EA038359B1 - Способ определения концентрации компонентного состава газа - Google Patents
Способ определения концентрации компонентного состава газа Download PDFInfo
- Publication number
- EA038359B1 EA038359B1 EA202000113A EA202000113A EA038359B1 EA 038359 B1 EA038359 B1 EA 038359B1 EA 202000113 A EA202000113 A EA 202000113A EA 202000113 A EA202000113 A EA 202000113A EA 038359 B1 EA038359 B1 EA 038359B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- values
- gas
- spectral
- components
- absorption
- Prior art date
Links
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims abstract description 54
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 58
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 42
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 37
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 16
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 55
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 27
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 15
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 10
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 2
- 238000000611 regression analysis Methods 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical class [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 229910002090 carbon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 238000012417 linear regression Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 108091082431 miR-1987 stem-loop Proteins 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 230000001373 regressive effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000017105 transposition Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/30—Measuring the intensity of spectral lines directly on the spectrum itself
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
- G16C20/00—Chemoinformatics, i.e. ICT specially adapted for the handling of physicochemical or structural data of chemical particles, elements, compounds or mixtures
- G16C20/20—Identification of molecular entities, parts thereof or of chemical compositions
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Pathology (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Предлагаемое изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано для измерения концентраций различных газов в атмосфере, технологических процессах и т.д. Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа определения концентраций компонентного состава за счет использования его в любых газовых смесях с перекрывающимися линиями поглощения входящих в них компонентов, повышение при этом точности измерения концентраций газов. Поставленная задача достигается тем, что в заданном спектральном диапазоневидимого и/или инфракрасного излучения, включающем линии поглощения определяемых компонент, измеряют величины спектрального поглощения I(i) для i = 1, 2, 3...., n длин волн, разнесенных на - ширину спектрального разрешения спектрометра или задаваемую, где , измеряют температуру T0K и давление Р среды, а численные значения концентрации определяемых газовых компонент k для установленных давления и температуры окружающей среды определяют с использованием уравнений множественной регрессии , где N - количество главных компонент для величин поглощения I(i), a и bm - численные коэффициенты, найденные заранее с использованием метода наименьших квадратов при аппроксимации указанным выше уравнением статических данных о множестве связей величин главных компонент для I(i) с концентрацией определяемых газовых компонент при множестве различных значений концентрации состава газовой смеси и учете уширения спектральных линий поглощения за счет температуры и давления, Cm - численное значение главных компонент, выделенных из спектральных значений I(i), соответствующие Р и T0K, а также численные значения a, bm и Cm определяют для задаваемого диапазона значений Р и T0K.
Description
Предлагаемое изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано для измерения концентраций различных газов в атмосфере, технологических процессах и т.д.
Известные оптико-абсорбционные методы анализа газов основаны на регистрации поглощения определенным газом на длине волны, соответствующей его максимальному коэффициенту поглощения (или в узком интервале длин волн) [1], или на двух длинах волн - на длине максимального коэффициента поглощения и крыле линии, где коэффициент поглощения мал [2]. Данные методы позволяют определить концентрацию газа, если его спектральные линии не перекрываются с линиями других газов, находящихся в смеси.
Для случая перекрытия полос поглощения известен способ [3], заключающийся в посылке и регистрации излучения на длинах волн, одна из которых находится вне полосы поглощения контролируемых газов, а другие на длинах волн, относящихся к центрам полос поглощения контролируемых газов. К недостаткам способа следует отнести: требуется знание, а значит измерения концентрации контролируемых газов, полученные без учета перекрытия поглощения газов, и установление коэффициентов, использующих форму контуров линий поглощения контролируемых газов, которые, к тому же, зависят от температуры, давления окружающей среды.
Для многокомпонентных газовых сред требуются спектральные измерения поглощения [4], однако задача нахождения концентрации газовых компонент из результатов измерений относится к классу некорректных математических, поскольку решение таких задач может быть неустойчивым по отношениям к малым вариациям (погрешностям) измеряемых данных. Это приводит к большим погрешностям в определении компонентного состава смеси.
