RU2502967C2 - Способ формирования базы спектральных данных для фурье-спектрорадиометров - Google Patents
Способ формирования базы спектральных данных для фурье-спектрорадиометров Download PDFInfo
- Publication number
- RU2502967C2 RU2502967C2 RU2011144491/28A RU2011144491A RU2502967C2 RU 2502967 C2 RU2502967 C2 RU 2502967C2 RU 2011144491/28 A RU2011144491/28 A RU 2011144491/28A RU 2011144491 A RU2011144491 A RU 2011144491A RU 2502967 C2 RU2502967 C2 RU 2502967C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fourier
- cloud
- model
- spectroradiometer
- optical density
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области дистанционного беспробоотборного газоанализа, а именно к способам формирования баз спектральных данных для дистанционных газоанализаторов на основе Фурье-спектрорадиометров. Способ заключается в беспробоотборном определении мгновенных значений концентрации вещества по данным контроля оптической плотности модельного облака на характеристических спектральных линиях в момент регистрации его спектра с использованием лабораторного стенда для создания и контроля концентраций газообразных веществ путем регистрации спектра пропускания модельного облака и расчетом по закону Бугера-Ламберта-Бера на основании значений молярной массы и молекулярного сечения поглощения вещества. Регистрация спектров для базы данных производится при достижении значения оптической плотности облака порядка 1,105÷1,112. Технический результат заключается в обеспечении возможности снижения погрешности при определении спектральных коэффициентов поглощения излучения для веществ из перечня формируемой базы спектральных данных для Фурье-спектрорадиометра. 2 ил.
Description
Изобретение относится к области дистанционного беспробоотборного газоанализа, а именно, к способам формирования баз спектральных данных для дистанционных газоанализаторов на основе Фурье-спектрорадиометров. База спектральных данных для Фурье-спектрорадиометров представляет собой совокупность данных о спектральных коэффициентах пропускания излучения веществами, подлежащими идентификации. Для расчета спектральных коэффициентов пропускания регистрируется спектр пропускания излучения от источника типа «абсолютно черное тело» модельным облаком загрязняющего вещества с контролируемой в реальном масштабе времени интегральной по его глубине концентрацией, имитирующего реальные облака загрязняющих веществ, и определяется пропускание излучения на характеристических длинах волн. В дальнейшем это позволяет, учитывая линейную зависимость оптической толщины от интегральной концентрации вещества, оценивать концентрацию вещества в поле зрения Фурье-спектрорадиометра на основании зарегистрированных им на открытых трассах спектров.
Известен способ формирования баз спектральных данных, заключающийся в создании модельного облака паров вещества со стабильной на протяжении длительного времени концентрацией, и пробоотборном контроле значений концентраций паров этого вещества при регистрации эталонных для Фурье-спектрорадиометра спектров пропускания методом Фурье-спектрометрии с помощью лабораторного спектрометра. Сущность данного способа заключается в последовательном выполнении следующих операций: регистрация в качестве фонового спектра - спектра проходящего через заполненную атмосферным воздухом газовую камеру излучения источника типа «абсолютно черное тело» (АЧТ) - теплового экрана при температуре около +50°С; регистрация спектра АЧТ с температурой, равной температуре воздуха в газовой камере; создание модельного облака паров анализируемого вещества в замкнутом объеме газовой камеры, определение концентрации вещества посредством отбора проб в кювету лабораторного Фурье-спектрометра, регистрация Фурье-спектрорадиометром спектра пропускания излучения теплового экрана модельным облаком и расчет спектральных коэффициентов для анализируемого вещества. [Мониторинг загрязняющих веществ в атмосфере с помощью Фурье-спектрорадиометра/ С.К. Дворук, В.Н. Корниенко и др. // Оптический журнал. - 2004. - №5, - 10 с]. Схема регистрации спектров пропускания представлена на фиг. 1. Через технологическое отверстие для напуска паров веществ и пробоотбора [5] в газовую камеру [1] вводится анализируемое вещество, вентилятором перемешивания [6] равномерно распределяется по внутреннему объему газовой кюветы. В торце газовой камеры находится оптическое окно [7] для расположения объектива Фурье-спектрорадиометра [8]. Тепловой экран [3] с блоком управления [4] необходим для создания и поддержания температурного контраста, отдув газовой камеры производится посредством открывания ручного клапана [2] с использованием вентилятора вытяжки [9]. Недостатком данного способа является погрешность в расчете спектральных коэффициентов, связанная с погрешностью определения оптической плотности на характеристической длине волны самим Фурье-спектрорадиометром. Кроме этого, погрешность вносит и определение концентраций компонентов модельного облака, проводимое с использованием пробоотборных методов спектрального либо количественного химического анализа. Данные методы не позволяют получить информацию о мгновенном количественном содержании вещества в поле зрения Фурье-спектрорадиометра в момент регистрации им спектра пропускания модельного облака объекта индикации и не позволяют оценить непосредственно измеряемую Фурье-спектрорадиометром величину - мгновенную интегральную концентрацию вещества. Информация о концентрации компонентов в модельном облаке, полученная с использованием данных методов является интегрированной по времени, усредненной за время пробоотбора, что ввиду длительности процесса пробоотбора по сравнению со временем квазистационарности объекта индикации, не отражает реальных мгновенных концентрационных характеристик объекта индикации в момент регистрации его спектра Фурье-спектрорадиометром.
