RU2011971C1 - Method of analyzing gases by means of microwave energy - Google Patents
Method of analyzing gases by means of microwave energy Download PDFInfo
- Publication number
- RU2011971C1 RU2011971C1 SU4943223A RU2011971C1 RU 2011971 C1 RU2011971 C1 RU 2011971C1 SU 4943223 A SU4943223 A SU 4943223A RU 2011971 C1 RU2011971 C1 RU 2011971C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- harmonic
- absorption
- frequency
- gas
- amplitude
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение касается радиоизмерений и молекулярной спектроскопии и может быть использовано при абсорбционном молекулярном и изотопном анализе веществ в газовой и паровой фазах. The invention relates to radio measurements and molecular spectroscopy and can be used in absorption molecular and isotopic analysis of substances in the gas and vapor phases.
Известен способ измерения, при котором источник излучения с амплитудной модуляцией настраивают на характеристическую длину волны поглощения анализируемого газа. Переменный сигнал с детектора поступает на устройство обработки, которое вырабатывает постоянный сигнал, пропорци- ональный концентрации анализируемого газа. A known measurement method in which the radiation source with amplitude modulation is tuned to a characteristic absorption wavelength of the analyzed gas. An alternating signal from the detector enters the processing device, which generates a constant signal proportional to the concentration of the analyzed gas.
Недостатком данного способа является низкая селективность, поскольку любая линия или полоса, находящаяся в окрестности аналитической линии и принадлежащая мешающему газу, содержащемуся в анализируемой смеси, внесет искажения в результат анализа. The disadvantage of this method is the low selectivity, since any line or strip located in the vicinity of the analytical line and belonging to the interfering gas contained in the analyzed mixture will distort the result of the analysis.
Наиболее близким к изобретению является способ, при котором СВЧ-энергию генерируют по крайней мере на одной частоте, которую непрерывно изменяют так, что она проходит через частоту поглощения анализируемого газа и производят интегрирование поглощенной СВЧ-энергии. Closest to the invention is a method in which microwave energy is generated at least at one frequency, which is continuously changed so that it passes through the absorption frequency of the analyzed gas and the absorbed microwave energy is integrated.
Однако при таком способе для анализа необходима изолированная линия или полоса поглощения, поскольку на интегральное поглощение в диапазоне изменения частоты генератора влияют крылья близко расположенных линий и полос других газов, присутствующих в анализируемой смеси, а также сплошное поглощение; кроме того, любые изменения условий распространения СВЧ-излучения на пути от генератора к детектору также приводят к дополнительным погрешностям определения концентрации анализируемого газа. However, with this method for analysis, an isolated absorption line or absorption band is required, since the integral absorption in the range of the generator frequency is influenced by the wings of closely spaced lines and bands of other gases present in the mixture being analyzed, as well as continuous absorption; in addition, any changes in the propagation conditions of microwave radiation on the way from the generator to the detector also lead to additional errors in determining the concentration of the analyzed gas.
Целью изобретения является повышение селективности и увеличение точности определения концентрации газов. The aim of the invention is to increase the selectivity and increase the accuracy of determining the concentration of gases.
Это достигается тем, что при способе анализа с помощью СВЧ-энергии, заключающемся в генерации СВЧ-энергии на одной частоте, которую непрерывно изменяют так, что она проходит через частоту поглощения анализируемого газа, частоту генерации изменяют периодически по гармоническому закону. Центральную частоту диапазона сканирования частоты совмещают с центром линии поглощения анализируемого газа. This is achieved by the fact that in the method of analysis using microwave energy, which consists in the generation of microwave energy at one frequency, which is continuously changed so that it passes through the absorption frequency of the analyzed gas, the generation frequency is changed periodically according to the harmonic law. The center frequency of the frequency scanning range is aligned with the center of the absorption line of the analyzed gas.
Регистрацию концентрации анализируемого газа ведут по амплитуде второй гармоники переменного сигнала, при этом контроль вклада линий поглощения сторонних газов, находящихся в смеси, осуществляют по амплитуде первой гармоники переменного сигнала с детектора. The concentration of the analyzed gas is recorded by the amplitude of the second harmonic of the alternating signal, while the contribution of the absorption lines of external gases in the mixture is controlled by the amplitude of the first harmonic of the alternating signal from the detector.
Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что интегрирование интенсивности поглощенной энергии заменено регистрацией амплитуд гармоник (первой и второй). При этом уменьшается вклад линий поглощения сторонних газов, т. е. увеличивается селективность и появляется возможность одновременного контроля величины этого вклада. Кроме того, полностью исключаются неселективные помехи. Таким образом, предложенный способ соответствует критерию "новизна". The proposed method differs from the prototype in that the integration of the intensity of the absorbed energy is replaced by recording the amplitudes of the harmonics (first and second). In this case, the contribution of the absorption lines of external gases decreases, i.e., the selectivity increases and it becomes possible to simultaneously control the value of this contribution. In addition, non-selective interference is completely eliminated. Thus, the proposed method meets the criterion of "novelty."
Известен способ регистрации концентрации газов по разности между максимальными и минимальными значениями производных от контура линии поглощения при модуляции частоты излучения перестраиваемого лазера. A known method of recording gas concentrations by the difference between the maximum and minimum values of the derivatives of the contour of the absorption line when modulating the radiation frequency of the tunable laser.
Однако при этом способе глубина модуляции частоты мала по сравнению с шириной линии поглощения (по определению производной), что приводит к существенному снижению чувствительности, а регистрация разности между максимальными и минимальными значениями производных требует весьма сложного счетно-решающего блока. However, with this method, the depth of the frequency modulation is small compared to the width of the absorption line (by the definition of the derivative), which leads to a significant decrease in sensitivity, and registering the difference between the maximum and minimum values of the derivatives requires a very complex counting-solving block.
При предлагаемом способе ограничения на глубину модуляции (девиации) частоты нет, что позволяет реализовать максимальную чувствительность с параллельным контролем уровня помех, а регистрация гармоник переменного сигнала не представляет технических трудностей. With the proposed method, there is no frequency limitation on the depth of modulation (deviation), which allows for maximum sensitivity with parallel control of the noise level, and registration of harmonics of an alternating signal does not present technical difficulties.
Таким образом, предложенный способ проявляет новые свойства и соответствует критерию "существенные отличия". Thus, the proposed method exhibits new properties and meets the criterion of "significant differences".
Суть способа заключается в следующем. Частота излучения генератора изменяется по гармоническому закону с частотой Ω. Например,
ν= ν
νо г - центральная частота спектрального участка, в котором производится сканирование;
t - текущее время,
Если в диапазоне [ νо г - m, νо г + m] появится линия поглощения, контур которой в практическом газоанализе описывается кривой Лоренца
fν= , (2) где N - концентрация поглощающего газа;
γ- полуширина линии поглощения;
νо л - центр линии поглощения;
σо - сечение поглощения при ν= νо л, то в электрическом сигнале на детекторе появятся гармонические составляющие.The essence of the method is as follows. The radiation frequency of the generator varies in harmonic law with a frequency of Ω. For instance,
ν = ν
ν о g is the central frequency of the spectral region in which the scan is performed;
t is the current time,
If an absorption line appears in the range [ν о g - m, ν о g + m], the contour of which in practical gas analysis is described by the Lorentz curve
f ν = , (2) where N is the concentration of the absorbing gas;
γ is the half-width of the absorption line;
ν about l - the center of the absorption line;
σ о is the absorption cross section for ν = ν о l , then harmonic components will appear in the electric signal at the detector.
Этот процесс математически описывается разложением функции в ряд Фурье:
f(t) = +alcoslΩt, (3) где
al= f(t)cos(lΩt)dt, (4) где l = 0, 1, 2, 3, . . . ,
Т - период функции f(t).This process is mathematically described by expanding the function in a Fourier series:
f (t) = + a l coslΩt, (3) where
a l = f (t) cos (lΩt) dt, (4) where l = 0, 1, 2, 3,. . . ,
T is the period of the function f (t).
В силу четности f(t) все другие члены ряда Фурье обращаются в нуль. Since f (t) is even, all other members of the Fourier series vanish.
Анализ гармоник с l = 1,2 показывает, что при настройке центральной частоты участка, в котором производится сканирование на центр линии поглощения ( νо г = νо л), гармоника с l = 1 обращается в нуль.An analysis of harmonics with l = 1.2 shows that when adjusting the center frequency of the region in which scanning is performed at the center of the absorption line (ν о r = ν о l ), the harmonic with l = 1 vanishes.
График зависимости амплитуды второй гармоники с l = 2 от величины девиации частоты m приведен на фиг. 1. Как видно из фиг. 1, максимум амплитуды второй гармоники достигается при значении девиации частоты m = 2.2γ . При этом реализуется максимальная чувствительность метода. A plot of the amplitude of the second harmonic with l = 2 on the magnitude of the frequency deviation m is shown in FIG. 1. As can be seen from FIG. 1, the maximum amplitude of the second harmonic is achieved with a frequency deviation of m = 2.2γ. In this case, the maximum sensitivity of the method is realized.