Известен способ измерения газового состава атмосферного воздуха, в котором измерения проводятся путем сравнения спектров рассеянного солнечного излучения, приходящего с горизонтального участка атмосферы, и солнечного излучения, освещающего этот участок атмосферы сверху [5]. В этом случае длина горизонтальной трассы определяется как величина, обратная коэффициенту ослабления солнечного излучения, прошедшего этот участок атмосферы. Поэтому применение этого способа осложняется необходимостью определения коэффициента ослабления солнечного излучения на соответствующем участке атмосферы, т.е. необходимостью использования дополнительной измерительной аппаратуры.
Известен способ одновременного измерения абсолютного и относительного содержания окислов углерода СО и СО2 в газообразной среде для мониторинга содержания этих окислов, например в атмосфере, выдыхаемом воздухе, в частности для биомедицинской диагностики [6]. Для анализа используются линии поглощения СО и СО2, попадающие в спектральную область, перекрываемую перестраиваемым полупроводниковым лазером, и не перекрывающиеся с линиями поглощения паров воды. Оптическую частоту лазера сканируют за счет накачки лазера периодически повторяющимися импульсами тока определенной амплитуды, длительности и частоты повторения. Лазерное излучение пропускают через многоходовую оптическую кювету, содержащую исследуемую газовую среду, с определенной длиной оптического пути. Изобретение позволяет одновременно определять концентрации молекул СО и СО2. Способ требует использования не перекрывающихся с линиями поглощения паров воды линий поглощения Рветви СО из фундаментальной колебательно-вращательной полосы 1-0 и линии поглощения полосы 20001-01101 СО2, расположенных в спектральном диапазоне от 2100 до 2125 см-1.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ, заключающийся в цикличном во времени или одновременном измерении поглощения излучения анализируемым газом на различных комбинациях длин волн (от восьми до девяти длин волн в каждой комбинации λ - в зависимости от состава среды) [7]. Недостатком данного способа является то, что данные комбинации выбираются исходя из того, к какой категории относится газ, что, в свою очередь, определяется предварительным измерением поглощения посылаемого излучения анализируемым газом на семи длинах волн инфракрасного из этого же спектрального диапазона. Кроме того, концентрации рассчитываются из решения неоднородной линейной системы уравнений (относится к классу некорректных обратных задач) методом наименьших квадратов с итерационным уточнением коэффициента с использованием преобразования Хаусхолдера. Данная методика расчета требует выполнения условия, что во всем используемом диапазоне зависимость коэффициентов поглощения от долей компонентов газа должна быть линейной при любых соотношениях между этими компонентами (для атмосферных газов это не выполняется). Только в этом случае возможно однозначное определение долей компонентов газа по измеренным значениям коэффициента поглощения. Более того, на точность определения концентрации компонентов влияет и погрешность получения измерительной информации, поскольку интерпретация результатов относится к классу некорректных обратных задач. Данный способ к тому же позволяет определить компонентный состав только природного газа и газовых смесей на его основе, в других смесях он не работает.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа определения концентраций компонентного состава за счет использования его в любых газовых смесях с перекрывающимися линиями поглощения входящих в них компонентов, повышение при этом точности измерения концентраций газов.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе определения компонентно- 1 038359 го состава природного газа в реальном масштабе времени, в заданном спектральном диапазоне (λj-λk) видимого и/или инфракрасного излучения, включающем линии поглощения определяемых компонент,
..., измеряют величины спектрального поглощения Ι(λ,) для i = 1, 2, 3.
, η длин волн, разнесенных на Δλ , П (λρλ^/Δλ, измеряют темпераМъ Р Т°К оп о л определяемых газовых ширину спектрального разрешения спектрометра или задаваемую, где туру T0K и давление Р среды, а численные значения концентрации компонент для установленных давления и температуры окружающей среды определяют с использованием уравнений множественной регрессии
М к,Р,Т°К — а + т=1 где N - количество главных компонент Cm для величин поглощения Ι(λ,)), а и bm - численные коэффициенты, найденные заранее с использованием метода наименьших квадратов при аппроксимации указанным выше уравнением статических данных о множестве связей величин главных компонент для I( λ,)) с концентрацией определяемых газовых компонент при множестве различных значений концентраций состава газовой смеси и учете уширения спектральных линий поглощения за счет температуры и давления. Кроме того, в уравнении множественной регрессии численные значения a, bi и Cm определяют также для задаваемого диапазона значений Р и T0K.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3, где на фиг. 1 приведена функциональная схема системы, реализующей способ, а на фиг. 2 и 3 соответственно коэффициенты а, bm регрессивного соотношения при значениях температур в интервале 253-293 T0K для Н2О и СО2.
