Способ дистанционного измерения концентрации газов в атмосферном воздухе



 


Владельцы патента RU 2431131:

Шайков Михаил Карпович (RU)

Изобретение относится к оптическим способам контроля газового состава атмосферного воздуха. Способ включает одновременное измерение и сравнение в принимаемом солнечном излучении спектра поглощения искомого газа и величины изменения спектра Фраунгоферовых линий, обусловленное Рамановским рассеянием солнечного излучения на молекулах атмосферных газов (Ринг эффект). Изобретение направлено на увеличение оперативности и точности дистанционного измерения концентрации газов в атмосферном воздухе посредством измерения в рассеянном солнечном излучении спектров их поглощения и спектров Фраунгоферовых линий.

 

Изобретение относится к дистанционным оптическим способам контроля газового состава атмосферного воздуха.

Существуют пассивные и активные оптические способы дистанционного контроля газового состава атмосферы, первые используют прямое или рассеянное солнечное излучение, вторые - автономные источники излучения. Преимуществами пассивных способов контроля является высокая чувствительность измерений и отсутствие необходимости использовать автономный источник излучения (1).

К недостаткам пассивных способов относятся трудности в определении концентрации искомых газов на ограниченных участках атмосферы, так как эти измерения требуют измерения спектра солнечного излучения до и после прохождения исследуемого участка атмосферы и определения длины этого участка.

Известен способ, при котором солнечное излучение направляется удаленным зеркальным отражателем на объектив спектрометра и сравниваются спектры поглощения искомого газа в солнечном излучении, падающем на зеркальный отражатель, и в солнечном излучении, приходящем на спектрометр от удаленного на известное расстояние зеркального отражателя (2). Вместо зеркального отражателя могут использоваться топографические объекты, обладающие высокими отражающими свойствами. Однако эти способы не обладают оперативностью и чувствительностью из-за необходимости установки отражателя или ограничений, обусловленных характеристиками отражения топографических объектов, и поэтому имеют ограниченные возможности применения.

Наиболее близким является способ дистанционного измерения газового состава атмосферного воздуха, предложенный в работе (3), в котором измерения производятся путем сравнения спектров рассеянного солнечного излучения, приходящего с горизонтального участка атмосферы, и солнечного излучения, освещающего этот участок атмосферы сверху.

В этом способе длина горизонтальной трассы определяется как величина, обратная коэффициенту ослабления солнечного излучения, прошедшего этот участок атмосферы. Поэтому применение этого способа осложняется необходимостью определения коэффициента ослабления солнечного излучения на соответствующем горизонтальном участке атмосферы, то есть необходимостью использования дополнительной измерительной аппаратуры, а сам метод ограничен возможностью применения для измерений только в горизонтальном направлении.

Спектр солнечного излучения, достигающего атмосферы земли, содержит так называемые Фраунгоферовы линии, которые обусловлены поглощением излучения в верхних слоях Солнца атомами металлов следующих элементов Na, Mg, Si, K, Ca и Fe (4).

В атмосфере Земли из-за рассеяния и перераспределения части солнечного излучения по спектру Фраунгоферовы линии уменьшают свою глубину (Ринг эффект).

Ринг эффект, в применении к дистанционному зондированию атмосферных газов, до сих пор учитывался как фактор, мешающий проведению таких измерений из-за его влияния на изменения спектра рассеянного солнечного излучения (5). Наибольший вклад в Рамановское рассеяние солнечного излучения вносится молекулами азота и кислорода, которые распределены, пропорциональны плотности атмосферного воздуха. Величина Ринг эффекта обусловлена, главным образом, неупругим Рамановским рассеянием света и, по результатам работы (6), пропорциональна толще атмосферы.

В настоящем способе измерения предлагается использовать Ринг эффект для дистанционного определения концентрации газов в атмосфере. Обозначим интенсивность спектра солнечного излучения на дне Фраунгоферовой линии как P', а среднюю интенсивность излучения по краям линии как P'', тогда ее спектральную глубину можно выразить как D=(Р''-P')/Р''. При прохождении атмосферы происходит изменение глубины Фраунгоферовой линии ΔD. Определение изменения глубины Фраунгоферовой линии на участке атмосферы с единичной толщей воздуха σR можно получить, измерив Ринг эффект ΔD0 в прямом солнечном излучении, прошедшем всю толщу атмосферы ΔТ0, получим: σR=ΔD0/ΔT0 /1/. Зная величину Ринг эффекта на участке атмосферы с единичной толщей σR и измерив его величину ΔD в принимаемом рассеянном солнечном излучении, можно определить толщу атмосферы, пройденную излучением на пути L: здесь ρа - плотность атмосферы, a dL - приращение пути. Обозначим ρг и концентрацию и толщу искомого газа на этом пути. Так как интенсивность Рамановского рассеяния света прямо пропорциональна плотности газа, а Рамановское рассеяние является определяющим фактором, вызывающим Ринг эффект (6), толща

