Способ измерения поглощающей массы нагретого газа

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОГЛОЩАЮЩЕЙ МАССЫ НАГРЕТОГО ГАЗА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Кабашников Виталий Павлович Метельская Наталья Сергеевна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики им. Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ измерения поглощающей массы нагретого газа, включающий балансировку в условиях заведомого отсутствия исследуемого газа, поочередное пропускание излучения через две пары кювет, в каждой из которых одна кювета - корреляционная, а другая - нейтральный ослабитель, и формирование выходного сигнала, по которому судят о поглощающей массе газа, отличающийся тем, что балансировку проводят по излучению черного тела, выходной сигнал формируют пропорциональным отношению разности интегральных потоков собственного излучения исследуемого нагретого газа, пропущенных через первую пару кювет, в которой в корреляционной кювете поглощающая масса исследуемого газа выбрана настолько малой, насколько допустимо для уверенной регистрации поглощения, к разности интегральных потоков собственного излучения исследуемого нагретого газа, пропущенных через вторую пару кювет, в которой в корреляционной кювете поглощающая масса исследуемого газа выбрана настолько большой, насколько допустимо для различения колебательно-вращательной структуры полосы поглощения, одновременно с формированием выходного сигнала для выделения динамического диапазона, в котором имеет место однозначная зависимость выходного сигнала от поглощающей массы исследуемого газа, формируют дополнительный сигнал, пропорциональный отношению разности интегральных потоков собственного излучения исследуемого нагретого газа,пропущеных через первую пару кювет, к их сумме, а о поглощающей массе газа судят по величине выходного сигнала в выделенном динамическом диапазоне.(56) .. . - 1976. - .8. -2. - . 87-93.1407233 , 1995.1396744 , 1995.1461169 , 1995. Изобретение относится к области недисперсионной корреляционной спектроскопии и может быть использовано при дистанционном контроле содержания загрязняющих веществ в промышленных газообразных выбросах и в выхлопных газах транспортных средств. В настоящее время среди методов дистанционного контроля за содержанием загрязняющих веществ в атмосфере одним из наиболее перспективных является метод недисперсионной корреляционной спектроскопии. Известен способ измерения поглощающей массы газа 1, сущность которого заключается в том, что пробное излучение, прошедшее через исследуемый газ, пропускают затем через корреляционную кювету с фиксированным количеством того же газа, что и исследуемый. На выход поступает модулированный сигнал, по величине которого после соответствующей электронной обработки судят о поглощающей массе исследуемого газа. Корреляция между положениями линий поглощения газа, подлежащего измерению, и газа, находящегося в корреляционной кювете, позволяет существенно ослабить мешающее действие прочих газов, линии поглощения (излучения) которых попадают в полосу поглощения исследуемого газа. Известны также способы измерения поглощающей массы газа, в которых излучение,прошедшее через исследуемый газ, пропускают через две или более кюветы как содержащие исследуемый газ (корреляционные кюветы), так и не содержащие (нейтральные ослабители) 2, 3. Основным недостатком этих способов является требование наличия излучения подсветки (пробного излучения) искусственного или естественного происхождения. Применение искусственного источника излучения делает процесс измерения громоздким и дорогостоящим. В инфракрасной области спектра, где расположено большинство полос поглощения газообразных загрязняющих веществ, использование фоновых источников излучения естественного происхождения затруднено из-за их незначительной яркости. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения поглощающей массы газа 4, включающий балансировку в условиях заведомого отсутствия исследуемого газа, поочередное пропускание излучения через две пары кювет, в каждой из которых одна кювета - корреляционная, а другая - нейтральный ослабитель, и формирование выходного сигнала, по которому судят о поглощающей массе исследуемого газа. Основным недостатком указанного способа является неоднозначность градуировочной характеристики (зависимости выходного сигнала от поглощающей массы исследуемого газа) в практически важном случае измерений с использованием собственного излучения нагретого исследуемого газа в отсутствие излучения подсветки. Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности измерения поглощающей массы нагретого газа по его собственному излучению без использования излучения подсветки. Поставленная задача решается таким образом, что в способе измерения поглощающей массы нагретого газа, включающем балансировку в условиях заведомого отсутствия исследуемого газа, поочередное пропускание излучения через две пары кювет, в каждой из которых одна кювета - корреляционная, а другая - нейтральный ослабитель, и формирование выходного сигнала, по которому судят о поглощающей массе газа, балансировку проводят по излучению черного тела, выходной сигнал формируют пропорциональным отношению разности интегральных потоков собственного излучения исследуемого нагретого газа, пропущенных через первую пару кювет, в которой в корреляционной кювете поглощающая масса исследуемого газа выбрана настолько малой, насколько допустимо для уверенной регистрации поглощения, к разности интегральных потоков собственного излучения исследуемого нагретого газа, пропущенных через вторую пару кювет, в которой в корреляцион 2 6109 1 ной кювете поглощающая масса исследуемого газа выбрана настолько большой, насколько допустимо для различения колебательно-вращательной структуры полосы поглощения, одновременно с формированием