[RU]

Изобретение относится к способу определения температуры газа, активного в инфракрасной области спектра, с помощью инфракрасной спектроскопии, при этом способ содержит облучение газа инфракрасным светом в спектральном диапазоне от 700 до 5000 см ^-1 , исходящим из инфракрасного источника света; получение первого параметра, относящегося к поглощению, измерением первой инфракрасной полосы поглощения газа, причем первая полоса инфракрасного поглощения является горячей полосой, вызванной термическим заселением по меньшей мере одного колебательного режима газа; получение второго параметра, относящегося к поглощению, измерением второй инфракрасной полосы поглощения газа и вычисление отношения между первым параметром, относящимся к поглощению, и вторым параметром, относящимся к поглощению. Способ отличается тем, что указанное отношение используется для определения температуры газа, причем относительное изменение отношения составляет по меньшей мере 0,5% изменения температуры газа по Кельвину.

(57) Реферат / Формула:

Изобретение относится к способу определения температуры газа, активного в инфракрасной области спектра, с помощью инфракрасной спектроскопии, при этом способ содержит облучение газа инфракрасным светом в спектральном диапазоне от 700 до 5000 см ^-1 , исходящим из инфракрасного источника света; получение первого параметра, относящегося к поглощению, измерением первой инфракрасной полосы поглощения газа, причем первая полоса инфракрасного поглощения является горячей полосой, вызванной термическим заселением по меньшей мере одного колебательного режима газа; получение второго параметра, относящегося к поглощению, измерением второй инфракрасной полосы поглощения газа и вычисление отношения между первым параметром, относящимся к поглощению, и вторым параметром, относящимся к поглощению. Способ отличается тем, что указанное отношение используется для определения температуры газа, причем относительное изменение отношения составляет по меньшей мере 0,5% изменения температуры газа по Кельвину.

---

(19)
Евразийское
патентное
ведомство
(21) 201600670 (13) A1
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки 2017.03.31
(22) Дата подачи заявки 2015.04.28
(51) Int. Cl.
G01J 5/00 (2006.01) G01J 5/60 (2006.0l) G01J 3/427 (2006.01) G01N 21/35 (2014.01)
(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗА, АКТИВНОГО В ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА, С ПОМОЩЬЮ МЕТОДОВ ИНФРАКРАСНОЙ
СПЕКТРОСКОПИИ
(31) 14166357.5
(32) 2014.04.29
(33) EP
(вв) PCT/EP2015/059195
(87) WO 2015/165896 2015.11.05
(71) Заявитель: ХУМЕДИКС ГМБХ (DE)
(72) Изобретатель:
Рубин Том, Гейне Карстен (DE)
(74) Представитель:
Курышев В.В. (RU)
(57) Изобретение относится к способу определения температуры газа, активного в инфракрасной области спектра, с помощью инфракрасной спектроскопии, при этом способ содержит облучение газа инфракрасным светом в спектральном диапазоне от 700 до 5000 см- , исходящим из инфракрасного источника света; получение первого параметра, относящегося к поглощению, измерением первой инфракрасной полосы поглощения газа, причем первая полоса инфракрасного поглощения является горячей полосой, вызванной термическим заселением по меньшей мере одного колебательного режима газа; получение второго параметра, относящегося к поглощению, измерением второй инфракрасной полосы поглощения газа и вычисление отношения между первым параметром, относящимся к поглощению, и вторым параметром, относящимся к поглощению. Способ отличается тем, что указанное отношение используется для определения температуры газа, причем относительное изменение отношения составляет по меньшей мере 0,5% изменения температуры газа по Кельвину.
I ^
Способ определения температуры газа, активного в инфракрасной области спектра, с помощью методов инфракрасной спектроскопии
Описание
Настоящее изобретение относится к способу определения температуры газа, активного в инфракрасной области спектра с помощью инфракрасной спектроскопии в соответствии с преамбулой п. 1 формулы изобретения.
Вращательные переходы и вращательно-колебательные переходы очень чувствительны к температуре. Это связано с тем, что относительная разность энергий между соседними вращательными энергетическими уровнями порядка нескольких волновых чисел. В соответствии с уравнением 1 при комнатной температуре энергия составляет около 204 см"1, что достаточно, чтобы заполнить ряд более высоких вращательных состояний.
ЪвТыпк " ^ ev " 204 cm^ Уравнение 1
Вращательный и вращательно-колебательный спектр обычно разделяется на три вращательных ветви перехода, а именно R-ветвь, Р-ветвь и Q-ветвь. В дальнейшем в качестве примера будет рассматриваться инфракрасный спектр поглощения С02. При возбуждении асимметричного валентного колебания СОг, вращательные переходы присоединяются к этому возбуждению, отражающему правила отбора. На Фигуре 1 показана секция средней инфракрасной области спектра поглощения С02, в котором R-ветвь и Р-ветвь асимметричного валентного перехода специально обозначены. Каждая ветвь представляет собой ряд полос поглощения, содержащий нескольких полос поглощения.
На высокой стороне энергии, R-ветвь 12С02, и на низкой стороне энергии, Р-ветвь 12С02, а также Р-ветвь 13С02, можно увидеть даже при более низких энергиях. В диапазоне 2300 сми R-ветвь 13С02 и Р-ветвь 12 С02 перекрываются. В этой области спектра как 12С02 , так и 13С02 могут быть измерены одновременно в том же спектральном диапазоне и при аналогичной интенсивности поглощения.
R-ветвь (J -> J + 1) и Р-ветвь (/-> /-^соединяются с колебательным переходом v - Л -" 1 Провал в середине двух ветвей 12С02 связан с разностью энергии - ~г - va - 2349 cm"1 колебательного перехода 12С02. Аналог энергии для 13С02 имеет значение, равное 2282 см"1.
Как уже упоминалось выше, спектр поглощения вращательных и вращательно-колебательных переходов сильно зависит от температуры, так как заселенность N данного состояния К (или J) по сравнению с состоянием К = 0 задается следующим уравнением 2:
til = il е-{ЕК-Е0)1{кВт-) = ^2К + це-впст+тквт) Уравнение 2
Таким образом, (2K + 1) является вырождением вращательных уровней, К является вращательным уровнем, и В является вращательной постоянной молекулы (для асимметричных валентных колебаний С02 В составляет примерно 0,39 см"1).
Поскольку температура является частью показательной функции в уравнении 2, влияние является очень сильным. Вращательную постоянную В для асимметричных валентных колебаний СОг можно найти в базе данных HITRAN (доступна по адресу http://www.cfa.harvard.edu/hitran/) или она может быть определена непосредственно, как представлено на Фигуре 2, на который показываются спектральные позиции вращательно-колебательных максимумов поглощения в зависимости от К. Сплошная линия на Фигуре 2 является полиномным соответствием для второго порядка со следующими коэффициентами: Аа = 2349.71 ± 0.04, Л t = -0.781 ± 0.004, А* = -0.00293 ± 0.0007 .
