ITCB960002A1

ITCB960002A1 - MODULAR SPECTROSCOPIC INSTRUMENT FUNDAMENTALLY AIMED AT THE MEASUREMENT OF AIR POLLUTANTS.

Info

Publication number: ITCB960002A1
Application number: IT96CB000002A
Authority: IT
Inventors: Padula Cesare D La; Armando Palma
Original assignee: Fur Sol
Priority date: 1996-03-12
Filing date: 1996-03-12
Publication date: 1997-09-12
Also published as: IT1287683B1; ITCB960002A0

Description

Descrizione del brevetto per invenzione industriale avente per titolo: ?Strumento spettroscopico modulare rivolto fondamentalmente alla misura degli inquinanti atmosferici? Description of the patent for industrial invention entitled:? Modular spectroscopic instrument basically aimed at measuring atmospheric pollutants?

La presente invenzione ha per oggetto notevoli innovazioni negli strumenti spettroscopici rivolti in modo particolare ma non esclusivo alla rilevazione degli inquinanti atmosferici. Attualmente il sistema di monitoraggio degli inquinanti gassosi usa prevalentemente una tecnica di analisi valida per un solo inquinante per strumento (analizzatori a raggi infrarossi, a chemiluminescenza e paramagnetici), tali analizzatori necessitano di una calibrazione frequente mediante l?uso di miscele gassose a titolo noto. The present invention relates to considerable innovations in spectroscopic instruments aimed particularly but not exclusively at the detection of atmospheric pollutants. Currently the monitoring system of gaseous pollutants mainly uses an analysis technique valid for only one pollutant per instrument (infrared, chemiluminescence and paramagnetic analyzers), these analyzers require frequent calibration through the use of gas mixtures with a known titre .

Viceversa gli strumenti del tipo che si vuole introdurre vanno incontro alla esigenza di misurare con un unico strumento gli inquinanti gassosi principali. Inoltre tali strumenti hanno il vantaggio di fornire le concentrazioni di inquinanti in forma continua, in tempo reale e su aree di grande estensione (dell?ordine di 10 Kmq). Conversely, the instruments of the type to be introduced meet the need to measure the main gaseous pollutants with a single instrument. Furthermore, these instruments have the advantage of providing the concentrations of pollutants in a continuous form, in real time and over large areas (of the order of 10 sq km).

Il principio fisico su cui tali strumenti si basano ? quello dell?assorbimento differenziale da parte delle molecole degli inquinanti presenti nel mezzo interposto, per esempio nell?atmosfera, intercettate dal raggio luminoso limitato dalle coordinate di posizione del ricevitore e del trasmettitore. The physical principle on which these tools are based? that of the differential absorption by the molecules of the pollutants present in the interposed medium, for example in the atmosphere, intercepted by the light beam limited by the position coordinates of the receiver and the transmitter.

L?analisi quantitativa delle bande di assorbimento delle molecole fornisce le concentrazioni degli inquinanti gassosi. The quantitative analysis of the absorption bands of the molecules provides the concentrations of the gaseous pollutants.

Gli strumenti di questo tipo (spettroscopici) sono raramente utilizzati in quanto hanno alcuni inconvenienti, che si possono cos? riassumere: The instruments of this type (spectroscopic) are rarely used as they have some drawbacks, which can be so? to summarise:

1. la necessit? di presidiare ambedue le postazioni dove vengono collocati l?emettitore e il rivelatore, per evitare fenomeni di vandalismo 1. the need? to guard both the stations where the emitter and the detector are placed, to avoid vandalism

2. necessit? di un allineamento preciso delle ottiche del rivelatore e dell?emettitore. Tale inconveniente ? particolarmente grave nel momento in cui i due moduli vengano disallineati successivamente alla loro messa a punto per effetto di urti, di scosse telluriche o altro. 2. need precise alignment of the detector and emitter optics. Such a drawback? particularly serious when the two modules are misaligned after their adjustment due to impact, earthquake or other.

