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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein die Offen-Luftanalyse.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine spektroskopische,
nahezu in Echtzeit arbeitende Offenluft-Analysevorrichtung und entsprechende
Verfahren.
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Hintergrund der Erfindung
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Das Überwachen der Umgebungsluftqualität, insbesondere
am Arbeitsplatz, ist nicht nur zum Erfüllen der gesetzlich zulässigen Niveaus
verschiedener Gase oder chemischer Verbindungen sondern auch wegen der
möglichen
Gesundheitsgefahren, die von giftigen oder entflammbaren Gasen ausgehen
können,
wichtig. Daher wurden verschiedene Luftqualitätsprogramme zum Überwachen
oder Analysieren der Luftqualität
verwendet. Die Luftqualitätsüberwachung
ist jedoch nur so zuverlässig
wie die Qualität
der unter Verwendung gegenwärtig
verfügbarer
Luftanalysesysteme, wie Fourier-Transformations-Infrarot-(FTIR)-Gasanalysesysteme, erreichten
Daten.
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Praktisch alle Verbindungen absorbieren
Infrarotenergie. Bei der FTIR-Überwachung
läuft Infrarotenergie
durch einen Probenbereich, wobei ein charakteristischer "Fingerabdruck" der vorhandenen
Chemikalien infolge des eindeutigen Satzes der Wellenlängen, die
sie absorbieren, gewonnen wird. Gegenwärtig erhältliche FTIR-Analysesysteme
zum Überwachen
der Luftqualität
umfassen im allgemeinen entnehmende Analysesysteme und Offenluftsysteme.
Die entnehmenden Systeme verwenden typischerweise eine Quelle mittlerer
Infrarotstrahlung, ein Interferometer und eine eingeschlossene Pro benzelle
bekannter Absorptionsweglänge, Temperatur
und bekannten Drucks. Weiterhin weisen die entnehmenden Systeme
typischerweise einen Infrarotdetektor, optische Elemente für die Übertragung
von Infrarotstrahlung zwischen Komponenten und Gasflußsteuerungs-
und Meßkomponenten
auf. Zugeordnete und integrierte Computersysteme und Spektroskopiesoftwaresysteme
werden zum Steuern der FTIR-Systeme, zum Verarbeiten der vom Infrarotdetektor
erfaßten Signale
und zum Ausführen
von Fourier-Transformationen und einer quantitativen Analyse spektraler
Daten verwendet. Diese Systeme überwachen
typischerweise viele Infrarotwellenlängen gleichzeitig und geben
die vom Computersystem erfaßten
Informationen weiter, wobei sie im Computersystem in ein Spektrum
umgewandelt werden können.
Die Spektroskopiesoftware analysiert die spektralen Informationen.
Eine Mehrkomponentenanalyse der Daten kann sofort bestimmen, welche
eines bestimmten Satzes von Spezies vorhanden sind und wie viel
von jeder Spezies vorhanden ist. Weiterhin kann das Spektrum in
vielen Fällen
analysiert werden, um zu bestimmen, ob unerwartete Spezies erfaßt wurden,
und es kann in vielen Fällen
auch eine Identifikation dieser Spezies vorgenommen werden. Das
Absorptionsspektrum reiner Gase in einer Gasmischung wird durch
die als Beersches Gesetz bezeichnete lineare Absorptionstheorie
beschrieben. Unter Verwendung dieses Gesetzes verwenden FTIR-Systeme
die computergestützte
analytische Spektroskopiesoftware zum Quantifizieren von Verbindungen
durch Vergleichen der Absorptionsspektren bekannter Gasproben (d.
h. Referenzgasproben) mit dem Absorptionsspektrum des Probengases.
Diese Systeme speichern die Daten normalerweise permanent auf einem
Speichermedium, z. B. Platten, um die Bedingungen an der analysierten Stelle
für spätere Verwendungen
aufzuzeichnen.
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Diese entnehmenden FTIR-Systeme,
die von MIDAC Corp., Costa Mesa, CA und anderen erhältlich sind,
bei denen eine eingeschlossene Probenzelle verwendet wird, können unter
Verwendung bekannter Referenzgase, also Kalibrierungsübertragungsstandards,
und geeignet vorbereiteter spektraler Referenzdaten wirksam kalibriert
werden. Beispielsweise kann ein Kalibrierungsübertragungsstandard durch die
eingeschlossene Probenzelle geführt
werden, woraus sich Absorptionsspektren ergeben, die im Vergleich
zu bekannten Standardspektren unter einem anderen Bedingungssatz,
der zu den spektralen Referenzdaten gehört, zum Kalibrieren des FTIR-Systems verwendet
werden können.
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Solche entnehmenden FTIR-Systeme,
bei denen eingeschlossene Probenzellen verwendet werden, können jedoch,
sofern sie nicht erwärmt
werden, nicht immer zuverlässig
verschiedene Verbindungen einschließlich vieler flüchtiger
und halbflüchtiger
organischer Verbindungen bei niedrigen Konzentrationsniveaus, wie
10 ppm und darunter, erfassen. Die Probenbildung und die Handhabung,
die bei entnehmenden FTIR-Systemen
verwendet werden, beispielsweise wenn Luft als eine herausgegriffene
Probe an einer zu überwachenden
Stelle aufgenommen und dann zu einem entnehmenden Analysesystem
transportiert wird, führt
zu einer weniger als erwünschten
Qualität
für die
Daten, die sich aus der dann ausgeführten entnehmenden Analyse ergeben.
Beispielsweise ist die herausgegriffene Probe möglicherweise keine homogene
repräsentative
Probe der Umgebungsluft an der beurteilten Stelle. Weiterhin können bei
niedrigen Konzentrationen sowohl die zum Ausführen der Analyse verwendete
eingeschlossene Probenzelle als auch der zum Transportieren der
Luftprobe verwendete Behälter
die Konzentrationsniveaus der verschiedenen Verbindungen innerhalb
dieser Strukturen erheblich beeinflussen. Beispielsweise reagieren
viele Verbindungen mit den Wandstrukturen oder können an den Wandstrukturen
der eingeschlossenen Probenzelle oder des Transportbehälters kleben,
so daß beim
Ausführen
der Analyse im Probenweg des Systems keine genauen Konzentrationsniveaus
vorhanden sind und sie daher nicht wirksam gemessen werden. Weiterhin
ist die zum Erhalten von Ergebnissen von einem solchen Prozeß unter
Verwendung einer herausgegriffenen Probe und einer Analyse außerhalb
der Stelle erforderliche Zeit verhältnismäßig lang.
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Die verfügbaren Offenluft-Analysesysteme,
wie FTIR-Offenluft-Analysesysteme, weisen typischerweise Elemente
auf, die denen der entnehmenden Systeme entsprechen, wobei jedoch
keine eingeschlossene Probenzelle verwendet wird. Solche Offenluft-Analysesysteme
sind gegenwärtig
von MIDAC Corporation, Costa Mesa, CA und anderen erhältlich.
Diese Offenluft-Analysesysteme
sind dem Vernehmen nach beispielsweise in der Hinsicht vielseitig,
daß sie
mehrere Gasspezies gleichzeitig über
große
Probenbereiche überwachen
können,
Ergebnisse in sehr kurzer Zeit liefern können und dem Vernehmen nach
tragbar sind und in der Lage sind, an fernen Orten mit Batterieleistung
zu arbeiten. Bei diesen Systemen werden jedoch Komponenten verwendet,
die physikalisch nicht verbunden sind und sich in einem erheblichen
Abstand voneinander befinden. Diese Systeme können beispielsweise zur Zaunlinienüberwachung
verwendet werden, wobei sich das Interferometer, die Quelle und
der Detektor alle in einem erheblichen Abstand von reflektierenden
Elementen des Systems, also um den Umkreis einer bestimmten Stelle,
auf dem Boden befinden. Wegen der zum Erhalten einer angemessenen
Weglänge
für das
System verwendeten großen
Abstände
zwischen den Komponenten können
diese Offenluftsysteme jedoch nicht wirksam am Einsatzort, also
unter Aufzeichnung von Kalibrierungsübertragungsstandard-(CTS)-Spektren
am Einsatzort, kalibriert werden. Eine eingeschlossene Probenzelle
kann nicht zum Umschließen
eines so großen
Probenvolumens zwischen den Komponenten eines solchen Offenluftsystems
verwendet werden. Daher gibt es keine eingeschlossene Probenzelle,
in die ein Kalibrierungsübertragungsstandard
eingeführt
werden könnte.
Zusätzlich
läßt der große lineare
Abstand zwischen den Komponenten die Möglichkeit zu, daß sich die
wirksame Probe nicht bei einer gleichmäßigen oder nahezu gleichmäßigen Temperatur
befindet. Es ist wegen dieser Überlegungen
klar, daß die
Qualität
und die Gültigkeit solcher
unter Verwendung solcher Offenluft-Überwachungssysteme
erfaßter
Daten fraglich sind.