Значение А1 = (0,781 ± 0,004) представляет собой дважды В, в силу симметрии, приводящей к правилам отбора для нечетных и четных квантовых чисел вращения. Таким образом, из спектральных положений, вращательная постоянная может быть определена как В = (0,3905 ± 0,002). Правила отбора, спектральные положения и физическая основа для этих свойств описаны в книге Г. Герцберг (G. Herzberg). Колебательные и вращательные спектры. Van Nostrand Reinhold Company, 1945).
С известной вращательной постоянной, распределение интенсивности вращательно - колебательных пиков поглощения может быть смоделировано. Такое моделирование изображено на Фигуре 3, показывающей температурную зависимость R-ветви вращательно-колебательного спектра поглощения СОг с асимметричными валентными колебаниями. Интенсивность основного состояния является единицей. При повышении температуры, более высокий уровень вращения становится более заселенным, что приводит к изменению формы серии пиков поглощения. Оболочка пиков поглощения проявляет максимальную интенсивность I (Ктах) в определенном вращательном состоянии. Этот максимум К тах можно вычислить по формуле 3:
Уравнение 3
Максимум Кшах зависит от температуры. Это указывает на то, что изменение заселенности вращательных уровней, а также интенсивность пиков в спектре поглощения изменяются в зависимости от температуры.
Для определения температуры или изменения температуры с помощью линий поглощения, полезно определить линии поглощения с максимальным изменением поглощения при заданной температуре. Это может быть определено путем установки второй производной по следующему уравнению 4 равной нулю:
Уравнение 4
Это приводит к максимальному изменению для Ктах , которое можно вычислить в соответствии со следующим уравнением 5:
ЗквТ 2Bhc
Уравнение 5
При комнатной температуре (25°С) максимальное изменение можно наблюдать при Kwm ~ 28-29 (h = 6,626*10"34 Js; с = 3*108 м/с; Кв = 1,3806*10"23 J/K, В = 38,71 м"1, Т = 298,15 К).
Изменения, которые можно наблюдать при изменении температуры от 40,0°С до 40,ГС, изображаются на Фигуре 4, показывающей различие интенсивности * при разных вращательных квантовых числах асимметричных валентных колебаний СОг между температурами 40,0°С и 40,ГС.
Максимальное изменение сигнала при разности температур AT = 0,ГС составляет 0,006. Поскольку интенсивность сигнала составляет около 20 (в относительных единицах), соответствующее изменение сигнала составляет около 0.3 %о. Если сигнал имеет оптическую плотность 1 оптической плотности (OD), изменение сигнала составляет около 0,3 mOD. Кроме того, на Фигуре 4 видно, что соседние вращательные квантовые числа с достаточным поглощением показывают аналогичную зависимость от температуры. Арройо (Arroyo) и др. указали, что для определения температуры две колебательные линии должны иметь достаточно подобное поглощение (Арройо, М. П. и др, Прикладная оптика (1994), 33:15, 3296-3307). Несмотря на то, что они использовали
спектроскопию ближней к инфракрасной области на колебательных переходах, это должно также относиться и к инфракрасной спектроскопии, и к вращательно-колебательным переходам.
Методом инфракрасной спектроскопии использовался Jellison и flp.(Jellison, G.P, et al.; Proc. of SPIE (2004), Vol. 5425, 244-255), и они обнаружили, что наиболее подходящими длинами волн являются 4.19668 мкм и 14.5023 мкм, соответствующие значениям J 56 и 26 асимметричных валентных колебаний и колебаний с изгибом. При однократном времени сканирования 16 секунд, они сообщили об определения температуры со среднеквадратичной ошибкой 24К. Это согласуется с нормальной температурной зависимостью вращательно-колебательных переходов с увеличением температуры. Таким образом, отношение двух линий поглощения изменяется лишь в незначительной степени. Это известно из уровня техники и изображено на Фигуре 4.
Если измерить две линии J ~ 30 и J' ~ 40, то линии покажут относительные величины 8 и 3, будучи достаточно похожими, чтобы достичь достаточно хорошей чувствительности обнаружения линий (см. Арройо). Изменение отношения поглощения при ДТ в 1 К уменьшится с 8/3 до 8.0062/3.0045, что приводит к изменению соотношения в 1.9%о.
Эти изменения оптической плотности слишком малы, чтобы быть обнаружены с помощью чистой инфракрасной спектроскопии, которая, как правило, ограничена 1% изменений. Эта спектроскопическая точность в 1% также поддерживается Арройо и др., и является экспериментальным значением для абсорбционной спектроскопии, содержащей проблемы воспроизводимости, шума, системного шума, системных ошибок, зависимости от давления, температурной
стабильности, стабильности точек, спектрального разрешения, изменения ширины линии, и т.п.
В настоящей заявке способа для быстрого определения температуры газа, воздуха или образцов выдыхаемого воздуха температура должна определяться быстрее, чем происходят изменения температуры в образце. В частности, определение потока газа, который не хранится в ячейке для образца, т.е. объем газа, который не ограничен на двух концах направления его распространения, должен измеряться в масштабе времени быстрее, чем скорость его распространения. В ситуации потока газа с изменением температуры и концентрации, измерения температуры и концентрации не могут выполняться последовательно с целью получения точных результатов. Это означает, что определение температуры и определение концентрации должны выполняться в то же самое время и в том же месте. Такое измерение является многопрофильным параллельным измерением. Если мульти-параллельное измерение закончено в окне времени быстрее, чем 1% изменения температуры и/или концентрации, это измерение в режиме реального времени. Если газ непрерывно изменяется по температуре или концентрации и определяется с помощью нескольких параллельных измерений, то измерение является непрерывным.
В противоположность этому, последовательная процедура измерения, как например, описана у Степанова (Stepanov) и др., содержит (i) вакуумирование ячейки образца, (и) заполняющего ячейки образцом, (iii) выполнение измерения, и снова, начиная с этапа (i), не
является непрерывным измерением (Степанов, Е.В, и др.; Оптическая инженерия; (1993), 32: 2, 361-367).
В случае измерения выдыхаемого воздуха, причем выдыхаемый воздух вообще не гомогенизирован, делается, по меньшей мере, от четырех до десяти точных измерений температуры, которые необходимо провести в течение 2 секунд, чтобы отслеживать изменение температуры отдельного образца выдыхаемого воздуха. В зависимости от точности одного измерения число измерений должно быть увеличено в течение того же периода времени для улучшения статистики и получения необходимой точности.
