ITMI951245A1 - Metodo fotoacustico per misurare la concentrazione di sostanze assorbenti luce - Google Patents

Abstract

In un condotto di fumi (1) in cui sono presenti sostanze assorbenti luce si produce una pluralità di m punti di intersezione fra una pluralità di n raggi laser (6) impulsati e una pluralità di q piani, perpendicolari a detti raggi laser, ciascuno passante per il centro di un microfono (7) per ottenere una pluralità di m segnali fotoacustici utili per la misura desiderata (Fig. 1).

Description

La presente invenzione riguarda un metodo fotoacustico per misurare la concentrazione di sostanze assorbenti luce. Drecisamente Der misurare detta concentrazione in modo puntuale e non intrusivo e in un ambiente esteso. con ambiente esteso intendendosi una parte di spazio non necessariamente delimitata da pareti fisiche o una sarte di spazio delimitata da pareti fisiche, duali ad esempio i condotti di fumi di una caldaia o di un impianto chimico: con sostanze assorbenti luce si intende qualsiasi corpo solido, liauido. sassoso o in forma di aereosol capace di assorbire luce di determinate lunghezze d'onda. Lo S COPO di tale misura è di fornire una mappatura delle concentrazioni di dette sostanze a scopo diasnostico o per ottimizzare il funzionamento di un impianto: in particolare la mappatura della concentrazione di gas in ambienti estesi , in corrispondenza di un sistema di catalisi, ha lo scopo di fornire informazioni utili alla messa a punto dell'impianto di catalisi stesso o di fornire indicazioni circa la sua efficienza o le sue eventuali anomalie.

Secondo la tecnica nota, detta misura è eseguita con diverse metodologie. utilizzando sistemi commerciali, basati su principi diversi, che consentono di determinare la concentrazione di snecie chimiche, ad esempio di ammoniaca, in un condotto con le seguenti modalità:

misura puntuale con prelievo, tramite sonde aspiranti posizionate nei punti dell'impianto in cui si desidera effettuare la misura della concentrazione: le sonde convogliano il fumo da analizzare verso lo strumento di misura per un'analisi in linea o verso una trappola o contenitore in cui il campione di gas viene

analisi può basarsi su diversi tipi di tecniche. come metodi colorimetrici, di cromatografia ionica. o di assorbimento a microonde: è stato sviluppato anche uno strumento basato sulla stessa tecnica fotoacustica utilizzata per lo strumento oggetto della presente proposta di brevetto, ma auesta tecnica effettua la misura in cella su gas prelevati mediante sonda coll'inconveniente che per ottenere una mappatura della concentrazione occorre disporre di una o più sonde, da spostare o distribuire nei punti di misura desiderati.

- misura integrale su tutto il percorso, ad esempio mediante metodi di assorbimento ottico: questa tecnica di misura consente di effettuare una misura di concentrazione media lungo il cammino ottico Interposto tra un trasmettitore di luce e un

trasmettitore e il ricevitore sono posti in corrispondenza di due pareti opposte del condotto:la mappatura potrebbe in auesto caso essere effettuata mediante tecniche tomografiche . misurando la concentrazione integrata lungo diverse linee trasversali di misura che intersecano il condotto.

Le limitazioni della tecnica nota stanno in ciò che nessuno strumento è in grado di effettuare la misura dì concentrazione auasl simultanea e in maniera non intrusiva su una griglia di DÌÙ Dunti in un ambiente esteso e di dare la misura integrata di concentrazione su una o più corde. Inoltre, le misure puntuali sono di tipo intrusivo, necessitano cioè di inserire nel punto voluto, ad esempio all’interno di un condotto di fumi, a contatto con gas caldi e corrosivi f la sonda di prelievo. La linea di prelievo deve essere solitamente riscaldata per evitare la condensazione dei gas (in particolare NHi e HoO). Le tecniche di tino estrattivo richiedono spesso di condizionare il campione e di calibrare periodicamente le sonde mediante bombole di gas campione.

