Оптимизация спектральных характеристик газоанализатора моноксида углерода Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

8

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

И СИСТЕМЫ

ОПТИМИЗАЦИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОАНАЛИЗАТОРА МОНОКСИДА УГЛЕРОДА Л.А. Конопелько, А.В. Белобородов

При измерении микроконцентраций моноксида углерода в атмосфере основной проблемой, ограничивающей точность измерений, является влияние мешающих компонентов.

Оптимальными методами измерений, обеспечивающими высокую чувствительность, избирательность и экспрессность анализа, являются спектральные методы, а из них наиболее перспективным - корреляционный метод типа "газовый фильтр", предназначенный для определения концентраций целого ряда газовых компонентов.

Однако даже при использовании корреляционного метода влияние мешающих компонентов, таких как водяной пар и диоксид углерода, достигает 5-15 % при определении концентраций моноксида углерода (СО) в диапазоне 0,1-20 ррм.

Для уменьшения влияния на показания газоанализаторов паров воды применяют специальные устройства пробоподготовки, включающие микрохолодильник, для отвода конденсата из пробы газа. К недостаткам таких устройств можно отнести низкую надежность, возможность изменения состава газовой пробы, недостаточная степень удаления Н2О.

Результаты численного эксперимента показывают, что перспективным методом увеличения избирательности корреляционного недисперсионного газоанализатора является оптимизация спектральных характеристик элементов его оптической схемы по специальной методике.

Введение

Один из ведущих мировых законодателей в обасти охраны окружающей среды -Агентство по охране окружающей среды США (ИБЕРА) - разработало рекомендации по определению выбросов моноксида углерода (СО) от стационарных источников [1]. Этот документ определяет недисперсионный инфракрасный метод для контроля СО и рекомендует использовать устройство отвода конденсата водяных паров из пробы. Этот документ также устанавливает уровень влияния мешающих измерениям компонентов. Для 3,5% Н2О устанавливается уровень влияния в 25 ррм эквивалента СО и для 10% СО2 - 50 ррм эквивалента СО для приборов, измеряющих в диапазоне от 0 до 100 ррм, что является значительной величиной.

ИБЕРА также разработало требования по влиянию основных мешающих компонентов в воздухе жилой зоны [2], которые значительно мягче требований по выбросам. Уровень влияния для 20000 ррм Н20 и 750 ррм С02 устанавливается равным 10 ррм эквивалента СО.

В данной работе приведены результаты вычисления влияния Н20 на показания газоанализатора СО, причем для вычислений был выбран уровень изменения влияния водяного пара от 0 до 3,5% - ситуация, которая может возникнуть, если выполнены требования ИБЕРА.

Метод измерений

Известны методы повышения селективности измерений при помощи корреляционных недисперсионных газоанализаторов, основанных на "газовом фильтре" [3-6]. Эти методы обеспечивают повышение селективности для мешающих компонентов с сильной колебательно-вращательной структурой спектра и в случаях, когда спектральная структура мешающего компонента частично совпадает со спектральной структурой исследуемого компонента.

Результат перемножения величины спектрального потока излучения источника I? х, спектрального пропускания рабочей кюветы Т? х, заполненной мешающим

компонентом, спектральной характеристики оптики прибора То х и спектральной

чувствительности приемника излучения Яр у дает для спектрального изменения

величин I? -Х или, соответственно, Т?х, То х, Яр -Х изменение наклона интегральной

спектральной характеристики с (Г?ХТ8хТо:кЯо х )! до (1?гхТБ,ХТ0,ХЯБ,Х >2 • На рис- 1 представлена структурная схема прибора.

Рис. 1. Структурная схема прибора

Сигнал на выходе прибора может быть представлен как

—х>

$=( ^ I? 7 Т? 7 Т\1 7 Тр у То У Яр 7 -

$ ? N л1 р л1 ох1 Ю:хс

- | ^,ХТЯ,ХТР,ХТ0,ХЯВХУ | ^,ХТР,ХТ0,ХЯВХ•

(1)

Здесь TN у - спектральное пропускание нейтрального оптического фильтра; Тях -

спектральное пропускание корреляционной кюветы; Тр -Х - спектральное пропускание

интерференционного фильтра или монохроматора. Символ Х обозначает длину волны.

Сигнал ? равен нулю для некоторых длин волн. Это значит, что влияние мешающих компонентов на этих длинах волн также отсутствует. Т? у может быть выражено как

Т ,Х = Т,I,Х Т м Х . (2)

Здесь Т? I х - спектральное пропускание мешающих компонентов в рабочей

кювете; Т? м Х - спектральное пропускание измеряемого компонента в рабочей

кювете.

Использование абсорпционной спектроскопии для измерений концентраций газов основано на законе Бугера:

Ту = ехр~КхСЬ . (3)

Здесь KX - сечение поглощения компонента на длине волны X (см2); С -концентрация компонента (см-3); L - длина оптического пути в рабочей кювете (см).

Общее содержание измеряемого компонента определяется как wm = CmL а общее содержание измеряемого компонента как wi = CiL

ИК спектры таких компонентов, как H2O и CO2, являющихся основными мешающими компонентами для определения СО, обладают явно выраженной колебательно-вращательной структурой. При помощи компьютерных расчетов было показано, что для того, чтобы получить нулевое влияние мешающих компонентов на результат измерений, необходимо, чтобы свертка (Is %Т$ yT0 хRd x) и TF х не имела

явно выраженной спектральной структуры. Это значит, что спектральная полуширина интерференционного фильтра или щели монохроматора AX(0.5) должна быть достаточно большой в сравнении со спектральным сдвигом между линиями в спектре

мешающего компонента. Свертка (Is xTs хТо хRd X) и TF х рассчитывается как

_ ю

TI,Xo = JTF,(X0_X)(IS,XTSI,XtO,XRDX)dX, (4)

_c»

а нормированная свертка - как

<ю <ю

TN,I,Xo = JTF,(X0_X)(IS,XTS,I,XTO,XRD,X)dX / JTF,(X0_X)dX . (5)

Здесь X0 - это центральная длина волны полосы пропускания интерференционного фильтра или монохроматора.

Результаты

Все расчеты были сделаны для атмосферного давления и температуры 296 °K. Для упрощения спектральный поток излучения источника Is х, спектральная

характеристика оптики прибора То х и спектральная чувствительность приемника

излучения Rdx выбраны равными единице в спектральном диапазоне 2075-2225 см-1.

Измеряемым компонентом является CO, а мешающим измерениям компонентом - H2O.

Расчеты проводились согласно уравнениям (1)-(5) с последовательным сдвигом центральной длины волны щели монохроматора 0.01 см-1, имеющей функцию пропускания в виде треугольника. База данных HITRAN10 была выбрана в качестве источника данных для проведения расчетов. Использовались линии только первых изотопов CO и H2O. Для расчетов использовался метод прямого расчета (line by line).

Интегральное содержание CO в корреляционной кювете было принято равным 1000 ррм м (частей на миллион на оптической трассе 1 метр), спектральная полуширина щели монохроматора AX(0.5) - 10 см-1. Кривая, иллюстрирующая сигнал на выходе газоанализатора в зависимости от центральной длины волны щели монохроматора для 25 ррм м CO в рабочей кювете в отсутствие каких-либо мешающих компонентов, в относительных единицах представлена на рис. 2а. Спектры, нормированные свертки (Is xTsхТо,ХRd,X) и Tf х для мешающего компонента (т.е.

H2O) и результаты расчетов влияния H2O, выраженные в относительных единицах для различных содержаний wi и wm как функция длины волны представлены на рис. 2б-2д. Величина сигнала для 25 ррм м CO в рабочей кювете в отсутствие мешающих компонентов (рис. 2a) показывает уровень влияния H2O, представленный на рис. 2б-2д. Результаты расчетов, представленные на рис. 2б-2г, иллюстрируют дрейф нуля. Рис. 2б иллюстрирует дрейф нуля для значений, установленных U.S.EPA, - 3.5% H2O1 (в случае

оптической трассы рабочей кюветы длиной 1 м). Рис. 2в и 2г иллюстрируют дрейф нуля для типичного для многих случаев изменения интегрального содержания Н20 в диапазоне 30-60 % и 30-100 % процентов соответственно. Рис. 2д иллюстрирует мультипликативную погрешность (дрейф показаний) для случая 25 ррм м СО в рабочей кювете в случае изменения общего содержания Н20 от 30 до 60 %.

