technika doas - Atut

TECHNIKA DOAS
Ciągły monitoring emisji i kontrola procesu technologicznego
Monitoring immisji
ul. Ziółkowskiego 26, 20-834 Lublin
Biuro handlowe:
ul. B.Prusa 8, 20-064 Lublin
tel./fax: 081 740 33 45
[email protected]
www.atut.lublin.pl
Zasada techniki Opsis DOAS
Metoda wykorzystywana przez firmę OPSIS do wykrywania i
pomiaru stężenia różnych gazów – Różnicowa Optyczna
Spektroskopia Absorpcyjna (DOAS) oparta jest na prawie
absorpcji Lamberta – Beera. Określa ono zależność pomiędzy
ilością promieniowania absorbowanego na trasie wiązki
światła, a liczbą molekuł znajdujących się wzdłuż toru
pomiarowego.
Ponieważ każdy związek chemiczny, a więc każdy gaz
posiada charakterystyczne spektrum absorpcji, możliwe jest
prowadzenie przy pomocy pojedynczej wiązki światła
pomiaru stężenia kilku różnych gazów jednocześnie.
W prezentowanej technice DOAS wiązka światła wysyłana
jest ze źródła – które stanowi wysokociśnieniowa lampa
ksenonowa – wzdłuż dowolnie wybranej ścieżki pomiarowej.
Lampa ksenonowa emituje promieniowanie świetlne o
znacznej intensywności i szerokim spektrum: promieniowanie
UV, widzialne i IR. Po przejściu przez analizowany ośrodek,
wiązka światła dociera do odbiornika, skąd przesyłana jest
przy pomocy przewodu światłowodowego do analizatora.
Promieniowanie podlega tu analizie, która pozwala na
określenie wielkości strat światła na skutek absorpcji wzdłuż
ścieżki pomiarowej.
rozszczepia światło na wąskie pasma przy użyciu siatki
dyfrakcyjnej. Siatka może zostać ustawiona w taki sposób,
aby umożliwić detekcję w optymalnym widmie.
Światło przechodzące przez wąską szczelinę omiata z dużą
szybkością detektor, w efekcie czego duża ilość
następujących po sobie, chwilowych wartości formuje
obraz widma w odpowiednim zakresie promieniowania.
Takie skanowanie powtarzane jest kilkaset razy na
sekundę, zaś zarejestrowane zakresy są gromadzone w
pamięci komputera w celu uzyskania dokładnego wyniku.
Wynik otrzymywany jest jednocześnie dla jednego zakresu
fali. Otrzymywany jest przez porównanie krzywych
absorpcji.
Widmo absorpcji uzyskiwane po przejściu ścieżki
pomiarowej porównywane jest z widmem otrzymywanym
na podstawie obliczeń prowadzonych przez komputer.
Obliczone widmo składa się ze zrównoważonych sumowań
widm referencyjnych dla prowadzonej analizy.
Komputer kontynuuje obliczenia przez różnicowanie
wielkości mnożnika dla każdego widma referencyjnego aż
do osiągnięcia wyniku najbardziej odpowiadającego
wzorcowi. Dzięki temu rożne stężenia gazów obliczane są
z wysoką dokładnością.
Podstawowymi elementami analizatora są; wysokiej jakości
spektrometr, komputer oraz obwód kontrolny. Spektrometr
Przewód
Ścieżka pomiarowa
światłowodowy
Odbiornik
Multiplekser
System
detekcji
Spektrometr
Siatka
dyfrakcyjna
Zespół siatek dyfrakcyjnych
Konwerter
A/D
Monitor
Komputer
Gromadzenie danych
Schematyczny rysunek techniki monitoringu Opsis
2
Zasada działania techniki Opsis w podczerwieni (Opsis IR)
Opsis opracował analizator do monitoringu związków w
zakresie fal odpowiadających podczerwieni. Zasada techniki
Opsis IR oparta jest na tej samej metodzie identyfikacji i
obliczania stężenia różnych związków, co szeroko
pojmowana, opisana wyżej technika DOAS.
Technika Opsis IR wykorzystuje prawo absorpcji Lamberta
– Beera, opartego na relacji pomiędzy ilością
promieniowania absorbowanego, a liczbą cząsteczek danego
związku na trasie przejścia wiązki świetlnej. Wiązka światła
wysyłana przez nadajnik dociera do odbiornika i dalej za
pośrednictwem światłowodu przesyłana jest do analizatora.
Analizator zawiera wbudowany interferometr, komputer
oraz obwód kontrolny. W skład interferometru wchodzi
zwierciadło rozszczepiające wiązkę, które rozdziela światło
pomiędzy dwa ruchome lustra, następnie formowany jest
obraz interferencyjny.
