Способ измерения содержания газов в атмосферном воздухе с использованием спектров рассеянного солнечного излучения



 


Владельцы патента RU 2463581:

Шайков Михаил Карпович (RU)

Изобретение относится к способу измерения содержания газов в атмосферном воздухе с использованием спектров рассеянного солнечного излучения. Способ включает: измерение в принимаемом из горизонтального направления и анализируемого спектрометром рассеянном солнечном излучении величины дифференциального спектра поглощения искомого газа и величины близкорасположенного по длине волны дифференциального спектра поглощения известного газа, концентрация которого на исследуемом участке атмосферы известна заранее или измеряется независимым способом. Способ характеризуется тем, что с целью повышения точности измерений в рассеянном солнечном излучении, принимаемом с исследуемого участка атмосферы, вычисляют отношение величины дифференциального спектра поглощения искомого газа к величине дифференциального спектра поглощения известного газа, это отношение умножают на отношение дифференциального сечения поглощения известного газа к величине дифференциального сечения поглощения искомого газа, а полученное произведение умножают на концентрацию известного газа на исследуемом участке атмосферы, и результат этих вычислений принимают как величину, равную средней концентрации молекул искомого газа на исследуемом горизонтальном участке атмосферы в направлении принимаемого рассеянного солнечного излучения. Использование настоящего способа позволяет повысить точность измерения.

 

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

Пассивные способы контроля содержания газовых примесей атмосферы основаны на измерении с помощью спектрометра величины спектров поглощения газовых примесей в солнечном излучении и обладают высокой оперативностью и чувствительностью измерений [1]. Величина спектра поглощения (оптическая плотность) измеряемого (искомого) газа: ∫{-ρ(L)·σ(λ))}dL на длине волны (λ) в проходящем атмосферу рассеянном солнечном излучении определяется из закона Бугера - Бера, в котором она связана с изменением интенсивности спектра солнечного излучения J(λ), проходящего в атмосфере путь длиной L, концентрацией поглощающего газа ρ и сечением поглощения газа σ(λ):

,

где J и J0 - интенсивности солнечного излучения до и после прохождения участка атмосферы длиной L. α(λ) - коэффициент, обусловленный молекулярным (Рэлеевским) и аэрозольным рассеянием света в атмосфере соответственно. На коротком участке спектра α(λ) имеет плавную зависимость от длины волны λ. Для уменьшения влияния коэффициента рассеяния α(λ) на измерение величины спектра поглощения (оптической плотности) искомого газа обычно проводятся измерения на двух близкорасположенных длинах волн λ1 и λ2, чтобы (λ12)/λ1«1, тогда α(λ1)≈α(λ2). Тогда используя выражение (1) для двух длин волн и вычисляя отношения двух уравнений для каждой длины волны, получаем:

, где

(Δσ-дифференциальное сечение поглощения, как и σ, величина справочная, измеряемая в лабораторных условиях). При слабой дифференциальной величине спектра поглощения искомого газа, когда , выражение (2) приобретает вид:

где ,

тогда

T=(ρсрΔσL) - величина дифференциального спектра поглощения искомого газа, ρср - средняя концентрация искомого газа (обозначим ρи) на трассе длинной L.

Для получения средней концентрации искомого газа ρи на исследуемом (зондируемом) участке атмосферы Lи в соответствии с (3) и (4) необходимо измерить спектры солнечного излучения J1, J01, J2, J02 соответственно до и после прохождения исследуемого участка атмосферы и определить путь Lи, который проходит рассеянное солнечное излучение на исследуемом участке. При определении концентрации искомого газа ρи по формуле (5) наибольшую трудность представляет определение оптического пути Lи, которое прошло рассеянное солнечное излучение на исследуемом участке атмосферы, так как исследуемый участок атмосферы освещается на всем протяжении из разных направлений.

Известен способ, при котором рассеянное солнечное излучение направляется удаленным зеркальным отражателем на объектив спектрометра и сравниваются величины спектров искомого газа в солнечном излучении, освещающем зеркальный отражатель, и в солнечном излучении, приходящем на спектрометр от удаленного на известное расстояние зеркального отражателя [2]. В этом способе зондируемым участком атмосферы является известное Lи расстояние до зеркального отражателя. Вместо зеркального отражателя могут использоваться расположенные на известном расстоянии топографические объекты, обладающие высокими отражающими свойствами. Однако эти способы не обладают достаточной оперативностью и чувствительностью из-за необходимости установки отражателя или ограничений, обусловленных характеристиками отражения топографических объектов, и поэтому имеют ограниченные возможности применения.

Известен способ дистанционного измерения газового состава атмосферного воздуха, предложенный в работе [3], в котором эффективная длина пути рассеянного солнечного излучения в атмосфере, в горизонтальном направлении определяется как величина, обратная коэффициенту ослабления проходящего ее излучения Lи=α-1.

Однако применение этого способа осложняется требованием определения коэффициента ослабления солнечного излучения (α) на зондируемом участке атмосферы, связанное с необходимостью использования дополнительной аппаратуры для измерения величины коэффициента ослабления солнечного излучения α на определенной длине волны и на том же участке атмосферы, на котором проводится измерение ρи.

