Способ и устройство для измерения концентрации загрязняющих газов

 

Оп ИСАНИ Е

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К ПАТЕНТУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (ii) 953997 (61) ДополнитеЛьный к патенту (5I ) М. Кл.

Э (22) Заявлено 04.07.75(21) 21 50658/1 8-25 (23) Приоритет — (32) 04..07.74 (31) 3431-А/74 (33) Италия

Опубликовано 23.08.82. Бюллетень,% 31

Дата опубликования описания 23.08.82

Cjj 01 N 21/31

Гооударстееклый комитет по делам иэооретенмй к открытий (53) УДК 543.422..4 (088. 8) (72) Авторы изобретения

Иностранцы

Тициано Тирабасси, Оттавио Витторио Антиэари, Джулио Чезари, Джорджо Джованелли и Убальдо Бо аде (Италия) е""

Иностранные фирм ы

Текнеко С. и. А" и "Консильо Национале Делле P рке ".. (Италия) (7I ) Заявители (54) СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

КОНЦЕНТРАЦИИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ГАЗОВ

Изобретение относится к аналитической технике для газового анализа и может быть использовано для измерения концентрации малых газовых прчмесей на длинных и коротких оптических трассах, в частности для определения концентрации малых газовых примесей в атмосфере.

Известны способы и устройства для измерения концентрации примесных газов в атмосфере, основанные на измерении 10 спектров поглощения для двух длин волнв полосе и вне полосы поглощения иссле дуемого газа соответственно (1) .

Недостатком их является сравнительно низкая точность, связанная с влиянием 15 перекрывания полос поглощения различных веществ и наличием погрешности за счет рассеяния света азроэольными час тицами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения концентрации загрязняющих газов, включающий получение оптического спектра поглошения газа и измерение отношения сумм интенсивностей в заданном числе спектральных областей заданной ширины, совпадающих с минимумом и максимумом спектра поглощения соответственно, и устройство для измерения концентрации эагрязняютцих газов, содержащее оптический источник излучения, спектрометр для разложения прошедшего через исследуемый газ излучения в спектр, расположенную в выходной фокальной плоскости спектрометра корреляционную маску со щелями для выборки максимумов и минимумов интенсивности спектра при первом и втором попожениях маски соответственно, расположенный за маской фотодетектор, подключенный к устройству обработки сигнапа, включающему схему формирования отношения сигналов фотодетектора при первом и втором положениях маски (21.

Недостатком известного способа и устройства являются значительные пог» решности определения концентрации при проведении измерений s атмосфере на длив ных трассах, поскольку молекулярное и

3 98399

На фиг. 1 схематично представлено

IIpeIIIIaraeMoe устройство; на фиг. 2детальная блок-схема электронной аппаратуры, входящей в устройство; на фиг. 3 - спектр пропускания бЩ на фиг, 4 (0, о ) - 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 вели чинам напряжений (V), а абсциссы к величинам времени (t ).

Телескопическая система 1 фокусирует световой пучок, выходящий из оптического источника излучения, например из дуговой 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 конl1e RTPaIG0I.

И выходной фокальиой . плоскостн 5 спектрометра 3 находится корреляционная маска 6, приводимая во вращение с пс мощью двигателя 7, управляемого посредством электронной аппаратуры 8 (фиг. 2).

Управление электронной аппаратурой осу» ществляется с помощью программирующего устройства 9.

Маска 6 содержит кварцевый диск с непрозрачной поверхностью в отношении излучения, диск имеет четыре prfIIa щелей, нанесенных .путем фотографирования, сос тоящих из частей концентрИческих участ»

30 аэрозольное рассеяние света неконтролируемым образом изменяет наблюдаемую величину оптической толщи исследуемого газа и не позволяет использовать лабораторные калибровочные кривые.

Цель изобретения - расширение областей применения путем обеспечения измерений концентрации на длинных трассах.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения концентрации I0 загрязняющих. газов, включающем получение оптического спектра поглощения газа и. измерение отношения сумм интенсивностей в заданном числе спектральных областей заданной ширины, совпадающих д с минимумом и максимумом спектра пот лощения соответственно, дополнительно измеряют отношение сумм интенсивностей в соответствукхцем .числе спектральных областей, смещенных в одном направлении на дробную часть заданной ширины относительно минимума 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 цо формуле где l, — длина оптического пути в газе искомой концентрации С;

1 «длина оптического пути в га. зе известной концентрации С;

R и Я вЂ” первое отношение сумм интенсивностей в присутствии искомой концентрации и, соответственно, в присутствии искомой и известной концентрации;

R и К - второе отношение сумм интенсивностей в присутствии искомой и, соответственно, искомой и известной концент- раций.

