RO106458B1 - Metoda si dispozitiv pentru determinarea spectroscopica a cantitatilor de gaze in amestecurile de gaze - Google Patents

Description

Invenția se referă la o metodă și un dispozitiv pentru determinarea spectroscopică a cantităților de gaze în amestecurile de gaze, la care se folosește, alternând periodic, lumină monocromatică cu cel puțin două lungimi de undă, lumina cel puțin unei lungimi de undă fiind caracteristică, iar lumina cel puțin unei alte lungimi de undă fiind necaracteristică pentru transmisia gazului care urmează a fi determinat.

Determinarea cantității unui gaz anumit în amestecuri de gaze se face pe baza absorbției radiației având lungime de undă caracteristică pentru gazul respectiv. Gazele moleculare posedă îndeosebi o caracteristică pronunțată în domeniul infraroșu îndepărtat.

în scopul diferențierii spectrale a absorbției caracteristice de către gazul căutat de o radiație de fond, respectiv de atenuarea necaracteristică a radiației pe traseul de transmitere, se procedează la secvențierea periodică cu întrerupere corespunzătoare a emisiei unei surse de radiație, în conformitate cu procedeele uzuale de analiză diferențială pentru o lungime de undă caracteristică pentru gazul respectiv, respectiv pentru o lungime de undă nespecifică învecinată cu aceasta.

Ca surse de radiație sunt la dispoziție laserele; în domeniul vizibil poate fi utilizat pentru acest scop un laser cu colorant, iar în domeniul infraroșu, un laser corespunzător cu gaz molecular. Acesta din urmă folosește tranzițiile de vibra țierotație a gazului respectiv. Laserul cu gaz molecular este acordat pe lungimea de undă a liniilor de emisie dorite, prin intermediul unei oglinzi a rezonatorului pe un dispozitiv de micropoziționare, respectiv a unei grile optice. Micropoziționarea poate fi comandată de către niște semnale electrice pentru generarea secvenței periodice a emisiei cu lungimi de undă diferite.

în legătură cu cele de mai sus, o importanță tehnică deosebită o are determinarea cantității de amoniac în gazele de ardere. Gazele de ardere apar la orice ardere atmosferică și odată cu ele apar în mod inevitabil și oxizi de azot NO_X. Aceștia pot fi, pe de o parte, reduși catalitic prin alimentare cu amoniac pentru obținerea de produse nenocive, însă pe de altă parte nu este dorită asemenea alunecare adică un surplus vizibil de amoniac.

în conformitate cu legile fizicii, coincid în cadrul lățimii liniilor câte o linie a tranziției de vibrație/rotație a amoniacului, respectiv a compusului 13_c16_Oj pentru lungimea de undă de 9,89 um, astfel încât absorbția radiației unui laser cu 13_C16_O acordat poate să dea indicații cu privire la conținutul de amoniac în amestecul de gaze care a absorbit radiația respectivă.

în cazul în care sunt cantități infime ale gazului căutat în amestecul de gaze, în cazul de față amoniac în gazele de ardere, absorbția specifică se deosebește doar puțin de absorția ne&peCifîcă în secvența emisiilor laserului, astfel încât semnalele de transmisie ale secvenței diferă doar în mică măsură unele de altele, mai fiind pe deasupra încărcate cu elementele de zgomot incoerente în semnalele emisiei laserului, provenite și din perturbări pe traseul de măsurare și din dispozitivul de detectare. Aceste situații duc la necesitatea asigurării unor perioade lungi de integrare a semnalelor, ceea ce presupune pe de altă parte condiții ridicate de stabilitate în funcționarea instalației.