Наиболее близким к предлагаемому способу измерения является способ, приведенный в работе [4], в котором концентрация искомого газа на исследуемом участке атмосферы определяется по отношению величины спектра поглощения искомого газа к величине спектра поглощения одного из газов, плотности которых всегда известны, так как они распределены пропорционально плотности атмосферы. К таким газам, имеющим спектры поглощения в видимом и инфракрасном диапазоне, спектра относятся азот кислород О2 и двуокись углерода СО2. Условием измерений по способу [4] является близкое расположение спектров поглощения кислорода O2 или двуокиси углерода СО2 к спектру поглощения искомого газа, чтобы излучение в обоих спектрах проходило в атмосфере одинаковое расстояние. Однако спектры поглощения этих газов расположены в ограниченном диапазоне спектра солнечного излучения: у кислорода - в видимой (около длины волны 700 нм), у двуокиси углерода - в инфракрасной части спектра, в то время как спектры поглощения многих атмосферных газов, таких как окись брома ВrО, двуокись хлора СlO2, формальдегид СН2О, двуокись азота NO2 и других газов, расположены в районе 350-450 нм, т.е. отстоят почти на 300 нм по спектру солнечного излучения. Поэтому применение способа [4] для измерения атмосферных газов, у которых спектры поглощения расположены далеко от спектров поглощения О2 или СО2, будет вызывать ошибки. Из-за зависимости величины Рэлеевского и аэрозольного рассеяния света от длины волны пути солнечного излучения в атмосфере, в спектрах поглощения О2 или СО2 и искомого газа до поступления в спектрометр будут значительно отличаться и увеличатся ошибки измерения. Эмпирическая зависимость коэффициента α(λ) от длины волны [6] α(λ)~λ-q, где лежит в диапазоне от 0.12 до 2.3 для разных атмосферных условий. Так как расстояние между спектрами окиси брома ВrО, двуокиси хлора СlO2, формальдегида СН2О, двуокиси азота NO2 и спектрами О2 или СО2 составляет около 300 нм, то разница в коэффициентах рассеяния α(λ), а следовательно, и ошибки измерения концентрации искомых газов (из-за разницы пути излучения на зондируемом участке) могут составить для этих газов от 9 до 160 процентов. Большие величины ошибок ухудшают возможность измерения указанных атмосферных газов способом [4].

Предлагаемый способ, в отличии от способа [4] дает возможность использовать для измерения содержания искомых газов в атмосфере любые другие атмосферные газы, с близкорасположенными к искомому газу спектрами поглощения.

Способ заключается в дополнительном измерении на исследуемом участке атмосферы величины спектра поглощения Т2 любого известного газа, концентрация которого ρ2 в атмосфере на этом участке известна или может быть измерена любым другим независимым способом, а спектр поглощения известного газа расположен близко к спектру поглощения искомого газа. Тогда пути принимаемого рассеянного солнечного излучения, содержащего спектры поглощения известного и искомого газов, будут приблизительно равны:

В соответствии с (4) и (5) для каждого газа длины пути излучения на исследуемом участке атмосферы описываются выражениями:

,

Тогда из (6) и (7) получается соотношение, необходимое для определения концентрации искомого газа ρи, в котором присутствуют используемые в (4) величины спектров поглощения искомого и известного газов соответственно Ти, Т2, концентрация известного газа ρ2, но отсутствует длина исследуемого участка атмосферы Lи:

Предлагаемый способ позволяет избежать измерения длины пути Lи, как в способе, описанном в работе [4], коэффициента ослабления солнечного излучения (α), как в способе, описанном в работе [3] и расширить диапазон используемого спектра рассеянного солнечного излучения, следовательно, и количество измеряемых газов в отличие от способа измерения, представленного в работе [4], так как позволяет использовать для измерения концентрации искомого газа, величину спектра поглощения любого другого газа, имеющего спектр поглощения, расположенный близко к спектру поглощения искомого газа, концентрация которого на исследуемом участке известна или измеряется независимым способом. Наиболее эффективным представляется использование способа на длинных горизонтальных участках атмосферы с равномерным распределением концентраций искомого и известного газов вдоль исследуемого участка атмосферы. Такие условия могут выполняться для горизонтальных трасс, приподнятых над поверхностью земли.

В предлагаемом способе появляется возможность выбирать известный газ с характерной изрезанной структурой спектра поглощения, что позволяет легко выделять его спектр в условиях наложения (интерференции) на спектр искомого газа и тем самым дополнительно повышать точность измерения.

Для увеличения точности измерений предлагаемого способа можно учесть присутствие начальной величины спектров поглощения искомого и известного газов в рассеянном солнечном излучении, освещающем исследуемый горизонтальный участок атмосферы сверху и снизу. Для этого необходимо измерить начальные величины спектров поглощения искомого газа и второго газа соответственно Тни и Тн2 в солнечном излучении освещающем исследуемую горизонтальную трассу и в выражении (7) заменить величины спектров поглощения Ти на (Ти-Тни), а Т2 на (Т2-Тн2), как предложено в работе [5], хотя практически для всех газов, кроме озона (О3), при горизонтальных наблюдениях на длинных трассах выполняются соотношения: (Ти-Тни)»Тни и (Т2-Тн2) » Тн2.