I principi fisici su cui è basata la presente

Quando un raggio di luce di una determinata lunghezza d'onda, incide su di un corpo assorbente (solido,, liquido o sassoso) Darte dell'energia trasportata dal raggio viene assorbita dal corpo e viene sucessivamente convertita. parzialmente o auasi interamente, in calore, cioè nel riscaldamento di quella parte del materiale che è attraversato dal raggio. Se il raggio è impulsato o modulato nel tempo (in intensità o in lunghezza d'onda), anche il riscaldamento del corpo avviene in maniera modulata nel tempo (con tempi caratteristici che dipendono sia dal tipo di eccitazione luminosa che dalle caratteristiche del corpo). Il riscaldamento del corno, variabile nel tempo produce a sua volta delle onde acustiche. la cui ampiezza è proporzionale all'intensità luminosa del raggio e alla concentrazione della sostanza assorbente. Misurando auindi l'intensità del segnale luminoso incidente mediante un rivelatore di luce e l'intensità del segnale acustico mediante un rivelatore acustico, che nel seguito chiameremo semplicemente microfono, è possibile, tramite delle caratteristiche del mezzo e della geometria della misura, ottenere il dato di concentrazione.

La sorgente luminosa può essere di tipo convenzionale (ad esempio una lampada che emette luce visibile od un corpo nero a temperatura elevata nell'infrarosso) ma è Dref eribilmente di tino laser. In questo secondo caso, a causa delle proprietà di coerenza spaziale della sorgente laser, il raggio luminoso si propaga mantenendosi sostanzialmente collimato anche per lunghi percorsi; grazie a auesta oroDrietà. l'onda acustica che si propaga auando il raggio attraversa mezzi otticamente assorbenti è generata da una zona 3pazialmente ben delimitata che coincide con il raggio stesso; questo rende possibile un'analisi di Eone particolari del mezzo.

Il segnale fotoacustico generato da impulsi laser brevi è pure di tipo impulsato con durata 'ieterminata dalle caratteristiche del corno, dalla sezione del fascio laser e dalla sua durata.

Il tipo di microfono utilizzato dipende dal tino

1ii ambiente in cui viene posto: per misure nei gas 3i utilizzano solitamente microfoni a condensatore o 1ii tipo piezoceramico .

La sensibilità del metodo di misura à tale che si possono misurare assorbimenti ottici molto bassi, fino a 10”7 cm-l in taluni casi favorevoli, per coi si possono agevolmente misurare concentrazioni di sostanze anche ben al di sotto del livello di 1 ppm. per contro, misure dirette di assorbimento ottico offrono una sensibilità inferiore consentendo di misurare assorbenze non inferiori a circa 10-3, Il metodo fotoacustico è da diversi anni

a ipplicato in laboratori di ricerca per la misura dello spettro di assorbimento di diverse sostanze, o per la misura della concentrazione di diversi gas in tracce in fluidi gassosi o liquidi. Nella maggior parte delle applicazioni il fluido da esaminare riene aspirato all’interno di celle di misura; per consentire il passaggio della radiazione ottica all’interno della cella stessa, le sue pareti sono Provviste di finestre costruite con materiale trasparente alla radiazione ottica impiegata. TI microfono è solitamente alloggiato all'interno della cella stessa, oppure accoppiato ad essa tramite una guida d’onda, che consente il trasporto del segnale acustico da questa verso l'area sensibile del microfono senza subire sostanziali attenuazioni.

Un minor numero di applicazioni, descritte in letteratura, non richiede l’uso di celle, ad esempio per lo studio della dinamica di fiamme in laboratorio e per l'analisi di radicali, la misura è stata effettuata focalizzando la radiazione laser nella zona da controllare e raccogliendo li segnale fotoacustico a 90° mediante un microfono esterno alla zona di reazione.

Il vantaggio del metodo sopradescritto consiste in una buona sensibilità e nel fatto che si possono e seguire misure in un punto ben preciso e. che la misura non è intrusiva e quindi non perturba il Processo in esame.