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 спектрометра корреляционную маску со щелями для выборки максимумов и минимумов интенсивности спектра при первом и втором положениях маски соответственно, расположенный за маской фотодетектор, пощслюяенный к устройству обработки

7 4 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 расположена кювета с газом известной концентрации, выполненной с возможностью перемещейия.

5 9539 ков тороида, расположенных в виде секторов.

Эти четыре ряда щелей одинаковы (одинаковая длина соответствующих щелей, одинаковое расстояние между двумя пос- S ледуюшими щелями каждого ряда, одинаковое число щелей), эти ряда отличаются только расстоянием, на котором они расположены относительно оси диска. и, следовательно, различным положением, в ко- 1О тором .осуществляется выборка спектральных областей во время вращения маски.

Положение щелей одна относительно другой и относительно оси диска является .функцией исследуемого загрязняющего 15 газа.

Если исследуемым газом является, например 5О>, спектр пропускания исследуемого газа ограничен в пределах диапазона длин волн от 2900 до 3150 Х (Фиг: 3).

В этом случае заключение о положении четырех рядов щелей может быть сделано с помощью фиг. 4 (а,6 ), где для каждого ряда щелей изображены только гри д следующие одна за другой щели.

В действительности, обозначая четыре ряда щелей i, j, 8 и d ряд щелей (фиг. 4а) совпадает с "окнами" поглощения, а ряд щелей ) совпадает с "полоса- ЗО ми поглощения 5 О2.

На фиг. 4 (п,S) ширина означенных щелей находится в масштабе "полос" и

"окон" поглощения.

Ряд щелей E (фиг. 4 6) смещен на определенную величину в сторону ультрафиолета, в частности на 2,4 Х в отнэб шении положения группы

Группа 1 смещена в сторону ультрафиолета на ту же величину относительно группы )

Вращающаяся маска осуществляет ггараллельный перенос в фокальную плоокость спектрометра и точное центрирование четырех шелевых рядов относительно окон" и "полос" спектра поглощения газа, появляющегося в выходной фокальной плоскости 5 спектрометра 3. Фотодетектор 10, расположенный позади вращающейся маски 6, принимает диспергиро50 ванное световое излучение, проходящее через означенные ряды щелей, осуществляющих выборку спектральных областей, и преобразует выборки в электрические сйгналы 11.1-11.4 (фиг. 5), имеющие сходную длительность, поскольку маска вращается с постоянной скоростью.

Поскольку существуют четыре ряда щелей, на выходе фотодетектора 10 бу97 6 дет существовать периодическая последовательность из четырех электрических сигналов 11.1, 11.2, 11,3 н 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 V„, возникает, когда ряд щелей, проходящий перед выходной фокаль ной плоскостью спектрометра 3 "видит"

"окна спектра поглощения исследуемого газа, например SO<.

Элктрический сигнал 11.2 с амплитудой7 получается таким же путем, ког да ряд щелей ) "видит "полосы" означенного спектра поглощения.

Электрический сигнал 11.3 с амплитудой Vp, меньшей, чем амплитуда,пс лучается, когда ряд щелей видит" спектральные области, смещенные на некоторую величину в направлении ультрафиолета относительно положения "окон" поглощения газа.

Электрический сигнал 11.4 с амплитудой Vg большей, чем Ч, получается, когда ряд щелей J "видят спектральные диапазоны, смещенные на такую же величину в сторону ультрафиолета относительно полос" поглощения.

Покрытый хромом кварцевый диск, образующий маску, имеет в положениях, от» личных 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 У„программирующему устройству 9, этот сигнал Ч< является сигналом запуска последовательности и последовательности сигналов 1 1.1, 11.2, 11.3 и 11.4.

Второй прерыватель 13 дает второй и третий электрический сигналы V и Ч, которые посылаются на программирующее устройство 9. Эти сигналы являются соответственно стартовым и конечным сигналами последовательности четырех электрических сигналов 11.1, 11.2, 11.3 и 11 Я на выходе фотодетектора 10.

Прерыватель 14 формирует ряд электрических сигналов (например, четыре для каждого оборота диска), которые направ ляются на устройство 1 5 для регулирования скорости двигателя 7, который

7 953 вращает диск, образующий корреляционную маску 6.

Предусилитель 16 расположен на выходе фотодетектора 10, выходные электр рические сигналы предусилителя посылаются на устройство 17, содержащее аналоговую схему совпадения, включаемую вторым электрическим сигналом V и вы -, ключаемую третьим электрическим сигналом Ч5, и,соединенную с цифровым аналоговым преобразователем, преобразующим амплитуду означенных электрических сигналов 11.1, 11.2, 11.3 и 11.4, усиленных предусилителем 16, в соответствующие серии импульсов, выраженных в би- 15 нарком коде.

Означенный аналоговый преобразователь соединен с блоком 18 адресования данных, который имеет четыре выхода, соединенных с таким же количеством циф-2о ровых накопителей 19, 20, 21 и 22.

