close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY 12913

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2010.02.28
(12)
(51) МПК (2009)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 01N 21/01
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГЛОЩАЮЩЕЙ МАССЫ
ДИОКСИДА АЗОТА В ВЕРТИКАЛЬНОМ СТОЛБЕ АТМОСФЕРЫ
И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
(21) Номер заявки: a 20080648
(22) 2008.05.22
(43) 2009.12.30
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Институт физики
имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Кабашников Виталий Павлович; Метельская Наталья Сергеевна (BY)
BY 12913 C1 2010.02.28
BY (11) 12913
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) БАЛАНДИН С.Ф. Оптика атмосферы и
океана, 2005. - Т.18. - № 11. - С. 9991006.
BY 2827 С1, 1999.
BY 6109 С1, 2004.
SU 1032373 A, 1983.
SU 845582 A, 1986.
SU 1831675 A3, 1993.
US 2004/0262501 A1, 2004.
US 5818598 A, 1998.
(57)
1. Способ определения поглощающей массы диоксида азота в вертикальном столбе
атмосферы, включающий балансировку в условиях отсутствия диоксида азота на измерительной трассе путем пропускания потока излучения искусственного источника по двум
каналам, один из которых содержит корреляционную кювету, и уравнивания сигналов U1
и U2, регистрируемых в каналах; калибровку путем введения в оптический тракт калибровочной кюветы с известной поглощающей массой диоксида азота m0 и пропускания потока излучения искусственного источника через калибровочную кювету и по двум каналам,
один из которых содержит корреляционную кювету, и нахождения коэффициента калибU − U4
, где U3 и U4 - сигналы, регистрируемые соответстровки k0 из выражения: k 0 = 3
U3 + U4
венно в канале с корреляционной кюветой и в канале без корреляционной кюветы при
проведении калибровки; удаление из оптического тракта калибровочной кюветы; определение поглощающей массы диоксида азота в вертикальном столбе атмосферы путем пропускания зондирующего прямого излучения Солнца по двум каналам, один из которых
Фиг. 1
BY 12913 C1 2010.02.28
содержит корреляционную кювету, и нахождения коэффициента измерения k1 из выражеU − U6
ния: k 1 = 5
, где U5 и U6 - сигналы, регистрируемые соответственно в канале с корU5 + U6
реляционной кюветой и в канале без корреляционной кюветы при определении,
отличающийся тем, что при проведении балансировки и калибровки вводят в оптический
тракт и после проведения калибровки удаляют из него дополнительную кювету, заполненную озоном в количестве 0,6 атм·см, заполняют корреляционную кювету диоксидом
азота в количестве 1 атм·см, а поглощающую массу диоксида азота в вертикальном столбе
атмосферы m определяют из выражения:
k
m = 1 m 0 cos ϕ ,
k0
где ϕ - зенитный угол Солнца.
2. Устройство для определения поглощающей массы диоксида азота в вертикальном
столбе атмосферы, содержащее оптически связанные оптическую систему для формирования параллельного светового потока; оптический фильтр для выделения полосы поглощения диоксида азота, который содержит прямоугольный контур пропускания с центром
на длине волны 463 нм и полушириной 40 нм; систему для разделения потока излучения
на два канала, один из которых содержит корреляционную кювету, заполненную диоксидом азота в количестве 1 атм·см; фотоприемники для регистрации сигналов в каждом из
каналов и систему обработки сигналов с фотоприемников, при этом для проведения балансировки и калибровки перед оптической системой установлен искусственный источник излучения, для проведения калибровки за оптическим фильтром установлена
калибровочная кювета с известной поглощающей массой диоксида азота, для проведения
балансировки и калибровки перед системой для разделения потока излучения установлена
дополнительная кювета, заполненная озоном в количестве 0,6 атм·см.
Изобретение относится к области недисперсионной корреляционной спектроскопии и
может быть использовано для дистанционного измерения поглощающей массы диоксида
азота в вертикальном столбе атмосферы.