Это становится очевидным из изменения концентрации С02 в течение одного выдоха. Поглощение С02 в выдыхаемом воздухе двух последовательных выдохов показано на Фигуре 5. Увеличивающаяся концентрация С02 пропорциональна возрастающей температуре во время одного выдоха.
Из интенсивности поглощения пиков поглощения температура может быть определена, только если количество измеренных молекул точно известно, или если концентрация образца и толщина точно известны. В случае измерения при дыхании или измерений потока воздуха, как правило, точностью более чем 1% не получается в любое время. Таким образом, дополнительные способы должны быть найдены, чтобы определять количество молекул и температуру образца в (строго) флуктуирующем газе одновременно или в течение определенного периода времени, в котором этими изменениями можно пренебречь.
Можно было бы попытаться определить температуру неизвестного образца газа путем оценки двух смежных инфракрасных пиков
поглощения. Предположим, определяется температура пробы газа, содержащего СОг, и два сигнала смежных пиков поглощения СОг с вращательными квантовыми числами J = 28 и J = 30 были измерены (см. Фигуру 4; эти вращательные квантовые числа являются числами, для которых можно было бы определить зависимые от самой высокой температуры изменения интенсивности основной инфракрасной полосы поглощения). Закон Ламберта-Бера в соответствии с уравнением 6 соединяет сигнал поглощения Аиё с исходной интенсивностью 10 и переданной интенсивностью I после инфракрасного излучения, проходящего через образец.
Уравнение 6
Коэффициент экстинкции s является константой в пределах той же серии вращательно-колебательных переходов, d означает толщину образца и Cj обозначает концентрацию молекул с квантовым числом J.
Здесь объяснение ограничивается вращательно-колебательными переходами с энергетическими различиями значительно выше, чем 204 см"1 (наблюдается при комнатной температуре, как описано выше), таким образом, индуцированным излучением и уменьшением возбуждения в поперечных сечениях в связи с заселением более высоких возбужденных состояний можно пренебречь. Тем не менее, эти соображения в равной степени могут быть использованы для вращательных переходов и переходов при более низких энергиях.
Концентрацию молекул газа можно разделить на субобразцы с различными вращательными квантовыми числами J. Эти субобразцы имеют концентрацию Cj. Распределения концентраций этих субобразцов определяются уравнением 7:
С;(Г) = (2/ + l)e-J(J+"Bhc4Br = (2; + 1)е-4г
Уравнение 7
Если измерять спектрально разрешенный сигнал поглощения, площадь под кривой поглощения представляет собой непосредственно сигнал поглощения. Высота пика кривой поглощения может модулироваться уширением линии за счет изменения давления, состава газа или других эффектов. Измерение линии поглощения спектрально разрешенным образом обеспечивает наиболее точные результаты.
Для одиночной ЛИНИЙ поглощения или пика поглощения вариации сигнала при изменении температуры можно рассчитать по формуле 8:
AJ,TO - AJiT1 = AAJAT = ее (2/ + 1)
4ges
е квто - е квт1
Уравнение 8
С помощью разложения в ряд Тейлора, следующее уравнение 9 может быть получено из уравнения 8:
7,дг
sc (2/ + 1)е fcsT°
1+-АТ + р(АТУ +
Уравнение 9
Таким образом, общая концентрация Cj газа зависит от температуры Т и вращательного квантового числа J в соответствии с уравнением 10:
Уравнение 10
Уравнения, приведенные выше, показывают, что изменение поглощения прямо пропорционально общему изменению концентрации с. Небольшие изменения концентрации в несколько процентов приведет к линейному изменению сигнала поглощения. Таким образом, изменения концентрации доминируют над изменениями сигнала поглощения, и колебания температуры играют лишь незначительную роль (в разумных пределах).
Таким образом, в известном уровне техники необходимо сначала определять суммарную концентрацию с как можно большей точностью, если требуется определять температуру измеряемого образца газа или изменения температуры.
Это можно сделать путем определения двух пиков поглощения тех же молекул (например, СОг) в таком же объеме и в тот же отрезок времени, когда температура и концентрация не изменяются при измерении. Учитывая это условие постоянства температуры и концентрации, по меньшей мере, два измерения необходимы для определения температуры и/или концентрации.
Один из способов выполнять такое измерение состоит в определении пиков поглощения газа с двумя различными вращательными квантовыми числами J. В качестве примера можно
использовать СОг с вращательными квантовыми числами J = 28 и J = 30. При сканировании области спектра обеих смежных линий поглощения, определяется поглощение Aj=28 и Aj=3o при общей концентрации с С02 и температуре Т.
Отношение этих двух сигналов можно рассчитать по уравнению 11:
428 2 * 28+ 1 g28-g3o квт
А30 2*30 + 1 Уравнение 11
Это соотношение больше не зависит от концентрации, потому что для обоих пиков поглощения Aj=28 и Aj=3o концентрация одинакова и отношение исключительно следует температурной зависимости.
Температура образца газа может вычисляться в соответствии с уравнением 12:
BhC/kB W + 1) -ГО' + 1)] 0.55735/^(812 - 930)
Уравнение 12
При температуре 40°С можно получить соотношение AJ/AJ', равное 1.152802, а при температуре 40,ГС можно получить соотношение, равное 1.152725. Это соответствует относительному изменению ~ 7*10"5, а ГС приведет к относительному изменению ~ 7*10 Л
Такую точность очень трудно, если вообще возможно, получить, используя известные в уровне техники способы измерения. Таким образом, существует необходимость в создании нового способа точного измерения температуры образца газа с помощью инфракрасной
спектроскопии. Такой способ является объектом настоящего изобретения, предназначенным для удовлетворения этой потребности.
Эта цель достигается с помощью способа, отличительные признаки которого включены в п.1 формулы изобретения. Такой способ определения температуры газа, активного в инфракрасной области спектра с помощью инфракрасной спектроскопии переходов вращательно-колебательной полосы включает в себя описанные ниже этапы. Во-первых, инфракрасный свет от инфракрасного источника света от 700 см "1 до 5000 см "1 направляется на газ. Затем получают первый параметр, относящийся к поглощению, измерением первой инфракрасной полосы поглощения газа. Первая полоса инфракрасного поглощения является горячей полосой, которая была вызвана термическим заселением колебательного режима газа. В то же время или впоследствии получают второй параметр, относящийся к поглощению, измерением второй инфракрасной полосы поглощения газа. Впоследствии, вычисляется соотношение между первым параметром, связанным с поглощением, и вторым параметром, связанным с поглощением.
Этот способ характеризуется тем, что отношение используется для определения температуры газа, причем первая полоса поглощения (горячая полоса) и вторая полоса поглощения выбираются таким образом, что отношение имеет относительное изменение, по меньшей мере, 0,5% на изменение температуры газа по Кельвину.