3. una risoluzione in lunghezza d?onda non adeguata alle esigenze della misura. Le innovazioni che formano oggetto del presente trovato hanno lo scopo di eliminare in via principale gli inconvenienti sopra citati, pur migliorando le prestazioni della strumento di rilevazione in termini di sensibilit? e di risoluzione spettrale. 3. a resolution in wavelength not adequate to the needs of the measurement. The innovations which form the subject of the present invention have the purpose of eliminating the above-mentioned drawbacks in the main, while improving the performance of the detection instrument in terms of sensitivity. and spectral resolution.

Una prima caratteristica del trovato consiste nel porre al posto dell?emettitore una struttura prismatica retro-riflettente catadiottrica nella quale il fascio di luce incidente viene riflesso sullo stesso cammino ottico della luce incidente, indipendentemente dall?angolo di incidenza. Questo fa s? che non vi sia alcuna necessit? di allineamento n? nella fase di messa a punto della strumentazione n? in tempi successivi. Inoltre in questo modo, la collocazione dell?emettitore e del ricevitore possono coincidere, lasciando eventualmente incustodita la struttura riflettente, poco appariscente e comunque sostituibile facilmente. A first characteristic of the invention consists in placing in the place of the emitter a retro-reflecting prismatic structure in which the incident light beam is reflected on the same optical path as the incident light, regardless of the angle of incidence. This does s? that there is no need? of alignment n? in the phase of development of the instrumentation n? in later times. Furthermore, in this way, the location of the emitter and the receiver can coincide, possibly leaving the reflective structure unattended, inconspicuous and in any case easily replaceable.

Una seconda caratteristica del trovato consiste nell?adottare, al posto di un solo dispersore di luce una struttura ottica consistente di due dispersori incrociati che determinano una sequenza di lunghezze d?onda in un opportuno intervallo di lunghezze d?onda, per esempio da 300 a 800 nanometri, su diversi ordini spettrali elevati registrabili su righe successive di un rivelatore CCD (Charged Coupled Device) bidimensionale. Il vantaggio di questo tipo di soluzione ? innanzitutto quello di una pronta disponibilit? sul mercato in quanto il rivelatore bidimensionale ha un uso diffusissimo sia per le riprese cinematografiche che per le osservazioni astronomiche. Questi rivelatori raggiungono sensibilit? molto elevate, inoltre essi vengono dotati di un controllore in grado di fornire un?uscita digitale dellimmagine. A second characteristic of the invention consists in adopting, instead of a single light disperser, an optical structure consisting of two crossed dispersers which determine a sequence of wavelengths in a suitable range of wavelengths, for example from 300 to 800 nanometers, on different high spectral orders recordable on successive lines of a two-dimensional CCD (Charged Coupled Device) detector. The advantage of this type of solution? first of all that of a ready availability? on the market as the two-dimensional detector has a widespread use both for film shooting and for astronomical observations. Do these detectors reach sensitivity? very high, moreover they are equipped with a controller capable of providing a digital output of the image.

Una terza caratteristica del trovato consiste nella possibilit? di fornire lo spettro effettivo della sorgente, indipendentemente dalle caratteristiche fornite dalla ditta costruttrice mediante misure dirette sul rivelatore. Questo consente di valutare lo stato della sorgente al momento della misura degli inquinanti e di decidere una sua eventuale sostituzione. A third characteristic of the invention consists in the possibility? to provide the actual spectrum of the source, regardless of the characteristics provided by the manufacturer by direct measurements on the detector. This allows to evaluate the state of the source at the moment of the pollutants measurement and to decide on its possible replacement.

Una quarta caratteristica del trovato consiste nella possibilit? di sottrarre facilmente la corrente di buio e di misurare la risposta fotometrica di ciascun pixel mediante esposizione ad una luce uniforme (fiat f?eld). Detta uniformit? ? pi? facilmente ottenibile su una struttura bidimensionale di piccole dimensione che su una struttura monodimensionale molto lunga. A fourth characteristic of the invention consists in the possibility? to easily subtract the dark current and to measure the photometric response of each pixel by exposure to uniform light (fiat f? eld). Said uniformity? ? pi? easily obtainable on a small two-dimensional structure than on a very long one-dimensional structure.