В настоящее время наиболее распространенными способами определения поглощающей массы диоксида азота в вертикальном столбе атмосферы являются измерения спектральной интенсивности прямого, отраженного или рассеянного солнечного излучения в
полосе поглощения диоксида азота с последующим вычислением поглощающей массы
диоксида азота в вертикальном столбе атмосферы по закону Бугера с использованием модели атмосферы [1-3]. Основным недостатком этих способов является необходимость использования модельных представлений о составе и температуре атмосферы, которые
могут значительно отличаться от реальных значений в момент измерения.
Известны способы определения поглощающей массы диоксида азота, основанные на
измерении разницы между интегральным поглощением в полосах поглощения диоксида
азота и вне их [4, 5]. Эти способы реализуются с помощью дисперсионных корреляционных устройств, содержащих диспергирующий элемент и маску, пропускающую излучение
только в полосах поглощения диоксида азота [4, 5]. Основными недостатками дисперсионных корреляционных устройств и реализуемых с их помощью способов являются чувствительность к механической вибрации и необходимость изготовления дорогостоящей
маски.
Известны также способы определения поглощающей массы диоксида азота, основанные на измерении разницы в интегральном поглощении в полосах диоксида азота при различном содержании диоксида азота между источником и приемником излучения [6, 7].
Эти способы реализуются с помощью недисперсионных корреляционных устройств, со2
BY 12913 C1 2010.02.28
держащих корреляционную кювету с известным количеством диоксида азота [6, 7]. Основным недостатком недисперсионных корреляционных устройств и реализуемых с их
помощью способов является большая погрешность измерений, вызванная нестабильностью интенсивности излучения естественных источников, используемых при измерениях,
и мешающим действием посторонних примесей, имеющих линии (полосы) поглощения в
спектральном интервале, используемом для определения содержания диоксида азота.
Ближайшим техническим решением к заявляемому (прототипом) является способ измерения поглощающей массы диоксида азота [8], включающий балансировку в условиях
отсутствия диоксида азота на измерительной трассе путем пропускания потока излучения
искусственного источника по двум каналам, один из которых содержит корреляционную
(эталонную) кювету, и уравнивания сигналов U1 и U2, регистрируемых в каналах; калибровку путем введения в оптический тракт калибровочной кюветы с известной поглощающей массой (концентрацией) диоксида азота m0 и пропускания потока излучения
искусственного источника через калибровочную кювету и по двум каналам, один из которых содержит корреляционную (эталонную) кювету, и нахождения коэффициента калибU − U4
ровки k0 из выражения k 0 = 3
, где U3 и U4 - сигналы, регистрируемые
U3 + U 4
соответственно в канале с корреляционной кюветой и в канале без корреляционной кюветы при проведении калибровки; удаление из оптического тракта калибровочной кюветы;
определение поглощающей массы (трассовой концентрации) диоксида азота в вертикальном столбе атмосферы путем пропускания зондирующего прямого излучения Солнца по
двум каналам, один из которых содержит корреляционную (эталонную) кювету, нахождеU − U6
, где U5 и U6 - сигналы, региния коэффициента измерения k1 из выражения k1 = 5
U5 + U6
стрируемые соответственно в канале с корреляционной кюветой и в канале без
корреляционной кюветы при определении, и нахождения поглощающей массы диоксида
k
азота на измерительной трассе из выражения m = 1 m 0 .
k0
Известно устройство реализации описанного способа (прототип) [8], содержащее оптически связанные оптическую систему для формирования параллельного светового потока; оптический фильтр для выделения полосы поглощения диоксида азота; систему для
разделения потока излучения на два канала, один из которых содержит корреляционную
(эталонную) кювету; фотоприемники для регистрации сигналов в каждом из каналов и
систему обработки сигналов с фотоприемников, при этом для проведения балансировки и
калибровки перед оптической системой установлен искусственный источник излучения,
для проведения калибровки за оптическим фильтром установлена калибровочная кювета с
известной поглощающей массой диоксида азота.
