Способ измерения концентрации газов методом корреляционной фурье-спектроскопии

 

Изобретение относится к способам измерения концентраций газов в газовых средах методом абсорбционной спектроскопии, в частности, к способам измерения газовых примесей в атмосфере и контроля загрязнения окружающей среды. Сущность: способ корреляционной Фурье-спектроскопии включает измерение интенсивностей определенного набора компонент Фурье-спектра принимаемого излучения, причем значения Фурье-переменных измеряемых Фурье-компонент коррелируют с положениями максимумов и минимумов в Фурье-спектре спектра поглощения измеряемого газа, а принимаемое излучение анализируют только в диапазоне волновых чисел, где измеряемый газ имеет линии поглощения. 2 ил.

Изобретение относится к способам измерения концентраций газов в газовых средах методом абсорбционной спектроскопии, в частности, к способам измерения газовых примесей в атмосфере и контроля загрязнения окружающей среды.

Известно, что в абсорбционной спектроскопии газовых сред существуют две различные задачи: 1. Спектральный анализ, т.е. анализ спектров поглощения исследуемых газов или газовых сред.

2. Газоанализ, т. е. измерение концентраций определенных газов с известным спектром, содержащихся в исследуемой газовой среде.

Для решения первой задачи требуется получение спектров анализируемого излучения в определенном диапазоне волновых чисел, для решения второй задачи измерение концентрации определенного газа с высоким отношением сигнал/шум при высокой селективности, т.е. отсутствии влияния на результат измерения содержания других газовых компонент в исследуемой газовой среде.

Для решения первой задачи обычно применяют метод традиционной спектроскопии, т.е. измерение спектральной плотности излучения в определенном диапазоне волновых чисел с высоким разрешением, и метод Фурье-спектроскопии, в котором первичным сигналом анализатора спектра излучения является определенная Фурье-компонента спектра принимаемого излучения, причем измерение спектральной плотности производят во всем диапазоне значений переменной Фурье-преобразования (например от нулевой до максимальной разности хода для интерферометра Майкельсона), а затем производят обратное Фурье-преобразование для восстановления спектра излучения в зависимости от волнового числа . Однако применение обоих методов для решения второй задачи не является оптимальным, поскольку подавляющая часть времени анализа приходится на измерение интенсивности компонент спектра либо Фурье-спектра, находящегося за пределами полосы поглощения измеряемого газа.

Более оптимальным для решения второй задачи является метод корреляционной спектроскопии (прототип) [1,2] т.е. измерения спектральной плотности излучения только для определенного набора волновых чисел значения которых коррелируют с положениями максимумов и минимумов в спектре поглощения измеряемого газа. Применение этого метода для решения второй задачи дает заметный выигрыш по величине отношения сигнал/шум и по времени измерения по сравнению с методом традиционной спектроскопии за счет исключения из процесса измерения спектральных интервалов, в которых отсутствуют линии поглощения измеряемого газа, и, соответственно, исключения вклада фотонного шума из этих спектральных интервалов. Но, с другой стороны, исключение из процесса измерения указанных спектральных интервалов ведет к ухудшению селективности, поскольку, чем меньше набор значений волновых чисел, на которых измеряется спектральная плотность излучения, тем больше корреляция между спектрами различных газов, имеющих линии поглощения при этих значениях волновых чисел.

Целью изобретения является повышение селективности измерения концентраций газов с известным спектром, содержащихся в исследуемой газовой среде.

Эта цель достигается тем, что производят измерение интенсивности определенного набора компонент не в спектре а в Фурье-спектре E(δ) спектра принимаемого излучения в частности, в спектре косинус-преобразования Фурье-спектра причем значения Фурье-переменных δ_i измеряемых Фурье-компонент (i i.N, N число измеряемых компонент) коррелируют с положениями максимумов и минимумов в Фурье-спектре спектра поглощения измеряемого газа, а принимаемое излучение анализируют только в диапазоне волновых чисел, где измеряемый газ имеет линии поглощения.

Причина повышения селективности измерений становится понятной из следующего рассмотрения. Предположим, что в исследуемой газовой среде содержатся два газа измеряемый и мешающий, и промоделируем спектр поглощения измеряемого газа функцией а спектр поглощения мешающего газа функцией
где
центры полос поглощения газов;
Δ₁ и Δ₂ параметры, характеризующие ширину полос поглощения;
δ₁ и δ₂ величины, обратные расстоянию между соседними линиями поглощения периодических структур соответствующих полос,
и допустим, что эти спектры накладываются (т.е. в общем случае не совпадают (фиг. 1а).

В подобной ситуации применение метода корреляционной спектроскопии, т.е. измерение спектральной плотности излучения для набора волновых чисел значения которых коррелируют с положениями максимумов и минимумов в спектре поглощения измеряемого газа, с последующим вычислением концентрации газа C по формуле

где a_i весовые коэффициенты, положительные для минимумов и отрицательные для максимумов в спектре поглощения измеряемого газа, приведет к заметному влиянию концентрации мешающего газа на результат измерения. Найдем теперь функции F₁(δ) и F₂(δ), являющиеся результатом косинус-преобразования Фурье соответствующих функций , воспользовавшись известными свойствами косинус-преобразования Фурье [4] и положив δ₁≪1/Δ₁ и δ₂≪1/Δ₂:


Вторые члены этих выражений есть Фурье-спектры Гауссовых огибающих и интереса для измерений не представляют, первые же члены есть Фурье-спектры периодических структур спектров газов, которые в силу δ₁≠ δ₂ оказываются разнесенными по оси δ (фиг. 1б). Это означает, что при применении метода корреляционной Фурье-спектроскопии, т. е. измерении спектральной плотности Фурье-компонент E(δ) для набора Фурье-переменных δ₁...δ_M значения которых коррелируют с положениями максимумов и минимумов в Фурье-спектре F₁(δ) спектра поглощения измеряемого газа, с последующим вычислением концентрации газа C по формуле

где b_i весовые коэффициенты, положительные для минимумов и отрицательные для максимумов в Фурье-спектре спектра поглощения измеряемого газа, приведет к значительно меньшему влиянию концентрации мешающего газа на результат измерения, т.е. к существенному повышению селективности измерений.