Una quinta caratteristica del trovato consiste nell?elevato numero di pixel in cui viene registrato lo spettro, questo consente di registrare lo spettro fra 300 e 800 nanometri, ad esempio, con una risoluzione spettrale fino a 0.1 nanometri. A fifth characteristic of the invention consists in the high number of pixels in which the spectrum is recorded, this allows to record the spectrum between 300 and 800 nanometers, for example, with a spectral resolution up to 0.1 nanometers.

Queste ed altre caratteristiche risulteranno ora maggiormente in relazione ad una forma di esecuzione, data solo a titolo di esempio, di uno strumento spettroscopico provvisto dei perfezionamenti in oggetto, con l?ausilio dei disegni allegati, in cui: These and other characteristics will now be more in relation to an embodiment, given only by way of example, of a spectroscopic instrument provided with the improvements in question, with the aid of the attached drawings, in which:

? la figura 1 mostra la struttura generale dell?apparato di misura, ? figure 1 shows the general structure of the measuring apparatus,

? la figura 2 mostra lo schema ottico dello spettroscopio, ? figure 2 shows the optical diagram of the spectroscope,

Con riferimento alla figura 1 si indica con (A) la struttura complessa da presidiare (primo modulo), costituita dalla sorgente di iuce(a), lo specchio di rimando (b), lo specchio ricevitore (c), lo spettroscopio (C) ed il rivelatore (e). Con (B) si indica la superficie riflettente passiva (secondo modulo): tale modulo ? caratterizzato da una superficie catadiottrica che permette di operare senza particolare precisione di allineamento. Con questo strumento il rivelatore misura lo spettro della sorgente posta in (a) filtrato attraverso tutte le molecole costitutive del mezzo (I), compreso gli inquinanti, in cui lo strumento ? immerso, (ad esempio nell? atmosfera), e lo spettro diretto della sorgente. Lo spettro diretto pu? essere misurato in una fase preliminare (cio? senza che il fascio compia il percorso dal modulo (A) al modulo (B) e di ritorno ad (A) ) mediante un sistema ottico che devia la luce direttamente sulla fenditura dello spettroscopio. With reference to figure 1, (A) indicates the complex structure to be manned (first module), consisting of the light source (a), the return mirror (b), the receiving mirror (c), the spectroscope (C) and the detector (e). With (B) we indicate the passive reflecting surface (second module): this module? characterized by a retro-reflecting surface that allows to operate without particular alignment precision. With this instrument the detector measures the spectrum of the source placed in (a) filtered through all the constituent molecules of the medium (I), including the pollutants, in which the instrument? immersed, (for example in the atmosphere), and the direct spectrum of the source. The direct spectrum can? be measured in a preliminary phase (ie without the beam traveling from module (A) to module (B) and back to (A)) by means of an optical system that deflects the light directly onto the slit of the spectroscope.

Con riferimento alla figura 2, che descrive in dettaglio il sottomodulo (C) del modulo (A), con (a) ? indicata la posizione della fenditura, con (b) ? indicato il primo reticolo, con (c) il secondo reticolo a gradinata, con (d) ? indicato lo specchio collimatore e con (e) lo specchio di uscita; infine con (f) ? indicata la posizione del rivelatore bidimensionale CCD su cui viene registrato lo spettro. With reference to Figure 2, which describes in detail the submodule (C) of module (A), with (a)? indicated the position of the slit, with (b)? indicated the first lattice, with (c) the second stepped lattice, with (d)? indicated the collimator mirror and with (e) the exit mirror; finally with (f)? the position of the two-dimensional CCD detector on which the spectrum is recorded is indicated.

Il sottomodulo (C) ? contenuto in una scatola opaca, a prova di intemperie. The submodule (C)? contained in an opaque, weatherproof box.

Nella ulteriore fase di calibrazione dello strumento si misura la corrente di buio del CCD mediante l?occlusione della fenditura. La mappa di sensibilit? della matrice di pixel del CCD viene ottenuta esponendo il rivelatore ad una sorgente di luce uniforme. La calibrazione ottenuta in questa fase si ritiene valida per un lungo periodo. L?intervallo di tempo necessario alla misura degli inquinanti atmosferici viene predeterminato in base alla geometria dello strumento ed alla luminosit? della sorgente. In the further calibration phase of the instrument, the dark current of the CCD is measured by occluding the slit. The sensitivity map? of the pixel matrix of the CCD is obtained by exposing the detector to a uniform light source. The calibration obtained in this phase is considered valid for a long period. The time interval necessary for the measurement of atmospheric pollutants is predetermined on the basis of the geometry of the instrument and the brightness. of the source.

La sequenza delle lunghezze d?onda dello spettro viene ricostruita mediante l?identificazione di alcune caratteristiche spettrali presenti contemporaneamente alla fine della riga n-esima ed aH?inizio della riga (n+l)-esima. Tali righe corrispondono a differenti valori consecutivi dell?ordine spettrale. I valori registrati sul CCD vengono ricondotti a misure di intensit? mediante i valori della corrente di buio e della mappa di sensibilit?, valori ottenuti durante le fasi preliminari. Viene poi sottratto lo spettro della sorgente per ottenere l?intensit? delle bande di assorbimento degli inquinanti. Questi valori di intensit? costituiscono la base per il calcolo dei valori della densit? media degli inquinanti gassosi presenti nel cammino ottico del fascio. La conversione intensit? delle bande di assorbimento-densit? media degli inquinanti ? ottenuta mediante un opportuno programma di calcolo. The sequence of the wavelengths of the spectrum is reconstructed by identifying some spectral characteristics present simultaneously at the end of the nth line and at the beginning of the (n + l) -th line. These lines correspond to different consecutive values of the spectral order. The values recorded on the CCD are traced back to intensity measurements? through the values of the dark current and the sensitivity map, values obtained during the preliminary phases. The spectrum of the source is then subtracted to obtain the intensity? of the absorption bands of pollutants. These values of intensity? form the basis for the calculation of the density values? average of the gaseous pollutants present in the optical path of the beam. The conversion intensity? of the absorption-density bands? average of pollutants? obtained by means of an appropriate calculation program.

In pratica i particolari di esecuzione, le dimensioni, i materiali, la forma e simili dello strumento spettroscopico potranno comunque variare senza pertanto uscire dall?ambito del trovato e quindi dal dominio della presente privativa industriale. In practice, the details of execution, the dimensions, the materials, the shape and the like of the spectroscopic instrument may in any case vary without therefore departing from the scope of the invention and therefore from the domain of the present industrial patent.

Claims

Claims: 1. Spectroscopic instrument, in which the source and the detector are located in one place.

2. Spectroscopic instrument, according to claim 1, wherein a system of mirrors determines the path of the radiation between A and B and vice versa.

3. Spectroscopic instrument, according to the preceding claims, characterized by the presence of a surface which transmits the light from the source to the detector, without particular alignment precision.

4. Spectroscopic instrument, according to the preceding claims, characterized by the presence of two optically coupled gratings, the second of which is stepped, in order to increase the sensitivity. instrumental.

5. Spectroscopic instrument, according to the preceding claims, characterized by the presence of a two-dimensional detector (cooled CCD), and with digital output.

6. Spectroscopic instrument, according to the preceding claims, which allows the direct predetermination of the source spectrum.

7. Spectroscopic instrument, according to the preceding claims, capable of measuring the spectrum of the source filtered through the medium in which the instrument? immersed and in particular through the atmosphere.

8. Spectroscopic instrument, according to the preceding claims, capable of providing the intensity? of the absorption bands and therefore the concentration of the pollutants present in the medium by subtracting the direct spectrum of the source from the spectrum of the radiation intercepted by the molecules of the medium.