Основным недостатком указанного способа и реализующего его устройства является
большая погрешность измерений (может превышать 100 %), обусловленная поглощением
озоном, полоса поглощения которого перекрывается с полосой поглощения диоксида азота и содержание которого в атмосфере может значительно изменяться, и отличием спектра
солнечного излучения при измерениях от спектра излучения искусственного источника
при балансировке и калибровке.
Задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства, обеспечивающих уменьшение погрешности измерений поглощающей массы диоксида азота в вертикальном столбе атмосферы.
Поставленная задача решается следующим образом. В способе определения поглощающей массы диоксида азота в вертикальном столбе атмосферы, включающем балансировку в условиях отсутствия диоксида азота на измерительной трассе путем пропускания
потока излучения искусственного источника по двум каналам, один из которых содержит
3
BY 12913 C1 2010.02.28
корреляционную кювету, и уравнивания сигналов U1 и U2, регистрируемых в каналах; калибровку путем введения в оптический тракт калибровочной кюветы с известной поглощающей массой диоксида азота m0 и пропускания потока излучения искусственного
источника через калибровочную кювету и по двум каналам, один из которых содержит
корреляционную кювету, и нахождения коэффициента калибровки k0 из выражения
U − U4
k0 = 3
, где U3 и U4 - сигналы, регистрируемые соответственно в канале с корреляU3 + U 4
ционной кюветой и в канале без корреляционной кюветы при проведении калибровки;
удаление из оптического тракта калибровочной кюветы; определение поглощающей массы диоксида азота в вертикальном столбе атмосферы путем пропускания зондирующего
прямого излучения Солнца по двум каналам, один из которых содержит корреляционную
U − U6
, где U5 и
кювету, и нахождения коэффициента измерения k1 из выражения k1 = 5
U5 + U6
U6 - сигналы, регистрируемые соответственно в канале с корреляционной кюветой и в канале без корреляционной кюветы при определении, при проведении балансировки и калибровки вводят в оптический тракт и после проведения калибровки удаляют из него
дополнительную кювету, заполненную озоном в количестве 0,6 атм⋅см, заполняют корреляционную кювету диоксидом азота в количестве 1 атм⋅см, а поглощающую массу диокk
сида азота в вертикальном столбе атмосферы определяют из выражения m = 1 m 0 cos ϕ ,
k0
где ϕ - зенитный угол Солнца.
Устройство для определения поглощающей массы диоксида азота в вертикальном
столбе атмосферы, содержащее оптически связанные оптическую систему для формирования параллельного светового потока; оптический фильтр для выделения полосы поглощения диоксида азота, который содержит прямоугольный контур пропускания с центром
на длине волны 463 нм и полушириной 40 нм; систему для разделения потока излучения
на два канала, один из которых содержит корреляционную кювету, заполненную диоксидом азота в количестве 1 атм⋅см; фотоприемники для регистрации сигналов в каждом из
каналов и систему обработки сигналов с фотоприемников, при этом для проведения балансировки и калибровки перед оптической системой установлен искусственный источник излучения, для проведения калибровки за оптическим фильтром установлена
калибровочная кювета с известной поглощающей массой диоксида азота, для проведения
балансировки и калибровки перед системой для разделения потока излучения установлена
дополнительная кювета, заполненная озоном в количестве 0,6 атм⋅см.
Указанная последовательность выполнения операций и расположение и характеристики элементов устройства позволяют обеспечить значительное уменьшение погрешности
измерений. Использование оптического фильтра, имеющего прямоугольный контур пропускания, центр на длине волны 463 нм и полуширину 40 нм, позволяет одновременно
минимизировать влияние оптических помех, обусловленных поглощением озоном и отличием спектра солнечного излучения при измерении от спектра излучения искусственного
источника при балансировке и калибровке. Уменьшение погрешности, вызванной поглощением озоном, обеспечивается также использованием дополнительной кюветы, заполненной озоном в количестве 0,6 атм⋅см, при проведении калибровки. Заполнение
корреляционной кюветы диоксидом азота в количестве 1 атм⋅см позволяет обеспечить
максимальную чувствительность устройства. По результатам проведенного численного
эксперимента погрешность при проведении измерений предложенным способом с помощью предложенного устройства не превышает 30 % в диапазоне типичных поглощающих
масс диоксида азота в загрязненной атмосфере (0,002-0,02 атм⋅см в вертикальном столбе
атмосферы).
4
BY 12913 C1 2010.02.28
Предлагаемый способ и реализующее его устройство поясняются фиг. 1, 2.
На фиг. 1 показана блок-схема устройства, с помощью которого реализуется предлагаемый способ. Здесь 1 - искусственный источник излучения, 2 - входная оптическая система, формирующая параллельный поток излучения, 3 - фильтр, выделяющий полосу
поглощения диоксида азота, 4 - калибровочная кювета, 5 - дополнительная кювета, 6 - система, разделяющая поток излучения на два канала, 7 - корреляционная кювета, 8, 9 - фотоприемники, 10 - электронная система обработки сигналов.
На фиг. 2 представлены результаты численного эксперимента. Линия 1 показывает зависимость значения коэффициента калибровки поглощающей массы диоксида азота на
измерительной трассе, линия 2 показывает зависимость значения коэффициента измерения от поглощающей массы диоксида азота при минимальном возможном для средних
широт содержании озона в атмосфере (0,2 атм⋅см) и зенитном угле Солнца 30°, линия 3
показывает зависимость значения коэффициента измерения от поглощающей массы диоксида азота при максимальном возможном для средних широт содержании озона в атмосфере (0,6 атм⋅см) и зенитном угле Солнца 60°.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
Первой операцией способа является балансировка (установка нуля). Черное или серое
излучение искусственного источника 1 пропускают через входную оптическую систему 2,
оптический фильтр 3, имеющий прямоугольный контур пропускания, центр на длине волны 463 нм и полуширину 40 нм, дополнительную кювету 5, содержащую озон в количестве 0,6 атм⋅см, затем с помощью системы 6 разделяют поток излучения на два канала. Один
поток пропускают через корреляционную кювету 7, содержащую диоксид азота в количестве 1 атм⋅см, и фокусируют на фотоприемнике 8, второй поток фокусируют на фотоприемнике излучения 9. С помощью электронной системы обработки 10 уравнивают сигналы
U1 и U2, регистрируемые соответственно в канале с корреляционной кюветой и в канале
без корреляционной кюветы.
Второй операцией способа является калибровка. В оптический тракт устройства вводится калибровочная кювета 4 с известным содержанием диоксида азота. Излучение того
же источника 1, который использовался при балансировке, пропускают через входную оптическую систему 2, оптический фильтр 3, имеющий прямоугольный контур пропускания,
центр на длине волны 463 нм и полуширину 40 нм, калибровочную кювету 4, дополнительную кювету 5, содержащую озон в количестве 0,6 атм⋅см, затем с помощью системы 6
разделяют поток излучения на два канала. Один поток пропускают через корреляционную
кювету 7, содержащую диоксид азота в количестве 1 атм⋅см, и фокусируют на фотоприемнике 8, второй поток фокусируют на фотоприемнике излучения 9. Коэффициент калибU − U4
, где U3 и U4 - сигналы, регистрируемые
ровки находят по формуле k 0 = 3
U3 + U 4
соответственно в канале с корреляционной кюветой и в канале без корреляционной кюветы. После осуществления операции дополнительную кювету и калибровочную кювету
удаляют из оптического тракта устройства.