Предлагаемый способ особенно удобен для измерения газов с маленькими концентрациями и обладающими высокой химической активностью, тогда как известный газ может иметь высокую концентрацию и меньшую химическую активность, что делает измерение его содержание в атмосфере доступным для других способов измерений. Способ измерения, предлагаемый в данной работе, может быть особенно полезен при исследованиях на летательных аппаратах, когда регистрируются спектры рассеянного солнечного излучения концентраций сразу нескольких газов, а дистанционные спектральные измерения концентрации одного из газов в направления полета дублируются измерением его концентрации газоанализатором, использующим, например, способ отбора пробы воздуха, или другим, независимым способом измерения.

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. Шайков М.К. «Способ измерения концентрации газов в атмосферном воздухе». Заявка №2009147375/28(070122) от 22.12.2009.

5. Шайков М.К., Чаянова Э.А., Иванов Е.В. «Новый метод и корреляционный спектрометр для дистанционного измерения содержания двуокиси азота в атмосфере». АН СССР, Оптика атмосферы, том 3, №3, март 1990 г., с.320-324.

6. «Лазерный контроль атмосферы» Под ред. Э.Д. Хинкли. М., «Мир», 1979, с.122.

Способ измерения содержания газов в атмосферном воздухе с использованием спектров рассеянного солнечного излучения, включающий: измерение в принимаемом из горизонтального направления и анализируемого спектрометром рассеянном солнечном излучении величины дифференциального спектра поглощения искомого газа и величины близко расположенного по длине волны дифференциального спектра поглощения известного газа, концентрация которого на исследуемом участке атмосферы известна заранее или измеряется независимым способом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в рассеянном солнечном излучении, принимаемом с исследуемого участка атмосферы, вычисляют отношение величины дифференциального спектра поглощения искомого газа к величине дифференциального спектра поглощения известного газа, это отношение умножают на отношение дифференциального сечения поглощения известного газа к величине дифференциального сечения поглощения искомого газа, а полученное произведение умножают на концентрацию известного газа на исследуемом участке атмосферы и результат этих вычислений принимают как величину, равную средней концентрации молекул искомого газа на исследуемом горизонтальном участке атмосферы в направлении принимаемого рассеянного солнечного излучения.



 

Похожие патенты:

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

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 оптическим способам контроля газового состава атмосферного воздуха. .
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 анализирующей аппаратуре и может быть использовано для анализа множества различных образцов. .

Изобретение относится к измерительной системе для проведения измерений реагента в виде сухого порошка. .

Изобретение относится к области аналитической химии и может быть использовано для метрологической аттестации и периодической поверки устройств фотометрического анализа жидких сред.

Изобретение относится к области физико-химических методов анализа растворов, суспензий и эмульсий нерастворимых и малорастворимых органических соединений. .

Изобретение относится к технической физике и может найти применение в текстильной промышленности, например для определения коэффициента диффузии красителя. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения дальности видимости на взлетно-посадочной полосе аэродромов, дымности отработавших газов, качества оптических материалов и жидких сред.

Изобретение относится к аналитической химии и позволяет определять содержание йодид-ионов в различных объектах, например в водах (питьевых, поверхностных, артезианских, расфасованных минеральных и др.), в пищевых продуктах, продовольственном сырье и т.д.

Изобретение относится к области измерения оптических характеристик рассеивающих сред и может найти применение в промышленности и медицине, в процедурах контроля качества транспортируемых жидкостей и газов путем измерения их оптических характеристик, а именно - путем измерения коэффициентов рассеяния и поглощения транспортируемого вещества.

Изобретение относится к определению компонентного состава нефтей с использованием фотоколориметрического метода в видимой части спектра и может быть использовано при комплексном анализе нефтей и нефтепродуктов.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в системах товарного учета нефтепродуктов. Система для контроля параметров жидкости в цистерне содержит корпус 1, выполненный в виде поплавка, полуутопленного за счет груза 2, расположенного в его нижней части. В верхней части поплавка 1 закреплен основной световод 3, вход которого совмещен с источником света 4, а выход через многопроходную кювету 5 - с интегральной многоэлементной фотоприемной матрицей 6. В нижней части поплавка 1 расположен дополнительный волоконно-оптический световод 7, вход которого совмещен с источником света 4, а выход - с интегральной многоэлементной фотоприемной матрицей 6 выше поверхности контролируемой жидкости 8, причем на участке дополнительного световода 7, погруженного в жидкость, сформирован изгиб 9. Выход матрицы 6 соединен через спектральный фильтр 10 с блоком первичной обработки информации 11, который содержит блок выделения и усиления видеосигнала 12. Изобретение обеспечивает расширение функциональных возможностей при одновременном упрощении системы и повышении ее надежности. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх