FI87116C - Foerfarande foer avskiljning av pao varandra belaegna absorptionsband i infraroedspektrum - Google Patents

Description

87116 MENETELMÄ PÄÄLLEKKÄISTEN ABSORPTIOVÖIDEN EROTTELEMISEKSI TOISISTAAN INFRAPUNAS PEKTRISTÄ

Keksinnön kohteena on menetelmä päällekkäisten absorptiovöiden 5 erottelemiseksi toisistaan infrapunaspektristä, jossa mitattavan kaasun ja jonkin häiriökaasun absorptiovyöt osuvat päällekkäin samalle aaltolukualueelle, jolloin mitattavan kaasun tunnistus- ja pitoisuusmittaus spektrin perusteella on suoraan mahdotonta.

10

Nykyisin spektrometrit on yhdistetty tietokoneeseen, joka pystyy tallettamaan mitatun spektrin sekä vertaamaan sitä aiemmin mitattuihin spektreihin. Lisäksi tietokone mahdollistaa spektri-informaation käsittelyn ja automaattisen laskennan.

15

Kahden kaasun absorptiovyön osuminen samalle kohtaa on sinänsä tavallinen ilmiö. Esimerkiksi N20:n suurempi absorptiovyö jää C02 ja CO -kaasujen voimakkaiden absorptiovöiden alle. Tunnetaan käsittelyohjelmia, jotka vähentävät mittauskaasuspektristä 20 halutun aineen absorptiovyön yksinkertaisesti vain vähentämällä mitatuista intensiteeteistä halutun aineen spektrien määrittämät intensiteetit kerrottuna tietyllä vakiokertoimellä. Menetelmä on kuitenkin epätarkka, eikä sitä voida käyttää jäljelle jäävien kaasujen pitoisuuksien määrittämiseen, koska jäljelle 25 jäävä spektri on vääristynyt. Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada uudenlainen infrapunaspektrien käsittelymenetelmä, joka mahdollistaa päällekkäisten absorptiovöiden erottelun siten, että korjattu spektri vastaa halutuilta kohden laskennallisesti oikeaa spektriä ilman häiriökaasua. Keksinnön 30 tunnusmerkilliset piirteet on esitetty oheisissa patenttivaatimuksissa.

Seuraavassa keksintöä kuvataan esimerkkien avulla. Kuvassa 1 on esitetty keksinnön käyttöä määritettäessä savukaasun dityppiok-35 sidin (N20) pitoisuutta savukaasuissa.

Keksintöä on sovellettu Perkin-Elmer 1760 spektrometrillä, johon kuuluu ohjelmoitava mikrotietokone spektrien analysointia ja laskentaa varten. Kuvassa alimmainen spektri on saatu 2 87116 suoraan savukaasusta. Ylimmäinen spektri on tässä tapauksessa mitattavan kaasun eli dityppioksidin puhdas spektri tunnetulla pitoisuudella. Samanlaiset puhtaat spektrit tarvitaan myös häiriökaasuista, joita tässä tapauksessa ovat hiilidioksidi 5 CC>2/ hiilimonoksidi CO, vesihöyry H2O ja metaani CH4, jotka spektrit ladataan muistiin. Häiritsevien kaasujen todellista pitoisuutta ei ole tarpeen tietää.

Tässä tapauksessa hiilidioksidin ja hiilimonoksidin absorptio 10 on niin voimakas, että dityppioksidin voimakkain absorptiovyö (aaltoluvun 2220 cm -1 kohdalla) ei erotu suoraan mitatusta spektristä. Tässä tapauksessa kuitenkin C02in toinen absorptiovyö on häiriöttömällä alueella ja sen perusteella voidaan määrittää C02:n suhteellinen pitoisuusarvo. Esimerkiksi hiili-15 dioksidin absorptiovyö aaltoluvun 3700 cm-1 alueella voidaan määrittää ns. puhtaaksi alueeksi, mikä tarkoittaa ainoastaan hiilidioksidin aiheuttavan tällä kohtaa absorptiota. Vertaamalla tältä kohtaa mitattua intensiteettiä tai pinta-alaa vastaaviin suureisiin muistissa olevaan puhtaaseen spektriin saadaan 20 laskettua häiriöaineen suhteellinen pitoisuusarvo. Laskenta voidaan suorittaa käyttämällä rajatun alueen pinta-alaa, derivaattaa tai yksittäisen kohdan intensiteettiä. Jos pitoisuus määritetään absorptiovyön yksittäisen kohdan intensiteetin perusteella, saadaan pitoisuuskaavasta 25 (1) c = i/t b ln(Io/Ii) jossa c on kaasun pitoisuus 30 £. on molaarinen absorptiokerroin b on säteen kulkema matka näytetilassa I0 on alkuperäisen säteilyn intensiteetti 1^ on näytetilan läpäisseen säteilyn intensiteetti 35 Hiilimonoksidilla (CO) ei ole kokonaista absorptiovyötä häiriöttömällä alueella. Tässä tapauksessa kuitenkin C0:n absorptiopiikin (aaltoluvun 2140 cm-1 alueella) oikeanpuoleinen reuna on häiriöttömällä alueella, jolloin CO: n suhteellinen 3 87116 pitoisuus voidaan määrittää tämän absorptiovyön osan perusteella. Samanlainen operaatio suoritetaan muille häiriöaineille, kun ensin on määrätty niille ominaiset puhtaat alueet.