Третьей операцией способа является измерение поглощающей массы диоксида азота в
вертикальном столбе атмосферы. Прямое излучение солнца, прошедшее через атмосферу,
собирают входной оптической системой 2, пропускают через оптический фильтр 3,
имеющий прямоугольный контур пропускания, центр на длине волны 463 нм и полуширину 40 нм, затем с помощью системы 6 разделяют поток излучения на два канала. Один
поток пропускают через корреляционную кювету 7, содержащую диоксид азота в количестве 1 атм⋅см, и фокусируют на фотоприемнике 8, второй поток фокусируют на фотоприемнике излучения 9. Поглощающую массу диоксида азота в вертикальном столбе
k
атмосферы определяют по формуле m = 1 m 0 cos ϕ , где k0 – коэффициент калибровки,
k0
5
BY 12913 C1 2010.02.28
U5 − U 6
- коэффициент измерения, U5 и U6 - сигналы, регистрируемые соответстU5 + U6
венно в канале с корреляционной кюветой и в канале без корреляционной кюветы, m0 поглощающая масса диоксида азота в калибровочной кювете, ϕ - зенитный угол Солнца.
Возможность осуществления предлагаемого устройства и решения поставленной задачи подтверждается численным экспериментом. Представленные на фиг. 2 результаты
численного эксперимента показывают, что погрешность измерений, определяемая отличием коэффициента измерения от коэффициента калибровки, не превышает 30 % в диапазоне поглощающих масс диоксида азота от 0,002 до 0,02 атм⋅см в вертикальном столбе
атмосферы при зенитных углах Солнца от 30 до 60°, что соответствует типичному содержанию диоксида азота в загрязненной атмосфере. Таким образом, предлагаемый способ
по сравнению с прототипом значительно уменьшает погрешность измерения поглощающей массы диоксида азота в вертикальном столбе атмосферы.
k1 =
Источники информации:
1. Randall V.M. et al. An improved retrieval of tropospheric nitrogen dioxide from GOME //
J. of Geophys. Res. - 2002. - Vol. 107, D20, 4437, doi:10.1029/2001JD001027.
2. Polyakov A.V. et al. Retrieval of ozone and nitrogen dioxide concentrations from Stratospheric Aerosol and Gas Experiment III (SAGE III) measurements using a new algorithm //
J. of Geophys. Res. - 2005. - Vol. 110, D06303, doi: 10.1029/2004 JD005060.
3. Поберовский А.В. и др. Вариации содержания NO2 в районе Санкт-Петербурга по
наземным и спутниковым измерениям рассеянного солнечного излучения // Известия
РАН. Физика атмосферы и океана. - 2007. - Т. 43. - № 4.- С. 547-556.
4. Newcomb G.S., Millan M.M. Newcomb, G.S. Theory, applications and results of the
long-line correlation spectrometer // IEEE Transactions on Geoscience Electronics. - 1970. Vol. GE-8. - № 3. - P. 149-157.
5. Davies J.H., Barringer A.R. Gaseous correlation spectrometric measurements // Optical
and Laser Remote Sensing / Ed. by D.K.Killinger and A.Mooradian. - Berlin: Springer-Verlag,
1983. - P. 90-96.
6. Chaloner C.P. et al. Stratospheric measurements of H2O and the diurnal change of NO and
NO2 // Nature. - 1975. - Vol. 258. - № 5537. - P. 696-697.
7. Голдовский В.Л. и др. Приборы дистанционного контроля степени загрязнения атмосферы // Приборостроение. Республиканский межведомственный науч.-техн. сб. - Киев:
Техника, 1984. - С. 33-41.
8. Баландин С.Ф. Исследование распределения относительной погонной концентрации
NO2 вблизи крупного промышленного центра // Оптика атмосферы и океана. - 2005. Т. 18. - № 11. - С. 999-1006.
6
BY 12913 C1 2010.02.28
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
108 Кб
Теги
12913, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа