Способ определения концентрации газов

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ(71) Заявитель Белорусский государственный университет (ВУ)(72) Авторы Кугейко Михаил Михайлович Онощко Дмитрий Михайлович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет (ВУ)Способ определения концентрации газов, заключающийся в посылке зондирующего излучения на двух длинах волн, соответствующих линиям поглощения и пропускания определяемого газа, регистрации сигналов рассеянного излучения, определении концентрации газа по значениям зарегистрированных сигналов, отличающийся тем, что посылку зондирующего излучения осуществляют источниками (111, 112) с двух направлений, регистрацию сигналов рассеянного излучения производят двумя приемниками (123, 124), оптические оси которых ориентированы на пересечение с каждым из направлений посылки,при этом каждым из приемников регистрируют сигналы рассеянного излучения, пришедщие из точек (ц, г 2, г 3, щ) пересечения оптических осей приемников и направлений посылки зондирующего излучения, а концентрацию Ы газа определяют по формуле(19 деп ГДЕ ССЧСНИС ПОГЛОЩСНИЯ ОПрВДВЛЯСМОГО ГаЗа, зАН - длина ВОЛНЫ, СООТВСТСТВУЪОЩЗЯ ЛИНИИ ПОГЛОЩВНИЯ ОПРСДСЛЯСМОГО газа, Ар - длина ВОЛНЫ, СООТВСТСТВУЪОЩЗЯ ЛИНИИ пропускания ОПРСДВЛЯСМОГО газа, .- значения сигналов, зарегистрированных ПРИСМНИКЗМИ на ДЛИНС ВОЛНЫ АН ,/ 5.- значения сигналов, зарегистрированных ПРИСМНИКЗМИ на ДЛИНС ВОЛНЫ АР .Предлагаемое изобретение относится К области охраны окружающей среды, аналитического приборостроения.Известные способы измерения концентрации газов требуют определения коэффициентов ослабления на длинах волн линии поглощения исследуемого газа и на ее крыле, т.е. в области поглощения и пропускания посылаемого излучения 1.Известен способ оптического зондирования путем посылки зондирующего излучения по нескольким направлениям и приема рассеянного излучения приемником 2. Позволяет сократить динамический диапазон приемника излучения и увеличить протяженность глубины зондирования. Однако не устраняет основной недостаток локационной системы - зависимость точности от используемой априорной информации, используемых допу 1 цений об исследуемой среде и ошибок определения калибровочных констант при обработке результатов измерений.Известен способ определения оптических характеристик атмосферы путем излучения навстречу друг другу зондирующих импульсов и измерения рассеянных в обратном направлении общим рассеивающим потоком излучения, а также рассеянных под углом 45 относительно своего первоначального направления, в точках расположения излучателей 3. Требует априорного установления коэффициента связи между коэффициентом рассеяния под углом 45 (для большинства метеоситуаций устанавливается в пределах 10 погрешности) 4. Кроме того, данный способ не позволяет определять значения наиболее важной оптической характеристики, коэффициента ослабления оптического излучения средой (определяется только лидарное отношение Вд/Б) .Наиболее близким к заявленному является способ 5, заключающийся в посылке зондирующего излучения в исследуемую среду с двух направлений, регистрации рассеянного в обратном направлении сигнала в точках посылки зондирующего излучения. И в этом способе сохраняется зависимость погрешности измерений оптических характеристик от точности установления опорных значений определяемых характеристик путем независимых дополнительных измерений. Кроме того, в данном способе требуется вычислять логарифмические производные регистрируемых сигналов, что вследствие некорректности задачи численного дифференцирования экспериментальной информации (с наложенными шумами) приводит также к увеличению погрешности измерений б.Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи устранения необходимости установления опорных значений определяемых оптических характеристик (коэффициентов ослабления) и исключение операции дифференцирования экспериментальной (с наложенными шумами) измерительной информации, а значит, и на повышение точности измерения концентрации газов при использовании зондирующего излучения на соответствующих длинах волн.Для этого зондирующее Излучение И регистрацию рассеянных сигналов осуществляют на двух длинах волн - линии поглощения определяемого газа и линии вне полосы поглощения газа, посылку зондирующего излучения осуществляют источниками с двух направлений, регистрацию сигналов рассеянного излучения производят двумя приемниками, оптические оси которых ориентированы на пересечение с каждым из направлений посылки зондирующего излучения, при этом каждым из приемников регистрируют сигналы рассеянного излучения, прищедщие из точек пересечения оптических осей приемников и направлений посылки зондирующего излучения, а о концентрации газов судят по значениям регистрируемых сигналов.Блок-схема устройства, реализующего предлагаемое изобретение, приведена на фигуре. Включает источники излучения 1 и 2 (например, светодиоды), приемники излучения 3 и 4Работает следующим образом. При посылке зондирующего излучения источниками 1 и 2 по направлениям, пересекающим оптические оси приемников 3 и 4, для величин сигналов, зарегистрированных приемниками 3 и 4 на длине волны поглощения М исследуемого газа, можно записать следующие выраженияАНаЛОГИЧНЫе ВЫраЖеНИЯ МОЖНО ЗЗПИСЗТЬ ПрИ ПОСЫЛК ЗОНДИРУОЩГО ИЗЛУЧНИЯ На ДЛИНе ВОЛНЫ Кр, ЛеЖаЩеЙ ВНе ЛИНИИ ПОГЛОЩНИЯ Газа (На КрЫЛе ЛИНИИ) 5(К 1, 1.1, КЗ, кр) А 1 А 3 Р 01 БФ (ч, ЖР)Т 1(Г)Т 2(Г),3 р(гд, М), 3 р(гд, Жр) - Коэффициенты рассеяния в точках г, на длинах волны Жп и мА 1 - аппаратурнь 1 е константы приемников и источников Рт, Р 02 - мощности пось 1 лаемого зондирующего излучения источниками 1 и 2.Т 1, Т 2, Т 3, Т 4, Т 5, Тб, Т 7, Те отличаются от Т 1(г) только длиной волны (вместо М пишется Ар).Умножив (2) на (4) и разделив это произведение на ( 1) и (3), после элементарных преобразований получаемАналогичное выражение получаем из (5)-(8), умножая (6) на (8) и разделив это произведение на (5) и (7) 5(Г 1 Г 3 К 47 р)5(К 2 Г 2 К 3 Жр) е-гоьр)где ед - коэффициент поглощения на Ж, Эр - коэффициент рассеяния на Ж,Ь г 2 г 1 г 3 г 4 г 2 г 4 г 3 г 1 . Коэффициент поглощения можно записать следую щим образомГДС М - концентрация газа, - ССЧСНИВ ПОГЛОЩВНИЯ ИССЛСДУСМОГО газа.так как для небольших значений АЖ Жр-Жп, различим в спектральном значении ррОь) и рпОь) можно пренебречь.Как видно из (12), выражение для концентрации не содержат ни аппаратурных констант приемно-излучающих, измерительных блоков, ни энергии источника, ни влияния изменения среды, выраженное через прозрачности Т 1, Т 2, Т 3, Т 4. Очевидно, что если участки г 1, щ, г 2, г 3 меньше, чем расстояние между стенками кюветы (в случае, если газ прокачивается через кювету), то стенки кюветы (их загрязнения) не будут сказываться на результате измерений, т.е. данная схема отрабатывает автоматически и загрязнения стенок кюветы и замену одной кюветы на другую. Во всех известных методах влияние изменений аппаратурных констант, окружающей среды, загрязнение кювет не устраняется.Наиболее очевидны преимущества предлагаемого метода из рассмотрения погрешностей. Погрешность измерений данного способа, полученная методом конечных приращений 7, при равенстве погрешностей измерения сигналов имеет видбы 8 бР , (13) т.е. определяется только погрешностью измерения регистрируемых сигналов.Если пользоваться прототипом для определения концентрации газа, т.е. определять коэффициенты ослабления на длине волны поглощения и вне ее, то для него погрешность измерений будет зависеть от точности определения опорного значения коэффициента обратного рассеяния, а также от ошибок дифференцирования экспериментальной функции