения сигналов фотодетектора при тр гтьем и четвертом положениях маски и снабжено счетно-вычислительной системой дпся определения искомой концентрации газа, а на входе спектрометра расположена кк вета с газом известной,концентрации, выполненная с возможностью перемещения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе l. Прикладная инфракрасная спектро-скошет. Под ред. Д. Кендалла, М./Мтф, 1970, с. 250-257. 2. Патент ФРГ № 1598188, кл. 42 Н 20/01, 1967 (прототип).

V

Фиг.)

Фиг. 2

а

Vi И«

Irf

A