Способ и устройство для измерения концентрации загрязняющих газов

Оп ИСАНИ ЕИЗОБРЕТЕН ИЯК ПАТЕНТУ Сотоз СоветскихСоциалистическихРеспублик1953997(31) 3431 А/74 (33) ИталияОпубликовано 23.08,82. Бюллетень,% 31Дата опубликования описания 23.08.8201 И 21/31 Государстееллый комитет ло делам иэооретеннй к открытий(72) Авторы изобретения ИностранцыТициано Тирабасси, Оттавио Витторио Антиэари,Джулио Чезари, Джорджо Джованелли и Убальдо Б(Италия) 7) Заявители оиале Делле рке(54) СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕН КОНЦЕНТРАЦИИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ГАЗО ескойется спэгрязняющихптическогерение отИзобретение относится к аналитической технике для газового анализа и может быть использовано для измеренияконцентрации малых газовых прчмесей надлинных и коротких оптических трассах,в частности для определения концентрации малых газовых примесей в атмосфере.Известны способы и устройства дляизмерения концентрации примесных газовв атмосфере, основанные на измерении тспектров поглощения для двух длин волнв полосе и вне полосы поглощения исследуемого газа соответственно 1;Недостатком их является сравнительнонизкая точность, связанная с влиянием тперекрывания полос поглощения различных веществ и наличием погрешности засчет рассеяния света азроэольными частицами,Наиболее близким по технич сущности к предлагаемому явля соб измерения концентрации з газов, включающий получение спектра поглощения газа и из ношения 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 положениях маски соответственно, расположенный за маской фотодетектор,подключенный к устройству обработки сигнала, 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 в атмосфере на длив ных трассах, поскольку молекулярное и3 98399 На фиг. 1 схематично представленопредлагаемое устройство; на фиг. 2 детальная блок-схема электронной аппаратуры, входящей в устройство; нафиг, 3 - спектр пропускания бЩна фиг, 4 (а,о ) - спектры пропусканияна фиг. 5 - Пример полной последовательности сигналов на входе фотодетектора,На схемах (фиг. 3 и 4) ординаты относятся к величинам пропускания (Т, аабсциссы - к величинам длин волн (А).На фиг, 5 ординаты относятся к величинам напряжений (У), а абсциссы к величинам времени (1 ).Телескопическая система 1 фокусируетсветовой пучок, Выходящий из оптического источника излучения, например из дуговой лампы, в щель 2, предусмотреннуюна входе спектрометра 3,Спектрометр 3 является спектрометромс дифракционной решеткой. На входе спектрометра 3 расположена кювета 4, содержащая исследуемый газ известной конце нтра 1801.РВ выходной фокальНОЙ. плоскостй 5спектрометра 3 находится корреляционнаямаска 6, приводимая во вращение с помощью двигателя 7, управляемого посредством электронной аппаратуры 8 (фиг, 2),Управление электронной аппаратурой осуществляется с помощью программирующего устройства 9,Маска 6 содержит кварцевый диск снепрозрачной поверхностью в отношенииизлучения, диск имеет четыре рЫда щелей,нанесенных путем фотографирования, состоящих из частей концентрических участаэрозольное рассеяние света неконтролируемым образом изменяет наблюдаемуювеличину оптической толщи исследуемогогаза и не позволяет использовать лабораторные калибровочные кривые,5Цель изобретения - расширение областей применения путем обеспечения измерений концентрации на длинных трассах,Поставленная цель достигается тем,что в способе измерения концентрации 1 озагрязняющих. газов, включающем получение оптического спектра поглощения газаи. измерение отношения сумм интенсивностей в заданном числе спектральныхобластей заданной ширины, совпадающих 15с минимумом и максимумом спектра поглощения соответственно, дополнительноизмеряют отношение сумм интенсивностей в соответствующем .