В одном из вариантов осуществления изобретения, относительное изменение соотношения составляет, по меньшей мере, 1% на изменение температуры газа по Кельвину, в частности, по меньшей мере, 2% на
изменение температуры газа по Кельвину, в частности, 3% на изменение температуры газа по Кельвину в частности, 5% на изменение температуры газа по Кельвину, в частности, 10% на изменение температуры газа по Кельвину, в частности, 15% на изменение температуры газа по Кельвину, в частности, 20% на изменение температуры газа по Кельвину. В другом варианте осуществления изобретения, относительное изменение отношения на изменение температуры газа по Кельвину лежит в пределах от 0,5% до 25% или в диапазоне, сформированном на любом из ранее упомянутых процентов (например, от 1% до 20% и т.д.).
В одном варианте осуществления изобретения, первая полоса поглощения имеет сверхтемпературную зависимость, в то время как вторая полоса поглощения имеет зависимость антитемпературную.
В дальнейшем термин "температурная зависимость" определяется следующим образом: температурная зависимость и заполнение вращательно-колебательных переходов определяется распределением Больцмана. В связи с тем, что изменение поглощения немедленно используется для определения температуры по отношению поглощения, температурная зависимость отдельной полосы поглощения определяется отношением поглощения при различных температурах (т.е. соотношением между поглощением при первой температуре и поглощением при второй температуре). Изменение этого отношения является относительной температурной зависимостью. В качестве примера выбираются следующие две полосы вращательно-колебательного поглощения: А и В.
Для А (12С02) вращательное квантовое число J = 26, а колебательное с изгибом квантовое число vB = 2. Следует обратить внимание на то, что это горячая полоса. Поглощение вызывается переходом от валентного колебания с квантовым числом от vs =0 до vs = 1, при этом вращательное квантовое число уменьшается (Р-ветвь). Энергия этого перехода Е = 1610.01360 см -1. При температуре Т = 300 К заселенность N (300 К) = a exp(-(hcE)/kBT = а *4,39*10"4. Коэффициент а является константой для того же вращательного квантового числа J = 26 , полученного из уравнения 2. При температуре Т = 301 К заселенность N (301 К) = а*4,52*10"4. Относительное изменения поглощений определяется соотношением N(300 K)/N(301 К) = 0,971, имеет величину около 3%. Это относительное изменение очень большое и хорошо измеряемое одиночными измерениями поглощения.
В противоположность, для В (13С02) вращательное квантовое число J = 26, а колебательное с изгибом квантовое число vB = 0. Это нормальная вращательно-колебательная полоса. Поглощение вызывается переходом от валентного колебания с квантовым числом от vs = 0 до vs = 1, тем самым вращательное квантовое число увеличивается (R-ветвь). Энергия этого перехода Е = 273.88100 см Л При температуре Т = 300 К заселенность N (300 К) = а ехр (- (псЕ)/(кВТ) = а*0,2685. Коэффициент а является константой для того же вращательного квантового числа J = 26 , полученного из уравнения 2. При температуре Т = 301 К заселенность N (301 К) = а*0,26972. Относительное изменение поглощений определяется соотношением N(300 K)/N (301 К) = 0,995 и имеет значение около 5%о.
Следовательно, этот пример показывает нормальный вращательно-колебательный переход (с зависимостью от высокой температуры см. Фигуру 4) с гораздо более высокой заселенностью, чем горячая полоса, но с нормальной температурной зависимостью, в отличие от горячей полосы со сверхтемпературной зависимостью.
Сверхтемпературная зависимость (горячая полоса) является более сильной температурной зависимости, чем обычные вращательно-колебательные переходы на том же уровне J. Более конкретно, сверхтемпературная зависимость определяется, если относительное изменение в поглощении из одной полосы поглощения составляет, по меньшей мере, 0,8*10^, в частности, по меньшей мере, ПО"2, в частности, по меньшей мере, 1,5*10"2 , в частности, по меньшей мере, 2 * 10"2, в частности, по меньшей мере, 2,5*10"2, в частности, по меньшей мере, 5*1 СГ2. В одном из вариантов осуществления изобретения, сверхтемпературная зависимость определяется, если относительное изменение поглощения одной полосы поглощения находится в диапазоне от 0,8*10"2 до 5*102 или в любом другом диапазоне, который может быть построен из упомянутых выше минимальных относительных изменений (например, 0,8*10"2 до 5*10"2 и т.д.).
В качестве примера, относительная температурная зависимость (J, Vstrech -> (J + 1, vstrech +1) перехода СОг для молекул с термическим заселением двух колебаний с изгибом значительно сильнее, чем относительная температурная зависимости для молекул без теплового заселения колебаний с изгибом. Переход изменяет асимметричное валентное колебание С02 от 0 до 1 и изменяет вращательное квантовое число с J до J + 1, но оставляет колебания с изгибом без изменений. Тем
не менее, молекулы с заселенными колебаниями с изгибом (например, горячей полосы поглощения при 2301.81 см"1 и Е = hc*1610.0136 см"1) показывают в сто раз более сильное относительное увеличение поглощения, чем без заселенных колебаний с изгибом (нормальные полосы поглощения).
В случае сверхтемпературной зависимости, поглощение специфической полосы поглощения возрастает с увеличением температуры.
В отличие от этого, в случае антитемпературной зависимости, поглощение специфической полосы поглощения уменьшается с увеличением температуры.
Антитемпературная зависимость может наблюдаться в нормальных
полосах поглощения вращательно-колебательных переходов при низких
или нулевых вращательных квантовых числах. Повышение температуры
приводит к термическому заселению высших вращательных квантовых
чисел за счет уменьшения заселенности малых вращательных квантовых
чисел. Эти низкие вращательные квантовые числа демонстрируют
уменьшение термического заселения и, таким образом,
антитемпературную зависимость. Перераспределение заселения определяется распределением Больцмана.
При этом указанные изменения температуры, а также сама температура могут определяться намного быстрее и точнее, чем в соответствии с известными способами. Соотношение можно использовать для умножения на коэффициент, который специфичен для анализируемого газа и для выбранных полос поглощения, которые можно определить с помощью простых калибровочных измерений или
которые могут быть вычислены из искусственных (рассчитывающихся) спектров. Результатом этой математической операции является температура газа.
Способ может в равной степени использоваться как для чистых газов, так и для конкретных гэзов, содержащихся в газовой смеси.
Как было отмечено выше, первая инфракрасная полоса поглощения вызывается горячей полосой, т.е. термически заселенное горячее состояние, в котором из-за теплового заселения возбуждается колебательный режим.