Este cunoscut un circuit pentru fotometru și o metodă folosind un laser ce emite periodic lumină alternantă cu două lungimi de undă, una caracteristică și cealaltă necaracteristică pentru un gaz a cărei concentrație într-un amestec de gaze urmează a fi măsurată, radiația după trece106458 re prin amestec fiind detectată și prelucrată de niște circuite electronice, astfel încât un amplificator diferențial sesizează diferența dintre intensitățile razelor laser recepționate pentru cele două lungimi de undă diferite, diferența reprezentând o măsură pentru concentrația gazului căutat, în măsurătoare folosindu-se întreaga lățime a benzii semnalului recepționat.

Dispozitivul are dezavantajul că rezultatul măsurătorii este influențat de variația de intensitate a radiației laser emise, precum și de alte perturbații.

Problema pe care o rezolvă invenția constă în a realiza o metodă și un dispozitiv pentru determinarea spectroscopică a cantităților de gaze în amestecul de gaze, astfel încât influența factorilor perturbatori asupra rezultatului măsurătorii să fie diminuată.

Metoda pentru determinarea spectroscopicâ a concentrației de gaze în amestecuri de gaze, la care amestecul este supus cu alternare periodică la acțiunea unei raze de lumină monocromatică de intensitate determinată cu două lungimi de undă, una caracteristică, iar cealaltă necaracteristică pentru transmisia prin gazul care urmează a fi determinat, fiind măsurată intensitatea radiației care părăsește amestecul de gaze, generând printrun detector semnale electrice, conform invenției, înlătură dezavantajele de mai sus, prin aceea că parametrii celor două faze ale perioadei de emisie ale radiației incidente sunt astfel reglați încât să dispară din aceasta componenta care va apărea după trecerea radiației prin amestecul de gaze datorită concentrației gazului de măsurat, iar după trecerea radiației prin amestecul de gaze se măsoară intensitatea cel puțin unei componente Fourier impare a radiației care părăsește amestecul.

Din semnalul detectat după transmisia prin amestecul de gaze, se separă com ponentele armonice ale cel puțin unei frecvențe Fourier impare care sunt raportate la cele ale unei frecvențe Fourier pare, acest raport constituind o măsură pentru absorbția caracteristică.

Cea de-a doua componentă Fourier a semnalului electric se reglează la o valoare maximă.

Emisia impulsurilor provenite din radiația incidență este efectuată cu o putere constantă și centrele impulsurilor au ca distanță jumătate din perioada de emisie.

Emisiile celor două tranziții care generează lungimi de undă diferite au aceeași durată și sunt separate de faze fără emisie cu aceeași durată.

Respectivele faze de emisie și faze fără emisie au aceeași durată.

Dispozitivul pentru determinarea spectroscopică a cantităților de gaze în amestecurile de gaze, conform metodei de mai sus, înlătură dezavantajele de mai sus, prin aceea că cuprinde un traseu optic de măsurare, care conține gazul ce urmează a fi determinat, un traseu optic de condiționare a radiației incidente și un traseu de referință conținând o cuvă cu gaz de referință, la capătul fiecăreia dintre cele trei trasee, radiația fiind detectată de câte un detector de raze infraroșii ce emite un semnal electric, semnalele fiind prelucrate de trei circuite electrice de detecție, unul pentru traseul de măsurare, altul pentru traseul de condiționare, iar al treilea pentru traseul de revenire.

A

Intr-o variantă de realizare a dispozitivului, gazul este amoniac, iar sursa de lumină un laser 13_C16_O, care emite cu alternanță periodică o radiație a tranziției cuantice PSII a spectrului dc vibrație/rotație și a unei tranziții învecinate.

Durata fazei de emisie cu putere mai mare a laserului este micșorată sau mărită simetric.

Circuitele electrice de detecție sunt pre văzute cu câte un circuit simetric de mixare conexat cu un semnal al celei de-a doua frecvențe Fourier a perioadei de emisie, produsele mixării fiind supuse, după filtrare, în niște dispozitive de filtrare, la o redresare sincronă comandată de un semnal al primei frecvențe Fourier, semnalele după redresare și filtrare fiind aplicate câte unui circuit de realizare a câturilor în care se realizează raportul cu semnalul rezultat din circuitul de mixare, obținându-se o valoare independentă de intensitatea emisiei sursei laser și de atenuările de transmisie nespectrală.