числе спектральных областей, смещенных в одном направлении на дробную часть заданной ширины относительно минимума и соответственно максимума поглощения и имеющихту же ширину, добавляют известную концентрацию газа, измеряют отношения сумм 5интенсивностей при новой концентрациигаза и определяют искомую концентрациюгаза по формуле где- длина оптического пути в газе искомой концентрации С;1длина оптического пути в газе известной концентрации С,К и Я - первое отношение сумм интенсивностей в присутствииискомой концентрации и, соответственно, в присутствииискомой и известной концентраций;Р и К - второе отношение сумм интенсивностей в присутствииискомой и, соответственно,искомой и известной концентраций.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 вто ром положенийх маски соответственно, расположенный за маской фотодетектор, подключенный к устройству обработки 7 4сигнала, включающему схему формирования отношения сигналов фотодетекторапри первом и втором положениях маски,маска выполнена с дополнительными щелями для выборки спектральных областей,смещенных относительно максимума и минимума интенсивности на дробную частьширины спектральной области при третьеми четвертом положениях маски соответственно, устройство обработки сигнала,фотодетектора содержит вторую схемуформирования отношения сигналов притретьем и четвертом положениях маски иснабжено счетно вычислительной системой для определения искомой концентрации газа, а на входе спектрометра расположена кювета с газом известной концентрации, выполненной с возможностьюперемещения.55 5 9539ков тороида, расположенных в виде секторов,Эти четыре ряда щелей одинаковы( одинаковая длина соответствующих щелей,одинаковое расстояние между двумя последующими щелями каждого ряда, одинаковое число щелей), эти ряда отличаютсятолько расстоянием, на котором они расположены относительно оси диска. и, следовательно, различным положением, в ко 10тором осуществляется выборка спектральных областей во время вращения маски.Положение щелей одна относительнодругой и относительно оси диска является .функцией исследуемого загрязняющего 15газа,Если исследуемым газом является,например 50, спектр пропускания исследуемого газа ограничен в пределах диапазона длин волн от 2900 до 3150 3. 2 о(фиг: 3).В этом случае заключение о положениичетырех рядов щелей может быть сделанос помощью фиг, 4 (а,б ), где для каждого ряда щелей изображены только гри дследующие одна за другой щели.В действительности, обозначая четыреряда щелей , , 1 и д ряд щелей(фиг. 4 а) совпадает с "окнамиф поглощения, а ряд щелейсовпадает с "полоса Оми поглощения 502.На фиг. 4 ( п,5) ширина означенныхщелей находится в масштабе "полос" и"окон" поглощения.Ряд щелей (фиг. 4 б) смещен на 35определенную величину в сторону ультрафиолета, в частности на 2,4 Х в отнэ 4шении положения группыГруппа с 1 смещена в сторону ультра-,фиолета на ту же величину относительногруппыВращающаяся маска осуществляет юраллельный перенос В фокальную плоокость спектрометра и точное центрирование четырех шелевых рядов относительнофокон" и "полос" спектра поглощения газа, появляющегося в выходной фоквльнойплоскости 5 спектрометра 3, фотодетектор 10, расположенный позади вращающейся маски 6, принимает диспергиро 50ванное световое излучение, проходящеечерез означенные ряды щелей, осуществляющих выборку спектральных областей,и преобразует выборки в электрическиесйгналы 11.1-11,4 (фиг. 5), имеющиесходную длительность, поскольку маскавращается с постоянной скоростью.Поскольку существуют четыре рядащелей, на выходе фотодетектора 10 бу 97 6дет существовать периодическая последовательность из четырех электрическихсигналов 11.1, 11,2, 11,3 н 11,4, повторяющихся с частотой вращения маски 6.Каждый из означенных электрическихсигналов относится к выборке, осуществленной соответствующим рядом щелей вряде спектральных областей диспергированного светового луча.Электрический сигнал 11 .1, имеющийамплитуду 7,возникает, когда ряд щелей, проходящий перед выходной фокальной плоскостью спектрометра 3 "Видит""окна спектра поглощения исследуемогогаза, например 5 0.