Существуют различные определения горячих полос в технической литературе. Джеллисон (Jellison) и др. определяют горячую полосу простым свойством: более низкое энергетическое состояние, не равное нулю. На практике это определение не функционально, так как при температуре выше 0 градусов Кельвина большинство вращательно-колебательных состояний имеют энергию, не равную нулю. Следовательно, горячая колебательная полоса или горячее колебательное состояние определяется в настоящем изобретении в качестве энергетического состояния, в котором одно или несколько колебаний термически заселены в нижнем энергетическом состоянии.
Поскольку тепловое заселение колебаний присутствует при комнатной температуре, а свойство заселения определяется распределением Больцмана, колебания выше 2400 см"1 имеют незначительную вероятность термического заселения. Таким образом, термическое заселение при температуре, близкой к комнатной температуре, как правило, ограничено колебаниями ниже 2400 см"1.
В одном из вариантов осуществления изобретения горячая полоса, выбранная для получения первого параметра, относящегося к поглощению, имеет поглощение 2400 cm1 или менее, в частности, 2300 см"1 или менее, в частности, 2200 см"1 или менее, в частности, 2100 см"1 или менее, в частности, 2000 см"1 или менее, в частности, 1900 см"1 или менее, в частности, 1800 см"1 или менее, в частности, 1700 см"1 или менее, в частности, 1600 см"1 или менее, в частности, 1500 см"1 или менее, в частности, 1400 см"1 или менее, в частности, 1300 см"1 или менее, в частности, 1200 см"1 или менее, в частности, 1100 см"1 или менее, в частности, 1000 см"1 или менее, в частности, 900 см"1 или менее, в частности, 800 см"1 или менее, в частности, 700 см"1 или менее, в частности, 600 см"1 или менее, в частности, 500 см"1 или менее, в частности, 400 см"1 или менее.
В одном из вариантов осуществления изобретения, горячая полоса характеризуется поглощением в диапазоне от 400 см"1 до 2400 см-1 или в любом другом диапазоне, который может характеризоваться ранее упомянутыми максимальными поглощениями (например, от 500 см"1 до 2300 см"1, и т.д.).
Вращательно-колебательный переход из этого состояния в более высокое энергетическое состояние, приводящее к инфракрасному поглощению, изменяет вращательное квантовое число и колебательное состояние. Как правило, колебательное состояние, которое изменяется при поглощении света, не является термически заселенным колебанием. Тем не менее, могут также случаться переходы в Q-полосе.
Первая инфракрасная полоса поглощения и вторая инфракрасная полоса поглощения в общем случае может быть в связи с режимом колебаний. Колебательный режим, например, симметричный валентный режим, асимметричный валентный режим, ножничный режим (режим с изгибом), режим раскачивания, режим веерного колебания или крутильный режим (четыре последних колебания также называют режимами деформации). В зависимости от структуры, молекула в общем случае может колебаться во всех ранее упомянутых режимах. Как правило, определенный режим вызывается при возбуждении инфракрасным излучением одной или более полос поглощения в инфракрасном спектре. Выбор различных режимов колебаний рассматриваемых полос поглощения означает, что одна полоса поглощения, например, вызывается возбуждением в симметричном валентном режиме, а другая, например, вызывается возбуждением в режиме с изгибом газа, температура которого должна определяться. Возможны любые комбинации различных колебательных режимов, лежащих в основе наблюдаемых полос поглощения. Температурная зависимость полос поглощения, обусловленных возбуждением различных режимов, отличается друг от друга.
Возбуждение горячих полос характеризуются переходами из первого состояния во второе состояние, в котором ни первое состояние, ни второе состояние не соответствует основному состоянию соответствующего колебательного режима. Выражаясь другими словами, горячие полосы возникают из состояния, содержащего термическую заселенность другого режима колебаний; это состояние дополнительно включает возбужденные валентные и/или деформационные колебания.
Горячие полосы показывают значительно более высокую зависимость от температуры, чем обычные инфракрасные полосы поглощения. Тем не менее, их степень заполнения меньше, чем у обычных инфракрасных полос поглощения. Из - за их различного происхождения с точки зрения основного колебательного режима (режимов), различные горячие полосы регулярно имеют различные температурные зависимости.
Обнаруженные вращательные переходы предпочтительно представляют собой вращательные переходы различного переходного ряда. Это означает, что их начальные состояния отличаются друг от друга, по меньшей мере, на одно квантовое число, которое не изменяется при поглощении света. Для примера, инфракрасное поглощение света может вызвать в случае первого обнаруженного колебательного перехода увеличение квантового числа асимметричного валентного колебания от 0 до 1 и в то же время увеличение вращательного квантового числа от J до J + 1. Квантовое число колебаний с изгибом, однако, остается на 0. Б случае второго обнаруженного колебательного перехода другого переходного ряда, поглощение инфракрасного света будет также вызывать увеличение квантового числа асимметричных валентных колебаний от 0 до 1, и в то же время увеличение вращательного квантового числа от J' до J'+ 1. Кроме того, квантовое число колебаний с изгибом остается на уровне 1.Такая группировка соответствовала бы горячей полосе, так как колебание с изгибом было бы уже возбуждено в начальном состоянии.
Даже если квантовое число колебаний с изгибом было бы увеличено за счет поглощения света от 0 до 1 из первого обнаруженного колебательного перехода, то вышеупомянутая группировка
соответствовала бы горячей полосе, пока колебание с изгибом не равно О для второго обнаруженного колебательного перехода.
В одном из вариантов осуществления изобретения, точное определение сигнала поглощения преимущественно осуществлять путем установки линии поглощения как спектральной функции. Таким образом, очень часто достигается точность около Г1СГ2. Очень быстрые измерения позволяют более точно определять сигнал благодаря статистическому усреднению отдельных измерений, выполненных в определенном временном окне. Статистическое усреднение может быть выполнено, если время измерения может быть сокращено так, что в то время, когда в уровне техники проводится эксперимент, может выполняться гораздо больше экспериментов. В уровне техники диапазоны времени для эксперимента по определению! спектрально разрешенного поглощения составляет около 10 мс (Степанов и др.), Тогда как очень быстрые эксперименты с очень необычной технологией с использованием ударных волн при пониженных давлениях в сочетании с измерениями эффекта Доплера (Arroyo и др.) можно получить за около 200 мкс.
