eng
Выпуск #2/2015
А. Алиева
Метод высокоточного измерения концентрации малых газов c помощью гиперспектралных солнечных фотометров
Метод высокоточного измерения концентрации малых газов c помощью гиперспектралных солнечных фотометров
Просмотры: 4640
Антропогенная деятельность, а также различные природные процессы вызывают загрязнение тропосферы различными чрезвычайно вредными для живых организмов малыми газами (NO, NO2, SO2 и т. д.). Проанализирован противофазный характер основных показателей оптической толщины NO2 и O3. Предложен метод высокоточного измерения концентрации малых газов, обладающих противофазными свойствами основных показателей.
Теги: gas analyzers sun photometers troposphere pollution газоанализаторы загрязнение тропосферы солнечные фотометры
Часто динамика изменений конценраций малых составляющих атмосферных газов взаимосвязана. Например, как указывается в [1], анализ суточного хода концентраций показывает, что минимум содержания озона в приземном слое атмосферы совпадает с максимумом концентраций NO и , а в ночное время (с 23 до 7 ч.), когда концентрация окислов азота минимальна, уровень содержания озона достигает максимума (рис. 1).
Временная диаграмма концентрации окислов азота и указывает на то, что в атмосфере города интенсивно протекают фотохимические процессы. При этом суточный ход одержания диоксида азота во многом определяется динамикой и уровнем содержания озона в воздухе. Таким образом, в течение дня концентрация озона невелика, а ночью возрастает в 2–3 раза. Это вызвано его оседанием из вышележащих слоев воздуха в приземный слой атмосферы, когда уровни содержания в нем окислов азота ввиду отсутствия на дорогах автотранспорта минимальны. Это вполне соответствует имеющимся представлениям о протекании фотохимических процессов в загрязненной атмосфере [1].
Согласно результатам работы [2], взаимосвязь среднемесячных концентраций озона и диоксида азота почти одинакова во всех городах Европы (рис.2). Из графика, представленного на рис. 2 видно, что увеличение концентрации сопровождается уменьшением концентрации и наоборот, что указывает на основную роль механизма образования по реакции:
NO + O3 = NO2 + O2.
Следует отметить, что противофазный характер поведения концентрации атмосферных газов также свойственен коэффициентам поглощения изучаемых малых газов. На рис.3 показаны графики сечения поглощений ряда малых газов атмосферы. Как видно из графиков, представленных на рис.3 сечения поглощения и в диапазоне длин волн 250–650 нм имеют явно противофазный характер, т. е. рост одного из двух компонентов сопровождается уменьшением другого [3].
Вышеуказанные свойства концентраций и сечений поглощения и дают все основания полагать, что оптические толщины этих газов также обладают свойством противофазности. Это обстоятельство позволяет нам предложить новый высокоточный метод совокупного измерения концентраций, или количества этих газов в атмосфере. Предлагаемый метод поясним на примере иллюстрации оптических толщин газов (рис.4).
Допустим, что на длинах волн и осуществляются спектральные измерения концентрации и . Считаем, что концентрации других малых газов, влияющих на результат измерений на длинах волн и , известны и могут быть учтены при обработке данных измерений. В общем случае, на основании закона Бугера-Бера имеем
, (1)
, (2)
где – сигнал на выходе спектрометра; – интенсивность внеатмосферного излучения; – оптическая воздушная масса; – суммарная оптическая толщина остальных газов. Для упрощения математических выкладок считаем, что аппаратная функция прибора равна единице.
Выражения (1) и (2) легко могут быть приведены к следующему виду:
, (3)
, (4)
где .
Оптические толщины малых газов в общем случае могут быть определены как
, (5)
где – коэффициент поглощения малого газа; – суммарное (колонное) количество исследуемого атмосферного газа.
С учетом выражения (5) уравнения (3) и (4) могут быть записаны следующим образом:
, (6)
. (7)
Решение системы уравнений (6), (7) позволяет определить параметры и .
Вместе с тем очевидно, что результаты проведенных измерений не освобождены от погрешностей. Из анализа источников погрешности, свойственных атмосферным спектрометрическим измерениям, вносящих основной вклад в суммарную погрешность, ясно, что это:
•Шумы, появляющиеся из-за влияния флуктуаций атмосферного аэрозоля;
•Шумы опто-электронного тракта спектрометра.
Покажем, что характер изменения и во времени и варьирование коэффициентов их поглощения в зависимости от длины волны позволяет в предлагаемом методе измерений частично уменьшить аэрозольную погрешность. Алгоритм проведения измерений согласно предлагаемому методу состоит из нескольких процедур:
1.Проведение двухволновых спектральных измерений на длинах волн и . Определение и с погрешностью и соответственно; где
, (8)
. (9)
Здесь цифровые индексы , указывают на аэрозольное или аппаратурное происхожде-
ние.