Metoda și dispozitivul pentru determinarea spectroscopică a cantităților de gaze în amestecuri de gaze, conform invenției, prezintă următoarele avantaje:

- obținerea unei rezoluții sporite;

- diminuarea influenței factorilor perturbatori;

- rezultatul măsurătorii nu este influențat de variația de intensitate a emisiei laser.

în continuare este prezentat un exemplu de realizare a invenției, în legătură cu fig. 1 ... 5, care reprezintă:

- fig. 1, schema instalației optice;

- fig. 2, circuitul electric de detecție pentru determinarea cantității de gaz;

- fig. 3, circuitul de detecție pentru condiționarea semnalelor;

- fig. 4, circuitul electric de detecție pentru etalonarea măsurătorii;

- fig. 5, formele de undă ale semnalelor.

Un laser 1, fig. 1, al cărui fascicul trece printr-o cameră pentru analiză cuprinzând un gaz care urmează a fi determinat 4, produce o secvență periodică, alcătuită din două emisii 40, 41, separate prin pauze, sau cel puțin prin faze de atenuare 42 și având fiecare o lungime de undă aferentă, după cum se vede în fig. 5.

Această perioadă va fi denumită în continuare perioadă de emisie.

«

Pentru determinarea cantității de amoniac în stare gazoasă, de exemplu, în gaze de ardere, este avantajoasă utilizarea, datorită proprietăților sale selective și a randamentului, a emisiei tranziției cuantice PSII a spectrului de vibrație-rotație a unui laser cu 13_C16_O .

în scopul stăpânirii din punct de vedere tehnic a procesării semnalelor slab diferențiale, care apar datorită absorbției în gazul 4 care urmează a fi determinat pe un traseu optic de măsurare (format dintr-μη detector de radiații 10, un divizor de fascicul 2, camera 4 cu gazul de analizat, o oglindă retrovizoare 5), în raport cu modificarea transmisiei în apropierea pragului de emisie dominantă a laserului 1, precum și cu suprapunerea semnalului de zgomot, se folosesc metode coerente de bandă îngustă pentru procesele de formare a semnalelor. Astfel, se creează un semnal electric cu frecvența unei componente Fourier impare a perioadei de emisie, a cărei amplitudine este proporțională cu puterea emisiei laserului și cu pierderile de transmisie, care rezultă din absorbția caracteristică și care dispare odată cu pierderile de transmisie caracteristice. în acest scop, se mai produce și un semnai electric cu frecvența unei componente Fourier pare a perioadei de emisie a cărei amplitudine este proporțională cu puterea cel puțin unui impuls al emisiei. în afară de aceasta, se mai face condiționarea emisiei sau a semnalelor electrice obținute prin intermediul unor detectoare de radiații corespunzătoare 10, 20, 30 folosite pe lângă niște amplificatoare ca receptoare ale emisiei.

Cu ajutorul unui traseu optic 2, 20 în care nu se găsesc cantități din gazul care urmează a fi determinat, precum și a unui circuit electric de detecție 20 ... 29, această condiționare a semnalelor se face în două feluri, prin intermediul unor dispozitive de reglare, după cum se arată, de exemplu, în fig. 3.

Centrele celor două impulsuri ale radiației 40, 41 (fig. 5), fiecare cu câte o putere constantă, sunt separate prin jumătatea din perioada de emisie.

Prin intermediul unui amplificator de însumare 23 se efectuează o amplificare de adaptare a impulsului mai slab 41 la detectorul 20, respectiv o atenuare de adptare a impulsului mai puternic printrun comutator 22, care conectează sau deconectează un potențiometru electronic 21 în faza de emisie aferentă, astfel încât prima componentă Fourier 44, respectiv 43, a perioadei de emisie să dispară la ieșirea amplificatorului 23.