Nadajnik
Dzięki zastosowaniu zaawansowanych obliczeń obraz
interferencyjny transformowany jest na widmo określonej
długości fali odpowiadające widmu które mierzone jest w
spektrometrze Opsis.
Filtr widma pasmowego ogranicza zakres spektrum, co
ułatwia jego ocenę.
Interferometr pracujący w zakresie podczerwieni daje
wyższą rozdzielczość, niż spektrometr.
Wyniki otrzymywane są na podobnej zasadzie jak przy
wykorzystaniu spektrometru, dla jednego zakresu fal w tym
samym czasie, przez porównanie zarejestrowanego widma
do krzywych absorpcji (referencyjnych) zawartych w
pamięci komputera.
Komputer kontynuuje obliczenia przez różnicowanie
wielkości mnożnika dla każdego widma referencyjnego aż
do osiągnięcia wyniku najbardziej odpowiadającego
wzorcowi.
N2O
CO
HCl
CH4
HF
CO2
Odbiornik
H2O
Przewód
światłowodowy
Elektronika
(obliczenia)
Detektor
Filtr widma
pasmowego
Zwierciadło
rozszczepiające
wiązkę światła
Komputer
Otrzymywane
dane
Ruchome
zwierciadło
Interferometr
Schemat techniki Opsis IR
3
Co się dzieje w komputerze
1. Po zgromadzeniu danych „surowe”
spektrum przechowywane jest w
pamięci komputera.
2. Najpierw surowe spektrum
porównywane jest ze spektrum „gazu
zerowego”. Jest to spektrum po
przejściu przez próbę bez obecnych
gazów absorbujących
promieniowanie i używane jako
spektrum referencyjne.
4. Taka operacja jest możliwa dzięki
znajomości faktu, że tylko cząsteczki
gazów powodują gwałtowne
wahania w spektrum absorpcyjnym.
Wahania powolne, które powodują
wzrost na krzywej absorpcji to
przyczyna wielu znanych i
nieznanych oddziaływań. Ich wpływ
może zostać całkowicie
wyeliminowany przez matematyczne
wyznaczenie krzywej, która nie jest
zgodna z gwałtownymi wahaniami w
spektrum.
5. Po kolejnym rozdziale pozostają
jedynie gwałtowne wahania.
Pozostała krzywa jest
logarytmowana i w ten sposób
zostaje stworzone różnicowe
spektrum absorpcyjne. Jest ono
połączeniem różnych gazów
obecnych pomiędzy nadajnikiem i
odbiornikiem w momencie pomiaru.
W tym przykładzie nazwane jest Z.
3. Po oddzieleniu spektrum gazu
zerowego uzyskana zostaje całkowita
absorpcja promieniowania pomiędzy
nadajnikiem i odbiornikiem. Jest ona
spowodowana nie tylko przez obecne
gazy, ale także cząstki pyłów lub
zanieczyszczenia elementów
optycznych. Należy teraz oddzielić
absorpcję promieniowania
spowodowaną przez badane gazy od
absorpcji niepożądanej.
referencyjne są przechowywane w
pamięci komputera. W tym
przykładzie są tylko dwa gazy
nazwane tu X1 i X2. Należy teraz
ustalić proporcje dla X1 i X2 i połączyć
je tak, aby w możliwie
najdokładniejszy sposób zgadzały się
z krzywą Z. System uzyskuje to
bardzo szybko poprzez utworzenie
nowej krzywej sumującej obie krzywe
referencyjne i dopasowywanie jej do
momentu uzyskania największej
zgodności. Obliczenia wykonywane
przez komputer mogą być wyrażone
wzorem C1X1 + C2X2 =Z, gdzie C1 i
C2 to proporcje każdego gazu. Z C1 i
C2 można następnie wyliczyć bieżące
stężenia.
8. Na końcu wyniki sprawdzane są
przez ustalenie różnicy pomiędzy
krzywą wyliczoną i zmierzoną (pole
zaciemnione). To oznacza, że każdy
wynik pomiaru może zostać
wyznaczony z odchyleniem
standardowym.
Im więcej krzywych referencyjnych
przechowywanych jest w pamięci
komputera, tym dokładniejsze będą
wyliczenia. Jednak, nawet gdy
pojawią się nieznane zakłócenia np.
obecność gazów, których spektrum
referencyjne nie jest przechowywane
w pamięci, komputer z powodzeniem
prowadzi wyliczenia dla gazów dla
których został zaprogramowany.
Wpływ nieznanych gazów jest w
rezultacie prezentowany jako wzrost
odchylenia standardowego danego
pomiaru.
6-7. Gazy absorbujące
promieniowanie przy tej długości
fali są znane, a ich spektra
Biuro handlowe
ul. B.Prusa 8, 20-064 Lublin
tel./fax: 081 740 33 45
[email protected]
www.atut.lublin.pl