Функциональная схема системы (фиг. 1) содержит источник светового излучения 1 в задаваемом спектральном диапазоне^ видимого и/или ИК диапазона, спектрометр 2, фотоприемное устройство и информационно-измерительный блок 4.
Принцип действия системы основан на измерении фотоприемным устройством 3 прошедших через спектрометр 2 в спектральном диапазоне величин сигналов P(λ,) от источника 1 для каждой из регистрируемых длин волн, определении величины Ι(λ,) спектрального поглощения излучения, проходящего через исследуемую среду на длинах волн λ,, соответствующих значени1=1,2,3,.,., И, ^(Χ-λΟ/Δλ. .. _ „ „ _ ____ „ ям ’ J , где Δλ - ширина спектрального разрешения спектрометра или задаваемая, определяющая количество длин волн η, на которых проводятся измерения поглощения (в идеальном случае соответствует спектральному разрешению используемого спектрометра 3). Определение величин поглощения^^-^^^1^^требует знания аппаратурных констант P1(λj), которые устанавливаются путем проведения калибровочных измерений в отсутствии определяемых газовых компонент. Задаваемый спектральный диапазон (Xj-Xk) должен включать линии поглощения компонентов анализируемой смеси газов.
Информационно-измерительный блок 4, выполненный на микропроцессоре, управляет процессом измерения и обрабатывает измерительную информацию относительно определяемых параметров контролируемой газовой смеси.
При прохождении излучения на указанных выше длинах волн происходит поглощение его компонентами газовой смеси. Величины сигналов для каждой из регистрируемых длин волн Ρ(λ,) можно записать в следующем виде:
Р(Х) = Л£Ро(ХО ехр{— V Мк
2—>к=1 (1) где Mk - концентрации k-ой газовой компоненты на длине волны λη;
s - число газовых компонент в смеси;
σk(λi)- сечение поглощения соответствующих газовых компонент смеси;
I - длина измерительной трассы (или ячейки, если газ находится в оптической кювете);
Ρ0(λΐ) - энергия посылаемого излучения;
Ai - аппаратурная константа измерительной системы для каждой из длин волн λ,.
Выражение (1) содержит аппаратурные константы Ρ0(λ,) и Ai, которые определяются измерением сигналов Ρ(λ,), проходящих через участок среды длиной 1, в отсутствие определяемых газовых компонент. Другими словами, данная процедура является калибровкой измерительной системы для получаемых величин поглощения.
В самом деле, при отсутствии на исследуемом участке 1 газовых компонент величины регистрируемых сигналов Р (λ,) для каждой из длин волн λ, равны
- 2 038359
Ρ1(λί)=ΑΡ0(λί), (2) a
КЮ = Р(М/Л(М - ехр{- У ' Мк σ к& № ^к=1 таким образом, является величиной спектрального поглощения.
Будем оперировать сейчас отношением сигналов w=ww, являющимся величиной поглощения, которое равно
ДМ = ехр{- У' Мк σ kQ. Ж (3) ^—>к=1
Для AD — -^(^-)//^1(^^), нормированного на энергию посылаемого излучения и аппаратурные константы, выражение (3) можно записать в следующем виде:
ΙηΙ(λ J = -1 (М1О 0 + Μ2σ 2(λ Ο + Μ3σ 3(λ J... Msa /λ 0 ),
Μ (λ 2) = - j (Miff ι(λ 2) + Μ2σ 2 (λ 2) + Μ3σ 3(λ 2) ... Msa /λ 2) ) ..........................................................................................(4)
ΙηΙ&η) = -|(Μισι(λη) + Μ2σ2(λη) + Μ3σ3(λη) ...Μ,σ ,(λ„)).