5 Häiriöaineen pitoisuuden laskemisen jälkeen sen absorptiokäyrä lasketulla pitoisuudella voidaan laskea yli koko alueen seuraavan kaavan mukaan: cl/c2 10 (2) li(k) = I0(k) [l2(k)/I0(k)] jossa li(k) on lasketun häiriökaasun spektrin intensiteet- tiarvo aaltoluvun k kohdalla 15 I2(k) on tietokoneen muistissa olevan häiriökaasun mallispektrin intensiteettiarvo aaltoluvun k kohdalla I0(k) on tulevan säteilyn intensiteetti kohdassa k C! on häiriökaasulle mitattu suhteellinen pitoisuus- 20 arvo C2 on tietokoneen muistissa olevan spektrin perus teella määritetty pitoisuuden vertailuarvo häiriökaasulle 25 Kuten kaavasta (2) havaitaan, häiriökaasun spektrin laskentakaavassa esiintyy vain pitoisuuksien suhde Cj/02, joten todellisia pitoisuuksia ei ole tarpeen tietää. Riittää, että tunnetaan suhteelliset arvot. Tästä syystä mallispektrin kaasulle voidaan valita sopiva pitoisuusarvo. Kaavan (2) mukaan 30 häiriökaasun spektrin intensiteetti lasketaan vuorotellen jokaisessa spektrin pisteessä. Laskenta on käytännössä nopeinta käyttämällä laitteen spektrinkäsittelyohjelmaan kuuluvia valmiita funktiotoimintoja, jotka voidaan kohdistaa kerralla koko spektriin. Tällaisia analyysiohjelmiin kuuluvia valmiita 35 toimintoja ovat esimerkiksi spektrin jakaminen ja kertominen keskenään tai kertominen vakioluvulla sekä logaritmien ja antilogaritmien laskeminen koko spektristä. Tällöin häiriös-pektri saadaan nopeasti kaavasta 4 87116 (3) Ιχ/Ιο = a log [Cl/c2 log(I2/I0) ] jossa I-L on laskettu häiriökaasuspektri 5 I2 on häiriökaasun mallispektri

Iq on tulevan säteen spektri C1 ja c2 ovat kuten kaavassa (2) Tämä laskettu intensiteetin vaimennus eli absorptio poistetaan 10 mitatusta spektristä siten, että mitattu spektri jaetaan häiriökaasun spektrillä. Jakolasku voidaan kuitenkin tehdä vain niillä kohden, joissa intensiteetillä on nollasta poikkeava arvo. Joka tapauksessa mitattavan kaasun eli tässä tapauksessa typpidioksidin absorptiovyötä saadaan häiriökaasujen takaa 15 esiin niin paljon, että se voidaan tunnistaa ja pitoisuus laskea. Samantapainen korjaus on tehty myös vesihöyryn suhteen, jolloin saadaan kuvassa keskellä näkyvä spektri, mikä kuvaa absorptiota ilman häiriökaasujen vaikutusta valitulla aaltolu-kualueella. Korjaus on tässä tehty vain osalle spektrin 20 aluetta. Korjatusta spektristä voidaan nyt laskea typenoksidien N20 ja N02 pitoisuudet tunnetuin keinoin.