определяется по изменению глубины присутствующей в солнечном излучении Фраунгоферовой линии ΔD и σR. Относительная концентрация искомого газа ρ' на участке атмосферы L равна:

Обозначим интенсивности спектра солнечного излучения P01 и P1 на длине волны поглощения газа λ1 до и после прохождения зондируемого участка атмосферы соответственно, а P02 и P2 - интенсивности спектра солнечного излучения вне линии поглощения искомого газа на длине волны λ2 соответственно до и после прохождения зондируемого участка атмосферы, тогда по закону Бугера, при слабом поглощении,

и следует:

σ и σ - сечения поглощения искомого газа на λ1 и λ2, а Δσг. тогда из /4/, /5/ и/8/

Таким образом, в предлагаемом способе, вместо определения длины пути солнечного излучения в атмосфере, который для рассеянного излучения точно не определяется, предлагается измерять величину Ринг эффекта. Для осуществления этого способа необходимо измерить величину изменения спектра поглощения искомого газа в принимаемом солнечном излучении и в излучении, освещающем зондируемый участок атмосферы, и разделить ее на величину изменения на нем спектра Фраунгоферовой линии ΔD, обусловленного Ринг эффектом, а полученный результат умножить на известную величину, изменения спектра этих Фраунгоферовых линий ΔσR=ΔD0/ΔТ0, обусловленного Ринг эффектом на участке атмосферы с единичной оптической толщей воздуха.

В частности для горизонтального участка атмосферы, ρа=const, следует тогда

и получается средняя концентрация ρг- искомого газа в воздухе:

Повышение точности предлагаемого способа измерений обусловлено тем, что не требуется определения пути рассеянного излучения, а используемый Ринг эффект присутствует в видимой и ближней ультрафиолетовой области солнечного спектра, в непосредственной близости от линий поглощения газов, измерение содержания которых оптическими спектральными способами используется при исследовании атмосферы.

Литература

1. Назаров И.М., Николаев А.Н., Фридман Ш.Д. «Основы дистанционных методов мониторинга загрязнения природной среды». Ленинград. Гидрометеоиздат. 1983, с.142-170.

2. Габриэлян А.Г., Дианов-Клоков В.И. «Спектроскопические измерения распределения антропогенной окиси углерода над г.Ереваном». ФАО АН СССР, 1982, т.18, №12, с.1312-1317.

3. Шайков М.К. «Способ определения газового состава атмосферного воздуха». А.С. №1764014 A1, G01W 1/00 от 27.10.89, Бюл. №35 от 23.09.92.

4. К.Я.Кондратьев, П.П.Федченко «Влияние спектра солнечной радиации на эволюцию биосферы». ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2005, том 75, №6, с.522-532.

5. Poultney, Sherman К. US Patent 4433245 - «Fraunhofer line discriminator».

6. A.O.Langford, R.Schofield, J.S.Daniel, R.W.Portmann, М.L.Melamed, H.L.Miller, E.G.Dutton, and S.Solomon, 2007 «On the variability of the Ring effect in the near ultraviolet: understanding the role of aerosols and multiple scattering», Atmos. Chem. Phys., 7, 575-586.

Способ измерения концентрации газов в атмосферном воздухе, включающий измерение в принимаемом рассеянном солнечном излучении величины спектров поглощения искомого газа и величины изменения спектров Фраунгоферовых линий, обусловленных Рамановским рассеянием солнечного света в атмосфере (Ринг эффект), отличающийся тем, что, с целью определения концентрации искомого газа в исследуемой толще атмосферы, увеличения оперативности и точности измерений в принимаемом рассеянном солнечном излучении, прошедшем исследуемую толщу атмосферы, измеряют и вычисляют отношение величины изменения в этой толще атмосферы спектра поглощения, вызванного искомым газом, к величине изменения на ней спектра Фраунгоферовых линий, обусловленного Ринг эффектом, а полученный результат умножают на предварительно определенную величину, изменения спектра этих Фраунгоферовых линий, обусловленного Ринг эффектом на метровом участке атмосферы, находящемся при нормальных условиях.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к дистанционному контролю состава атмосферного воздуха, в частности к измерениям концентрации газов в атмосферном воздухе посредством измерения спектров их поглощения в рассеянном солнечном излучении.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для количественного определения концентрации отдельных компонентов в многокомпонентных газовых смесях.
Изобретение относится к области комплексного контроля людей на пунктах пропуска. .