Для интерпретации измерительной информации необходимо решить систему уравнений (4), которую можно записать в виде
Bx=F где
Однако поскольку измеряемые величины поглощения и величины сечений поглощения определяются с погрешностями, то данная система относится к системе неоднородного вида. Эта система относится к классу некорректных обратных задач. Решение таких задач может быть неустойчивым по отношениям к малым вариациям (погрешностям) измеряемых данных. Это приводит к большим погрешностям в определении компонентного состава смеси [4, 7].
Значения !мож можно рассматривать как компоненты случайного вектора Разложим вектор поси по системе ортонормированных базисных векторов (главных компонент) ЛМ = + Щ„5 где V матрица со столбцами из главных компонент Cm, численные значения которых определяются как проекции вектора на пространство из главных компонент. Находятся по формуле [8]:
СИ = Г(Ж)-Ж)) (5 где индекс t означает операцию транспонирования.
В связи с быстрой сходимостью рассматриваемого разложения на первые базисные векторы приходится большая часть изменчивости вектора 0, а соответствующие им главные компоненты содержат в себе практически столько информации, сколько ее было в исходных данных. Следовательно, для восстановления концентраций компонентного состава газовой смеси Mk можно использовать не сам вектор измерений, а его главные компоненты.
С точки зрения оперативности определения концентраций компонентного состава газовой смеси представляет интерес возможность их расчета на основе аналитического выражения, связывающего их с главными компонентами вектора ^д/я) для используемых длин волн п~(λρλ^/Δλ. Такое выражение может быть получено на основе измерений или численного расчета Ι(λ0 для множества ситуаций или
ΙΜк р _ . ко ко компонентного состава газовой смеси при различных значениях ее температуры T0K и давления Р (т.е. учитывается уширение спектральных линий с их изменением) и последующего регрессионного анализа ансамбля реализаций ΙΜρργΟ^ ΚΧ;) IT ____________ ~ ~ ________„________ ____„ л и1 В частности, в качестве такого выражения можно использовать регрессионные соот- 3 038359 ношения [8] ^к,Р,Т°К ~ α Λ ΣίΧι bmCm ’ (6) где N - количество главных компонент.
Численное значение а, bm определяются путем расчета по формуле (5) главных компонент Cm для всех реализаций i\ каждой из которых соответствует конкретное значение ^к,Р,Т°К, и использовании метода наименьших квадратов для аппроксимации статистической связи между Cm и ^к,Р,Т°К
После получения векторов^^· ^и среднего вектора V, а также вышеотмеченного аналитического выражения (6) они могут применяться для получения по измеряемым значениям ^Же уже неизвестных заранее концентраций компонентного состава газовой смеси. Численные значения а, bm, Cm устанавливаются для каждой пары значений давления Р и температуры T0K.
Таким образом, способ определения концентраций компонентного состава газовых смесей включает нахождение по формуле (5) главных компонент для величин спектрального поглощения и определение концентрации на основе регрессионного соотношения (6), соответствующего температуре и давле нию в смеси в момент проведения измерений.
Рассмотрим более детально процесс получения главных компонент Cm и коэффициентов регрессии а, bm на примере определения концентрации газовых компонент - концентрации паров воды Н2О и углекислого газа СО2 в атмосфере. Это актуальная в настоящее время задача в связи с парниковым эффектом, с которым связывают происходящие изменения в климате. А СО2 и пары воды являются главными компонентами, обуславливающими данный эффект. Влажность же атмосферы, к тому же, один из важнейших метеопараметров атмосферы.
Возможности предлагаемого способа оценим для определения водяного пара и углекислого газа в атмосфере по спектральным измерениям поглощения в диапазоне 2640-2840 нм, в котором существует сильное перекрытие их линий поглощения.