Новый подход заявленного изобретения позволяет осуществлять измерения со спектральным разрешением поглощения спектрального окна менее 20 см "1, в частности меньше, 15 см"1, в частности, менее 10 см"1, в частности, менее 7 см"1, в частности, менее 5 см"1, в частности, менее 3 см"1, в частности, менее 2 см"1, в пределах 20 мкс является, в частности, в пределах 15 мкс, является, в частности, в пределах 10 мкс, в частности, в пределах 7 мкс, в частности, в пределах 5 мкс, в частности, в пределах 3 мкс, в частности, в пределах 2 мкс, и, в частности, еще
быстрее. В одном из вариантов осуществления изобретения, спектральное окно находится в пределах от 2 см"1 до 20 см"1, или в любом другом диапазоне ' который может формироваться на ранее упомянутых более высоких порогах окна (например, от 3 см"1 до 15 см"1 и т.д. Из статистики это может привести к более высокой точности в десять раз по сравнению с самыми быстрыми известными в уровнен техники определения температуры газа.
При сочетании подготовки газа ударной волной и измерения эффекта Доплера, определялась температура газа при очень низком давлении в 0,046 атм до оптимальной чувствительности ± 2 К ( Arroyo и др.) Такие сложные схемы, которые требуют четко определенной закрытой ячейки с образцом, не подходят для определения в потоке газа внутри открытой ячейки с образцом. Кроме того, последовательный процесс измерения различных газов потребует несколько секунд для подготовки следующего газа.
Новый способ в соответствии с заявленным изобретением способен мгновенно опредэлять температуру потока газа с высокой чувствительностью при только одном измерении инфракрасного поглощения. В одном из вариантов осуществления заявленного изобретения не требуется никаких эталонных ячеек (какие используются у Stephanov и др.) и/или дополнительных измерений эффекта Доплера (какие используются у Arroyo и др.).
Сверхбыстрое спектральное определение может достигаться путем внутриимпульсной развертки лазерного импульса в сочетании со считыванием нс-электронных данных и не- инфракрасного детектора. С помощью этого способа достигается чувствительность в 1/3 К при
сверхбыстром единичном измерении с использованием пары вращательно-колебательных переходов в пределах 2 см"1 (см. Фигуру 6) с антитемпературной и сверхтемпературной зависимостью. Это определение может быть выполнено без измерения давления, без знания концентрации, без знания состава газа, без фиксированного объема образца , без эталонной ячейки, и/или без статического образца газа во время измерения.
В отличие от известных в уровне техники решений, где эталонная ячейка должна очищаться, пополняться, измеряться и снова очищаться, т.е. при последовательном способе, наш новый способ, позволяет определять температуру в нескольких направлениях параллельно. Все многочисленные процессы, обычно выполнявшиеся последовательно, происходят одновременно. Эти определения происходят в реальном масштабе времени. Тем не менее, более точное определение возможно с помощью параллельного способа в соответствии с одним из вариантов осуществления заявленного изобретения. Относительные изменения температуры могут устанавливаться с 10% или лучше, в частности, с 8%, и еще лучше, в частности, с 5%.
Как было указано выше, этот способ не только подходит для определения температуры газа, но также и для обнаружения изменений температуры в газе с течением времени.
Предпочтительно использовать преобразование Фурье в инфракрасной (FTIR) спектроскопии или лазерной инфракрасной спектроскопии. Тем не менее, этот способ также работает с другими инфракрасными технологиями, поскольку в нем используются
фундаментальные физические свойства газов, подлежащих определению.
Газами, активными в инфракрасной части спектра, являются все газы, которые состоят из более чем одного атома и которые состоят не только из двух одинаковых атомов (например, О2, N2 и С12 не являются активными в инфракрасном спектре газами, так как нет никаких изменений диполей при возбуждении в колебательном режиме в этих газах). С02 является примером газа, активного в инфракрасном спектре.
В одном из вариантов осуществления изобретения газ является статичным или проточным. Поток может быть нестабильным, динамичным, регулярным, нерегулярным, прерывистым или импульсным. Единственное ограничение для пространства и времени для статичного или проточного газа является то, что излучение должно проходить через газ.
В другом варианте осуществления изобретения газ, протекающий через измерительное устройство (или более точно: через измерительную камеру измерительного устройства), когда выполняется способ. Таким образом, способ хорошо подходит для определения температуры газа при его протекании. Заявленный способ может комбинироваться с другими методами, которые анализируют газ в потоке. Протекание газа через измерительное устройство означает , что объем пробы газа на определенном участке измерительной камеры измерительного устройства изменяется со скоростью, которая выше, чем 0 литров в минуту (л/мин).
В одном из вариантов осуществления изобретения газ протекает через измерительное устройство (или более точно: через измерительную
камеру измерительного устройства) со скоростью 0,05 л/мин или быстрее, в частности, от 0,1 л/мин или быстрее, в частности, 0,2 л/мин или быстрее, в частности, от 0,5 л/мин или быстрее, в частности от 1,0 л/мин или быстрее, в частности от 2,0 л/мин или быстрее, в частности от 0,05 л/мин до 5,0 л/мин и особенно в частности 5,0 л/мин или быстрее.
В то время, как заявленный способ пригоден для определения температуры всех газов, активных в инфракрасном спектре, газ в одном из вариантов осуществления изобретения является компонентом газа, выдыхаемого человеком или животным. Как правило, газ, выдыхаемый человеком или животным, также содержит газы, неактивные в инфракрасном спектре, такие как кислород или азот. Животное предпочтительно представляет собой млекопитающее, в частности примат, грызун, парнокопытное и непарнокопытное животное или плотоядное животное.
В другом варианте осуществления изобретения газ получается в процессе горения (например, в моторном транспортном средстве или в турбине, либо перед процессом сгорания или после него), газ получается в промышленном биологическом процессе (например, в установке для получения биогаза), газ получается в промышленном химическом процессе (например, в процессе синтеза в химической промышленности), или газ получается ь процессе наблюдения потоковой передачи (например, в газовых трубопроводах или в установках сбора газа).
В одном из вариантов осуществления изобретения, по меньшей мере, один из первого параметра, относящегося к поглощению, и второго параметра, относящегося к поглощению, включает поглощение, набор спектрально разрешенных поглощений, ширину линии, набор
спектрально разрешенных ширин линий, значения математической функции, полученные на основе измеренных значений и/или площади под кривой, соответствующей инфракрасной полосе поглощения. Таким образом, первый параметр, относящийся к поглощению, и второй параметр, относящийся к поглощению, могут быть либо непосредственно измеряемыми значениями, либо рассчитывающимися значениями. Они могут быть одинаковыми или различными по природе (например, первый параметр, относящийся к поглощению, может быть набором спектрально разрешенных поглощений, а второй параметр, относящийся к поглощению, может быть шириной линии, или оба параметра, относящиеся к поглощению, могут быть значениями математической функции.
Набор спектрально разрешенных поглощений также может рассматриваться как спектр. Таким образом, в пределах объема заявленного способа находится измерение спектра определенного спектрального диапазона, который используется на дальнейших этапах способа.