выходного сигнала для выделения динамического диапазона,в котором имеет место однозначная зависимость выходного сигнала от поглощающей массы исследуемого газа, формируют дополнительный сигнал, пропорциональный отношению разности интегральных потоков собственного излучения исследуемого нагретого газа, пропущенных через первую пару кювет, к их сумме, а о поглощающей массе газа судят по величине выходного сигнала в выделенном динамическом диапазоне. Возможность решения поставленной задачи объясняется следующим. По результатам проведенного численного эксперимента градуировочная характеристика предложенного устройства в диапазоне от 0,01 атм. см до 10 атм. см является монотонно возрастающей,что позволяет однозначно соотнести показания прибора с поглощающей массой исследуемого газа в промышленном выбросе. Предлагаемый способ поясняется чертежами 1-3. На фиг. 1 показана блок-схема устройства, с помощью которого осуществляется предлагаемый способ. Здесь 1 - входная оптика устройства, 2 - фильтр, выделяющий полосу поглощения исследуемого газа, 3 - модулирующее устройство, 4 и 5 - корреляционные кюветы с известным количеством того же газа, что и исследуемый, 6 и 7 - нейтральные ослабители,8 и 9 - диафрагмы, 10 - приемник излучения, 11 - электронная система обработки. На фиг. 2 показан сигнал, с помощью которого осуществляется выделение динамического диапазона измеряемых поглощающих масс исследуемого газа. На фиг. 3 показана зависимость выходного сигнала от поглощающей массы исследуемого газа. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Для обеспечения возможности измерения поглощающих масс исследуемого газа в максимально большом диапазоне поглощающую массу в корреляционной кювете 4 (фиг. 1) выбирают настолько малой, насколько допустимо для уверенной регистрации поглощения, и поглощающую массу в различения колебательно-вращательной структуры полосы поглощения. Первой операцией способа является балансировка, позволяющая устранить влияние спектрально гладкого фона. В условиях заведомого отсутствия исследуемого газа излучение черного тела, пропущенное через входную оптику 1 и фильтр 2, с помощью модулирующего устройства 3 пропускают поочередно через корреляционную кювету 4, корреляционную кювету 5, нейтральный ослабитель 6, снабженный диафрагмой 8, и нейтральный ослабитель 7, снабженный диафрагмой 9. Потоки излучения, пропущенные по всем четырем каналам, фокусируют на приемнике излучения 10. С помощью электронной системы обработки 11 на выходе формируют сигналы, пропорциональные интегральным потокам излучения, пропущенным по каждому из четырех каналов. С помощью диафрагмы 8 интегральный поток излучения, пропущенный через нейтральный ослабитель 6, приравнивают к интегральному потоку излучения, пропущенному через корреляционную кювету 4, и с помощью диафрагмы 9 интегральный поток излучения, пропущенный через нейтральный ослабитель 7, приравнивают к интегральному потоку излучения, пропущенному через корреляционную кювету 5. Второй операцией способа является измерение поглощающей массы исследуемого нагретого газа. Излучение облака, содержащего исследуемый нагретый газ, прошедшее через слой атмосферы, собирают входной оптикой 1, пропускают через фильтр 2, затем с помощью модулирующего устройства 3 пропускают поочередно через корреляционную кювету 4, корреляционную кювету 5, нейтральный ослабитель 6, снабженный диафрагмой 8, и нейтральный ослабитель 7, снабженный диафрагмой 9. Потоки излучения, прошедшие по всем четырем каналам, фокусируют на приемнике излучения 10. С помощью электронной системы обработки 11 формируют на выходе сигнал, пропорциональный отношению разности интегральных потоков излучения, прошедших через корреляционную кювету 4 и нейтральный ослабитель 6, снабженный диафрагмой 8, к разности интегральных потоков излучения,3 6109 1 прошедших через корреляционную кювету 5 и нейтральный ослабитель 7, снабженный диафрагмой 9. По величине выходного сигнала судят о поглощающей массе исследуемого газа. Одновременно осуществляют выделение динамического диапазона измеряемых поглощающих масс с помощью сигнала, представляющего собой отношение разности интегральных потоков собственного излучения исследуемого нагретого газа, пропущенных через корреляционную кювету 5 и нейтральный ослабитель 7, снабженный диафрагмой 9,к их сумме. Зависимость этого сигнала от поглощающей массы исследуемого газа приведена на фиг. 2 при поглощающей массе 5 атм. см и температуре 273 К в кювете 5, и температуре исследуемого газа 573 К. Возможность осуществления предлагаемого устройства и решения поставленной задачи подтверждается численными экспериментами. На фиг. 3 представлена зависимость выходного сигнала от поглощающей массы исследуемого газа для полосы СО 4,6 мкм при поглощающей массе 0,03 атм. см и температуре 273 К в кювете 4, поглощающей массе 5 атм. см и температуре 273 К в кювете 5 и температуре исследуемого газа 573 К. В диапазоне поглощающих масс исследуемого газа от 0,01 атм. см до 10 атм. см градуировочная характеристика является гладкой и позволяет однозначно соотнести сигнал на выходе устройства с поглощающей массой исследуемого газа. Мешающее действие газов, полосы поглощения которых перекрываются с полосой поглощения исследуемого газа, является ничтожно малым, даже если их вклад сопоставим со вкладом исследуемого газа. Предлагаемый способ по сравнению с прототипом обеспечивает возможность измерения поглощающей массы газа без использования излучения подсветки. Источники информации 1. Дунаев В.Б. Аналитические методы и устройства корреляционной спектроскопии // Препринт 614 Института физики АН БССР. - Мн., 1990. 2.,.,,,.//, 1973. - . 11. - . 7. . 899-900. 3.,//,1975. - . 14. - . 12. - . 2896-2904. 4.// .. ., 1976. - . 8. - . 2. - . 87-93. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.