Для получения главных компонент и коэффициентов регрессии было проведено моделирование процесса поглощения на основе данных из базы HITRAN, которая служит инструментом для расчета поглощения света в газовых средах, включая атмосферу. Рассчитывались величины поглощения I(λi) в диапазоне 2640-2840 нм с шагом 20 нм для случайных значений концентраций паров Н2О и СО2 из диапазона от 0,1 до 5% для Н2О и от 0,2 до 3% для СО2. Измерительная база задавалась равной 10 м.
При расчете моделируемой выборки I(λi) для каждой температуры и давления учитывалось уширение спектральных линий от их величины. С использованием полученных значений I(λi) были выделены главные компоненты Cm для каждой из температур и давления, равного 1 атм. Объем каждой из выборок составлял 2000 состояний. Приведенные ниже результаты получены для двух главных компонент Cm, которые покрывают 99,9% вариативности данных.
Численные значения Cmi главных компонент представляют собой линейную комбинацию из спектрального поглощения в интервале 2640-2840 нм с шагом 20 нм (для n (λ,-λk)/Δλ=10 длин волн).
ГСЕГСЛ), (7) i=l
Множители Cmi при спектральных коэффициентах поглощения для главных компонент Cm приведены в табл. 1.
Таблица 1
| Длины волн, нм | Значения си | Значения c2i |
| 2660 | 0.3218 | -0.2689 |
| 2680 | 0.3263 | 0.2245 |
| 2700 | 0.2504 | 0.6195 |
| 2720 | 0.3285 | 0.1991 |
| 2740 | 0.3155 | -0.3217 |
| 2760 | 0.3336 | -0.1175 |
| 2780 | 0.3122 | 0.3449 |
| 2800 | 0.3348 | 0.0888 |
- 4 038359
| 2820 | 0.3152 | -0.3232 |
| 2840 | 0.3151 | -0.3240 |
Далее с использованием методов наименьших квадратов была установлена статистическая зависимость между главными компонентами Cm, коэффициентами а, bm и концентрациями компонентов в смеси ^к,Р,Т°К .
Коэффициенты а, bm регрессивного соотношения (6) для значений температур в интервале 253-293 T0K приведены на фиг. 2 и 3 (по оси х расположены значения температуры T0K).
Оценка погрешности восстановления концентраций паров Н2О и СО2 была проведена на выборке I(λi) при наложении на каждое значение из нее погрешности 5% (объем выборки - 500). Задаваемые значения концентраций паров Н2О и СО2 сравнивалась с рассчитываемыми по (6). Средние значения погрешностей для концентраций паров Н2О и СО2 приведены в табл.2. Как видно из таблицы, погрешности восстановления составили для паров Н2О и СО2 соответственно менее 2% и менее 4%, что говорит об устойчивости регрессионных соотношений к погрешностям измерения величин поглощения ~5%.
Оценивалась погрешность восстановления концентрации СО2 с использованием указанного выше диапазона длин волн и по методу дифференциального поглощения как наиболее точному и устойчивому из известных к погрешностям измерений регистрируемых сигналов (максимально исключающему эти погрешности в условиях отсутствия перекрытия спектральных линий компонентов газа). Однако даже при использовании наиболее слабого перекрытия спектральных линий в данном диапазоне длин волн при определении концентрации СО2 по данному методу в реальной атмосфере погрешности составляют более 80% (см. табл. 2).