В одном из вариантов осуществления изобретения спектральный диапазон инфракрасного света, которым облучается газ, может, например, быть диапазон от 800 до 4000 см"1, в частности от 900 до 3000 см"1, в частности, от 1000 до 2500 см"1, в частности от 1200 до 2400 см"1, в частности от 1300 до 2300 см"1, в частности от 1500 до 2200 см"1. Диапазон от 2200 до 2400 см"1 является особенно предпочтительным.
В одном из вариантов осуществления изобретения только одно измерение поглощения проводят для получения первого параметра, связанного с поглощением, и второго параметра, относящегося к
поглощению, или значение или набор значений , из которых первый параметр, относящийся к поглощению, и второй параметр, относящийся к поглощению, могут рассчитываться. Это значительно увеличивает скорость осуществления всего способа в то время как его точность сохраняется. Например, два или более сигналов поглощения могут быть измерены во временном окне от 10 не до 10 мс, в частности, 100 не до 1 мс, в частности, 500 не до 50 мкс и в частности, преимущественно от 750 не до 10 мкс.
В одном из вариантов осуществления изобретения быстрые спектральные измерения могут быть выполнены, по меньшей мере, одним из следующих способов, причем любые комбинации этих методов возможны:
- внутриимпульсная развертка: в пределах наносекунд или микросекунд лазерного импульса спектральный диапазон непрерывно смещается;
- сканирование лазера в двух спектральных режимах/областях: лазеры могут быть изготовлены с различными спектральными областями вывода;
- применение двух различных лазеров: два или более лазеров с различными длинами волн могут использоваться одновременно;
применение двух различных лазерных источников без спектрального сканирования путем обнаружения максимального поглощения специфических пиков от переходов и/или горячих переходов.
- применение инфракрасного детектора с временем отклика быстрее 100 не с использованием электронной системы обнаружения данных быстрее, чем 100 не.
-
Если общий состав измеряемого газа, а также давление газа, известны, этого вполне достаточно для измерения двух спектральных положений с целью определения поглощения, до тех пор, пока выбранные полосы поглощения показывают аналогичную зависимость ширины линии от температуры в двух спектральных положениях.
Для достижения высокой точности заявленного способа, влияние на ширину линий полос поглощения инфракрасных лучей изменений давления и/или флуктуаций газа не должно в варианте осуществления превышать 25%, в частности, 10%, в частности, 5%, в частности, 2% и особенно, в частности, 1% относительных изменений ширины линии (всегда по сравнению с первоначально измеренной шириной линии).
Если наблюдаются большие относительные изменения ширины линии или в случае сильных фоновых вариаций или перекрытия другими полосами поглощения, измерение со спектральным разрешением и определение профиля полосы поглощения становится целесообразным или необходимым для высоконадежных и точных результатов. Поступая таким образом, определяют отдельные точки данных в пределах спектральной области полосы поглощения, которые должны определяться. После этого модельная функция устанавливается на обнаруженных точках данных. Впоследствии, определяются площади под соответствующими кривыми модельной функции.
Спектральный диапазон, излучаемый источником света, автоматически изменяется в случае квантовых каскадных лазеров, если они работают в импульсном режиме. Использование лазеров непрерывной волны (cw) (например, зонных каскадных лазеров ICL) также возможно. В случае QCL можно воспользоваться так; называемой
внутриимпульсной разверткой. Внутриимпульсная развертка возникает из-за нагрева лазерной среды в течение импульса. При благоприятном выборе спектрального диапазона QCL, спектральный дрейф в результате внутриимпульсной развертки уже достаточен, чтобы обнаружить инфракрасный спектр желаемых полос поглощения. В таком случае, длительность измерения составляет всего около 100 не. Таким образом, может определяться температура или изменение температуры
путем измерения подходящих колебательных переходов газа или газовой смеси в пределах, например, 1 мкм с точностью, показанной далее.
В одном из вариантов осуществления изобретения модельная функция выполнена с возможностью измерения значений поглощения первой инфракрасной полосы поглощения и/или второй инфракрасной полосы поглощения для получения первого параметра, относящегося к поглощению, и второго параметра, относящегося к поглощению. Такая установка модельной функции на измеряемые значения дополнительно повышает точность заявленного способа , так как шум измеряемых значений может эффективно снижаться или подавляться с помощью использования подходящей модели. В то время как определенность подогнанной кривой будет увеличиваться с качеством базовых значений , которые будут установлены, надежные результаты могут уж:е получаться при использовании одного спектра поглощения, как начальной точки для последующей настройки кривой. Если проводятся быстрые спектральные измерения (например, как указано выше), большее количество измерений может быть усреднено без существенной задержки по времени таким
образом, чтобы было возможно еще более точное определение температуры.
В одном из воплощений изобретения, определение температуры осуществляется с разрешением по времени. При этом может обнаруживаться изменение температуры анализируемого газа во времени в пределах мкс и до мс.
В одном из варианте осуществления изобретения, способ применяется в течение 5 секунд или менее, в частности, в течение 2 секунд или менее, в частности, в течение 1 секунды или менее, в частности, в пределах 750 мс или менее, в частности, в течение 1 мс или менее, причем временное окно от 500 не до 5 с, в частности от 750 не до 2 с, в частности от 500 не до 5 мкс является особенно предпочтительным. Таким образом, заявленный способ также можно обозначить как способ сверхбыстрого оптического определения температуры активного в инфракрасном спектре газа или газовой смеси.
В одном из вариантов осуществления изобретения, температура или изменение температуры определяется с точностью до 5°С или точнее, в частности, 2°С или точнее, в частности, ГС или точнее, в частности, 0,5°С или точнее, в частности, 0,3°С или точнее, в частности, 0,2°С или точнее, в частности, 0,ГС или точнее, и с очень высокой точностью до 0,01 °С или точнее.
В одном из вариантов осуществления изобретения дополнительно определяется концентрация газа. Это может быть сделано с помощью уравнения 6. В этом варианте должны приниматься в расчет размеры камеры для образца и объем измеряемого газа. Таким образом, способ позволяет осуществлять точное определение концентрации газа с
точностью до 1% по объему или точнее, в частности до 0,1% по объему или точнее, в частности до 0,01% по объему или точнее. Преимущественно, относительные изменения концентрации могут определяться с точностью 10~2 или лучше, в частности, 10"3 или лучше, в частности, 10"4 или лучше.
Если скорость потока газа известна или дополнительно определяется (например, с помощью спирометра), общее количество газа определенного вида в анализируемой газовой смеси может быть точно определено.