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Aus den vorstehend angegebenen Gründen und
den Gründen,
die beim Lesen der nachstehenden Beschreibung verständlich werden,
sind Verbesserungen an Offenluft-Analysesystemen und Verfahren zum Ausführen solcher
Offenluftanalysen erforderlich. Es besteht beispielsweise ein Bedarf
an Offenluft-Analysesystemen
und -Verfahren, wodurch eine nahezu in Echtzeit erfolgende Analyse
am Ort vorgenommen werden kann, welche die Möglichkeit zur Instrumentenkalibrierung
unter Verwendung von Gasflüssen,
beispielsweise von Kalibrierungsübertragungsstandards,
bieten.
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Es wird auch angenommen, daß weitere
relevante bekannte Techniken in den nachstehend erwähnten Dokumenten
offenbart sind.
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EP-A-0 006 749 offenbart ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Messen von Gas einschließlich einer
Normierung. Die Vorrichtung weist ein Rohr 16 auf, entlang
dem ein Strahl 22 von Strahlung von einer Quelle 22 zu
einem Detektor 24 läuft.
Das Rohr 16 weist eine untere und eine obere Öffnung 26a und 26b auf, durch
die das Gas in das Rohr eindringen und es verlassen kann. Jede der Öffnungen 26a und 26b kann
entweder durch ein drehbares, mit Öffnungen versehenes Innenrohr 18 oder
durch jeweilige Türen 18a oder 18b oder
Türensätze 118a bis 119b geöffnet und
geschlossen werden. In EP-A-0 006 749 ist weiterhin ein Verfahren
zum Überwachen
eines Gases durch Aussenden von Strahlung mindestens einer Frequenz
f1, die von dem Gas 34 absorbiert wird, offenbart. Es wird
die Intensität
der vom Detektor 24 empfangenen Strahlung gemessen. Die
Messung wird entweder bei einer Frequenz f2 durch ein Gas 34,
das die Strahlung bei dieser Frequenz f2 nicht erheblich absorbiert,
oder bei zwei Frequenzen f1 und f2, welche die vorstehend erwähnte Frequenz
f1 und eine andere Frequenz f2, bei der die Strahlung von dem Gas 34 nicht
erheblich absorbiert wird, einschließen, ausgeführt, um das Bestimmen der Menge
des Gases 34 zu ermöglichen.
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GB-A-2 281 967 offenbart eine optische
Sonde zur Messung der Feuchtigkeit von Dampf in einer Modell-Dampfturbine.
Die Sonde weist eine Kammer 5 auf, die gegenüber der
Dampfumgebung geöffnet
und geschlossen werden kann und die einen Lichtstrahl in den zwei
Fällen,
in denen sie für
den Dampf offen ist und in denen sie von Dampf befreit ist, durchläßt. Der
optische Weg ist gefaltet, so daß ohne eine übermäßig lange Sonde
eine erhebliche Weglänge
erhalten wird. Die Dampfkammer 5 ist durch ebene optische
Flächen
geschlossen. Licht wird von einer Lampe 19 durch optische
Fasern 15 bzw. 17 in die Kammer 5 eingeführt und dann
in ein Spektrometer 23 eingebracht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine Offenluft-Analysevorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung weist eine optische Quelle zum Bereitstellen eines optischen
Signals, ein Interferometer zum Modulieren des optischen Signals
und einen optischen Signaldetektor auf. Eine Spiegelkonfiguration
mit einem gefalteten Weg der Vorrichtung definiert einen Probenweg,
durch den das optische Signal vom Interferometer zum optischen Signaldetektor
läuft.
Eine Umhüllung
zum Einschließen
und Dichten des Probenwegs weist mindestens einen entfernbaren Abschnitt
zum Zulassen des Eintretens einer repräsentativen Umgebungsluftprobe
in den Probenweg, wenn der mindestens eine entfernbare Abschnitt
entfernt wird, auf.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen
kann die Spiegelkonfiguration mit einem gefalteten Weg eine White-Zellen-Spiegelkonfiguration
mit einem gefalteten Weg sein und/oder die Umhüllung kann eine Probeneinlaßöffnung und
eine Probenauslaßöffnung aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Vorrichtung kann die Umhüllung
mindestens einen ersten und einen zweiten entfernbaren Abschnitt
aufweisen. Weiterhin kann die Umhüllung eine Rahmenstruktur mit einem
ersten und einem zweiten Ende aufweisen, um die Spiegelkonfiguration
mit einem gefalteten Weg dazwischen zu halten. Der erste und der
zweite entfernbare Abschnitt sind innerhalb der Rahmenstruktur um den Probenweg
herum positioniert, so daß sich
Luft aus im wesentlichen allen Richtungen zwischen dem ersten und
dem zweiten Ende in den Probenweg bewegt, wenn der erste und der
zweite entfernbare Abschnitt entfernt werden.
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Gemäß anderen Ausführungsformen
der Vorrichtung kann eine Luftbewegungsvorrichtung zum Einbringen
der repräsentativen
Umgebungsluftprobe in den Probenweg verwendet werden, wenn der mindestens eine
entfernbare Abschnitt entfernt wird, kann die Vorrichtung als eine
bewegliche, alleinstehende Offenluft-Analysevorrichtung konfiguriert
werden, die von einer Batteriequelle gespeist wird, und kann die
bewegliche, alleinstehende Offenluft-Analysevorrichtung eine Verarbeitungsvorrichtung
zum Empfangen von Datensignalen vom optischen Signaldetektor aufweisen.
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Eine Vorrichtung für ein optisches
Analysesystem gemäß der vorliegenden
Erfindung ist im vorliegenden Anspruch 13 beansprucht.
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Ein Offenluft-Analysesystem gemäß der vorliegenden
Erfindung weist eine Offenluft-Spektrometrievorrichtung auf, welche
eine Spiegelkonfiguration mit einem gefalteten Weg aufweist, die
einen Probenweg definiert. Die Offenluft-Spektrometrievorrichtung hat einen kalibrierten
Zustand und einen unkalibrierten Zustand. Eine Umhüllung umschließt und dichtet
den Probenweg. Die Umhüllung
weist mindestens einen entfernbaren Abschnitt zum Versehen des Probenwegs
mit einer repräsentativen
Umgebungsluftprobe auf, wenn der mindestens eine entfernbare Abschnitt
entfernt wird, während
der kalibrierte Zustand aufrechterhalten wird.
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Gemäß einer Ausführungsform
des Systems kann die Spektrometrievorrichtung eine optische Quelle zum
Bereitstellen eines optischen Signals, ein Interferometer zum Modulieren
des optischen Signals und einen optischen Signaldetektor aufweisen.
Weiterhin definiert die Spiegelkonfiguration mit einem gefalteten
Weg den Probenweg, durch den das optische Signal vom Interferometer
zum optischen Signaldetektor läuft.
Weiterhin ist die Spektrometrievorrichtung gemäß einer ande ren Ausführungsform
eine Fourier-Transformations-Infrarotspektrometrievorrichtung und
ist die optische Quelle eine Infrarotquelle.
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Ein Verfahren zur Gasanalyse gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in Anspruch 19 definiert.
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Gemäß einer Ausführungsform
des Verfahrens wird der Probenweg nach der Analyse der Umgebungsluftprobe
wieder eingeschlossen und gedichtet. Das Offenluft-Spektrometriesystem
wird dann neu kalibriert, um die Stabilität des Systems während der
Umgebungsluft-Probenanalyse zu bestimmen.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform
des Verfahrens weist das Verfahren weiterhin den Schritt des Anordnens
des Offenluft-Spektrometriesystems in einer ersten Umgebung auf.
Das Offenluft-Spektrometriesystem wird dann in eine zweite Umgebung
bewegt, und die Schritte des Einschließens, Kalibrierens, Öffnens und
Einleitens werden wiederholt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1 ist
ein Blockdiagramm eines lokalen Infrarotspektrometriesystems mit
einem offenen Weg gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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2a ist
eine Darstellung einer optischen White-Zellen-Spiegelkonfiguration mit einem
gefalteten Weg aus dem Stand der Technik,
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2b ist
eine Darstellung eines Teils der Spiegelkonfiguration aus 2a,
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2c ist
eine alternative Darstellung eines Teils der Spiegelkonfiguration
aus 2a,
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2d ist
eine alternative Darstellung eines Teils der Spiegelkonfiguration
aus 2a,
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3 ist
eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines allgemein
in 1 dargestellten lokalen
Infrarotspektrometriesystems mit einem offenen Weg, wobei sich die
entfernbare Abdeckung an ihrem Ort befindet, um einen Probenweg
des Systems gemäß der vorliegenden
Erfindung einzuschließen
und zu dichten,
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4 ist
eine perspektivische Ansicht des in 3 dargestellten
lokalen Infrarotspektrometriesystems mit einem offenen Weg gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei die entfernbare Abdeckung entfernt wurde,
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5 ist
eine detailliertere perspektivische Ansicht vom hinteren Teil des
in den 3 und 4 dargestellten Systems,
wobei die entfernbare Abdeckung teilweise entfernt wurde,
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6 ist
eine Seitenansicht des in 3 dargestellten
lokalen Infrarotspektrometriesystems mit einem offenen Weg, wobei
sich die entfernbare Abdeckung an ihrem Ort befindet,
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7 ist
eine Vorderansicht einer Innenrahmenstruktur des in 3 dargestellten lokalen Infrarotspektrometriesystems
mit einem offenen Weg, woran die entfernbare Abdekkung angebracht
ist,
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8 ist
eine Seitenansicht eines Abschnitts der in 7 dargestellten Rahmenstruktur,
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9 ist
eine detaillierte Seitenansicht eines Abschnitts der in 7 dargestellten Rahmenstruktur, und
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die 10a und 10b sind schematische Diagramme
einer Bodenfläche,
die unter Verwendung des lokalen Infrarotspektrometriesystems mit
einem offenen Weg gemäß der in
dem Beispiel detailliert ausgeführten vorliegenden
Erfindung untersucht wird.
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Detaillierte Beschreibung
der Ausführungsformen
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Wenn Arbeiter am Arbeitsplatz über lange
Zeit niedrigen Niveaus gefährlicher
Substanzen ausgesetzt werden, kann dies ernste Auswirkungen auf
die Gesundheit haben. Messungen gasförmiger Mittel für Compliance-Demonstrationen
und Behandlungsbemühungen
werden typischerweise mit Probensammelvorrichtungen und nachfolgenden
Laboranalysen, also einigen entnehmenden Analysesystemen, erreicht.
Die am Ort angewendete Infrarotabsorptionsspektrometrie bietet jedoch
besser verwendbare und kostenwirksamere Messungen niedriger Niveaus gasförmiger Verschmutzungen
als die typische "aufgreifende" Probentechnik (zuvor im
Hintergrund der Erfindung beschrieben). Das in 1 dargestellte mobile, lokale Infrarotspektrometriesystem 10 mit
einem offenen Weg ist in der Lage, diese am Ort angewendete Infrarotabsorptionsspektrometrie auszuführen und
Daten hoher Qualität
und hoher Zuverlässigkeit
zu erzeugen.
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Das mobile, lokale Infrarotspektrometriesystem 10 mit
einem offenen Weg besitzt die Vorteile herkömmlicher Offenweg- oder Offenluft-Infrarotabsorptions-Spektrometriesysteme,
wie im Hintergrund der Erfindung beschrieben wurde, wie die Fähigkeit
zum Erhalten einer nahezu in Echtzeit erfolgenden Überwachung mehrerer
Gasspezies gleichzeitig über
große
Probenbereiche, und die Tragbarkeit sowie die Fähigkeit, an fernen Orten mit
Batterieenergie zu arbeiten. Das Spektrometriesystem 10 kann
jedoch auf die gleiche Weise wie entnehmende Analysesysteme kalibriert
werden. Diese Kombination von Vorteilen wird durch die Verwendung einer
optischen Spiegelkonfiguration 16 mit einem gefalteten
Weg in der Art einer White-Zellen-Spiegelkonfiguration erreicht,
woraus sich eine große
Absorptionsweglänge
ergibt. Weiterhin weist das Spektrometriesystem 10 zum Bereitstellen
des Kalibrierungsvorteils eine durch die unterbrochene Linie aus 1 dargestellte entfernbare
Abdeckung 30 auf, die das Probenvolumen, durch das der
Lichtstrahl von der Spiegelkonfiguration 16 mit einem gefalteten
Weg reflektiert wird, vollkommen einschließt und abdichtet, wodurch das
Einführen
von Kalibrierungsstandardgasen unmittelbar vor der Analyse von Luftproben
zum Kalibrieren des Systems möglich ist.
Nach dem Kalibrieren kann die Abdeckung 30 entfernt werden,
um eine homogene, lokalisierte, repräsentative Umgebungsluftprobe
zur Analyse in den Probenweg einzubringen. Dies ist anders als bei
den im Hintergrund der Erfindung beschriebenen standardmäßigen Freiluft-Meßvorrichtungen,
bei denen der physikalische Abstand des Probenwegs Größenordnungen
größer ist
als der Probenweg gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei er nicht zur Kalibrierung isoliert werden kann,
nicht notwendigerweise homogen ist und nicht lokalisiert ist.
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Das lokale Infrarotspektrometriesystem 10 mit
einem offenen Weg verwendet Fourier-Transformations-(FT)-Spektrometrietechniken,
welche sehr niedrige Signal-Rausch-Verhältnisse, Ansprechzeiten in
der Größenordnung
von Sekunden bis Minuten und eine große Infrarotbandbreite bieten.
Entnehmende FTIR-Systeme haben sich als sehr wirksam bei Messungen
molekularer Konzentrationen in komplexen Gasmischungen erwiesen,
und FTIR-Methodologien für
Compliance-Luftemissionstests wurden im wesentlichen definiert,
beispielsweise im Protokoll U. S. EPA "Protocol for the Use of Extractive Fourier
Transform Infrared (FTIR) Spectrometry for the Analysis of Gaseous
Emissions from Stationary Sources", EMTIC Bulletin Board (3. Februar 1995).
Diese umfangreichen Qualitätssicherungs-
und Kontrollprozeduren, die für
entnehmende FTIR-Verfahren entwickelt wurden, sind direkt auf das
hier beschriebene lokale Infrarotspektrometriesystem 10 mit
einem offenen Weg anwendbar, und dieses Protokoll wird hier in seiner
Gesamtheit aufgenommen. Dieses Protokoll kann verwendet werden,
weil das Spektrometriesystem 10 in der gleichen Weise wie
ein entnehmendes System kalibriert werden kann.
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Die vorliegende Erfindung wird nun
in näheren
Einzelheiten mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben. Das im Blockdiagramm
aus 1 allgemein dargestellte
mobile, lokale Infrarotspektrometriesystem 10 mit einem
offenen Weg weist eine Infrarotquelle 12 auf, die einen
Lichtstrahl 13 im Infrarotbereich, also bei den Wellenlängen von
0,78 bis 800 Mikrometer des elektromagnetischen Spektrums, insbesondere
im mittleren Infrarotbereich von etwa 4,0 bis 50 Mikrometer, erzeugt.
Der Lichtstrahl 13 wird unter Verwendung eines Interferometers 14 moduliert,
wie Fachleuten bekannt ist. Beispielsweise teilt das Interferometer 14 den
Lichtstrahl 13 unter Verwendung eines Strahlteilers (d.
h. in der Art eines ZnSe-Strahlteilers) in zwei oder mehr Wege, erzeugt
eine optische Wegdifferenz zwischen den Strahlen und rekombiniert sie,
um sich wiederholende Interferenzmaxima und -minima zu erzeugen,
wenn die optische Wegdifferenz geändert wird. Der modulierte
Lichtstrahl vom Interferometer 14 wird durch eine Übertragungsoptik 17 und
eine Laserjustiervorrichtung 15 auf die optische Spiegelkonfiguration 16 mit
einem gefalteten Weg übertragen.
Die Laserjustiervorrichtung 15 dient der genauen Bestimmung
der Position der Spiegel. Der modulierte Lichtstrahl wird dem Probenweg 19,
also dem durch die Spiegelkonfiguration 16 mit einem gefalteten
Weg definierten Probenvolumen, über
ein optisches Fenster 21 zugeführt. Der modulierte Lichtstrahl
durchläuft
die Spiegelkonfiguration 16 mehrere Male, bevor er den
Probenweg 19 durch ein optisches Fenster 23 verläßt und durch Übertragungsoptik 17 zu
einem Infrarotdetektor in der Art eines Photodetektors 18 übertragen
wird. Der Infrarotdetektor 18 führt dann einer zugeordneten
Computereinrichtung 20 Datensignale zu, wie Fachleuten
bekannt ist. Die optischen Fenster können beliebige Standard-Infrarotfenster,
beispielsweise NaCl-Fenster, sein.
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Die zugeordnete Computereinrichtung 20 weist
zugeordnete spektrale Datenaufnahme- und spektroskopische Analysesoftware
und spektrale Referenzdaten 22 zum Quantifizieren von Verbindungen
durch Vergleichen von spektralen Absorptionsdaten bekannter Gasproben
(also von Referenzgasproben) mit dem Absorptionsspektrum der Luftprobe
im Probenweg 19, beispielsweise einer homogenen, lokalisierten,
repräsentativen
Umgebungsluftprobe gemäß der vorliegenden
Erfindung auf. Diese spektroskopische Analysesoftware 22 kann
mathematische Standardtechniken einschließen, die für solche Vergleiche verwendet
werden, wie klassische Techniken nach der Methode der kleinsten
Quadrate, Techniken nach der inversen Methode der kleinsten Quadrate,
Kreuzkorrelationstechniken, Faktoranalysetechniken, Techniken nach
der Methode teilweise kleinster Quadrate und andere mathematische
Techniken, die bei herkömmlichen
Spektrometriesystemen zur Gas- oder Luftanalyse verwendet werden.
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Die vorstehenden Elemente sind allgemein
die typischen Komponenten entnehmender Gasanalysesysteme, wie Fachleuten
wohlbekannt ist. Lokale Infrarotspektrometriesysteme 10 mit
einem offenen Weg weisen jedoch weiterhin eine entfernbare Abdeckung 30 auf.
Beispielsweise können
solche Elemente, die von der entfernbaren Abdeckung 30 verschieden
sind, Teil einer herkömmlichen
Thite-Zelle sein, wie in 2a dargestellt
ist. Die typische White-Zelle 200 weist eine Interferometerquelle 202 auf,
um einer optischen Spiegelkonfiguration 204 mit einem gefalteten
Weg einen modulierten Laserstrahl zuzuführen, der den modulierten Lichtstrahl
einem Detektionssystem 206 zuführt. Die optische Spiegelkonfiguration 204 mit
einem gefalteten Weg weist allgemein drei Spiegel unter Einschluß eines
Feldspiegels 208 und zweier Objektivspiegel 207 und 209 auf.
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Der Feldspiegel 208 einer
typischen White-Zellen-Spiegelkonfiguration ist in 2b näher
dargestellt. Es wird auf den Feldspiegel 208 Bezug genommen,
um die Arbeitsweise der Zelle unter Verwendung der optischen Spiegelkonfiguration 204 mit
einem gefalteten Weg zu beschreiben. Beim Betrieb der White-Zelle
wird das Licht von der Interferometerquelle 202 über mindestens
vier Durchgänge
in die Zelle eingeführt.
Der Lichtstrahl von der Quelle 202 wird zunächst in
ein reales Bild in der Eingangsöffnung
der Zelle fokussiert. In 2b ist
diese Eingangsöffnung
als das Null-Bild bezeichnet. Nach dem Hindurchtreten durch das
Null-Bild divergiert der Strahl und wird durch einen Objektivspiegel 207 gesammelt.
Der Objektivspiegel 207 ist ein sphärischer Spiegel, der sich zwei
Brennweiten vom Bild entfernt befindet, so daß er das Bild invertiert am
unteren Teil des entgegengesetzten Feldspiegels 208 refokussiert.
Das erste Bild ist mit "2" für zwei Durchgänge markiert.
Der Feldspiegel 208 wird so gerichtet, daß der reflektierte,
divergierende Strahl vollständig
auf den zweiten Objektivspiegel 209 fällt. Dieser wird dann gerichtet,
um ein mit "4" markiertes anderes
Bild um die Mittellinie des Feldspiegels 208 entlang dem
Null-Bild zu erzeugen (2b).
Falls dieses Bild symmetrisch entgegengesetzt zum ersten Bild liegt
(mit "2" markiert), wird
der Strahl beim erforderlichen kleinen Winkel mit dem Eingangsstrahl
zum ersten Objektivspiegel 207 zurückgeführt, so daß die gesamte Energie wieder
gesammelt und zurückgeführt wird
und es mindestens vier weitere Durchgänge durch die optische Spiegelkonfiguration 204 mit einem
gefalteten Weg gibt.
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Wie in 2c dargestellt
ist, vergrößern Modifikationen
des Feldspiegels unter Verwendung eines rückreflektierenden Spiegelpaars 28 an
der normalen Ausgangsöffnung
die Größe der verfügbaren Spiegeloberfläche auf
der Feldspiegelseite der Zelle. Dies ermöglicht die Verwendung stärker kollimierten
Lichts, wodurch der Energiedurchsatz erhöht wird, ohne daß die Hauptsammelspiegel
vergrößert werden.
Zwei zusätzliche
Spiegelzeilen verdoppeln die Anzahl der Durchgänge durch die rückreflektierenden
Spiegel. Diese vergrößerte Probenweglänge bietet
wiederum geringere Erfassungsgrenzen für die Gase im Probenweg. Weiterhin
ist, wie in 2d dargestellt
ist, ein zweites rückreflektierendes
Spiegelpaar 56 auf der Eingangsseite des Feldspiegels hinzugefügt, um sechs
Bildzeilen zu erzeugen. Hierdurch wird wiederum die Probenweglänge vergrößert und
werden im allgemeinen die Erfassungsgrenzen verringert.
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Wie einem Fachmann leicht verständlich ist
und wie vorstehend dargestellt wurde, sind verschiedene alternative
Spiegelkonfigurationen zusammen mit verschiedenen Komponenten möglich, die
die spektroskopischen Abschnitte des Systems 10 bilden.
Die vorliegende Erfindung, bei der eine entfernbare Abdeckung 30 und
eine Spiegelkonfiguration 16 mit einem gefalteten Weg,
die den Probenweg 19 des Systems 10 definiert, verwendet
wird, kann mit vielen anderen Spiegelkonfigurationen mit einem gefalteten
Weg und spektroskopischen Komponenten verwendet werden. Beispielsweise
kann die vorliegende Erfindung unter Einschluß der entfernbaren Abdeckung 30 zusammen
mit jeder der in 2 dargestellten
White-Zellen-Spiegelkonfigurationen 204 und
beliebigen anderen Spiegelkon figurationen mit einem gefalteten Weg
verwendet werden, wie in der Veröffentlichung "Gas Analysis Manual
for Analytical Chemists in Two Volumes – Volume 1 – Gas Measurement
in the Fundamental Infrared Region", von Philip L. Hanst und Steven T.
Hanst und im Katalog "Infrared Analysis,
Inc. – Specialists
in the Measurement of Gases" von
1994, die hier jeweils vollständig
aufgenommen seien, beschrieben ist. Diese Spiegelkonfigurationen
sind von Infrared Analysis, Inc., Irvine, CA erhältlich. Andere Spiegelkonfigurationen,
die gefaltete optische Wege aufweisen, sind anwendbar (beispielsweise
eine Wilkes-Zellen-Spiegelkonfiguration) und beliebige andere Spiegelkonfigurationen
mit einem gefalteten Weg ähnlicher
Art wie diejenigen, die Fachleuten bekannt sind, können auch
in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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Es ist für eine geeignete Spiegelkonfiguration 16 mit
mehreren Durchläufen
nur erforderlich, daß die Optik
eine große
Absorptionsweglänge
bereitstellt, um die niedrigen Erfassungsgrenzen zu erreichen. Die
optische Weglänge
sollte im Bereich von etwa 1 m bis etwa 200 m, vorzugsweise von
etwa 80 m bis etwa 120 m, liegen.
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Weiterhin können beliebige geeignete Spektrometriesysteme
und Komponenten davon, die eine Spiegelkonfiguration mit einem gefalteten
Weg aufweisen, welche einen optischen Weg geeigneter Länge bereitstellt,
in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Beispielsweise kann jedes geeignete spektroskopische Software- und
Computersystem, das die Systemsteuerung, die Datenverarbeitung der erfaßten Informationen
und die quantitative Analyse der vom Benutzer benötigten spektralen
Daten ausführt, verwendet
werden. Weiterhin können
jede optische Quelle, die einen gewünschten Lichtstrahl 13 bereitstellt, jedes
Interferometer 14, das eine vom Benutzer gewünschte geeignete
Modulation des Lichtstrahls bereitstellt, und jeder optische Detektor 18,
der in der Lage ist, den Lichtstrahl zu erfassen, nachdem er von
der Spiegelkonfiguration 16 mehrere Male im Probenweg reflektiert
worden ist, verwendet werden, wie für einen Fachmann offensichtlich
ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist der Probenweg 19, der durch das Volumen definiert ist,
durch das der modulierte Lichtstrahl in der Spiegelkonfiguration 16 mit
einem gefalteten Weg läuft,
durch die entfernbare Abdeckung 30 eingeschlossen. Die
entfernbare Abdeckung 30, die allgemein durch die gestrichelte
Linie aus 1 dargestellt
ist, und die zugehörige
Struktur umfaßt,
wie anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung verständlich wird,
umfaßt
eine Struktur zum Anschließen
von Gasflußsteuerungs-
und Meßkomponenten 25,
die beim Kalibrieren des Systems 10 mit Standard-Kalibriergasen,
also Kalibrier-Übertragungsstandards
(beispielsweise Ethylen 1 ppmv) verwendbar sind. Solche
Gasflußsteuerungs-
und Meßkomponenten 25 können Komponenten
in der Art einer Vakuumpumpe, von Massenflußsteuerungen, komprimierter
Gase, Drehgeschwindigkeitsmesser, von Vakuum- bzw. Druckmeßeinrichtungen, von Probenleitungen
und von Zufuhr- und Sicherheitsventilen einschließen, wie
Fachleuten bekannt ist, wobei diese gemeinhin bei entnehmenden Analysesystemen
verwendet werden. Die Gasflußsteuerungs-
und Meßkomponenten 25 stehen über Eingangs-
und Ausgangsventile 27, 29 in Strömungsverbindung
mit dem Probenweg. Die nachstehende Beschreibung mit Bezug auf eine
bestimmte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt die Eingangs- und Ausgangsventile
an der Struktur, die bleibt, wenn die entfernbare Abdeckung 30 vom
Probenweg entfernt wird. Wie Fachleute jedoch verstehen werden,
könnten
diese Ventile auch auf andere Arten bereitgestellt werden, beispielsweise
an der entfernbaren Abdeckung 30 selbst.