Программирующее устройство 9 управляет блоком 18 таким образом, чтобы серии импульсов, относящиеся соответственно к усиленным электрическим сигна- 25 лам 11.1 и 11.2, 11.3 и 11.4 достигали цифровых накопителей 19, 20 21 и

22. Число последовательностей, которое будет суммироваться, устанавливается кратными 7„(например, 10V ° 100Vc зю и так aanee), что заранее выбирается программирующим устройством 9.

Когда число последовательностей совпадает с запрограммированным, накопители 19 и 20 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 К;.

Подобные рассуждения применимы в отношении второй схемы 24 формирования отношения, дающей второе отношение

1", равное отношению между сигналами

11.3 и 11.4. Означенные величины R u

R подаются на схему 25 формирования разности, создающую первую разность (Rl - К" ), означенная разность через переключатель 26, управляемый программируимцим устройством 9, посту50 цает в первое запоминающее устройство 27.

Работа устройства для измерения кон центрации загрязняющих газов будет под- робно рассмотрена на примере определения концентрации 60@ в загрязненной

55 окружающей среде.

Установив источник света, например иодную лампу was ксеноновую дуговую лам997 8 пу, расположенную на заданном расстоянии от устройства, юстируют маску 6 таким образом, чтобы ряд щелей видел окна, а ряд щелей 1 видел полосы ", означенное юстирование осущестянено, когда сигнал 1 1 .1 с амплитудой доО тигает наибольшей величины.

Означенные 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 на коплены посредством программирующего устройства 9, осуществляется первое измерение, величина которого, равная первой разности (Р - Й ), 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, Такты образом, световой пучок, выходящий из источника света, проходит только через заг ряэненную окружающую среду, которая исследуется. Как только заранее выбранное число последовательностей достигнуто, программирующее устройство 9 выдает команду устройству 28 на установку кюветы 4, имеющей длину 1 и содержащей 50 с известной концентрацией С1 между световым пучком, выходящим из телескопической системы 1 и щелью 2 спектрометра 3.

Далее осуществляется второе измерение, при котором первая схема 23 формирования отношения дает третью величи. ну R<, отличную от Й, поскольку она получена, когда .кювета 4 располо>Кена между телескопической системой 1 и щелью 2 спектрометра, а вторая схема

24 формирования отношения дает четвертую величину К, отличную от R", поскольку она получена, когда кювета 4 введена. Третья и четвертая величины Й

- lI и К вводятся в схему 25, осуществляющую создание второй разности (R -R" ).

Величина (R - Ræ" ) 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 отношения разностей, на которую они подают хранящиеся в них данные посредством схемы 31 сбро10

97 где К (- R") (г-Tz") -(R - R") ы „— с„).„Ф- я")

C=L (к - К") -(К - R") !

9 9539 са памяти,, управляемый в свою очередь программиру1ошим устройством 9.

Схема 30 отношения разностей дает величину.

Эта величина, созданная схемой 30 и умноженная на С, L, дает неизвестный оптический путь 5 О2 и, соответственно, концентрация загрязняющего газа состав ляет постоянная, учитывающая телескопическую систему 1 и спектрометр 3; число щелей, нанесенных фотогравировкой на корреляционной маске 6; средняя величина спектральной интенсивности источника в положении щели; коэффициент поглощения газа (БО2) в положении -ой щели; средняя величина коэффициента . ослабления из-за атмосферного рассеяния по ширине < -ой щели;

Означенная схема 30 отношения разностей дает воэможность ввода выражения С Ь„! L, поэтому на выходе этой схемы формируется требуемая величина концентрации С загрязняющего газа (средняя величина по всей длине пути ), означенная величина, выраженная в двоично-десятичном коде, подается на ци ровой индикатор 32.

Можно показать, что приведенная зависимость дает действительную величину неизвестной концентрации загрязняющего газа, в частности 5 О2.

Действительно первая схема 23 отис>щения дает величину, V„

R =- — )

V) где 1„и V1 амплитуды электрических сит налов 11,1 и 11.2 соответственно.

Подобно этому вторая схема 24 фор», мирования отношения дает вели"ину е

R = — )

"а где Ч. и Vg - амплитуды электрических сигналов 11.3 и 11.4 с другой стороны ясно, что ,V Є

4S з

P 2 где Р„и Р2 являются средними значениями энергий света, воздействующих на фотодетектор и относящихся к энергиям Sp световых сигналов, проходящих соответственно через ряд щелей и Мас:ки. 6, которая вращается равномерно, Известные уравнения дают

N >, ехр(-ж,„CL ехр (Р ; )

R= — =< "„ ) р k;iÄ exp(-<„CЬ3.ехр(-p„;) ) N>,4. средние величины, относящиеся

1 " ) к j -ой щели, спектральной

>" интенсивности источника, коэф» фициенту поглощения газа и коэффициенту ослабления из-еа рассеяния; . C — неизвестная концентрация загрязняющего газа;

1 - расстояние между источником света и оптическим измерител ным устройством.