1.Так как в точке (рис. 4) имеем , то суммарную оптическую толщину измеряемых газов в точке определим как
. (10)
1.Построение расчетных графиков и сопровождается постоянным сличением с результатами непрерывных спектральных измерений на длинах волн и (рис. 5).
2.Определяем точку пересечения графиков и (абсциссу точки пересечения обозначаем как ).
3.Разница между ординатой точки и ординатой точки P пересечения функции и линией определяет суммарную погрешность и , определяемую как , где – аэрозольная погрешность в точке ; – шумы оптико-электронного тракта.
4.Определение позволяет оценить результат совместимых измерений как
. (11)
При этом погрешность определения вычисляется как , где – аэрозольная погрешность в точке – шумы оптико-электронного тракта.
1.Снижение аэрозольной погрешности в точке определяется как
. (12)
1.Оптические толщины и определяем из соотношения
. (13)
1.Колонные значения и определяем из закономерностей
. (14)
В общем случае точки и . расположены симметрично относительно точки . Вместе с тем, зависимость оптической толщины атмосферного аэрозоля согласно формуле Ангстрома носит нелинейный характер. Это приводит к тому, что доля аэрозольной погрешности в суммарной погрешности измерений будет расти с уменьшением длины волны, на которой ведут спектрвльные измерения. Таким образом, выбором спектрального диапазона измерений, можно значительно снизить погрешность измерений и повысить точность определения малых концентраций атмосферных газов.
Использование нелинейного характера зависимости влияния аэрозольных шумов от длины волны измерений позволяет повысить точность измерения, используя отсчеты в найденной точке взамен зашумленного отсчета на . При этом следует отметить, что аэрозольные шумы в точке воздействуют на результаты вычисления (6) и (7) равным образом, и вычисленные значения и оказываются в равной степени зашумленными.
В заключение сформулируем основные выводы положения проведенного исследования:
1.Проанализирован противофазный характер вклада основных показателей оптической толщины и .
2.Предложен метод высокоточного измерения концентраций малых атмосферных газов, параметры которых обладают противофазным проявлением свойств.
Литература
1.Михайлюта С.В., Тасейко О.В. Исследование процессов формирования уровней загрязнения приземной атмосферы Красноярска. – –Вычислительные системы, 2004, т. 9, с.115-123
2.http://www.scert.ru/files/cites/pdfs/Mikhailuta/mihailuta.pdf
3.Безуглая Э.Ю., Смирнова И.В. Проблема загрязнения воздуха в крупнейших города х России. – Инженерные системы, 2002, № 2.
4.http://www.sir35.ru/zakonomernost-svyazi-mejdu-koncentraciyami-ozona-i-oksidov-azota.
5.Тимофеев Ю.М., Васильев А.В. Основы теоретической атмосферной оптики. – С-Пб.:С--ПбГУ, 2007.
Временная диаграмма концентрации окислов азота и указывает на то, что в атмосфере города интенсивно протекают фотохимические процессы. При этом суточный ход одержания диоксида азота во многом определяется динамикой и уровнем содержания озона в воздухе. Таким образом, в течение дня концентрация озона невелика, а ночью возрастает в 2–3 раза. Это вызвано его оседанием из вышележащих слоев воздуха в приземный слой атмосферы, когда уровни содержания в нем окислов азота ввиду отсутствия на дорогах автотранспорта минимальны. Это вполне соответствует имеющимся представлениям о протекании фотохимических процессов в загрязненной атмосфере [1].
Согласно результатам работы [2], взаимосвязь среднемесячных концентраций озона и диоксида азота почти одинакова во всех городах Европы (рис.2). Из графика, представленного на рис. 2 видно, что увеличение концентрации сопровождается уменьшением концентрации и наоборот, что указывает на основную роль механизма образования по реакции:
NO + O3 = NO2 + O2.
Следует отметить, что противофазный характер поведения концентрации атмосферных газов также свойственен коэффициентам поглощения изучаемых малых газов. На рис.3 показаны графики сечения поглощений ряда малых газов атмосферы. Как видно из графиков, представленных на рис.3 сечения поглощения и в диапазоне длин волн 250–650 нм имеют явно противофазный характер, т. е. рост одного из двух компонентов сопровождается уменьшением другого [3].
Вышеуказанные свойства концентраций и сечений поглощения и дают все основания полагать, что оптические толщины этих газов также обладают свойством противофазности. Это обстоятельство позволяет нам предложить новый высокоточный метод совокупного измерения концентраций, или количества этих газов в атмосфере. Предлагаемый метод поясним на примере иллюстрации оптических толщин газов (рис.4).