La presente invenzione è basata sulla fotoacustica laser e risolve. 11 problema di ottenere la mappatura di specie chimiche all 'interno di un ambiente esteso, quale un condotto di fumi. Il metodo inventato usa il fenomeno di un segnale fotoacustico che si propaga a 90° rispetto alla direzione di propagazione del raggio laser che lo ha generato; conseguentemente, un microfono poSto ad una determinata distanza da un raggio laser raccoglie un segnale proveniente de un punto ben definito dell'ambiente in esame, cioè dal punto d'intersezione del raggio laser col piano ad esso perpendicolare passante per il centro del microfono· l'intensità del segnale misurato dal microfono è proporzionale alla concentrazione del corpo assorbente e all'energia del raggio laser nel punto d'intersezione; l'intensità del segnale misurato dal microfono è funzione del diametro, della durata dell'impulso del raggio laser, della temperatura all'interno dell'ambiente, della distanza fra il raggio laser e il microfono e (dipende infine dalla composizione del gas entro l'ambiente. L'energia di un impulso laser si può misurare con un conveniente rivelatore, mentre gli altri parametri possono essere compresi in un conveniente fattore di accoppiamento da definire a mezzo di una calibrazione.

Il metodo fotoacustico inventato per misurare la concentrazione di sostanze assorbenti in un ambiente esteso comprende il produrre entro detto ambiente almeno una pluralità di m punti di intersezione fra una pluralità di n raggi laser impulsati, convenientemente distanziati, e una pluralità di piani, perpendicolari a detti n raggi laser, anch'essi convenientemente distanziati, ciascuno passante per il centro di un microfono, così da ottenere una pluralità di m = = n x q segnali fotoacustici utilizzabili per la misura desiderata.

Gli n raggi laser possono essere raggi secondari ottenuti riflettendo a mezzo di un assieme di specchi il raggio laser primario emesso da un'adatta fonte laser impulsata.

Preferibilmente gli n raggi laser sono paralleli fra loro e giacciono su uno stesso piano e detti a piani sono oaralleli fra loro e perpendicolari ai raggi laser.

Detto ambiente esteso può essere uno spazio delimitato da una parete perimetrale come un condotto percorso da un fluido in cui detti n raggi laser penetrano trasversalmente attraverso aperture ricavate su una prima porzione di detta parete, mentre detti q piani passanti per il centro di altrettanti microfoni passano trasversalmente nel condotto attraverso una seconda porzione di detta parete in cui sono installati detti microfoni.

Si comprende che detto ambiente esteso può essere un condotto avente sezione trasversale circolare, quadrata o rettangolare e che detta pluralità di m punti di intersezione si troverà su un piano trasversale del condotto; si comprende anche che possono essere ottenute più di una di dette aluralità di detti m punti di intersezione nel condotto se si generano più di un piano trasversale contenente raggi laser e ulteriori pluralità di q piani passanti per ulteriori microfoni.

Adatti rivelatori di luce sono posti sulla parete opposta alla prima, ciascuno colpito da un raggio laser , per misurare l'energia trasmessa attraverso l'ambiente e.quindi, fornire indicazioni sulla concentrazione media della sostanza in esame e per consentire di calcolare l'energia del raggio laser in ciascuno di detti m punti di intersezione e, quindi, la concentrazione puntuale.

Ciascun microfono è preferibilmente associato ad un'antenna ricevente per fornire segnali più ampi.

La fonte laser è preferibilmente impulsata a impulsi brevi per produrre impulsi acustici di breve iurata e segnali fotoacustici che, originati da raggi laser posti a distanze diverse dai microfoni, raggiungono questi ultimi in momenti diversi e perciò sono chiaramente distinguibili permettendo di effettuare le misure contemporaneamente lungo tutti 1 raggi laser oppure, ovviamente, in alternativa, in sequenza lungo un raggio laser dopo l'altro.

I principali vantaggi dell'invenzione sono riassunti qui di seguito: la misurazione non è intrusiva, cioè non richiede l'introduzione di strumenti all'interno dell'ambiente in esame poiché

è eseguito a distanza, offre soddisfacente risoluzione spaziale e può fornire dati sulla concentrazione di sostanze sassose in almeno un reticolo interno a un ambiente esteso.

L'invenzione sarà descritta DÌÙ in dettaglio con un esempio di realizzazione e con riferimento al disegno allegato che in

FIG. 1 mostra delle apparecchiature che attuano Π metodo in un condotto di fumi di una caldaia di centrale termoelettrica.