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Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung,
bei dem das lokale Infrarotspektrometriesystem 10 mit einem
offenen Weg verwendet wird, schließt das Befördern des beweglichen Spektrometriesystems 10 zu einer
Einrichtung oder einem Ort, wo die Luftanalyse ausgeführt werden
soll, ein. Das System 10 wird dann kalibriert. Nachdem
das System 10 kalibriert wurde, wird die entfernbare Abdeckung 30 entfernt,
und es wird die Analyse einer homogenen, repräsentativen Umgebungsluftprobe
im Probenweg eingeleitet. Nach der nahezu in Echtzeit erfolgenden
Analyse der Luftprobe wird die entfernbare Abdekkung 30 des
Systems wieder positioniert, um den Probenweg zu schließen und
zu dichten, und das System wird dann neu kalibriert, um die Stabilität des Systems
zu bestimmen. Das bewegliche System kann dann zu einem anderen Ort
bewegt werden, und die Schritte werden wiederholt. Alternativ kann
das System zu mehreren Orten bewegt werden, es können an diesen Orten Proben
genommen werden, und es kann dann neu kalibriert werden.
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Die Feldkalibrierung des Systems 10 wird
typischerweise folgendermaßen
ausgeführt.
Ein Fachmann wird jedoch erkennen, daß verschiedene Abweichungen
von diesem bestimmten Kalibrierungsprozeß möglich sind, während noch
das Kalibrierziel gemäß der vorliegenden
Erfindung erreicht wird. Nachdem das System 10 an der zu überwachenden
Stelle angeordnet wurde, wird es bei angebrachter entfernbarer Abdeckung 30 mit
einem Hintergrundgas, beispielsweise trockenem Stickstoff, unter
Verwendung des Gasprobenverteilers 25 und des Einlaßventils 27 und
des Auslaßventils 29 gereinigt.
Andere Gase hoher Reinheit, wie beispielsweise trockene Luft, befeuchteter
Stickstoff und befeuchtete Luft, können auch zum Erzeugen eines
Hintergrundspektrums verwendet werden. Es wird ein Einzelstrahlspektrum
oder ein Interferogramm für
das Hintergrundgas im Probenweg 19 aufgenommen, um es als
Hintergrundspektrum zur nachfolgenden Kalibrierung und Datenaufnahme
zu verwenden. Das Einzelstrahlspektrum in einem FTIR-System ist
das Fourier-transformierte Interferogramm, das das Ansprechen des
Detektors in Abhängigkeit
von der Wellenlänge
(also der Infrarotfrequenz) darstellt. Das Interferogramm ist das
Ansprechen des optischen Signaldetektors, das dem Computersystem 20 zugeführt wird,
und es ist eine Messung, die auf der optischen Wegdifferenz des
durch den Probenweg 19 gelaufenen modulierten Lichtstrahls
beruht.
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Ebenso wird ein Wasserreferenzspektrum
in der folgenden Weise während
des Kalibrierens aufgenommen. Zuerst wird ein Luft-Hintergrund-Einzelstrahlspektrum
einer repräsentativen
Luftprobe am Analyseort aufgenommen, wobei die entfernbare Abdeckung 30 entfernt
wurde. Als nächstes
wird das aufgenommene Luft-Hintergrundspektrum in einem aktiven
Absorptionsausrichtungsmodus bei wieder aufgesetzter entfernbarer
Abdeckung 30 verarbeitet. Ein Gas hoher Reinheit (das gleiche
Gas, das beim Erzeugen des Hintergrundspektrums verwendet wird),
wie Stickstoff, wird befeuchtet, wobei dies beispielsweise durch
Hindurchführen des
Gases durch eine Wassereinlaufeinrichtung oder unter Verwendung
einer anderen Fachleuten bekannten Technik zum Befeuchten eines
Gases ausgeführt
wird. Das befeuchtete Gas hoher Reinheit wird dann durch den eingeschlossenen
Probenweg 19 geleitet, bis die Wasserabsorptionsniveaus
den zuvor aufgezeichneten Umgebungsluftniveaus in engen Grenzen
entsprechen. Es wird dann ein Einzelstrahlspektrum des befeuchteten
Gases hoher Reinheit aufgenommen. Das Einzelstrahlspektrum befeuchteten
Gases wird dann unter Verwendung des zuvor aufgenommenen Hintergrundspektrums
hochreinen trockenen Gases in ein Absorptionsspektrum umgewandelt.
Das Absorptionsspektrum wird als ein Wasserreferenzspektrum gespeichert
und zur spektralen Subtraktion von Probendaten verwendet. Die spektrale
Subtraktion wird ausgeführt,
um spektrale Interferenzen von Wasser in der Umgebungsluft zu entfernen.
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Eine optische Weglängenkalibrierung
für das
System 10 wird dann unter Verwendung eines Kalibrierungsübertragungsstandards
(CTS) quantitativ bestimmt. Der CTS ist ein Gasstandard einer Verbindung,
die zum Erreichen und/oder Demonstrieren einer geeigneten quantitativen Übereinstimmung
zwischen Probenspektren und den Referenzspektren verwendet wird,
wobei die Referenzspektren die Absorptionsspektren von Gasen mit
bekannten chemischen Zusammensetzungen sind, die bei einer bekannten
Absorptionsweglänge aufgezeichnet
wurden und welche bei der quantitativen Analyse der Probenspektren verwendet
werden. Beim Ausführen
einer optischen Weglängenkalibrierung
wird der geschlossene Probenweg mit dem CTS gespült. Ein Einzelstrahlspektrum
des CTS wird aufgenommen, und das Einzelstrahlspektrum des CTS wird
unter Verwendung des zuvor aufgenommenen Hintergrundspektrums des
trockenen Gases hoher Reinheit in ein Absorptionsspektrum umgewandelt.
Das CTS-Absorptionsspektrum wird unter Verwendung eines CTS-Referenzspektrums
quantifiziert, um die optische Weglänge zu bestimmen. Verschiedene
CTSs sind verfügbar
und zur Kalibrierung geeignet, wie Ethylen, Kohlenmonoxid und Methan,
welche einfach von gewerblichen Gaslieferanten, wie beispielsweise
Scott Specialty Gases, erhältlich
sind.
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Nach dem Ausführen der Kalibrierung der optischen
Weglänge
wird die Feldkalibrierung abgeschlossen und wird die entfernbare
Abdeckung 30 entfernt, um eine Umgebungsluftprobe zu erzeugen.
Wenn die entfernbare Abdeckung 30 vom Probenweg 19 entfernt
wurde oder mit anderen Worten der Probenweg gegenüber der
Umgebungsluft geöffnet
wurde, ist im Probenweg 19 eine homogene repräsentative
Umgebungsluftprobe vorhanden. Es wird ein Einzelstrahlspektrum der
Umgebungsluftprobe aufgenommen. Das Einzelstrahl-Luftspektrum wird
dann unter Verwendung des zuvor aufgenommenen Hintergrundspektrums
in Absorptionsspektren umgewandelt. Die abgetasteten Absorptionsspektren
der Umgebungsluft werden dann unter Verwendung eines bekannten Referenzspektrums
quantifiziert, um die Niveaus des Gases oder der Gase zu bestimmen,
die in der an der überwachten
Stelle befindlichen Luft vorhanden sind, welche dem Referenzspektrum
für dieses
Gas oder für
diese Gase bei Konzentrationen in Volumenteilen je Million (ppmv)
entsprechen.
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Am Ende der Umgebungsluftabtastung
wird die optische Weglänge
noch einmal unter Verwendung des CTS quantitativ bestimmt, wobei
die entfernbare Abdeckung 16 auf dem Spektrometriesystem 10 ersetzt wurde.
Daraufhin wird das eingeschlossene Infrarotspektrometriesystem 10 mit
dem CTS gespült,
und es wird ein Einzelstrahlspektrum des CTS aufgenom men. Das Einzelstrahlspektrum
des CTS wird unter Verwendung des zuvor aufgenommenen Hintergrundspektrums
in ein Absorptionsspektrum umgewandelt. Das CTS-Absorptionsspektrum
wird dann unter Verwendung des CTS-Absorptionsspektrums quantifiziert,
das während der
anfänglichen
Kalibrierung erzeugt wurde, um die Stabilität des Instruments und der optischen
Weglänge während des
Luftproben-Analyseprozesses vom Anfang bis zum Ende zu bestimmen.
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Das Spektrometriesystem 10 kann
der Reihe nach zu verschiedenen Orten an einer bestimmten Stelle bewegt
werden, und Luftprobendaten können überall an
der bestimmten Stelle an den ausgewählten Abtastbereichen aufgenommen
werden. Das System 10 kann als ein kalibriertes, lokales "Online"-Infrarotspektrometriesystem 10 mit
einem offenen Weg angesehen werden, das für den überwachten Bereich Daten nahezu
in Echtzeit liefert. Es wird einem Fachmann leicht verständlich sein,
daß das
mobile System 10 nach der anfänglichen Kalibrierung zu jeder
Zeit während
des Überwachungsprozesses
kalibriert oder neu kalibriert werden kann. Beispielsweise kann
das Kalibrieren jedesmal dann ausgeführt werden, wenn das System
bewegt wird, oder es kann ausgeführt
werden, nachdem mehrere ausgewählte
Probenbereiche analysiert worden sind. Weiterhin braucht das Neukalibrieren
beispielsweise nicht ausgeführt
werden, nachdem jeder ausgewählte Probenbereich
analysiert worden ist, sondern es kann während des Überwachens einer bestimmten
Stelle oder am Ende des Überwachens
einer bestimmten Stelle durch Abtasten von Luft bei einer Anzahl
verschiedener Orte ein oder mehrere Male ausgeführt werden.
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Eine bestimmte Ausführungsform
des beim Verfahren zur Luftanalyse verwendeten beweglichen, lokalen
Infrarotspektrometriesystems 10 mit einem offenen Weg ist
in den 3–9 dargestellt. Es wird für einen Fachmann
leicht verständlich
sein, daß die
hier beschriebene Ausführungsform
des beweglichen, lokalen Infrarotspektrometriesystems 10 mit
einem offenen Weg in einer Anzahl verschiedener Arten konfi guriert
werden kann, wie anhand der nachstehenden Beschreibung verständlich sein
wird. Die verschiedenen Konfigurationen, die für das lokale Infrarotspektrometriesystem 10 mit
einem offenen Weg geeignet sein können, müssen jedoch eine optische Spiegelkonfiguration
mit einem gefalteten Weg bereitstellen, die einen Probenweg definiert,
und eine entfernbare Abdeckung um den Probenweg aufweisen. Wenn
sich die entfernbare Abdeckung an ihrem Ort befindet, kann die Kalibrierung
des Systems 10 ausgeführt
werden. Wenn die Abdeckung entfernt wurde, wird eine homogene, repräsentative
Umgebungsluftprobe zur Analyse in den Probenweg eingelassen.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des lokalen Infrarotspektrometriesystems 210 mit
einem offenen Weg gemäß der vorliegenden
Erfindung. In 3 befindet
sich die entfernbare Abdeckung 230 des Spektrometriesystems 210 wie
beispielsweise zur Kalibrierung des Systems 210 an ihrem Ort. 4 zeigt eine perspektivische
Ansicht eines gleichen Spektrometriesystems 210, wobei
die entfernbare Abdeckung 230 jedoch von dem System 210 entfernt
wurde, um eine homogene, repräsentative
Umgebungsluftprobe in den Probenweg 219 einzulassen. Eine
Seitenansicht, 6, des
Systems 210 zeigt die entfernbare Abdeckung 230 an
ihrem Ort. Das lokale Infrarotspektrometriesystem 210 mit
einem offenen Weg weist einen Wagen 234 auf, an dem sich
Räder 260 befinden,
um dem System 210 Beweglichkeit zu verleihen. Der Wagen 234 weist
eine Anzahl von Böden
zum Positionieren der erforderlichen Spektrometrie-Systemkomponenten
auf. Ein Boden dient beispielsweise dem Positionieren von FTIR-Spektrometriekomponenten 218 in
der Art der Infrarotquelle, des Interferometers und des Detektors
und anderer zugehöriger
Elemente in der Art einer Übertragungsoptik
und von Gasflußsteuerungs-
und Meßkomponenten,
wie in 1 dargestellt
ist. Ein anderer Boden wird zum Positionieren einer Gleichspannungs-Batteriequelle 236 für die Einheit
verwendet. Wenngleich die Einheit mit einer Gleichspannungs-Batterie quelle
verwendet werden kann, wodurch sie tragbar wird, kann die Einheit
auch mit Wechselspannung betrieben werden.
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Weiterhin wird ein Boden 223 zum
Positionieren eines mit Gleichspannung gespeisten Laptopcomputers 220 verwendet,
um das System 210 tragbar zu machen. Ansonsten kann der
Laptopcomputer 220 auch durch Wechselspannung gespeist
werden. Der Laptopcomputer 220 weist die Datenaufnahme-
und Analysesoftware zum Steuern des Analyseprozesses und zum Ausführen der
Quantifizierung der aufgenommenen Daten auf, die zuvor beschrieben
wurde und Fachleuten wohlbekannt ist. Ein Beispiel dieser Software
wird in dem nachstehenden Beispiel angegeben. Es gibt jedoch auch
verschiedene andere Softwarepakete, die zur Verwendung mit spektroskopischen
Systemen geeignet sind.
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Das System 210 weist weiterhin
einen Außenrahmen 232 mit
vier parallelen Eckelementen 233 auf. Ein Ende des Außenrahmens 232 ist
mechanisch mit dem Wagen 234 gekoppelt, und das andere
Ende des Außenrahmens 232 weist
ein oberes Außenrahmenelement 235 auf,
das mechanisch mit den vier Eckelementen 233 verbunden
ist, um den rechtwinklig geformten Außenrahmen 232 zu bilden.
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Der Außenrahmen 232 kann
eine mechanische Kopplungseinrichtung zum Positionieren eines Lüfters oder
eines Gebläses
aufweisen, um Luft durch den Außenrahmen 232 zu
ziehen, beispielsweise um zu gewährleisten,
daß sich
eine homogene, repräsentative
Umgebungsluftprobe im Probenweg 219 befindet, wenn die
Luftprobendaten aufgenommen werden, wie mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren
beschrieben wurde.
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Innerhalb des Außenrahmens 232 ist
eine Innenrahmenstruktur 238 positioniert, woran die entfernbaren
Abdeckungen 230 angebracht sind. Die entfernbare Abdeckung 230 weist
einen ersten Abdeckungsabschnitt 252 und einen zweiten
Abdekkungsabschnitt 254 auf. Der Innenrahmen 238 weist
ein oberes Innenrahmenelement 239 und ein unteres Innenrahmenelement 241 auf.
Der Innenrahmen 238 weist auch ein erstes Innenrahmen-Seitenelement 263 und
ein zweites Innenrahmen-Seitenelement 265 auf. Jedes der
Innenrahmen-Seitenelemente 263 und 265 weist Abschnitte
einer Befestigungseinrichtung 240 auf, wie im detaillierten
Diagramm aus 5 dargestellt
ist. Diese Befestigungseinrichtung 240 wird zum Anbringen
der entfernbaren Abdeckungsabschnitte 252 und 254 am
Innenrahmen 238 verwendet. Jeder der entfernbaren Abdeckungsabschnitte 252 und 254 weist
andere Teile der Befestigungseinrichtung zum Eingriff in die Befestigungseinrichtung 240 an
jedem von dem Innenrahmen-Seitenelement 263 und 265 auf.