Для рассмотрения влияния спектральных линий поглощения сторонних газов берут функцию f(ν) в следующем виде:
f(ν)= (5) где С - частотное расстояние между линиями поглощения анализируемого и стороннего газов.To consider the influence of spectral absorption lines of external gases, we take the function f (ν) in the following form:
f (ν) = (5) where C is the frequency distance between the absorption lines of the analyzed and external gases.
В интегральном методе (прототип) сигнал будет пропорционален
F= N1σ01γ
Пределы интегрирования приняты равными величине девиации частоты при регистрации максимальной амплитуды второй гармоники, чтобы провести сравнение методов в равных условиях.In the integral method (prototype), the signal will be proportional
F = N 1 σ 01 γ
The integration limits are taken equal to the value of the frequency deviation when registering the maximum amplitude of the second harmonic in order to compare the methods under equal conditions.
При одинаковых коэффициентах поглощения в линиях анализируемого и стороннего газов (N1σ01 γ1 2= N2σ02 γ2 2) зависимость F от спектрального интервала между линиями для интегрального метода имеет вид, представленный кривой 1 на фиг. 2. Ход кривой 1 на фиг. 2. показывает, что вклад в F величиной 10% от линии стороннего газа наступает при приближении ее на 5γ к аналитической линии (отмечено вертикальной чертой).For the same absorption coefficients in the lines of the analyzed and external gases (N 1 σ 01 γ 1 2 = N 2 σ 02 γ 2 2 ), the dependence of F on the spectral interval between the lines for the integral method has the form represented by
Аналогично оценивается вклад линии стороннего газа в амплитуду второй гармоники от аналитической линии путем интегрирования выражения, получающегося при подстановке выражения (5) и (4). График зависимости амплитуды второй гармоники от частотного интервала между линиями анализируемого и стороннего газов приведен на фиг. 2, кривая 2. Как видно из поведения кривой 2 на фиг. 2, вклад величиной 10% в амплитуду второй гармоники имеет место при удалении линии стороннего газа на 2,5γ . The contribution of the external gas line to the amplitude of the second harmonic from the analytical line is similarly estimated by integrating the expression obtained by substituting expressions (5) and (4). A graph of the dependence of the amplitude of the second harmonic on the frequency interval between the lines of the analyzed and external gases is shown in FIG. 2,
Таким образом, при прочих равных условиях для метода, основанного на регистрации амплитуды второй гармоники, требуется в два раза меньший спектральный интервал, свободный от линий сторонних газов, по сравнению с интегральным методом, что весьма существенно при анализе многокомпонентных газовых смесей. Кроме того, регистрация наряду с второй гармоникой амплитуды первой гармоники дает возможность оценить величину вклада линий поглощения сторонних газов. На фиг. 2 кривой 3 представлен график зависимости амплитуды первой гармоники от частотного удаления линии поглощения стороннего газа от аналитической линии. Как видно из поведения кривой 3 на фиг. 2, амплитуда первой гармоники весьма чувствительна к воздействию крыла линии поглощения стороннего газа, фаза первой гармоники дает информацию о том, с какой стороны от аналитической линии поглощения находится помеха. При отсутствии помех со стороны линий поглощения других газов амплитуда первой гармоники в центре аналитической линии обращается в нуль. Thus, ceteris paribus, the method based on the registration of the second harmonic amplitude requires a half-time spectral interval, free from lines of external gases, in comparison with the integral method, which is very important when analyzing multicomponent gas mixtures. In addition, registration along with the second harmonic of the amplitude of the first harmonic makes it possible to estimate the contribution of the absorption lines of external gases. In FIG. 2
Рассмотрим влияние неселективных потерь зондирующего излучения - ослабление в континууме полосы поглощения, вклад аэрозольного ослабления, изменение параметров элементов тракта распространения излучения, на сигнал в интегральном методе (прототип) и на амплитуду второй гармоники. Consider the effect of non-selective losses of probe radiation — attenuation of the absorption band in the continuum, contribution of aerosol attenuation, change in the parameters of the elements of the radiation propagation path, on the signal in the integrated method (prototype) and on the amplitude of the second harmonic.
Коэффициент ослабления в этом случае можно представить в виде
k = f (ν ) + b, где b - неселективные потери.In this case, the attenuation coefficient can be represented as
k = f (ν) + b, where b are non-selective losses.
Тогда для интегрального метода
F1= N f(ν)dν+b dν. (7) Таким образом, вклад неселективности потерь излучения пропорционален величине интервала сканирования частоты зондирующего излучения и уровню неселективных потерь Δ νи b соответственно.Then for the integral method
F 1 = N f (ν) dν + b dν. (7) Thus, the contribution of non-selectivity of radiation losses is proportional to the size of the scanning interval of the frequency of the probe radiation and the level of non-selective losses Δ ν and b, respectively.
Для амплитуды второй гармоники имеет место следующее выражение:
a2= f(t)cos(2Ωt)dt+ cos(2Ωt)dt (8) В результате того, что интеграл от cos(2Ω t) в указанных пределах интегрирования обращается в нуль, то вклада неселективных потерь в амплитуду второй гармоники нет.For the amplitude of the second harmonic, the following expression holds:
a 2 = f (t) cos (2Ωt) dt + cos (2Ωt) dt (8) As a result of the fact that the integral of cos (2Ω t) vanishes within the indicated integration limits, there is no contribution of non-selective losses to the amplitude of the second harmonic.
Практически способ осуществляют следующим образом. In practice, the method is as follows.
Генерируют СВЧ-излучение, частота которого промодулирована по гармоническому закону. Центральную частоту диапазона сканирования совмещают с центром линии поглощения анализируемого газа. На детекторе поглощения, например радиоакустическом, возникают гармоники переменного сигнала, вызванные поглощением частотно-модулированного излучения в спектральной линии анализируемого газа. С помощью электронного фильтра выделяют первую и вторую гармоники переменного сигнала и измеряют их амплитуды. По величине амплитуды второй гармоники судят о содержании анализируемого газа, а по амплитуде первой гармоники - о вкладе соседних спектральных линий сторонних газов, находящихся в анализируемой смеси. Microwave radiation is generated, the frequency of which is modulated according to a harmonic law. The central frequency of the scanning range is combined with the center of the absorption line of the analyzed gas. At the absorption detector, for example, radio-acoustic, harmonics of the alternating signal arise, caused by the absorption of the frequency-modulated radiation in the spectral line of the analyzed gas. Using an electronic filter, the first and second harmonics of the alternating signal are extracted and their amplitudes are measured. By the magnitude of the amplitude of the second harmonic, the content of the analyzed gas is judged, and by the amplitude of the first harmonic, the contribution of adjacent spectral lines of the external gases in the analyzed mixture is judged.
Затем центральную частоту участка сканирования перемещают на центр спектральной линии другого газа и проводят измерения в порядке, аналогичном описанному. Then, the center frequency of the scanning section is moved to the center of the spectral line of another gas and measurements are carried out in an order similar to that described.
Предложенный способ был реализован на СВЧ-спектрометре. Анализировали смесь газов: сероводород с метанолом. На фиг. 3 представлен участок спектра указанной смеси газов в диапазоне 168.70 ГГЦ. . . 168.90 ГГц. Линии сероводорода (кривая 1) и метанола (кривая 2) накладываются друг на друга, что обусловит значительную погрешность в определении концентрации способом, заявляемом в прототипе. The proposed method was implemented on a microwave spectrometer. We analyzed a mixture of gases: hydrogen sulfide with methanol. In FIG. 3 presents a portion of the spectrum of the specified gas mixture in the range 168.70 GHZ. . . 168.90 GHz. The lines of hydrogen sulfide (curve 1) and methanol (curve 2) are superimposed on each other, which will cause a significant error in determining the concentration by the method claimed in the prototype.
На фиг. 5 представлена спектральная зависимость амплитуды второй гармоники в том же диапазоне частот, что и на фиг. 3. Симметричность кривых в центральной части спектральных линий при предложенном способе обеспечивает получение неискаженных данных о концентрации как сероводорода, так и метанола. In FIG. 5 shows the spectral dependence of the amplitude of the second harmonic in the same frequency range as in FIG. 3. The symmetry of the curves in the Central part of the spectral lines with the proposed method provides undistorted data on the concentration of both hydrogen sulfide and methanol.
