СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ БАЗЫ СПЕКТРАЛЬНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ФУРЬЕ-СПЕКТРОРАДИОМЕТРОВ
METHOD OF FORMING SPECTRAL DATABASE FOR FOURIER SPECTRORADIOMETERS

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:
<mrow><mfrac><mrow><mi>δ</mi><mi>D</mi></mrow><mi>D</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>η</mi></mfrac><mfrac><mrow><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mn>2</mn><mi>D</mi></mrow></msup></mrow></msqrt></mrow><mi>D</mi></mfrac><mtext>                                                                                 (1)</mtext></mrow>
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):
<mrow><mfrac><mi>d</mi><mrow><mi>d</mi><mi>D</mi></mrow></mfrac><mi>f</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>D</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>0</mn><mtext>                                                                                          (2)</mtext></mrow>
Оптимальная оптическая плотность модельного облака для регистрации эталонных спектров при формировании базы спектральных данных для Фурье-спектрорадиометра может быть вычислена по формуле (3):
<mrow><mfrac><mi>d</mi><mrow><mi>d</mi><mi>D</mi></mrow></mfrac><mi>f</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>D</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mi>d</mi><mrow><mi>d</mi><mi>D</mi></mrow></mfrac><mfrac><mtext>1</mtext><mi>η</mi></mfrac><mfrac><mrow><msqrt><mrow><mtext>1</mtext><mo>+</mo><msup><mtext>e</mtext><mrow><mtext>2D</mtext></mrow></msup></mrow></msqrt></mrow><mi>D</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mtext>1</mtext><mi>η</mi></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msup><mtext>e</mtext><mrow><mtext>2D</mtext></mrow></msup></mrow><mrow><mi>D</mi><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mn>2</mn><mi>D</mi></mrow></msup></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mn>2</mn><mi>D</mi></mrow></msup></mrow></msqrt></mrow><mrow><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>                                                    (3)</mtext></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msup><mtext>e</mtext><mrow><mtext>2D</mtext></mrow></msup></mrow><mrow><mi>D</mi><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mn>2</mn><mi>D</mi></mrow></msup></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mn>2</mn><mi>D</mi></mrow></msup></mrow></msqrt></mrow><mrow><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mtext>0</mtext><mo>→</mo><mtext>D</mtext><mo>≈</mo><mtext>1</mtext><mtext>,108                                                                       (4)</mtext></mrow>
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:
2
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/м], производится одновременно с регистрацией спектра для базы данных Фурье-спектрорадиометром на основании показаний лабораторного Фурье-спектрометра по формуле (5):
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>и</mi><mi>н</mi><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo>−</mo><mi>ln</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>τ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>v</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>M</mi></mrow><mrow><msub><mi>N</mi><mi>A</mi></msub><mi>σ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>v</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>4</mn></mrow></msup><mtext>                                                                                    (5)</mtext></mrow>
где τ(v)- значение пропускания излучения веществом на характеристической спектральной линии при длине волны v, отн.ед.;
М - молярная масса вещества, г/моль;
2
σ(v) - молекулярное сечение поглощения вещества для опорной длины волны v, см;
A
23
-1
N - число Авогадро, 6,02·10 моль;
-4
2
2
10- коэффициент перевода размерности, из см в м.
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.