Der Innenrahmen 238 weist weiterhin O-Ringe 245 und 251 an
jedem Innenrahmen-Seitenelement 263 und 265 auf,
um eine Dichtung bereitzustellen, wenn die entfernbaren ersten und
zweiten Abschnitte 252 und 254 auf dem Innenrahmen 238 positioniert
sind. Die Befestigungseinrichtung kann ein beliebiger Einrichtungstyp
zum Anbringen der entfernbaren Abdeckung 230 an ihrer Position
sein, und sie ist vorzugsweise eine Verriegelungseinrichtung, die
in der Lage ist, einen Schließdruck
auszuüben,
um einen gedichteten Probenweg zu erzeugen, wenn die entfernbare Abdeckung
den Probenweg einschließt.
Weiterhin weist der Innenrahmen 238 einen O-Ring 247 um
den unteren Teil des oberen Innenrahmenelements 239 und
einen O-Ring 246 um den oberen Teil des unteren Innenrahmenelements 241 auf,
um eine Dichtung für
die oberen und unteren Enden der entfernbaren ersten und zweiten
Abdeckungsabschnitte 252 und 254 bereitzustellen,
wenn sie an ihrem Ort positioniert sind, um den Probenweg 219 einzuschließen. Die
entfernbare Abdeckung 230 besteht vorzugsweise ebenso wie
andere Abschnitte der Umhüllung,
die Kontakt mit dem darin eingeschlossenen Gas aufweisen können, aus
Aluminium. Es können
jedoch auch viele andere Materialien verwendet werden, wie beispielsweise
Teflon, Polyethylen, Polypropylen und andere vergleichbare Kunststoffe.
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Wie in der detaillierten perspektivischen
Ansicht aus 5 dargestellt
ist, ist ein Feldspiegel 278 mit retroreflektierenden Spiegeln 279 im
unteren Innenrahmenelement 241 angeordnet, um einen Teil
der Spiegelkonfiguration des Systems 210 zu bilden. Nicht
dargestellt sind die im oberen Innenrahmenelement 239 des Innenrahmens 238 positionierten
Objektivspiegel. Die Spiegelkonfiguration kann eine beliebige bekannte Spiegelkonfiguration
mit einem gefalteten Weg sein, und sie ist vorzugsweise eine White-Zellen-Spiegelkonfiguration
mit mehreren Durchgängen,
die hier zuvor beschrieben wurde und von Infrared Analysis, Inc.,
Anaheim, CA erhältlich
ist. Der Spiegel 278 ist, beispielsweise unter Verwendung
eines O-Rings (nicht dargestellt) unter der Plattform und zwischen
der Plattform 281 und der den Spiegel 281 haltenden
Struktur dichtend in der Öffnung
der Plattform 281 angebracht. Wenn sich die entfernbare
Abdeckung 230 dabei an ihrem Ort befindet, ist der Probenweg
vollständig
gedichtet und eingeschlossen.
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In der konfigurierten Form kann das
mobile, lokale Infrarotspektrometriesystem 210 mit einem
offenen Weg als ein Offenluft-Spektrometriesystem betrieben werden,
wenn die entfernbare Abdeckung 230 unter Verwendung der
Befestigungseinrichtung 240 abgenommen wird. Dies ermöglicht das
Eindringen einer homogenen, repräsentativen
Umgebungsluftprobe in den durch die Spiegelkonfiguration mit dem
Feldspiegel 270 und den Objektivspiegeln (nicht dargestellt)
definierten Probenweg 219. Das System 210 würde bei
abgenommener entfernbarer Abdeckung 230 verwendet werden,
wenn die Umgebungsluft bei den vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren
abgetastet wird.
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Weiterhin kann das mobile, lokale
Infrarotspektrometriesystem 210 mit einem offenen Weg konfiguriert werden,
wobei die entfernbaren Abdeckungen 230 wie in 3 dargestellt angebracht
werden. Die entfernbaren Abdeckungen würden beispielsweise während mindestens
eines Teils der Kalibrierabschnitte des vorstehend beschriebenen
erfindungsgemäßen Verfahrens
um den Probenweg 219 positioniert werden.
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Der Innenrahmen 238 weist
auch ein Einlaßventil 242 und
ein Auslaßventil 244 an
einem der Seitenelemente 263 oder 265 des Innenrahmens 238 auf.
Die Einlaß-
und Auslaßventile 242 und 244 ermöglichen das
Abtasten von CTS-Kalibrierungsgasen in einer vollständig geschlossenen
und gedichteten Zellenkonfiguration zur Kalibrierung des Systems 210.
Die vorstehend mit Bezug auf 1 beschriebenen
Gasflußsteuerungs-
und Meßkomponenten
stellen die Vorrichtung bereit, die erforderlich ist, um ein Spülen des
eingeschlossenen Probenwegs und ein Einlassen verschiedener CTS-Gase
oder Hintergrundgase oder anderer Gase, die bei dem Verfahren verwendet
werden, welche abzutasten sind, wenn sie sich in einer geschlossenen
Probenwegumgebung befinden und an den Einlaß- und Auslaßventilen 242 und 244 anliegen,
vorzunehmen.
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Wenngleich das System 210 in
einem vertikalen Zustand dargestellt ist, so daß der Probenweg ein zum Boden
senkrechtes Längsstück aufweist,
wird anerkannt, daß die
Spiegelkonfiguration oder andere Komponenten des Systems 210 horizontal
orientiert werden können
und dabei noch die Funktionalität
gemäß der vorliegenden
Erfindung bereitstellen können.
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Wenngleich die entfernbare Abdeckung
weiterhin zwei entfernbare Abdeckungsabschnitte 252 und 254 aufweist,
wird ein Fachmann erkennen, daß gemäß der vorliegenden
Erfindung eine beliebige Anzahl beweglicher Abdeckungen verwendet
werden kann. Beispielsweise muß möglicherweise
nur eine Abdeckung bei Verwendung eines Gebläses, das eine homogene, repräsentative
Umgebungsluftprobe in den Probenweg 219 zieht oder bläst, entfernt
werden, oder es kann eine entfernbare Abdeckung zum Einschließen des
gesamten Probenwegs verwendet werden. Weiterhin sollte verständlich sein,
daß beispielsweise
eine zusätzliche
Innenrahmenstruktur verwendet werden kann, so daß mehr als zwei entfernbare
Abdeckungen um den Probenweg positioniert sind. Jedoch ist eine
homogene Probe, die für
die Umgebungsluft repräsentativ
ist, in dem Probenweg leicht erhältlich,
ohne daß eine
Gebläsestruktur
erforderlich wäre,
indem entfernbare Abdeckungsabschnitte vorgesehen werden, die um
das gesamte Volumen des Probenwegs von typischerweise etwa 75 Liter, jedoch
innerhalb des Bereichs von etwa 0,5 Liter und etwa 150 Liter (abgesehen
von der Innen rahmenstruktur, die bei der Ausführungsform des Systems 210 erforderlich
ist) entfernt werden können.
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Das folgende Beispiel zeigt Innenraum-Luftüberwachungsergebnisse
und Testprozeduren zur Luftanalyse unter Verwendung einer Vorrichtung
und eines Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der Zweck des Beispiels besteht darin, die Niveaus von
1,1-Dichloro-l-fluoroethan (Genesolve) in Innenluft an bestimmten
Orten schnell zu erfassen.
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Beispiel 1
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In den 10a und 10b ist ein Flur-Grundriß einer
Einrichtung an einem Ort, an dem eine Innenluftabtastung vorgenommen
wird, dargestellt. Alle Innenluft-Probendaten werden im Probenweg
eines lokalen Infrarotspektrometriesystems mit einem offenen Weg,
das die nachstehend beschriebene Hardware aufweist, erfaßt, wobei
sich der Probenweg etwa 3–6
Fuß über dem
Boden befindet. Tabelle 1 ist eine Zusammenfassung der Ergebnisse
für die
Messung von Genesolve bei ausgewählten
Orten der Einrichtung. Sechzehn getrennte Orte auf zwei Etagen der
Einrichtung werden in 4,5 Stunden getestet, wobei jede Etage eine
Fläche
von etwa 31000 Quadratmetern aufweist. Mindestens zwei Proben werden
an jedem Ort erfaßt.
Die Konzentrationen von Genesolve auf der in 10a dargestellten Hauptetage reichen
von 1,74 ppmv im Bürobereich
bis zu 9,58 ppmv im Gummi-Gießproduktionsbereich.
Genesolve wird an den sechs Abtastorten im in 10b dargestellten Erdgeschoß nicht
erfaßt.
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Das Überwachungsprotokoll folgt
im wesentlichen den im Protokoll U. S. EPA "Protocol for the Use of Extractive Fourier
Transform Infrared (FTIR) Spectrometry for the Analysis of Gaseous
Emissions from Stationary Sources", EMTIC Bulletin Board (3. Februar 1995)
dargelegten Richtlinien. Die FTIR-Testparameter werden nachstehend angegeben.