Impulsul 40 al radiației cu putere mai mare este astfel prelungit sau scurtat cu centrare simetrică încât dispare prima componentă Fourier a perioadei de emisie la detectorul 20.

Amestecul de semnale condiționat în intrarea dispozitivului de mixare simetrică 24 este amestecat în acesta cu un semnal 8 al celei de-a doua frecvențe Fourier a perioadei de emisie, dispărând sau fiind reduse ca putere ponderea componentelor tocmai de această frecvență, astfel încât, după circuitul de filtrare și, eventual, după circuitul de amplificare 25, mai sunt prezente doar componente din prima frecvență Fourier a perioadei de emisie, care provin dintr-o dezacordare a condiționării semnalelor conform fig. 3.

Amplitudinea și semnul unei astfel de părți a semnalelor sunt cele ale semnalului de ieșire 28 al redresorului sincron 26, care este comutat cu un semnal al primei frecvențe Fourier 9, al perioadei de emisie.

Semnalele emise de redresor 24, 26 sunt filtrate de niște filtre trece-jos 27, 28, timpul total de propagare a grupului filtrelor 25, 28 fiind egal cu timpul de propagare al grupului pentru filtrul 27. Un circuit de realizare a câturilor 29 furnizează o mărime de reglare independentă de intensitatea radiației, care acționează, prin intermediul unui circuit de reglare 45, asupra elementelor de reglare, micropoziționare, respectiv potențiometrul 43, astfel încât dispare prima componentă Fourier la intrarea mixerului 24. O atenuare a transmisiei caracteristică pentru un gaz pe traseul de măsurare 2, 4, 5, 10 constituie o măsură pentru concentrația gazului 4 a cărui determinare este urmărită. Această mărime este reprezentată în conformitate cu invenția, după efectuarea condiționării semnalelor 20 ... 29, 45, ca semnal electric al unei frecvențe Fourier impare, de preferință a celei dintâi, a perioadei de emisie. Schema reprezentată în fig. 2 pentru traseul semnalului de măsurare 10 ... 19 corespunde identic cu cea a traseului de condiționare 20 ... 29.

Cu detectorul de radiații 10 se măsoară transmisia specifică pentru lungimea de undă a gazului 4 care urmează a fi detectat și, eventual, se și amplifică. întrucât puterile emisiilor impulsurilor 40, 41 se deosebesc între ele, pentru lungimile de undă folosite prin intermediul condiționării se efectuează o corecție a lățimii impulsului, respectiv în baza amplificatorului de însumare 13, se efectuează o creștere a amplificării semnalelor mai slabe ale emisiei, respectiv atenuare de ajustare a semnalului mai puternic al emisiei prin conectarea 12, respectiv deconectarea unui potențiometru electronic 11 sincron prin 43 cu potențiometru 21 în faza de emisie 7 aferente.

Existența unor semnale din prima frecvență Fourier în produsele de mixare se reduce prin efectuarea condiționării în circuitul 20 ... 29, 45, exclusiv la absorbția specifică a radiației gazului căutat, valoarea aceasta fiind proporțională cu concentrația gazului 4 căutat. Cu acest procedeu coerent de efectuare a analizei se reușește izolarea unui semnal foarte slab, specific pentru gazul respectiv față de semnalul de emisie dominant; din produsele mixării se separă cu un filtru 15 semnalul primei frecvențe Fourier a perioadei de emisie și, eventual, se amplifică, în fine, semnalul util specific pentru gazul respectiv se trimite redresorului sincron 16, comutat cu prima frcvență Fourier, care redă astfel intensitatea semnalului util caracteristic pentru gazul respectiv. Câtul 19 al semnalelor filtrate 17, 18 reprezintă o valoare independentă de intensitate, proporțională cu concentrația gazului căutat 4 și, datorită tehnicii coerente de prelucrare a semnalului, cu grad ridicat de rezoluție. Contribuțiile provocate de partea de semnale de zgomot incoerente sunt astfel reduse, încât să fie asigurată o suită de date 19 sigură, rapidă, cerută de tehnica procesului.