La figura mostra la sezione trasversale di un condotto di fumi 1 di una caldaia che porta sulla parete sinistra tre aperture 2 chiuse con materiale trasparente al raggio laser impiegato: la sorgente di un adatto raggio laser 3 emette un raggio laser primario A che.un sistema di specchi 5 scompone e riflette in n = 3 raggi laser secondari 6, disposti sullo stesso piano. che penetrano paralleli fra loro nel condotto di fumi attraverso le aperture 2; sulla parete superiore sono posizionati c[ = A nicrofoni 7 capaci di rivelare i segnali acustici provenienti dagli m = n x = 12 punti 8 del reticolo generato dall'intersezione dei tre raggi laser con i Quattro piani perpendicolari ai raggi laser e passanti ciascuno , per il .centro, di un mlcrofono; sulla parete destra del condotto di fumi.

a un'apertura 2 e colpito da un raggio laser 6 per consentire di misurare l'energia trasmessa attraverso il condotto; un sistema elettronico di controllo e acquisizione dati 10. collegato con adatti cavi 11 alle parti già descritte, raccoglie ed elabora i segnali fotoacustici provenienti dai microfoni e i segnali di energia provenienti dai rivelatori acustici e governa il funzionamento dell'intero sistema.

Claims (6)

1. R IVENDICAZIONI 1. Metodo fotoacustico per misurare la concentrazione di sostanze assorbenti luce in un amM ent-.e paleno caratterizzato dal produrre entro detto ambiente almeno una pluralità di m punti di intersezione (8) fra una pluralità di n raggi laser impulsati (6). .convenientemente distanziati, e una pluralità di q piani. ciascuno perpendicolare a un proprio corrispondente fascio laser e passante per il centro di un microfono (7), così da ottenere una pluralità di m = n x q segnali fotoacustici utilizzabili per la misura desiderata.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato da.ciò che. gli n raggi, laser (6) sono raggi secondari ottenuti riflettendo a mezzo di un assieme .di specchi (5) il raggio laser primario (A) emesso da un'adatta fonte laser impulsata (3) .
3. 3. Metodo secondo le rivendicazioni 1 e 2 caratterizzato da ciò che gli n raggi laser (6) sono paralleli fra loro e giacciono su uno stesso piano e detti q piani sono paralleli fra loro e perpendicolari ai raggi laser.
4. 4. Metodo secondo le rivendicazioni 1. 2 e 3 caratterizzato da ciò che detto ambiente esteso può essere uno spazio delimitato (1) da una parete. perlmetrale come un condotto percorso da un fluido in cui detti n raggi laser (6) penetrano trasversalmente, attraverso aperture (2) ricavate su una prima porzione di detta parete, mentre detti q piani passanti per il centro di altrettanti microfoni (7) passano trasversalmente nel condotto in cui sono installati detti microfoni (7).
5. 5. Metodo secondo le rivendicazioni da 1 a 4 caratterizzato da ciò che adatti rivelatori di luce (9) sono installati al di la di detta pluralità di punti di intersezione m per ricevere, ciascuno, uno di detti raggi laser (6) e misurare l'energia trasmessa attraverso l'ambiente e, quindi, fornire indicazioni sulla concentrazione media della sostanza in esame e per consentire di calcolare 1 'energia del raggio laser in ciascuno di detti m punti di intersezione e, quindi, la concentrazione puntuale.
6. 6. Metodo secondo le rivendicazioni da 1 a 5 caratterizzato ad ciò che ciascun microfono (7) è associato ad un'antenna ricevente per fornire segnali più ampi. Metodo secondo le rivendicazioni precedenti caratterizzato da ciò che la fonte laser (3) preferibilmente impulsata a impulsi brevi per produrre impulsi acustici di breve durata e segnali fotoacustici che essendo originati da raggi laser (.6.) posti a distanze diversa dai microfoni (7)., perciò sono chiaramente distinguibili permettendo di effettuare le misure contemporaneamente lungo tutti i raggi laser (6) oppure, in alternativa in sequenza lungo un raggio laser dopo l’altro.