Jos häiriökaasuspektrin konstruoinnissa esiintyy säännönmukaista epätarkkuutta, sitä voidaan korjata iteroinnilla. Oheisessa 25 kuvassa alimmasta spektristä on poistettu H20, C02, CO ja CH4, jolloin saadaan näkyviin N20 ja N02 puhtaana (keskimmäinen spektri). Kuvassa N20:n heikompi absorptiovyö on aaltolukualu-eella 1240 - 1330 cm"1, johon osuu myös metaanin (CH4) absorptiovyö. Metaanin häiriöpiikki voidaan poistaa sen puhtaalla 30 alueella (3020 cm -1) osuvan absorptiovyön avulla. Määrittämällä tästä piikistä metaanille pitoisuusarvo, N20:n vyön päälle osuva häiriöpiikki voidaan poistaa laskennallisesti.

Aina mitattavan kaasun pitoisuutta ei ole tarpeen määrittää 35 tarkasti, vaan vain todeta sen esiintyminen kaasussa. Tässä tapauksessa laskenta voidaan tehdä siten, että häiritsevän kaasun absorptiovaikutus vähennetään suoraan mitatusta spektristä. Tällä tavoin laskettuna spektrien pohjaviivaan jää

Claims (2)

5 87116 vähemmän kohinaa kuin edellä kuvatussa laskentatavassa. Suora vähennys kuitenkin vääristää häiriökaasun alta paljastuvan absorptiovyön intensiteettiä, joten tätä menetelmää ei voida soveltaa määritettäessä kaasun pitoisuutta. Etenkin, jos 5 häiriökaasun absorptiovyö on voimakas, intensiteettisuhteet vääristyvät voimakkaasti. 1. Menetelmä päällekkäisten absorptiovöiden erottelemi seksi toisistaan infrapunaspektristä, jossa osa mitattavan kaasun ja häiriökaasun absorptiovöistä osuu samoille aaltoluku-alueille, tunnettu siitä, että menetelmään kuuluu seuraavat vaiheet: 15 ladataan häiriökaasun puhdas spektri vertailupitoisuu-della muistiin; valitaan häiriökaasun spektristä puhdas aaltolukualue, joka ei mene minkään tutkittavan kaasun sisältämän muun 20 aineen spektrin kanssa päällekkäin; mitataan tutkittavan kaasuseoksen spektri, joka ladataan muistiin; edellä mainittu puhtaan alueen aaltolukualue määritetään ; 25 mitatusta spektristä, ja lasketaan häiriökaasun suhteel linen pitoisuusarvo tutkittavassa kaasussa tämän avulla; jaetaan mitattu spektri lasketulla häiriöspektrillä, jolloin saadaan korjattu spektri. 30 2. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että häiriökaasun spektrin rekonstruoimiseksi määritetään mitatun spektrin pinta-ala sanotulla puhtaan alueen aaltolukualueella, jota verrataan vastaavaan pinta-alaan laskettuna häiriökaasun ' _ ' 35 puhtaasta spektristä vertailupitoisuudella, joiden avulla lasketaan pitoisuussuhde ja edelleen mainittu häiriöspektri. 6 87116

1. Förfarande för separering av överlappande absorptions-bälten frän varandra i ett infrarödspektrum, där en del av 5 absorptionsbältena för den gas sora skall mätäs och den störande gasen ligger pä samma väglängdsomräde, kännetecknad av att förfarandet innefattar följande faser: ett rent spektrum för den störande gasen laddas med 10 referenshalt in i minnet; frän den störande gasens spektrum väljs ett rent väglängdsomräde, vilket inte faller inora spektret för nägot av de ämnen som finns i den gas som skall undersökas; 15 spektret för den gas som skall undersökas mäts och laddas in i minnet; väglängdsomrädet för det ovan nämnda rena omrädet 20 definieras för det uppmätta spektret, och den störande gasens relativa andel beräknas av gasen som skall mätäs. det uppmätta spektret divideras med det beräknade störningsspektret, varvid man erhäller ett korrigerat .'·· 25 spektrum.

: 2. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat av att man för att rekonstruera den störande gasens spektrum beräknar det . uppmätta spektrets yta pä det nämnda rena omrädets väglängds- 30 omräde, vilket jämförs med motsvarande yta beräknad för den . . störande gasens rena spektrum vid referenshalten, med vars hjälp man beräknar de relativa halterna och dessutom det nämnda • störningsspektret.