Теоретически в силу симметрии преобразования Фурье может встретиться противоположная ситуация, когда Фурье-спектры двух газов накладываются, а соответствующие им спектры разнесены по оси волновых чисел, при этом селективность измерений методом корреляционной Фурье-спектроскопии будет хуже. Но подобный случай исключается в силу того, что принимаемое излучение анализируют только в диапазоне волновых чисел, где измеряемый газ имеет линии поглощения, путем использования соответствующего светофильтра на входе анализатора. Таким образом, подобное ограничение диапазона принимаемого излучения исключает влияние на результат измерения газов, имеющих спектр поглощения за пределами этого диапазона, и кроме того, повышает отношение сигнал/шум за счет исключения фотонного шума излучения, находящегося за пределами указанного диапазона.

Сказанное поясняется фиг. 1, где изображены спектры и (фиг. 1а) и их Фурье-спектры F₁(δ) и F₂(δ) (фиг. 1б), и фиг. 2, где на фиг. 2а показан спектр поглощения SO₂ и линии спектра CH₂O, расположенные в диапазоне поглощения SO₂, а на фиг. 2б соответственно их Фурье-спектры, полученные с помощью ультрафиолетового Фурье-спектрометра на основе перестраиваемого интерференционно-поляризационного фильтра с двулучепреломляющим клином регулируемой толщины.

Описанный способ позволяет использовать в качестве анализаторов устройства, измеряющие интенсивности Фурье-компонент спектра принимаемого излучения, которые не применяются в качестве Фурье-спектрометров из-за недостаточного диапазона сканирования или недостаточного разрешения, но являются в то же время более простыми по конструкции по сравнению с применяемыми в Фурье-спектроскопии интерферометрами Майкельсона, например анализаторы на основе сканируемого эталона Фабри-Перо низкого порядка, либо перестраиваемого интерференционно-поляризационного фильтра.

Примером анализатора, работающего на основе метода корреляционной Фурье-спектроскопии, может служить оптический газоанализатор, который включает в себя коллиматор, светофильтр, интерференционно-поляризационный фильтр, состоящий из скрещенных поляризаторов и расположенных между ними подвижного и неподвижного клиньев из кристаллического кварца с осью, перпендикулярной оптической оси прибора, причем подвижной клин кинематически связан микрометрическим винтом с шаговым двигателем, управляемым микропроцессором, и электрооптического модулятора в виде пластины из кристалла DKDP с оптической осью, ориентированной параллельно оптической оси измерителя и снабженной управляющими электродами, соединенными с генератором периодически изменяющегося напряжения. За интерференционно-поляризационным фильтром расположен фотоприемник, связанный с электронной схемой, содержащей усилитель, синхродетектор, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор. Испытания этого анализатора в режиме измерений концентрации SO₂ на основе метода корреляционной Фурье-спектроскопии, т.е. измерение концентрации SO₂ по измеренным значениям интенсивности четырех Фурье-компонент, показали повышение селективности измерений более чем на порядок по сравнению с корреляционным анализатором SO₂ на основе модулируемого неперестраиваемого интерференционно-поляризационного фильтра.

Целесообразно также сравнить метод корреляционной Фурье-спектроскопии с методом Фурье-спектроскопии. В то время как для восстановления спектра принимаемого излучения при применении метода Фурье-спектроскопии требуется измерение интенсивности Фурье-компонент спектра во всем диапазоне значений переменной Фурье преобразования δ от δ=0 до δ=δ_max в данном методе требуется только измерение интенсивности Фурье-компонент для определенного набора значений δ₁ что значительно уменьшает время анализа, а отсутствие обратного Фурье-преобразования для восстановления спектра излучения значительно упрощает процедуру обработки данных спектрометра и исключает необходимость использования высокопроизводительной вычислительной техники. Кроме того, измерение только наиболее интенсивных Фурье-компонент спектра значительно повышает отношение сигнал/шум, так как при применении метода Фурье спектроскопии подавляющая доля времени приходится на измерение Фурье компонент с низкой интенсивностью.

Формула изобретения

Способ измерения концентраций газов методом корреляционной Фурье-спектроскопии, включающий измерение интенсивности определенного набора E(δ₁) компонент разложения спектра, принимаемого излучения прошедшего исследуемую газовую среду, в некотором пространстве функций F(δ)

причем значения δ₁ (где i 1 N, N число измеряемых компонент) коррелируют с положениями максимумов и минимумов в соответствующем разложении спектра поглощения измеряемого газа, отличающийся тем, что измеряемыми компонентами являются компоненты Фурье-разложения спектра принимаемого излучения т. е. компоненты разложения в пространстве гармонических функций причем принимаемое излучение анализируют только в диапазоне волновых чисел, где измеряемый газ имеет линии поглощения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2