Таблица 2
| Т°К | Средняя погрешность восстановления для молекул Η2Ο, метод регрессионных соотношений | Средняя погрешность восстановления для молекул СОг, метод регрессионных соотношений | Средняя погрешность восстановления для молекул СОг, метод дифференциального поглощения |
| 253 | 1.84 | 3.94 | 83.03 |
| 254 | 1.86 | 3.91 | 83.76 |
| 255 | 1.94 | 3.72 | 83.74 |
| 256 | 1.91 | 3.82 | 83.72 |
| 257 | 1.93 | 3.83 | 83.69 |
- 5 038359
| 258 | 1.90 | 3.88 | 83.67 |
| 259 | 1.88 | 3.79 | 83.65 |
| 260 | 1.86 | 3.70 | 82.97 |
| 261 | 1.90 | 3.79 | 83.61 |
| 262 | 1.87 | 3.89 | 83.59 |
| 263 | 1.90 | 3.80 | 82.91 |
| 264 | 1.88 | 3.91 | 82.89 |
| 265 | 1.93 | 3.81 | 83.53 |
| 266 | 1.90 | 3.85 | 83.51 |
| 267 | 1.90 | 3.72 | 82.83 |
| 268 | 1.96 | 3.94 | 82.81 |
| 269 | 1.96 | 3.80 | 81.62 |
| 270 | 1.99 | 3.91 | 81.60 |
| 271 | 1.86 | 3.68 | 83.41 |
| 272 | 1.85 | 3.83 | 83.39 |
| 273 | 1.88 | 3.94 | 82.84 |
| 274 | 1.96 | 3.77 | 82.70 |
| 275 | 1.97 | 3.85 | 81.50 |
| 276 | 1.93 | 3.79 | 81.48 |
| 277 | 1.94 | 3.73 | 82.35 |
| 278 | 2.01 | 3.85 | 82.33 |
| 279 | 1.93 | 3.89 | 81.58 |
| 280 | 1.94 | 3.89 | 81.56 |
| 281 | 1.94 | 3.65 | 81.61 |
| 282 | 1.99 | 3.63 | 81.59 |
| 283 | 1.96 | 3.68 | 83.19 |
| 284 | 1.95 | 3.72 | 83.17 |
| 285 | 1.92 | 3.76 | 82.51 |
| 286 | 1.92 | 3.74 | 82.49 |
| 287 | 1.90 | 3.90 | 83.12 |
| 288 | 1.88 | 3.80 | 83.10 |
| 289 | 1.90 | 3.77 | 83.09 |
| 290 | 1.94 | 3.82 | 83.07 |
| 291 | 1.97 | 3.68 | 82.41 |
| 292 | 1.88 | 3.77 | 83.04 |
| 293 | 1.91 | 3.88 | 83.02 |
В аналитическом выражении (6), связывающем концентрации компонентов газовой смеси его с
- 6 038359 главными компонентами вектора измерений для длин волн п :, численное значение а, bm, Cm устанавливались для каждой пары величин давления Р и температуры T0K. Представляет практический интерес проводить измерения и в условиях, не требующих знания величин давления Р и температуры T0K исследуемой газовой смеси. Численное значение a, bm, Cm для (6) в виде
Ь Στη=1 ЬтСт (8) и в этом случае устанавливаются на основе измерений или численного расчета I(λi) для множества ситуаций или моделирующих его фантомов с известными значениями концентраций Mk компонентного состава газовой смеси при различных значениях ее температуры и давления и последующего регресси онного анализа ансамбля реализаций Mk и I(λi) [8].
Однако если для (6) используется вектор реализаций ^, соответствующий разным значениям Mk для конкретных (измеренных) значений давления Р и температуры T0K, то для (8) вектор реализаций^ включает все значения I(λj), соответствующие разным значениям Mk для любых значений Р и T0K из задаваемого диапазона их разброса (задается диапазон изменений Mk,Р и T0K).
После получения векторов ^^ ^и среднего вектораГ V, а также вышеотмеченного аналитического выражения они могут применяться для получения по измеренным значения^ ϊ) уже неизвестных заранее концентраций компонентного состава газовой смеси. При этом не требуется знание температуры и давления газовой смеси.
Возможности предлагаемого способа по п.2 формулы изобретения оценивались для определения водяного пара и углекислого газа в атмосфере по спектральным измерениям поглощения в диапазоне 2640-2840 нм, в котором существует сильное перекрытие их линий поглощения (для тех же условий что и по п.1 формулы изобретения). Коэффициенты линейной регрессии для значений температур в интервале 253-293 T0K, давления 1 атм. приведены в табл.3.
Средние значения погрешностей для паров Н2О и СО2 составили соответственно 3.6% и 6.1%.
Таблица 3
| / | Н2О | СО2 |
| а | -0.004 | 0,0368 |
| bi | 0,0161 | -0.0010 |
| Ь2 | -0.0200 | 0,0258 |
Как следует из изложенного и в этом случае для интерпретации измерительной информации в условиях сильного перекрытия линий поглощения не требуется выполнения каких-либо условий или использования дополнительной информации о состоянии исследуемой среды. Способ обладает устойчивостью к погрешностям измерений величин поглощения (в то время как известные методы из-за некорректности решаемых задач могут приводить к большим погрешностям в определении концентраций компонентного состава газовой смеси).
Таким образом, предлагаемый способ позволяет расширить функциональные возможности известных способов и систем газового анализа многокомпонентных смесей за счет возможностей использова ния для любых газовых смесей даже в условиях сильного перекрытия спектральных линий поглощения входящих в них компонентов, повышает точность определения концентраций за счет устойчивости к погрешностям используемой измерительной информации. К тому же позволяет определять компонентный состав газовых смесей в реальном масштабе времени, т.е. решить поставленную задачу.
Используемая литература.
1. Дивин А.Г., Понамарев С.В. Методы и средства измерения, испытания и контроля. (4.4 Методы и средства измерения состава веществ), Тамбов: Изд-во ФТБОУВПО ТГТУ, 2014. - (С. 35-45).
2. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. М.: Мир 1987. -(С. 276-279).
3. Патент BY № 12455С1 G01N 21/31, 2009.10.30.
4. Ионин А.А., Климачев Ю.М., Козлов А.Ю., Котков А.А. Анализ многокомпонентных газовых смесей с помощью лазера, действующего на основных и обертонных переходах молекулы окиси углерода. - Препринт, Москва, 2011. - (С. 5-20).
5. Патент SU №1764014 А1, G01W 1/00 (1990.01), заявка 894767898, G01H 1/00, 27.10.89, Бюл. №23.
6. Патент RU 2384836С1, G01N 21/39, G01N 21/61, 20.03.2010, Бюл. № 8.
7. Патент RU №2441219 С1, G01N 21/31, 27.01.2012, Бюл. № 3.
8. Лысенко С.А. Методы оптической диагностики биологических объектов. Минск: БГУ, 2014. - С. 49-52.
Claims (2)
- ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ1. Способ определения концентраций компонентного состава газа путем цикличного во времени или одновременного измерения поглощения излучения компонентами газа в инфракрасном спектральном диапазоне, отличающийся тем, что в заданном спектральном диапазоне (λj-λk) видимого и/или инфракрасного излучения, включающем линии поглощения определяемых компонент, измеряют величины спектрального поглощения I(λi) для i=1, 2, 3...., n длин волн, разнесенных на Δλ - ширину спектрального разрешения спектрометра или задаваемую, где И—(λρλ^)/Δλ измеряют температуру T0K и давление Р среды, а численные значения концентрации ' ' газовых компонент k для установленных давления и температуры окружающей среды определяют с использованием уравнений множественной регрес сиигде N - количество главных компонент Cm, численные значения которых выделяются из спектральных значений I(λi), а и bm - численные коэффициенты, найденные заранее с использованием метода наи меньших квадратов при аппроксимации указанным выше уравнением статических данных о множестве связей величин главных компонент для I(λi) с концентрацией определяемых газовых компонент при множестве различных значений концентрации состава газовой смеси и учете уширения спектральных линий поглощения за счет температуры и давления.
