ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ДЛЯ СОЗДАНИЯ И КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ ГАЗООБРАЗНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ БАЗЫ СПЕКТРАЛЬНЫХ ДАННЫХ И ОЦЕНКЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ФУРЬЕ-СПЕКТРОРАДИОМЕТРОВ

Полезная модель относится к устройствам для создания и контроля концентраций паров газообразных веществ при формировании баз спектральных данных.
База спектральных данных загрязняющих веществ является одним из основных компонентов программного обеспечения Фурье-спектрорадиометра. Только с ее помощью возможно проведение процедур идентификации и определения концентраций загрязняющих веществ.
Известны однопроходовые газовые кюветы для создания баз спектральных данных загрязняющих веществ (Основы Фурье-спектрорадиометрии. - А.Н.Морозов, С.И.Светличный - Москва.: Наука, 2006. - 227 с.). Кювета исполнена в виде прямоугольного параллелепипеда, квадратным сечением 0,8×0,8 м и протяженностью 8 метров. Устройство и принцип работы кюветы схематично представлены на фиг.1. Конструкция кюветы позволяет создавать в ее внутреннем объеме статические концентрации загрязняющих веществ. Через отверстие для ввода газов (5) анализируемые вещества поступают во внутренний объем кюветы и равномерно распределяются в нем вентилятором перемешивания (6). Снизить концентрацию анализируемого газа можно используя вентилятор вытяжки (1), частично открывая ручной клапан вытяжки (2), они же используются для полного отдува внутреннего объема камеры. Местоположение Фурье-спектрометра (8) для регистрации спектров пропускания анализируемых газов предусмотрено у окошка, оптически прозрачного в видимой и ИК областях спектра (7) напротив используемого в качестве источника подсветки широкоапертурного, термостабилизированного ИК-источника излучения - АЧТ (3), температура которого регулируется блоком управления (4).
База спектральных данных представляет собой набор спектральных коэффициентов, определяемых с использованием спектров пропускания веществ известных, фиксированных концентраций. Контроль концентраций загрязняющих веществ в кювете осуществляется посредством пробоотбора газовой смеси через отверстие (5) и последующим анализом пробы по одной из двух следующих методик - с использованием газохроматографического метода (концентрированном загрязняющего вещества на пробоотборной трубке, последующей термодесорбции, разделении анализируемого состава в хроматографической поликапиллярной колонке, детектировании разделенных компонентов пламенно-фотометрическим детектором и регистрации сигнала детектора в цифровой форме с помощью ЭВМ) или спектральной методики, заключающейся в отборе загрязненного воздуха в стандартную газовую кювету, представляющую собой стеклянный цилиндр с торцами из материала, прозрачного в ИК-области, регистрации спектра пропускания полученной газовой смеси Фурье-спектрометром и последующей математической обработки полученного спектра для определения концентрации вещества в пробе. Определение концентрации вещества заключается в измерении коэффициента пропускания потока излучения на характерной спектральной линии через кювету с исследуемым веществом, с последующим расчетом концентрации с применением видоизмененного закона Бугера-Ламберта-Бера:
0
где I, I - интенсивности волн, прошедшей через вещество и падающей на него,
2
σ(ν) - молекулярное сечение поглощения вещества при заданном волновом числе, см,
l - толщина слоя вещества, взаимодействующего с излучением, см,
M - молярная масса вещества, г/моль,
A
-1
N - число Авогадро, моль.
У обеих методик имеется один общий недостаток - определение концентрации включает в себя процесс пробоотбора, что исключает возможность оперативного контроля массовой концентрации загрязняющих веществ во внутреннем объеме кюветы. Кроме того, использование представленных методов контроля для определения массовой концентрации загрязняющих веществ в кювете предполагает низкий уровень автоматизации, что не исключает возможности появления случайной погрешности измерений, обусловленной уровнем профессиональной подготовки оператора.
Технический результат, достигаемый в заявленной полезной модели, заключается в значительном снижении трудозатрат (исключение из процесса определения концентраций этапов пробоотбора и пробоподготовки), в обеспечении возможности контроля концентрации загрязняющих веществ в кювете в режиме реального времени, а также автоматизации процесса определения концентрации.
Указанный технический результат достигается тем, что лабораторный стенд для создания и контроля концентраций газообразных веществ, согласно полезной модели, позволяет использовать в качестве контрольного измерительного средства для определения концентраций загрязняющих веществ ИК Фурье-спектрометр, в оптическую схему которого вместо штатной газовой кюветы включен объем однопроходовой газовой кюветы для создания баз спектральных данных загрязняющих веществ.
Полезная модель поясняется чертежами фиг.2 и 3. На фиг 2 представлена оптическая схема спектрометра ИнфраЛЮМ ФТ-02 в его штатной конфигурации.
Инфракрасный свет, испускаемый высокотемпературным керамическим источником (1), пройдя тепловой экран (2), с помощью системы сферических зеркал (3 и 4), преобразуется в сходящийся кольцевой поток и через диафрагму (5) направляется в интерферометр (6). После выхода из интерферометра модулированный световой поток отражается от плоского зеркала (7) и попадает на торические зеркала (8) и (9). В результате формируется параллельный пучок. Пройдя через кюветное отделение с образцом (10), свет отражается от торического зеркала (11) и направляется на детектор (12)
Для регистрации спектров пропускания загрязняющих веществ во внутреннем объеме однопроходовой газовой кюветы в оптическую схему спектрометра были внесены следующие изменения (фиг.3). Штатный высокотемпературный керамический источник был отсоединен, в качестве источника инфракрасного излучения использован керамический излучатель «Глобар» (6), установленный во внутреннем объеме кюветы. Излучение, испускаемое источником, отражаясь от двух вогнутых сферических зеркал (5), фокусируется собирающей линзой (12) и попадает в спектрометр (4), следуя далее по оптическому пути спектрометра согласно штатной конфигурации. Полученный спектр пропускания обрабатывается синхронизированной со спектрометром (13) ЭВМ (14) с установленным программным обеспечением. Для исключения влияния ИК излучения высокотемпературного керамического источника на спектр, регистрируемый Фурье-спектрорадиометром, установлен защитный экран (11). Таким образом, определение концентрации загрязняющих веществ происходит в течение нескольких секунд, что дает возможность отслеживать концентрацию анализируемых веществ в динамике и контролировать ее в режиме реального времени. Еще одним преимуществом использования полезной модели является то, что толщина слоя вещества, взаимодействующего с излучением примерно в 100 раз больше чем в стандартной газовой кювете спектрометра, что согласно закону Бугера-Ламберта-Бера [1] дает прямо пропорциональный выигрыш в чувствительности измерения концентрации.
Технический результат использования полезной модели подтвержден результатами тестирований малогабаритных Фурье-спектрорадиометров, и сравнительной оценкой определения концентрации с использованием спектрометра ИнфраЛЮМ ФТ-02 и полезной модели. Экспериментальным путем установлено, что чувствительность определения концентрации во внутреннем объеме статической газовой камеры с использованием полезной модели выше на два порядка в сравнении с газовой кюветой ИК спектрометра, время анализа составляет 10-15 секунд и позволяет получить информацию о концентрации вещества в 100 раз быстрее, чем при использовании хроматографического метода.