O problemă de stabilitate a aparatelor apare la folosirea de lasere 1 ca sursă de radiații în legătură cu centrarea rezonatorului optic, respectiv a filtrului pe valoarea maximă a emisiei. Dispozitivul de micropoziționare acționat electric și prevăzut cu rezonator, respectiv cu filtru, efectuează o mișcare de oscilație care provoacă emisia alternantă a radiației cu cel puțin două lungimi de undă. Peste această oscilație este suprapusă o mică mișcare periodică. Fracțiunea spectrală a semnalului de frecvența acestei mișcări de tatonare, în semnalul de eroare 29 al regulatorului proporțional 45, mai reprezintă în plus un semnal de eroare pentru reglarea integrală a micropoziționării, în scopul aducerii la maximum a emisiei.

O altă problemă de stabilitate a aparatelor apare la punerea în funcțiune. Ea este rezolvată în conformitate cu invenția printr-un traseu de referință 1, 2, 3, 6, 30. Acesta are o însemnătate foarte mare ia darea în folosință a unor sisteme pentru utilizare industrială.

Un divizor de raze 3 separă din radia ția de laser emisă o parte care ajunge după traversarea unei cuve 6, conținând gazul căutat la detectorul de raze 30, urmat de circuitul de detecție al semnalelor 30 ... 39, analog traseului 10 ... 19, respectiv traseului de condiționare 20 ... 29. Circuitul de detecție generează un semnal 39, care este aferent unei cantități etalonate de gaze în cuva 6, cu un domeniu de toleranță dat.

Dereglarea instalației laser este în general provocată de îmbătrânirea componentelor și de influențele termice. La conectare se inițiază o cursă de detectare, eventual ghidată de către un procesor, care cercetează domeniul dispozitivului de micropoziționare, efectuează condiționarea de referință în traseul de referință 3, 6, 30 și procedează la poziționarea de exploatare.

Instalația 2 ... 45 poate fi astfel alcătuită încât la nefuncționarea laserului să fie cuplat alt laser în instalație.

Determinarea absolută a cantităților de amoniac în gazul supus cercetării 4 se calculează cu un calculator de proces pentru semnale în funcție de datele de măsurare a procesului 29, de lățimea emisiei laserului 1, de lățimea absorbției vaporilor de amoniac și de deplasarea liniilor emisiei laserului și absorbției de amoniac.

Revendicări

Claims (12)

1. Metodă pentru determinarea spectroscopiei a concentrației de gaze în amestecurile de gaze, la care amestecul este supus cu alternare periodică la acțiunea unei raze de lumină monocromatică, laser, de intensitate determinată, cu două lungimi de undă, una caracteristică, iar cealaltă necaracteristică, pentru transmisia prin gazul care urmează a fi determinat, fiind măsurată intensitatea radiației care părăsește amestecul de gaze printr-un detector, caracterizată prin aceea câ parametrii celor două faze ale perioadei de emisie a radiației incidente sunt astfel reglați încât să dispară din aceasta componenta care va apărea după trecerea radiației prin amestecul de gaze, datorită concentrației gazului de măsurat, după trecerea radiației prin amestec măsurându-se intensitatea cel puțin unei componente Fourier a radiației care părăsește amestecul.

2. Metodă, conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că, din semnalul detectat după transmisie prin amestecul de gaze se separă componentele armonice ale cel puțin unei frecvențe Fourier impare, care sunt raportate la cele ale unei frecvențe Fourier pare, acest raport constituind o măsură pentru absorbția caracteristică.