Электрический сигнал 1 1,2 с амплитудой 7 получается таким же путем, когда ряд щелей"видит" "полосы" означенного спектра поглощения,Электрический сигнал 1 1,3 с амплитудой У, меньшей, чем амплитудами,пслучается, когда ряд щелей видит" спектральные области, смещенные на некоторуювеличину в направлении ультрафиолета относительно положения "окон" поглощениягаза.Электрический сигнал 11,4 с амплитудой У, большей, чемУ , получается,когда ряд щелей с 1 "видятф спектральные диапазоны, смещенные на такую жевеличину 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 оптическимипрерывателями 12 - 14.Первый прерыватель 12 дает первыйэлектрический сигнал Упрограммирующему устройству 9, этот сигнал У является сигналом запуска последовательности и последовательности сигналов 1 1.1,11.2, 11,3 и 11.4,Второй прерыватель 1 3 дает второйи третий электрический сигналы У и Ч,которые посылаются на программирующее устройство 9. Эти сигналы являются соответственно стартовым и конечнымсигналами последовательности четырехэлектрических сигналов 11.1, 11.2, 11.3и 11 Я на выходе фотодетектора 10.Прерыватель 14 формирует ряд электрических сигналов (например, четыре длякаждого оборота диска), которые направляются на устройство 1 5 для регулирования скорости двигателя 7, который7 953вращает диск, образующий корреляционнуюмаску 6.Предусилитель 16 расположен на выходе фотодетектора 10, выходные элекрические сигналы предусилителя посылаются на устройство 17, содержащее аналоговую схему совпадения, включаемуювторым электрическим сигналом У и вьг -,ключаемую третьим электрическим сигналом У 5, и,соединенную с цифровым ана- флоговым преобразователем, преобразующим амплитуду означенных электрическихсигналов 11.1, 11.2, 11,3 и 11 А, усиленных предусипителем 16, в соответствующие серии импульсов, выраженных в бинарком коде.Означенный аналоговый преобразователь соединен с блоком 18 адресованияданных, который имеет четыре выхода,соединенных с таким же количеством цифровых накопителей 19, 20, 21 и 22,Программирующее устройство 9 управляет блоком 18 таким образом, чтобысерии импульсов, относящиеся соответственно к усиленным электрическим сигналам 11.1 и 11.2, 11.3 и 11.4 достигали цифровых накопителей 19, 20 21 и22. Число последовательностей, котороебудет суммироваться, устанавливаетсякратными Ч (например, 10 Чс, 1007и так далее), что заранее выбираетсяпрограммирующим устройством 9.Когда число последовательностей совпадает с запрограммированным, накопители 19 и 20 сбрасывают накопленныеданные в первую схему 23 формированияотношения сигналов фотодетектора (т, е.сигналов 11.1 и 11.2).Схема 23 формирования отношениядает первую величину отношения Й;,Подобные рассуждения применимы вотношении второй схемы 24 формирования отношения, дающей второе отношение1, равное отношению между сигналами11.3 и 11,4, Означенные величины Й иК подаются на схему 25 формированияразности, создающую первую разность( й - К ), означенная разностьчерез переключатель 26, управляемыйпрограммируюяим устройством 9, посту 50пает в первое запоминающее устройство 27.Работа устройства для измерения концентрации загрязняющих газов будет подробно рассмотрена на примере определения концентрацииоО в загрязненной55окружающей среде.Установив источник света, напримериодную лампу или ксеноновую дуговую лам 997 8пу, расположенную на заданном расстоянии от устройства, юстируют маску 6 таким образом, чтобы ряд щелейвидел"окна, а ряд щелей 1 видел полосы",означенное юстирование осущестянено,когда сигнал 1 1 .1 с амплитудой Ч дооктигает наибольшей величины,Означенные четыре ряда щелей ,1 и 3 осуществляют выборку в четырехсоответствующих спектральных областяхдиспергированного светового пучка,После юстирования маски 6 и предварительной установки определенного числапоследовательностей, которые будут накоплены посредством программирующегоустройства 9, осуществляется первое измерение, величина которого, равная первойразности ( Р - В ), выраженная в двоичном коде, подается в первое запоминающее устройство 27.