Разработка расчетных методов градуировки трассовых газоанализаторов на базе инфракрасных фурье-спектрометров

• Автор: Смирнов, Евгений Викторович
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 115 с.

Оглавление.

Введение
1. Трассовый спектроскопический метод и аппаратура анализа газовых компонент атмосферы
1.1. Основные загрязняющие компоненты атмосферного воздуха
и методы их анализа
1.2. Методы количественного спектрального анализа газовых компонент атмосферы
1.3. Трассовые спектральные системы контроля загрязнения атмосферы (трассовые газоанализаторы)
1.4. Обзор методов и средств метрологического обеспечения трассовых газоанализаторов
1.5. Основные направления проводимых теоретических и экспериментальных исследований
2. Разработка алгоритмов и программы расчета спектров пропускания газовых смесей
2.1. Физико-математическая модель спектроскопических измерений
2.2. Описание программного обеспечения АиФСфап!
2.3. Разработка программы расчета спектров пропускания газовых смесей и выбор параметров расчета
2.4. Разработка алгоритмов расчета спектров пропускания газовых смесей, учитывающих инструментальные параметры
ИК фурье-спектрометров
2.5. Выводы
3. Теоретические исследования погрешностей трассовой спектроскопической методики определения концентрации СО, обусловленных влиянием инструментальных погрешностей и условий измерений
3.1. Источники погрешностей измерений трассовых газоанализаторов на базе ИК фурье-спектрометров
3.2. Оценки влияния инструментальных погрешностей на определение концентрации СО
3.3. Оценки влияния условий измерений на трассе на определение концентрации СО
3.4. Основные результаты оценок погрешностей
4. Исследование возможностей метрологического обеспечения газоанализаторов на базе ИК фурье-спектрометров и получение

расчетных градуировочных характеристик с использованием расчетных спектров пропускания газовых смесей
4.1. Применение расчетных спектров пропускания газовых смесей при решении задачи метрологического обеспечения газоанализаторов на базе ИК фурье-спектрометров
4.2. Разработка способов определения значений инструментальных параметров исследуемых ИК фурье-спектрометров на основе измеренных спектров пропускания газовых смесей
4.2.1. Уровень случайного шума в спектре пропускания и наклон базовой линии спектра пропускания
4.2.2. Сдвиг спектра по шкале волновых чисел
4.2.3. Уровень нулевой линии спектра пропускания
4.2.4. Ширина и форма контура аппаратной функции
4.3. Исследование погрешностей определения концентрации СО, обусловленных погрешностями исходных спектроскопических данных и погрешностями определения значений инструментальных параметров
4.3.1. Влияние погрешностей исходных спектроскопических данных
4.3.2. Влияние погрешностей определения сдвига спектра по шкале волновых чисел, ширины и формы контура аппаратной функции
4.3.3. Влияние погрешностей определения уровня нулевой линии спектра пропускания и концентрации СО в исследуемых газовых смесях
4.3.4. Исследование погрешности определения концентрации СО, обусловленной формой аналитической аппаратной функции
4.4. Оценка доверительных границ неисключенной систематической погрешности определения концентрации СО
4.5. Разработка способа построения расчетных градуировочных характеристик ИК фурье-спектрометров
4.6. Основные результаты и выводы
Заключение
Литература

Список основных обозначений.
- световой поток [1,2];
I - интенсивность излучения [1]; а - показатель поглощения [1]; а’ - натуральный показатель поглощения [1]; т - коэффициент пропускания [1,2];
Б - оптическая плотность [1];
8 - коэффициент теплового излучения [1];
1 - длина волны [1];
V - волновое число [1];
А у - ширина спектрального интервала (сдвиг спектра по шкале волновых чисел);
э - оптическая длина пути [1];
А(у) - аппаратная функция;
8у - ширина аппаратной функции;
Б у - интенсивность спектральной линии;
Уу - полуширина спектральной линии;
Еу - энергия нижнего вращательного уровня;
А - оптическая разность хода в интерферометре [1]; и(Л) - сигнал приемника ИК фурье-спектрометра;
С - концентрация компонента в образце (газовой смеси);
АС - относительная погрешность определения концентрации компонента в образце (газовой смеси);
Р - атмосферное давление;
Т - температура воздуха (газовой смеси); с - скорость света в вакууме [3]; й - постоянная Планка [3]; к - постоянная Больцмана [3]; п0 - постоянная Лошмидта [3];
Тр.п - коэффициент Стьюдента;
хр - квантиль стандартного нормального распределения; р - доверительная вероятность;
5Ско - среднее квадратичное отклонение.

Разработанная программа позволяет создавать такие файлы с помощью специального алгоритма. Следует отметить, что создаваемые рабочие файлы имеют другой формат строки данных в сравнении с исходным файлом HITRAN-96.par. Поэтому сама программа расчета спектров пропускания газовых смесей написана таким образом, что в дальнейшем для расчета спектральных натуральных показателей поглощения выбранных газов в исследуемой области спектра могут быть использованы только создаваемые рабочие файлы.
Помимо прямого расчета спектров пропускания газовых смесей разработанная программа позволяет определять концентрации компонент в бинарных газовых смесях (анализируемый компонент в азоте) относительно соответствующего градуировочного спектра, используя для этого стандартные алгоритмы классического метода МНК в соответствие с формулами (1.2) - (1.7). Следует подчеркнуть, что речь в данном случае идет об однокомпонентном количественном анализе по одному единственному градуировочному спектру, поэтому разработанная программа не может быть использована для определения концентраций компонент в многокомпонентных газовых смесях.
Тем не менее, разработанная программа может быть использована для проверки любых других программ количественного анализа, в том числе программы AutoQuant, на соответствие классическому методу МНК. При этом разработанная программа количественного анализа позволяет выявить погрешности определения концентраций анализируемых газовых компонент свойственные методам, использующим ограниченное число спектральных частот для проведения количественного анализа.
В качестве градуировочного и экспериментальных спектров были использованы расчетные спектры. Причем экспериментальные спектры получали в результате варьирования значений ширины аппаратной функции и уровня случайного шума в спектре пропускания относительно номинальных значений в градуировочном спектре. Численное моделирование проводилось по следующей схеме:
1. Рассчитывался градуировочный спектр для следующих номинальных значений влияющих величин: температура и давление соответствуют
нормальным условиям измерений (Т=20°С, Р=760 мм рт.ст.), оптическая длина пути - 10 метров, концентрация СО (ССо) - 100 ppm, ширина симметричной аппаратной функции вида (2.13) - 0,61 см'1, случайный шум в спектре пропускания - отсутствует.
2. Рассчитывались экспериментальные спектры для тех же условий измерений, оптической длины пути и Ссо- При этом в первом случае значение