3. Metodă, conform revendicării 2, caracterizată prin aceea că. cea de-a doua componentă Fourier a semnalului electric se reglează la o valoare maximă.

4. Metodă, conform revendicării 1 ...

3, caracterizată prin aceea că. emisia impulsurilor radiației incidente este efectuată cu o putere constantă și că centrele impulsurilor au ca distanță jumătate din perioada de emisie.

5. Metodă, conform cel puțin uneia din revendicările precedente, caracterizată prin aceea că. emisiile radiațiilor cu lungime de undă diferite au aceeași durată și sunt separate de faze, fără emisie cu aceeași durată.

6. Metodă, conform revendicării 5, caracterizată prin aceea că. fazele de emisie și fazele fără emisie au aceeași durată.

7. Dispozitiv pentru determinarea spectroscopică a cantităților de gaze în amestecurile de gaze, conform metodei din revendicările 1 + 6, caracterizat prin aceea că.raza de emisie laser este dirijată pe trei trasee optice, un traseu de măsurare (2, 4, 5, 10) care conține gazul ce urmează a fi determinat 4, un traseu optic de condiționare a radiației incidente (2, 3, 20) și un traseu de referință (2, 3, 6, 30) conținând o cuvă cu gazul de referință (6), la capătul fiecăreia dintre cele trei trasee optice radiația fiind detectată de câte un detector (10, 20, 30), ce emite un semnai electric, semnalele fiind prelucrate de trei circuite electrice de detecție, unul (10 ... ... 19) pentru traseul de măsurare, altul pentru traseul de condiționare (20 ... 29), iar al treilea pentru traseul de referință (30 ... 39).

8. Dispozitiv, conform revendicării 7, caracterizat prin aceea că, într-un exemplu de realizare gazul este amoniac, iar sursa de lumină un laser 13_C16_O , care emite cu alternanță periodică o radiație a tranziției de mecanică cuantică P8II a spectrului de rotație/vibrație și a unei tranziții învecinate.

9. Dispozitiv, conform revendicărilor 7 ... 9, caracterizat prin aceea că-durata de emisie a fazei cu putere mai mare a laserului este micșorată sau mărită simetric.

10. Dispozitiv, conform revendicărilor 7 ... 9, caracterizat prin aceea că,circuitele electrice de detecție (10 ... 19), (20 ... 29), (30 ... 39) sunt prevăzute cu câte un circuit simetric de mixare (14, 24, 34), conexat cu un semnal al celei de-a doua frecvențe Fourier a perioadei de emisie, produsele mixării fiind supuse, după filtrare prin niște filtre (15, 25, 35), la o redresare sincronă în niște redresoare (16, 26, 36), comandate de un semnal al primei frecvențe Fourier (9), semnalele după redresare și filtrare prin alte filtre (18, 28, 38) fiind aplicate câte unui circuit de realizare a câturilor (19, 29, 39), în care se realizează raportul cu semnalul rezultat din circuitul de mixare (14, 24, 34), obținânduse o valoare independenta de intensitatea emisiei laser și de atenuările de transmisie nespectrale.

11. Dispozitiv, conform revendicărilor 7 ... 10, caracterizat prin aceea că ₅ am plitudinea semnalului provenit de la detectorul din traseul optic de condiționare (20) a radiației incidente constituie semnal de eroare pentru o buclă de reglare proporțională, care reglează amplificarea 5 secvențială a semnalului provenit de la detector (20), respectiv durata emisiei.

12. Dispozitiv, conform revendicărilor

7 ... 11, caracterizat prin aceea că, radi ația incidență emisă de laser este modulată prin modularea lungimii de undă a rezonatorului laser, ponderile semnalelor de la unul din detectoarele de raze infraroșii (10, 20, 30) cu frecvență de modulație astfel apărute servind ca semnal de eroare într-o buclă de reglare integrală pentru optimizarea respectivelor emisii.