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
CO
HCl
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.
CH4
HF
N2O
CO2
H2O
Odbiornik
Przewód
światłowodowy
Elektronika
(obliczenia)
Detektor
Filtr widma
pasmowego
Zwierciadło
rozszczepiające
wiązkę światła
Komputer
Otrzymywane
dane
Ruchome
zwierciadło
Interferometr
Schemat techniki Opsis IR
3
Co si dzieje w komputerze
1. Po zgromadzeniu danych
„surowe’’ spektrum
przechowywane jest w pami ci
komputera.
2. Najpierw surowe spektrum
porównywane jest ze spektrum
„gazu zerowego’’. Jest to
spektrum po przej ciu przez
prób bez obecnych gazów
absorbuj cych promieniowanie i
u ywane jako spektrum
referencyjne.
4. Taka operacja jest mo liwa
dzi ki znajomo ci faktu, e tylko
cz steczki gazów powoduj
gwałtowne wahania w spektrum
absorpcyjnym. Wahania
powolne, które powoduj wzrost
na krzywej absorpcji to
przyczyna wielu znanych i
nieznanych oddziaływa . Ich
wpływ mo e zosta całkowicie
wyeliminowany przez
matematyczne wyznaczenie
krzywej, która nie jest zgodna z
gwałtownymi wahaniami w
spektrum.
5. Po kolejnym rozdziale
pozostaj jedynie gwałtowne
wahania. Pozostała krzywa jest
logarytmowana i w ten sposób
zostaje stworzone ró nicowe
spektrum absorpcyjne. Jest ono
poł czeniem ró nych gazów
obecnych pomi dzy nadajnikiem
i odbiornikiem w momencie
pomiaru. W tym przykładzie
nazwane jest Z.
3. Po oddzieleniu spektrum gazu
zerowego uzyskana zostaje
całkowita absorpcja
promieniowania pomi dzy
nadajnikiem i odbiornikiem. Jest
ona spowodowana nie tylko przez
obecne gazy, ale tak e cz stki
pyłów lub zanieczyszczenia
elementów optycznych. Nale y
teraz oddzieli absorpcj
promieniowania spowodowan
przez badane gazy od absorpcji
niepo danej.
przykładzie s tylko dwa gazy
nazwane tu X1 i X2. Nale y teraz
ustali proporcje dla X1 i X2 i
poł czy je tak, aby w mo liwie
najdokładniejszy sposób zgadzały
si z krzyw Z. System uzyskuje to
bardzo szybko poprzez utworzenie
nowej krzywej sumuj cej obie
krzywe referencyjne i
dopasowywanie jej do momentu
uzyskania najwi kszej zgodno ci.
Obliczenia wykonywane przez
komputer mog by wyra one
wzorem C1X1 + C2X2 =Z, gdzie C1 i
C2 to proporcje ka dego gazu. Z C1
i C2 mo na nast pnie wyliczy
bie ce st enia.
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 wi cej krzywych
referencyjnych przechowywanych
jest w pami ci komputera, tym
dokładniejsze b d wyliczenia.
Jednak, nawet gdy pojawi si
nieznane zakłócenia np. obecno
gazów, których spektrum
referencyjne nie jest
przechowywane w pami ci,
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 absorbuj ce
promieniowanie przy tej długo ci
fali s znane, a ich spektra
referencyjne s przechowywane
w pami ci komputera. W tym
Biuro handlowe
ul. B.Prusa 8, 20-064 Lublin
tel./fax: 081 740 33 45