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Das verwendete lokale Infrarotspektrometriesystem
mit einem offenen Weg ist ein im wesentlichen entsprechend der Gesamtstrukturkonfiguration
des Systems unter Einschluß der entfernbaren
Abdeckung, wie mit Bezug auf die 3–9 beschrieben wurde, aufgebautes
Prototypsxstem. Die Spektrometriekomponenten umfassen die Komponenten
des von MIDAC Spectrometer, Irvine, CA erhältlichen M2500. Die Spiegelkonfiguration
mit mehreren Durchgängen,
die den Probenweg definiert, ist eine von Gemini Specialty Optics
Inc., Anaheim, CA und Infrared Analysis, Inc., Irvine, CA hergestellte
White-Zellen-Spiegelkonfiguration.
Dem ganzen System wird mit 12-Volt-Batterien
Leistung zugeführt.
Ein 486-Laptopcomputer liefert die Steuerungs- bzw. Datenerfassungs-
und Verarbeitungsfunktionen. Der Strahlteiler des Interferometers
ist ein ZnSe-Strahlteiler, und die Fenster zum Übertragen des Lichtstrahls
in den Probenweg sind NaCl-Fenster.
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Die am 486-Laptopcomputer verwendete
Software umfaßt
mehrere Pakete. Die gesamte Datenerfassung und alle Analysen werden
unter Verwendung des Pakets "MIDAC
Grams/386" (Version
3.01C, Ebene II, Urheberrechte bis 1995) von Galactic Software ausgeführt. Alle
Probenspektren werden unter Verwendung der in "MIDAC Grams/386" ausgeführten "Linear Least Squares Fit"-Routine (LSF-Routine)
(Rho Squared, Durham, NC) analysiert. Ungefähr 10% aller Probenspektren
werden auch unter Verwendung einer computergestützten Softwaresubtraktion quantifiziert.
Berechnete Unbestimmtheiten von der LSF-Routine werden mit Unbestimmtheiten
verglichen, die anhand der auf die gleichen Daten angewendeten Datenreduktionstechnik
mit spektraler Subtraktion bestimmt werden. Es wird anhand dieses
Vergleichs bestimmt, daß die
Unbestimmtheiten (σ)
von der Subtraktionsdatenreduktion typischerweise drei bis vier
Mal größer sind
als die vom Computer erzeugten Unbestimmtheiten, die sich aus LSF-Berechnungen
ergeben. Daher werden die mitgeteilten Unbestimmtheiten, die sich
aus der Datenreduktion durch lineares Anpassen nach der Methode
der kleinsten Quadrate ergeben, mit vier multipliziert, um einen
konservativen Mitteilungswert zu gewährleisten. Die in der Ergebnistabelle
1 angeführten
mitgeteilten Unbestimmtheiten betragen 4σ.
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Die unter Verwendung des lokalen
Infrarotspektrometriesystems mit einem offenen Weg erfaßten Daten
sind Einzelstrahl-Spektrumsdaten. Es wird eine Boxcar-Apodisierung
verwendet. Die erfaßten
Daten ergaben sich bei einer Auflösung von 0,5 cm–1 unter
Verwendung 64 addierter Abtastungen und einer Verstärkung von
1.
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Der verwendete CTS ist 0,962 ppmv
Ethylen in restlichem Stickstoff und von Scott Specialty Gases erhältlich.
Das Hintergrundgas hoher Reinheit ist trockener Stickstoff.
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Beim allgemeinen Testverfahren für dieses
Beispiel werden fünf
Schritte verwendet:
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1) Hintergrundspektrum
(Probenweg – eingeschlossen)
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Der eingeschlossene Probenweg des
lokalen Infrarotspektrometriesystems mit einem offenen Weg wird
mit mindestens fünf
Volumen trockenen Stickstoffs hoher Reinheit gespült, und
es wird ein Einzelstrahlspektrum des trockenen Stickstoffs hoher
Reinheit erfaßt.
Das Stickstoff-Einzelstrahlspektrum wird als das Hintergrundspektrum
für die
nachfolgende Kalibrierung und Analyse von Probendaten verwendet.
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2) Wasserreferenzspektrum
(Probenweg – offen
und eingeschlossen)
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- a) (Probenweg – offen) Der Probenweg der
Gaszelle des lokalen Infrarotspektrometriesystems mit einem offenen
Weg ist offen, oder die Umhüllung
ist mit anderen Worten entfernt. Es wird ein Hintergrund-Einzelstrahlspektrum
von Innenluft erfaßt.
- b) (Probenweg – eingeschlossen)
Unter Verwendung des Innenraum-Lufthintergrundspektrums aus dem vorstehenden
Schritt 2)a) wird das lokale Infrarotspektrometriesystem mit einem
offenen Weg in einem aktiven Absorptionsausrichtungsmodus betrieben,
um eine Übereinstimmung
mit der Wasserabsorption zu erzielen. Stickstoff hoher Reinheit
wird durch Hindurchführen
durch eine Wassereinlaufeinrichtung befeuchtet und durch den geschlossenen
Probenweg geleitet, bis die Wasserabsorptionsniveaus den Innenraum-Luftniveaus
von Wasser in engen Grenzen entsprechen. Es wird ein Einzelstrahl- Spektrum des befeuchteten Stickstoffgases
aufgenommen. Das Einzelstrahlspektrum des befeuchteten Stickstoffs
wird unter Verwendung des Hintergrundspektrums trockenen Stickstoffs
hoher Reinheit vom vorstehenden Schritt 1 in ein Absorptionsspektrum
umgewandelt. Das Absorptionsspektrum des befeuchteten Stickstoffs
hoher Reinheit wird als ein Wasserreferenzspektrum gespeichert und
zur spektralen Subtraktion von Probendaten verwendet.
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3) Kalibrierung der optischen
Weglänge
(Probenweg – eingeschlossen)
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Die optische Weglänge des lokalen Infrarotspektrometriesystems
mit einem offenen Weg wird unter Verwendung von 0,962 ppmv Ethylen
in restlichem Stickstoff als Kalibrierungsübertragungsstandard (CTS) quantitativ
bestimmt. Der eingeschlossene Probenweg des lokalen Infrarotspektrometriesystems
mit einem offenen Weg wird mit mindestens fünf Volumen des CTS gespült. Es wird
ein Einzelstrahlspektrum des CTS aufgenommen. Das Einzelstrahlspektrum
des CTS wird unter Verwendung des Hintergrundspektrums trockenen Stickstoffs
hoher Reinheit aus dem vorstehenden Schritt 1 in ein Absorptionsspektrum
umgewandelt. Das CTS-Absorptionsspektrum wird unter Verwendung eines
Ethylenreferenzspektrums quantifiziert, um die optische Weglänge zu bestimmen.
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4) Innenraum-Luftproben-Datenerfassung
(Probenweg – offen)
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Die entfernbare Abdeckung wird entfernt,
und es werden Innenluft-Probendaten als Einzelstrahlspektren erfaßt. Die
Innenluft-Probendaten werden in der ganzen Einrichtung durch sequentielles
Bewegen des kalibrierten, lokalen "online"-Infrarotspektrometriesystems
mit einem offenen Weg in die ausgewählten Abtastbereiche erfaßt. Die
Einzelstrahl-Innenraum-Probendaten werden unter Verwendung des Hintergrundspektrums trockenen
Stickstoffs hoher Reinheit von 1 in Absorptionsspektren umgewandelt.
Die Probenabsorptionsspektren werden unter Verwendung eines Genesolve-Referenz- Spektrums quantifiziert,
um Innenraumniveaus von Genesolve in der Einrichtung in ppmv zu
bestimmen.
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5) Kalibrierung des endgültigen Instruments
und der optischen Weglänge
(Probenweg – eingeschlossen)
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Die optische Weglänge wird unter Verwendung von
0,962 ppmv Ethylen in restlichem Stickstoff als CTS quantitativ
bestimmt. Der eingeschlossene Probenweg wird mit mindestens 5 Volumen
CTS gespült.
Es wird ein Einzelstrahlspektrum des CTS aufgenommen. Das Einzelstrahlspektrum
des CTS wird unter Verwendung des Hintergrundspektrums trockenen
Stickstoffs hoher Reinheit aus dem vorstehenden Schritt 1 in ein Absorptionsspektrum
umgewandelt. Das CTS-Absorptionsspektrum wird unter Verwendung des
im vorstehenden Schritt 3 erzeugten CTS-Absorptionsspektrums quantifiziert,
um die Stabilität
des Instruments und der optischen Weglänge vom Einleiten bis zum Abschluß der Probenerzeugung
zu bestimmen.
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Wenngleich die Erfindung unter besonderem
Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben wurde, können
innerhalb des vorgesehenen Schutzumfangs der folgenden Ansprüche Abänderungen
und Modifikationen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden,
wie Fachleuten leicht verständlich
sein wird.