- 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в уравнении множественной регрессии численные значения a, bm и Cm определяют для задаваемого диапазона значений Р и T0K.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA202000113A EA038359B1 (ru) | 2020-02-28 | 2020-02-28 | Способ определения концентрации компонентного состава газа |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA202000113A EA038359B1 (ru) | 2020-02-28 | 2020-02-28 | Способ определения концентрации компонентного состава газа |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA202000113A1 EA202000113A1 (ru) | 2021-08-12 |
| EA038359B1 true EA038359B1 (ru) | 2021-08-13 |
Family
ID=77495405
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA202000113A EA038359B1 (ru) | 2020-02-28 | 2020-02-28 | Способ определения концентрации компонентного состава газа |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA038359B1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2732978A1 (en) * | 2008-07-30 | 2010-02-04 | Pason Systems Corp. | Methods and systems for chemical composition measurement and monitoring using a rotating filter spectrometer |
| US20120065948A1 (en) * | 2010-09-13 | 2012-03-15 | Mks Instruments, Inc. | Monitoring, Detecting and Quantifying Chemical Compounds in a Sample |
| US20140361172A1 (en) * | 2013-06-11 | 2014-12-11 | Jp3 Measurement, Llc | Detection of h2s in natural gas and hydrocarbon streams using a dual-path near-ir spectroscopy system |
| US20150103354A1 (en) * | 2009-04-08 | 2015-04-16 | Precisive, LLC | Multiplex tunable filter spectrometer |
-
2020
- 2020-02-28 EA EA202000113A patent/EA038359B1/ru unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2732978A1 (en) * | 2008-07-30 | 2010-02-04 | Pason Systems Corp. | Methods and systems for chemical composition measurement and monitoring using a rotating filter spectrometer |
| US20150103354A1 (en) * | 2009-04-08 | 2015-04-16 | Precisive, LLC | Multiplex tunable filter spectrometer |
| US20120065948A1 (en) * | 2010-09-13 | 2012-03-15 | Mks Instruments, Inc. | Monitoring, Detecting and Quantifying Chemical Compounds in a Sample |
| US20140361172A1 (en) * | 2013-06-11 | 2014-12-11 | Jp3 Measurement, Llc | Detection of h2s in natural gas and hydrocarbon streams using a dual-path near-ir spectroscopy system |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA202000113A1 (ru) | 2021-08-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Workman Jr | A review of calibration transfer practices and instrument differences in spectroscopy | |
| US10557792B2 (en) | Spectral modeling for complex absorption spectrum interpretation | |
| EP0552291A1 (en) | Method of estimating property and/or composition data of a test sample | |
| CN104897599A (zh) | 用于检测物质的方法和装置 | |
| Zhang et al. | Calibration transfer based on the weight matrix (CTWM) of PLS for near infrared (NIR) spectral analysis | |
| Galpin et al. | Refractive index retrievals for polystyrene latex spheres in the spectral range 220–420 nm | |
| Tang et al. | On-line multi-component alkane mixture quantitative analysis using Fourier transform infrared spectrometer | |
| EP3892985A1 (en) | System and computer-implemented method for extrapolating calibration spectra | |
| US8538717B2 (en) | Method of absorbance correction in a spectroscopic heating value sensor | |
| EA038359B1 (ru) | Способ определения концентрации компонентного состава газа | |
| Buchanan et al. | Detection of methanol in gasolines using near-infrared spectroscopy and an optical fiber | |
| Cięszczyk | Passive open-path FTIR measurements and spectral interpretations for in situ gas monitoring and process diagnostics | |
| Neftel et al. | Measurements of greenhouse gas fluxes from agriculture | |
| Zimmermann et al. | Purity monitoring in medical gas supply lines with quantum cascade laser technology | |
| Bochkovskii et al. | Laser remote measurements of atmospheric gas components by dial: Modeling and experiments | |
| Wu et al. | Feature extraction for gas photoacoustic spectroscopy and content inverse based on overcomplete ICA bases | |
| Cięszczyk | A local model and calibration set ensemble strategy for open-path FTIR gas measurement with varying temperature | |
| US20140107943A1 (en) | Gas intensity calibration method and system | |
| Aguila Rodríguez et al. | CO2 measurement system based on pyroelectric detector | |
| RU2626389C1 (ru) | Способ оптического определения компонента, преимущественно сероводорода, и его концентрации в потоке газа | |
| Kugeiko et al. | Determination of the concentration of CO2 and H2O vapor under conditions of overlapping spectral lines | |
| Kugeiko et al. | Determination of the Concentration of the Component Composition of Gases by the Method of Optical Spectroscopy under the Conditions of Overlapping Their Spectral Lines | |
| Wawrzyk | The spectrum length method in quantitative interpretation of selected optical spectra | |
| AboZyd et al. | Development and Validation of a Powder Mixture Set for Performance Testing of Miniaturized Spectrometers using Machine Learning Models | |
| Sjo | Using Multivariate Data Analysis and ATR-FTIR Spectroscopy for Modeling Components Present During CO2 Capture with Amines |