Анализируя рис. 2а, 2в и 2д для установления величины дрейфа показаний под влиянием изменения содержания Н20 в рабочей кювете прибора, можно заметить, что практически во всех точках пересечения сигнала с абсциссой при отсутствии СО в рабочей кювете (^0 * 2098.5 см-1, Х0 * 2107 см-1, Х0 * 2124 см-1, Х0 * 2142 см-1, Х0 * 2154 см-1 апё Х0 * 2171.5 см-1, рис. 2в) величина сигнала при наличии СО и Н20 в рабочей кювете (рис. 2д) существенно не меняется от значений сигнала при наличии СО и отсутствии Н20 (рис. 2а) на той же длине волны.

Анализируя рис. 2б-2г, можно заметить незначительный сдвиг точек пересечения сигнала с абсциссой в зависимости от изменения интегрального содержания Н20 в рабочей кювете.

Нужно отметить, что достигнутые результаты являются типичными, и они аналогичны для других диапазонов изменения содержания Н20. Однако более детальное рассмотрение этой проблемы выходит за рамки настоящей работы.

Transmission Spectra and Convolution %:

100 I

CO

"1-г

RESULT (Signal)

80 60

■ .

II I м

"1 г

1.0

I

2075

2100

llllllllll[lHHIHI.........................|+нНН++ННфШНН

2125 2150 2175

0.0

2200

cm-1

а

Transmission Spectra and Convolution %:

T

H20

-f—

RESULT (Signal)

SO

60

40

20

[111111111111111 2075

2100

2125

2150

б

2175

2200

1.0

t

0.5

0.0

cm-1

Transmission Spectra and Convolution %: 100

RESULT (Signal)

2075

2200

cm-1

Transmission Spectra and Convolution %: 100 . ,T

H20

RESULT (Signal)

™i—рт

cm-1

Transmission Spectra and Convolution %:

RESULT (Signal)

T Г'рч" f

-■ttmtMimiilHin 2075 2100

1Ш||1|111111|||||11МЧ111ПН11ИП|||1|1|||||||||||

2150 2175

д

2200

cm-1

Рис. 2. Влияние паров воды на показания газоанализатора моноксида углерода.

Выводы

Целью работы было представить некоторые результаты расчетов влияния такого компонента, как Н20, на результаты измерений СО при помощи корреляционного недисперсионного газоанализатора, работающего в ИК области спектра.

в

г

Результаты расчетов показывают, что требования одного из ведущих законодателей в области охраны окружающей среды, U.S.EPA, по влиянию H2O на результат измерений СО газоанализатора удовлетворяются для всех проиллюстрированных случаев.

Путем вычислений показано, что во многих случаях можно обойтись без применения устройства отвода конденсата водяных паров из пробы газа.

Литература

1. Method 10, App. A, Pt. 60, Vol. 40, Protection of Environment, Code of Federal Regulation. Published by the Federal Register, National Archives and Records Administration. USA.

2. Sec 53, Subpart A, Pt. 53, Vol. 40, Protection of Environment, Code of Federal Regulation. Published by the Federal Register, National Archives and Records Administration. USA.

3. Горелик Д.О., Конопелько Л.А., Панков Э.Д. Экологический мониторинг. Оптико-электронные приборы и системы. Учебник в 2-х томах. Т.2. СПб, 1998.

4. W.J. Baker. Systematic approaches to continuous infrared analyzes sensitization // Anal. Chem. 1954. Vol. 28. № 9. Р. 391-396.

5. O.G. Koppius. Analysis of mixtures with double-beam nondispersive infrared instrument // Anal. Chem. 1951. Vol. 23. № 4. Р. 554-559 .

6. Laurent J. Radiometre a modulation selective pour la detection a distance de pollutants gazeax // Mesures, Regulation, Automatisme. 1977. № 7. Р. 39-46.

7. L. S. Rothman, et al. The HITRAN Database: 1986 Edition. // Appl. Opt. 1987. Vol. 26. Р. 4058-4097.