Это первое измерение осуществляетсябез установки кюветы 4 между телескопической системой 1 и щелью 2, Таиы образом, световой пучок, выходящий из источника света, проходит только через агряэненную окружающую среду, котораяисследуется. Как только заранее выбранное число последовательностей достигнуто,программирующее устройство 9 выдаеткоманду устройству 28 на установкукюветы 4, имеющей длину Ь и содержащей 50 с известной концентрацией Смежду световым пучком, выходящим изтелескопической системы 1 и щелью 2спектрометра 3.Далее осуществляется второе измерение, при котором первая схема 23 формирования отношения дает третью величи, ну , отличную от Й, поскольку онаполучена, когда .кювета 4 расположенамежду телескопической системой 1 ищелью 2 спектрометра, а вторая схема24 формирования отношения дает четвертую величину К, отличную от Й", поскольку она получена, когда кювета 4введена, Третья и четвертая величины Йи К вводятся в схему 25, осуществляющую создание второй разности ( К -К ).Величина Й -В) означенного второгоизмерения подается через переключатель26, управляемый программирующим устройством 9, во второе запоминающееустройство 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 сбро11.и где о и К, являются реакциями оптичео" кого измерительного устройства для нулевой концентрации исследуемого газа на том же расстояниимежду источником и оптическим измерительным устройством;, т. е, СЬ= О.Независимо от атмосферных условийК = Яо, откуда и поэтомуд(с,к я") ДС ) задается кюветой 4, в частности дСЦ-С,Ь, И= Ки дй": Я"- К", ТогдаТаким образом, неизвестная концентрацИя загрязняющего газа измеряется точно, поскольку устройство индиферентно к хараигеру источника, к атмосферному рассеянию и следовательно, к расстоянию меж ду источником и оптическим измеритель - ЗО ным устроиством.Кроме того,означенное оптическое измерительное устройство, помимо определения концентрации 5 О может быть использовано для. определения концентрации различных загрязняющих газов, напр 1 жер М ОИМ 3 и т, д, Формула изобретения1. Способ измерения концентрации загрязняющих газов, включающих получение оптического спектра поглощения газа и измерение отношения сумм интен 45 сивностей в заданном числе спектральных областей заданной ширины, совпадающих с минимумом и максимумом спектра поглощения соответственно, о т л и ч а юш и й с я тем, что, с целью расширения5 О 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 ширины относительно минимума и соответственно максимума поглощения и имеющих ту же ширину, добаьР 7ляют известную концентрацию газа, измеряют отношения сумм интенсивностей при новой концентрации газа и определяют искомую концентрацию газа по формулесь- д"В-Ж) - Ф- я")где и - олина оптического пути в газе искомой концентрации С;- олина оптического пути в газеизвестной концентрации СЙ и К - пеовое отношение сумм интенсивностей в присутствии искомой концентрации и соответственно в присутствии искоП цмой и известной концентрации1и К - второе отношение сумм интенсивностей в присутствии искомой и соответственноискомойи известной концентрации,2. Устройство для измерения концентрации загрязнякяцих газов, содержащее оптический источник излучения, спектрометрдля разложения прошедшего через газ излучения в спектр, расположенную в вы-,ходной фокальной плоскости спектрометракорреляционную маску со щелями оля 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 первоми втором положениях маски, о т л и . аю ш е е с я тем, что, с целью расширенияобласти применения, 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 фотодетектора при третьеми четвертом положениях маски и снабжено счетно-вычислительной системой дпяопределения искомой концентрации газа,а на входе спектрометра расположена кювета с газом известной, концентрации, выполненная с возможностью перемешения,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Прикладная инфракрасная спектроскощи, Под ред. В, Кендалла, ММир,1870, с. 250 257.2. Патент ФРГ % 1598188,кл. 42 Н 20/01,1967 (прототип).Подписнокомитета СССРоткрытийРаушская наб.,аказ 6319/84 Тираж 887 В НИИПИ Государственног по делам изобретений 11 зоз 5, Мо ква, жз 5