Изобретение относится к области лазерной спектроскопии и спектрального анализа и может быть использовано для одновременной диагностики абсолютного и относительного содержания окислов углерода CO и CO2 в газообразной среде, для мониторинга содержания окислов углерода СО и CO2 например, в выдыхаемом воздухе, в атмосфере, в частности для биомедицинской диагностики.

Изобретение относится к анализу материалов, в частности к определению содержания водорода. .

Изобретение относится к устройствам для обнаружения критических концентраций опасных промышленных газов. .

Изобретение относится к способам анализа примесей различных веществ в газе с применением фотоионизационного детектора. .

Изобретение относится к технике газового анализа и может быть использовано для определения качественного и количественного состава газовых смесей, образуемых в результате жизнедеятельности организмов или выделяемых в процессе работы различных устройств, двигателей внутреннего сгорания, а также для контроля качества парфюмерных изделий.

Изобретение относится к технике газового анализа и может быть использовано для определения качественного и количественного состава газовых смесей, образуемых в результате жизнедеятельности организмов или выделяемых в процессе работы различных устройств, двигателей внутреннего сгорания, а также для контроля качества парфюмерных изделий.

Изобретение относится к технике газового анализа и может быть использовано для определения качественного и количественного состава газовых смесей, образуемых в результате жизнедеятельности организмов или выделяемых в процессе работы различных устройств, двигателей внутреннего сгорания, а также для контроля качества парфюмерных изделий.

Изобретение относится к определению газовых компонентов слоя атмосферы путем измерения гидрометеорологических параметров на границе атмосфера - гидросфера и может быть использовано при исследовании процессов взаимодействия атмосфера - океан

Изобретение относится к экологии, а именно к дистанционным методам мониторинга природных сред и санитарно-эпидемиологическому контролю промышленных регионов

Изобретение относится к способу измерения содержания газов в атмосферном воздухе с использованием спектров рассеянного солнечного излучения

Изобретение относится к аналитической технике и может быть использовано для анализа состава отработавших газов маломерных судов и других плавучих средств с двигателями внутреннего сгорания с отбором пробы из выхлопной трубы, направленной в воду. Газоанализатор состоит из измерительной системы, содержащей инфракрасный излучатель, кювету, приемники инфракрасного излучения, газозаборное приспособление, фильтры от пыли и сажи и побудитель расхода. При этом газоанализатор дополнительно содержит пневматическую систему, имеющую влагоотделитель, содержащий датчики уровня воды, и пневматический клапан с электроуправлением. Влагоотделитель установлен с возможностью взаимодействия с побудителем расхода, а один из датчиков уровня воды - с пневматическим клапаном с электроуправлением для предотвращения поступления забортной воды в измерительную систему газоанализатора. Изобретение позволяет повысить надежность измерений. 2 ил.

Изобретение относится к области метрологии и может быть использовано для определения концентрации газообразных веществ. Газоанализатор содержит излучающий диод, выполненный из двух p-n переходов, размещенных в едином корпусе и приемник излучения, расположенные в кювете, разделенной прозрачной для излучения перегородкой из сапфирового стекла на два отсека. Один отсек предназначен для исследуемой газовой смеси, а во втором расположены источник и приемник излучения. При этом торцовые стенки кюветы выполнены в виде сферических зеркал, а к выходу приемника излучения подключена схема измерения, содержащая усилитель, вход которого связан с выходом приемника излучения, а выход - с входом резонансного усилителя, синхронные детекторы, входы которых связаны с выходами резонансного усилителя, а управляющие входы - с третьим выходом блока питания источника излучения, первые два выхода которого, связаны с источником излучения, а также регистрирующий прибор. Также схема содержит два блока памяти, аналоговый делитель напряжения, логарифмирующий усилитель. Блоки памяти подключены к входам аналогового делителя напряжения и выходам синхронных детекторов соответственно, а выход делителя связан с входом логарифмирующего усилителя, выход которого подключен к входу регистрирующего прибора. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для дистанционного зондирования примесей в атмосфере. Устройство включает лазерный излучатель, рандомизатор фазы лазерного излучения, приемо-передающий оптический тракт, зеркала, направляющие собранное телескопом излучение на фотоприемный модуль, и светофильтр, уменьшающий засветку фотоприемника за счет узкой полосы пропускания, и пилотный лазер. Передающая часть тракта состоит из системы направляющих зеркал, а приемная часть - из приемного телескопа. При этом передающий канал генерирует направленное излучение с пространственно-временными и спектральными характеристиками, исключающими влияние спекл-структуры на результаты лидарных измерений. Технический результат - устранение ошибки за счет использования системы рандомизации фазы лазерного излучения для коррекции спекл-картины, что обеспечивает большую точность измерений. 2 ил.
Наверх