Допустим, что на длинах волн и осуществляются спектральные измерения концентрации и . Считаем, что концентрации других малых газов, влияющих на результат измерений на длинах волн и , известны и могут быть учтены при обработке данных измерений. В общем случае, на основании закона Бугера-Бера имеем
, (1)
, (2)
где – сигнал на выходе спектрометра; – интенсивность внеатмосферного излучения; – оптическая воздушная масса; – суммарная оптическая толщина остальных газов. Для упрощения математических выкладок считаем, что аппаратная функция прибора равна единице.
Выражения (1) и (2) легко могут быть приведены к следующему виду:
, (3)
, (4)
где .
Оптические толщины малых газов в общем случае могут быть определены как
, (5)
где – коэффициент поглощения малого газа; – суммарное (колонное) количество исследуемого атмосферного газа.
С учетом выражения (5) уравнения (3) и (4) могут быть записаны следующим образом:
, (6)
. (7)
Решение системы уравнений (6), (7) позволяет определить параметры и .
Вместе с тем очевидно, что результаты проведенных измерений не освобождены от погрешностей. Из анализа источников погрешности, свойственных атмосферным спектрометрическим измерениям, вносящих основной вклад в суммарную погрешность, ясно, что это:
•Шумы, появляющиеся из-за влияния флуктуаций атмосферного аэрозоля;
•Шумы опто-электронного тракта спектрометра.
Покажем, что характер изменения и во времени и варьирование коэффициентов их поглощения в зависимости от длины волны позволяет в предлагаемом методе измерений частично уменьшить аэрозольную погрешность. Алгоритм проведения измерений согласно предлагаемому методу состоит из нескольких процедур:
1.Проведение двухволновых спектральных измерений на длинах волн и . Определение и с погрешностью и соответственно; где
, (8)
. (9)
Здесь цифровые индексы , указывают на аэрозольное или аппаратурное происхожде-
ние.
1.Так как в точке (рис. 4) имеем , то суммарную оптическую толщину измеряемых газов в точке определим как
. (10)
1.Построение расчетных графиков и сопровождается постоянным сличением с результатами непрерывных спектральных измерений на длинах волн и (рис. 5).
2.Определяем точку пересечения графиков и (абсциссу точки пересечения обозначаем как ).
3.Разница между ординатой точки и ординатой точки P пересечения функции и линией определяет суммарную погрешность и , определяемую как , где – аэрозольная погрешность в точке ; – шумы оптико-электронного тракта.
4.Определение позволяет оценить результат совместимых измерений как
. (11)
При этом погрешность определения вычисляется как , где – аэрозольная погрешность в точке – шумы оптико-электронного тракта.
1.Снижение аэрозольной погрешности в точке определяется как
. (12)
1.Оптические толщины и определяем из соотношения
. (13)
1.Колонные значения и определяем из закономерностей
. (14)
В общем случае точки и . расположены симметрично относительно точки . Вместе с тем, зависимость оптической толщины атмосферного аэрозоля согласно формуле Ангстрома носит нелинейный характер. Это приводит к тому, что доля аэрозольной погрешности в суммарной погрешности измерений будет расти с уменьшением длины волны, на которой ведут спектрвльные измерения. Таким образом, выбором спектрального диапазона измерений, можно значительно снизить погрешность измерений и повысить точность определения малых концентраций атмосферных газов.
Использование нелинейного характера зависимости влияния аэрозольных шумов от длины волны измерений позволяет повысить точность измерения, используя отсчеты в найденной точке взамен зашумленного отсчета на . При этом следует отметить, что аэрозольные шумы в точке воздействуют на результаты вычисления (6) и (7) равным образом, и вычисленные значения и оказываются в равной степени зашумленными.
В заключение сформулируем основные выводы положения проведенного исследования:
1.Проанализирован противофазный характер вклада основных показателей оптической толщины и .
2.Предложен метод высокоточного измерения концентраций малых атмосферных газов, параметры которых обладают противофазным проявлением свойств.
Литература
1.Михайлюта С.В., Тасейко О.В. Исследование процессов формирования уровней загрязнения приземной атмосферы Красноярска. – –Вычислительные системы, 2004, т. 9, с.115-123
2.http://www.scert.ru/files/cites/pdfs/Mikhailuta/mihailuta.pdf
3.Безуглая Э.Ю., Смирнова И.В. Проблема загрязнения воздуха в крупнейших города х России. – Инженерные системы, 2002, № 2.
4.http://www.sir35.ru/zakonomernost-svyazi-mejdu-koncentraciyami-ozona-i-oksidov-azota.
5.Тимофеев Ю.М., Васильев А.В. Основы теоретической атмосферной оптики. – С-Пб.:С--ПбГУ, 2007.
Отзывы читателей