Технический результат, достигаемый в заявленном изобретении, заключается в снижении погрешности при расчете спектральных коэффициентов.
Указанный технический результат достигается тем, что в процессе создания модельного парогазового облака анализируемого вещества производится инструментальный контроль оптической плотности модельного облака, и регистрация спектров осуществляется в момент достижения значения его оптической плотности на самой сильной характеристической спектральной линии порядка 1,105÷-1,112 отн. ед. Данный диапазон обусловлен тем, что Фурье-спектрорадиометр регистрирует спектры с определенной погрешностью, которая обусловлена ошибкой в определении оптической плотности D и зависит от величины оптической плотности. В случае положительного температурного контраста ошибка определения оптической плотности равна:
где η - отношение сигнал/шум в зарегистрированном спектре.
Относительная ошибка определения оптической плотности минимальна в районе D~1, где функция относительной ошибки определения оптической плотности f(D) имеет минимум. Более точно определить оптическую плотность, при которой погрешность ее регистрации минимальна можно решив уравнение (2):
Оптимальная оптическая плотность модельного облака для регистрации эталонных спектров при формировании базы спектральных данных для Фурье-спектрорадиометра может быть вычислена по формуле (3):
На основании рассчитанной оптимальной оптической плотности при регистрации спектров пропускания рассчитан предпочтительный интервал оптической плотности, D∈[1,105; 1,112], в котором погрешность определения пропускания, а следовательно, и расчета спектральных коэффициентов минимальна.
Регистрация спектров анализируемого вещества производится при достижении на характеристических спектральных линиях оптических плотностей из предпочтительного интервала и максимальной технически осуществимой разнице температур источника излучения и модельного облака. Также необходимым условием для корректной регистрации спектра является квазистационарность модельных объектов индикации. Достижению заявленного технического результата способствуют:
1. Исключение пробоотборной стадии из процесса определения концентраций паров веществ, за счет модификации оптической схемы лабораторного Фурье-спектрометра: переноса источника инфракрасного излучения и использованием в качестве кюветного отделения спектрометра внешней газовой кюветы (фиг.2). Проведение контроля оптической плотности и определения концентраций компонентов модельного облака беспробоотборным способом с использованием лабораторного стенда для создания и контроля концентраций газообразных веществ (патент на полезную модель RU №103400, МПК G01N 21/00) путем регистрации спектра пропускания непосредственно модельного облака. Регистрация спектра пропускания модельного облака проводится согласно схеме на фиг.2. Излучение керамического высокотемпературного источника [11] отражаясь от вогнутых зеркал [10], проходит через модельное облако и попадает в приемник лабораторного Фурье-спектрометра [12]. Протяженность линии обзора контрольно-измерительной аппаратуры равна длине статической газовой камеры, что позволяет непосредственно контролировать оптическую плотность находящегося в поле зрения Фурье-спектрорадиометра [8] модельного облака на основании спектров, полученных с помощью лабораторного Фурье-спектрометра и обработанных с использованием ПЭВМ [13]. При этом контроль мгновенных значений интегральной концентрации паров анализируемого вещества Синт [г/м2], производится одновременно с регистрацией спектра для базы данных Фурье-спектрорадиометром на основании показаний лабораторного Фурье-спектрометра по формуле (5):
где τ(v)- значение пропускания излучения веществом на характеристической спектральной линии при длине волны v, отн.ед.;
М - молярная масса вещества, г/моль;
σ(v) - молекулярное сечение поглощения вещества для опорной длины волны v, см2;
NA - число Авогадро, 6,02·1023 моль-1;
10-4- коэффициент перевода размерности, из см2 в м2.
2. Регистрация инфракрасных спектров проводится при достижении на характеристических спектральных линиях предпочтительного интервала оптической плотности, D∈[1,105; 1,112]. Отличительной особенностью изобретения от имеющихся аналогов, является то, что в данном случае контроль оптической плотности модельных объектов индикации используется не только с целью получения информации о концентрациях газовых компонентов в режиме реального времени, но и для минимизации погрешности измерения концентрации, посредством соблюдения установленного ранее предпочтительного интервала.
3. Регистрацию инфракрасных спектров проводят за время, соответствующее времени квазистационарности (условной стабильности) облака, ввиду временной нестабильности объекта индикации за счет динамических процессов массопереноса, протекающих в модельном облаке вследствие турбулентности облака и температурного градиента, обусловленных конструктивными особенностями лабораторного стенда.
Claims (1)
- Способ формирования базы спектральных данных для Фурье-спектрорадиометров, включающий в себя создание модельных парогазовых облаков веществ с контролируемыми интегральными концентрациями компонентов в объеме газовой камеры, регистрацию Фурье-спектрорадиометром спектров пропускания этими облаками излучения от источника типа «абсолютно черное тело» и расчет спектральных коэффициентов пропускания для подлежащих идентификации веществ, отличающийся тем, что при регистрации Фурье-спектрорадиометром спектров парогазовых облаков веществ создают модельные облака с оптической плотностью D=1,105÷1,112 на характеристических спектральных линиях, регистрацию спектров проводят при максимально достижимой разнице температур источника излучения и модельного облака, одновременно, в реальном масштабе времени, лабораторным Фурье-спектрометром с оптической схемой, включающей оптические элементы и керамический высокотемпературный источник излучения, излучение которого, отражаясь от вогнутых зеркал, проходит через модельное облако, образованное в газовой камере и попадает в приемную систему лабораторного Фурье-спектрометра, контролируют оптическую плотность находящегося непосредственно в поле зрения Фурье-спектрорадиометра модельного парогазового облака на характеристических спектральных линиях и без отбора проб определяют мгновенные значения интегральной по глубине облака концентрации его компонентов через интервалы времени, соизмеримые со временем квазистационарности модельного облака.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011144491/28A RU2502967C2 (ru) | 2011-11-02 | 2011-11-02 | Способ формирования базы спектральных данных для фурье-спектрорадиометров |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011144491/28A RU2502967C2 (ru) | 2011-11-02 | 2011-11-02 | Способ формирования базы спектральных данных для фурье-спектрорадиометров |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011144491A RU2011144491A (ru) | 2013-05-10 |
RU2502967C2 true RU2502967C2 (ru) | 2013-12-27 |
Family
ID=48788622
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011144491/28A RU2502967C2 (ru) | 2011-11-02 | 2011-11-02 | Способ формирования базы спектральных данных для фурье-спектрорадиометров |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2502967C2 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2691668C1 (ru) * | 2018-05-29 | 2019-06-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "33 Центральный научно-исследовательский испытательный институт" Министерства обороны Российской Федерации | Аэростатный способ моделирования облаков зараженного воздуха с заданным спектральным составом оптического излучения для технического диагностирования Фурье-спектрорадиометров |
RU211398U1 (ru) * | 2022-01-12 | 2022-06-03 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "33 Центральный научно-исследовательский испытательный институт" Министерства обороны Российской Федерации | Статический модельный объект индикации для обучения операторов дистанционных средств химической разведки и проверки работоспособности данных средств |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5298751A (en) * | 1992-03-20 | 1994-03-29 | Aerojet-General Corporation | Remote active vapor concentration measurement system and method thereof |
RU103400U1 (ru) * | 2010-04-05 | 2011-04-10 | ФГУ 33 Центральный научно-исследовательский испытательный институт МО РФ | Лабораторный стенд для создания и контроля концентраций газообразных веществ при формировании базы спектральных данных и оценке технических характеристик фурье-спектрорадиометров |
-
2011
- 2011-11-02 RU RU2011144491/28A patent/RU2502967C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5298751A (en) * | 1992-03-20 | 1994-03-29 | Aerojet-General Corporation | Remote active vapor concentration measurement system and method thereof |
RU103400U1 (ru) * | 2010-04-05 | 2011-04-10 | ФГУ 33 Центральный научно-исследовательский испытательный институт МО РФ | Лабораторный стенд для создания и контроля концентраций газообразных веществ при формировании базы спектральных данных и оценке технических характеристик фурье-спектрорадиометров |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
Дворук С.К. и др. Мониторинг загрязняющих веществ в атмосфере с помощью Фурье-спектрорадиометра. - Оптический журнал, 2004, т. 71, No.5. * |
Морозов А.Н., Светличный С.И. Основы Фурье-спектрорадиометрии. - М.: Наука, 2006, с.9-10, 151-153. * |
Морозов А.Н., Светличный С.И. Основы Фурье-спектрорадиометрии. - М.: Наука, 2006, с.9-10, 151-153. Дворук С.К. и др. Мониторинг загрязняющих веществ в атмосфере с помощью Фурье-спектрорадиометра. - Оптический журнал, 2004, т. 71, №5. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2691668C1 (ru) * | 2018-05-29 | 2019-06-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "33 Центральный научно-исследовательский испытательный институт" Министерства обороны Российской Федерации | Аэростатный способ моделирования облаков зараженного воздуха с заданным спектральным составом оптического излучения для технического диагностирования Фурье-спектрорадиометров |
RU211398U1 (ru) * | 2022-01-12 | 2022-06-03 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "33 Центральный научно-исследовательский испытательный институт" Министерства обороны Российской Федерации | Статический модельный объект индикации для обучения операторов дистанционных средств химической разведки и проверки работоспособности данных средств |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011144491A (ru) | 2013-05-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Wang et al. | A portable low-power QEPAS-based CO2 isotope sensor using a fiber-coupled interband cascade laser | |
Meyer et al. | Two decades of water vapor measurements with the FISH fluorescence hygrometer: a review | |
Peltola et al. | Field intercomparison of four methane gas analyzers suitable for eddy covariance flux measurements | |
Pogány et al. | Towards traceability in CO2 line strength measurements by TDLAS at 2.7 µm | |
Hummelga et al. | Low-cost NDIR based sensor platform for sub-ppm gas detection | |
Wehr et al. | Long-term eddy covariance measurements of the isotopic composition of the ecosystem–atmosphere exchange of CO2 in a temperate forest | |
Werle et al. | Fast chemical sensor for eddy-correlation measurements of methane emissions from rice paddy fields | |
CN103852446B (zh) | 一种基于光腔衰荡光谱技术的血液成分识别与分析仪器 | |
Joly et al. | Development of a versatile atmospheric N 2 O sensor based on quantum cascade laser technology at 4.5 μm | |
Deventer et al. | Biases in open-path carbon dioxide flux measurements: Roles of instrument surface heat exchange and analyzer temperature sensitivity | |
Chan et al. | Dispersive infrared spectroscopy measurements of atmospheric CO2 using a Fabry–Pérot interferometer sensor | |
Berhanu et al. | High-precision atmospheric oxygen measurement comparisons between a newly built CRDS analyzer and existing measurement techniques | |
RU2502967C2 (ru) | Способ формирования базы спектральных данных для фурье-спектрорадиометров | |
EP2473869B1 (en) | Gas analysis data handling device for computing a gas flux and a corresponding computer-readable storage medium | |
Tanaka et al. | Continuous measurements of stable carbon isotopes in CO2 with a near-IR laser absorption spectrometer | |
CN111562228A (zh) | 一种二氧化氮测量装置及测量方法 | |
Han et al. | Frequency stabilization of quantum cascade laser for spectroscopic CO2 isotope analysis | |
Parks et al. | Towards a field-portable real-time organic and elemental carbon monitor | |
Zimmermann et al. | Purity monitoring in medical gas supply lines with quantum cascade laser technology | |
RU103400U1 (ru) | Лабораторный стенд для создания и контроля концентраций газообразных веществ при формировании базы спектральных данных и оценке технических характеристик фурье-спектрорадиометров | |
Cui et al. | In situ measurement of water vapor isotope ratios in air with a laser-based spectrometer | |
Stepanov et al. | Near-IR laser-based spectrophotometer for comparative analysis of isotope content of CO2 in exhale air samples | |
CN113640250A (zh) | 一种大气hono同位素测量系统 | |
Zhang et al. | Measurement of δ18O in water vapor using a tunable diode laser-based spectrometer | |
Song et al. | High-Temperature H 2 O Vapor Measurement Using Terahertz Spectroscopy for Industrial Furnace Applications |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20131103 |