« е

R = — = — >

Р4 где Р> и Р4 являются средними величъ нами световых энергий, поступающих на фотодетектор и относящихся к энергиям световых сигналов, проходящих соответственно через ряды щелей, E и означенной маски 6. и

EgNggexp(-о л,Е CL) ехр(-(Ь 1.)

Rii K

K.d дЕхр(-g, CLj ехр(-Р> L3 где )), oC и этого выражения имеют вышеупомянутые значения, но все величины берутся для ряда щелей 3 и 8 в положении, смещенном (на 2,4 А для

5 О ) относительно величин, соответству о! юших зависимости, дающей В .

Поскольку, независимо от ряда величик ti, (>, P> g и Р величины К иК могут рассматриваться как линейные функции в пределах определенных диапазонов исследуемых газов, первое приближение дает

R = R + — CL

1, hR

° n(CL).

I ьГ"

R"-u + — CL, о Ь(С ) 11, ll где о и К, являются реакциями оптичео-= кого измерительного устройства для нулевой концентрации исследуемого газа на том же расстоянии L между источником и оптическим измерительным устройсгвом;, е. CL= О.

Независимо от атмосферных условий в

R = Яо, откуда

О5Д Я .- R") = — (ю -дк") =

6(CL, fact. и поэтому с д(сц (й -R") 1

Д(С4) задается кюветой 4, в частности ь(СЦ--С,L, ьК =(К-й 1 и дК"= Я"- й") Тогда

c„l15 Я - R") (-z )-(a s 1

Таким образом, неизвестная концентра- 5 цня загрязняющего газа измеряется точно, поскольку устройство индиферентно к хараигеру источника, к атмосферному рассеянию и следовательно, к расстоянию меж ду источником и опгическим измеритель - 3< ным "jcrpoHGTBDM.

Кроме того, означенное оптическое измерительное устройство, помимо определения концентрации 5 О может быть использовано для. определения концентрации различных загрязняющих газов, напр?гмер М О N Н, J и т. д.

Формула изобретения

1. Способ измерения концентрапии загрязняющих газов, включающих получение оптического спектра поглощения газа и измерение отношения сумм интен45 сивностей в заданном числе спектральных областей заданной пп?ринь?, совпадающих с миниаумом и максимумом спектра поглощения соответственно, о т л и ч а юm и и с я тем, что, с целью расширения

БО области применения путем обеспечения измерений концентрации на длинных трассах, дополнительно измеряют отношение сумм интенсивностей в соответствующем числе спектральных областей, смещенных .

Я в одном направлении на дробную часть заданной ширицы относительно минимума и соответственно максимума поглощения и имеющих ту же ширину, добав

gag ) 2 ляют известную концентрацию газа, измеряют отношения сумм интенсивностей при новой конпентрации газа и определяют искомую концентрацию газа по формуле с„ „ - д" (Fz-p."j-(a -R )

1 где u - длина оптического пути в газе искомой концентрации С;.

- длина оптического пути в газе известной концентрации С„,, R и К - первое отношение сумм интенсивностей в присутствии искомой концентрации и соответственно в присутствии искоП ц мой и известной концентрации

1 и R - второе отношение сумм интенсивностей в присутствии искомой ч соответственно искомой и известной концентрации, 2. Устройство для измерения концент. рации загрязняющих газов, содержащее оп тический источник излучения, спектрометр для разложения прошедшего через газ излучения в спектр, расположенную в вы-, ходной 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, подключенный к устройству обработки сигнала, включающему схему формирования отношения сигналов фотодетектора при первом и втором положениях маски, о т л и . ага ш е е с я тем, что, с целью расширения области применения, маска выполнена с дополнительными.щелями для выборки спектральных областей, смещенных относигельно максимума и минимума интенсивности на дробную часть ?циринь? спектральной области при третьем и четвертом положениях маски соответственно, устройство обработки сигнала фотодетектора содержит вторую схему формирования отношения сигналов фотодетектора при третьем и четвертом положениях маски и снабжено счетно-вычислительной системой дпя определения искомой конпентрации газа, а на входе спектрометра расположена кювета с газом известной, концентрации, выполненная с возможностью перемещения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Прикладная инфракрасная спектра скопия. Под ред. Ll. Кендалла, М., Мир», 1 870, с. 2 50 257.

2. Патент ФРГ % 1598189, кл. 42 Н 20/01, 1967 (прототип).

953997

Составитель В. Капустин

Редактор Г. Волкова Техред Т.Маточка Корректор M Коста

Заказ 631 9/84 Тираж 887 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж«35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4