На фиг. 4 представлена спектральная зависимость амплитуды первой гармоники от тех же линий поглощения, что и на фиг. 3. В районе центров линий поглощения амплитуда первой гармоники обращается в нуль, что является подтверждением малости величины искажений от соседних линий поглощения, налагаемых на амплитуду второй гармоники в центре аналитических линий поглощения. In FIG. 4 shows the spectral dependence of the amplitude of the first harmonic on the same absorption lines as in FIG. 3. In the region of the centers of absorption lines, the amplitude of the first harmonic vanishes, which confirms the smallness of the distortion from neighboring absorption lines superimposed on the amplitude of the second harmonic in the center of the analytical absorption lines.
Таким образом, предложенный способ анализа газов позволяет повысить селективность метода измерения концентрации газов и снизить требования к изолированности аналитических линий поглощения (линии сторонних газов могут находиться на расстоянии, вдвое меньшем от аналитической линии, чем по способу-прототипу; ликвидировать влияние вклада неселективных потерь в тракте распространения излучения и повысить точность измерения концентрации газов; осуществлять одновременный контроль вклада поглощения сторонними газами, присутствующими в анализируемой смеси. Thus, the proposed method of gas analysis allows to increase the selectivity of the method for measuring gas concentration and reduce the requirements for the isolation of analytical absorption lines (external gas lines can be at a distance half that of the analytical line than by the prototype method; eliminate the influence of the contribution of non-selective path loss radiation propagation and increase the accuracy of measuring gas concentrations; to simultaneously monitor the contribution of absorption by third-party gases present in mixes up.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4943223 RU2011971C1 (en) | 1991-04-01 | 1991-04-01 | Method of analyzing gases by means of microwave energy |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4943223 RU2011971C1 (en) | 1991-04-01 | 1991-04-01 | Method of analyzing gases by means of microwave energy |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011971C1 true RU2011971C1 (en) | 1994-04-30 |
Family
ID=21578152
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU4943223 RU2011971C1 (en) | 1991-04-01 | 1991-04-01 | Method of analyzing gases by means of microwave energy |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2011971C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110044844A (en) * | 2019-05-29 | 2019-07-23 | 中南大学 | A kind of gas concentration inversion method and system based on multiple harmonic Conjoint Analysis |
-
1991
- 1991-04-01 RU SU4943223 patent/RU2011971C1/en active
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110044844A (en) * | 2019-05-29 | 2019-07-23 | 中南大学 | A kind of gas concentration inversion method and system based on multiple harmonic Conjoint Analysis |
CN110044844B (en) * | 2019-05-29 | 2020-03-27 | 中南大学 | Gas concentration inversion method and system based on multiple harmonic joint analysis |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7230711B1 (en) | Envelope functions for modulation spectroscopy | |
US5786893A (en) | Raman spectrometer | |
EP1510798B1 (en) | Wavelength modulation spectroscopy method and system | |
US9244006B2 (en) | Detecting species in a dilute medium | |
US4061918A (en) | Measurement of low concentration gases | |
WO2014106940A1 (en) | Gas absorption spectroscopy device and gas absorption spectroscopy method | |
EP1544604B1 (en) | Wavelength modulation spectroscopy method | |
US7092852B1 (en) | Determination of fit basis functions | |
EP0624245A1 (en) | Diagnostic tests using near infrared laser absorption spectroscopy | |
US3032654A (en) | Emission spectrometer | |
May et al. | Data processing and calibration for tunable diode laser harmonic absorption spectrometers | |
US4441815A (en) | Self-modulating spectrometer | |
US4801805A (en) | Method of measuring multicomponent constituency of gas emission flow | |
KR20140032898A (en) | Method for the laser spectroscopy of gases | |
US4234258A (en) | Stark cell optoacoustic detection of constituent gases in sample | |
US5973782A (en) | Phaseless wavelength modulation spectroscopy | |
US10359360B2 (en) | Optimal weighted averaging pre-processing schemes for laser absorption spectroscopy | |
US4027972A (en) | Gas analyzer method and apparatus | |
Nielsen | Infrared Spectrum of σ2 for B10F3 and B11F3 | |
RU2011971C1 (en) | Method of analyzing gases by means of microwave energy | |
JPH01502363A (en) | Gas analysis and concentration measurement method | |
Chaux et al. | Relative line intensity measurement in absorption spectra using a tunable diode laser at 1.6 μm: application to the determination of 13CO2/12CO2 isotope ratio | |
Platz et al. | High-sensitivity overtone spectroscopy of carbon disulfide CS2 | |
US3884583A (en) | Method and apparatus for magnetically modulated resonance analysis of gas | |
JPS60202329A (en) | Light-path-noise suppressing modulation system in spectrochemical analysis device using variable wavelength laser |