В одном из вариантов осуществления изобретения, первая инфракрасная полоса поглощения и вторая инфракрасная полоса поглощения выбираются таким образом, что поглощение одной из первой инфракрасной полосы поглощения и второй инфракрасной полосы поглощения увеличивается с повышением температуры газа (сверхтемпературная зависимость), в то время как поглощение другой из первой инфракрасной полосы поглощения и второй инфракрасной полосы поглощения уменьшается с увеличением температуры газа (антитемпературная зависимость).Такая температурная зависимость в противоположном направлении дополнительно повышает точность заявленного способа , так как небольшие перепады температур приводят к сравнительно высоким отклонениям от соотношения , использующегося для определения температура газа.
В одном из вариантов осуществления изобретения, первая полоса инфракрасного поглощения имеет первое среднее (или медианное, или центральное) положение, а вторая полоса инфракрасного поглощение имеет второе среднее (или медианное, или центральное) положение,
причем расстояние между первым средним положением и вторым средним положением составляет от 0,5 см"1 до 1000 см"1. Для того чтобы избежать сильно перекрывающихся сигналов, предпочтительно проводить измерения при низких давлениях или в спектральных областях, где общая плотность сигналов поглощения газа низка (например, между 3000 см"1 и 2350 см"1.
В одном из вариантов осуществления изобретения один лазер используется в качестве источника света, причем лазер может быть настроен таким образом, что он может измерять как первое среднее положение, так и второе среднее положение. Предпочтительно, чтобы лазер настраивался в диапазоне от 0,5 см"1 до 60 см"1, в частности на частности, около: 1 см"1, 2 см"1, 6 см"1 или 20 см"1, или в любом диапазоне между этими значениями.
Кроме того, можно использовать два источника света и два детектора, так как согласованные определения могут осуществляться в течение времени отклика детекторов, лежащего в наносекундном диапазоне.
Все варианты осуществления изобретения, описанные здесь, могут быть объединены любым требующимся образом.
Особенности настоящего изобретения будут поясняться далее более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи и в соответствии с вариантами осуществления. На чертежах:
Фигура 1 показывает вращательно-колебательный спектр 12 С02 и
13С02;
Фигура 2 показывает графическое изображение вращательно-колебательного поглощения как функции вращательного квантового числа,
Фигура 3 показывает графическое изображение температурной зависимости вращательно-колебательного спектра поглощения СОг асимметричной валентной полосы,
, Фигура 4 показывает графическое изображение изменения интенсивности в зависимости от вращательного квантового числа,
Фигура 5 показывает вращательно-колебательный спектр 12С02 и 13С02 в выдыхаемом воздух^ в двух последовательных выдохах, и
Фигура 6 показывает расчетные инфракрасные спектры поглощения 12С02 в зависимости от температуры.
На рисунках 1-5 представляются известные в уровне техники решения, которые уже обсуждались во вводной части описания, чтобы обеспечить лучшее понимание проблемы, лежащей в основе настоящего изобретения, а также решения, к которым специалист в данной области техники может прийти без знания настоящего изобретения.
Рисунок 6 далее поясняется в отношении варианта осуществления настоящего изобретения.
Как было объяснено выше (см. уравнение 1), тепловая энергия 204 см"1 доступна для молекул при комнатной температуре. Что касается вращения, многие молекулы, таким образом, уже находятся в возбужденных состояниях (горячих состояниях). Эти состояния заполняются в соответствии с распределением Больцмана.
Если теперь смотреть на соотношение, по меньшей мере, двух полос поглощения одной и той же молекулы, которая показывает
отличающуюся температурную зависимость, температура молекулы может непосредственно и точно определяться из этого соотношения.
Точность может быть даже увеличена, если рассматривать горячие полосы, как дважды зависимые от температуры. С одной стороны, общая полоса поглощения колебательного перехода показывает изменение (в частности, увеличение) инфракрасного поглощения с ростом температуры. С другой стороны, отдельные полосы поглощения (которые иногда также называют линиями поглощения), которые составляют общую полосу поглощения, изменяются с изменением температуры. Как общая полоса поглощения, так и отдельные полосы поглощения или линии поглощения охватываются термином "полоса поглощения", использующемся в данном описании.
В настоящем варианте осуществления изобретения две или более отдельные полосы поглощения 12СОг рассматриваются для вычисления отношения их площадей (Ах) как параметр, относящийся к поглощению. Если рассматриваются две полосы, отношение может быть Ai:A2 или А2:АгЕсли три линии считаются, это отношение может быть, например, .Ai:A2:A3 или Ai:A2, или Ai:A3, или А2:АЗ. Предпочтительно, выбираются те линии для рассмотрения, которые имеют наиболее отличающуюся температурную зависимость. В связи с тем, что эти полосы поглощения часто встречаются в соответствующем спектре очень близко друг к другу, можно измерять их в очень короткий промежуток времени. Предпочтительно используют смежные полосы поглощения.
На рисунке 6 показано моделирование поглощения 12С02 при концентрации (с) 3% объема при нормальном давлении и при длине оптического пути (с!) 1 мм (см. в этом отношении уравнение 6).
Температура варьировалась между 273 К (0°С) и 333 К (60°С) для отдельных моделей.
Поглощение среднэй (сильнейшей) полосы поглощения (R-ветви № 0) уменьшается при повышении температуры до 60°С на приблизительно 78% от начального значения, вычисленного при 0°С (антитемпературная зависимость). Поглощение в другой полосах поглощения (горячие полосы с R-ветвями № 17 и 18) увеличивается за счет повышения температуры до 60°С на примерно 158% исходного значения, вычисленного при 0°С (сверхтемпературная зависимость). Путем вычисления площади под кривыми средней полосы поглощения и одной из боковых полос (эти области являются примером параметра, относящегося к поглощению) и последующего вычисления отношения площадей, становится очевидным, что отношение площадей изменяется примерно на 3,3% на градус Кельвина.
Таким образом, этот спектральный диапазон подходит для обнаружения температурных различий или отклонений на менее 1/3 К в сверхскоростном способе, путем проведения одного измерения (без усреднения нескольких измерений) и последующей подгонки модельной функции к измеренным данным.
Формула изобретения
1. Способ определения температуры газа, активного в инфракрасной
области спектра, с помощью методов инфракрасной спектроскопии пререходов
во вращательно-колебательной полосе, содержащий:
- облучение газа инфракрасными лучами в спектральном диапазоне от 700 cm"1 до 5000 cm"' испускаемыми инфракрасным источником;,
- получение первого параметра, относящегося к поглощению, измерением первой инфракрасной полосы поглощения газа, причем первая инфракрасная полоса поглощения является горячей полосой, вызывающейся термическим заселением, по меньшей мере, одного колебательного режима газа;
- получение второго параметра, относящегося к поглощению, измерением второй инфракрасной полосы поглощения газа; и
- вычисление отношения между первым параметром, относящимся к поглощению, и вторым параметром, относящимся к поглощению;
отличающийся тем, что
указанное отношение используется для определения температуры газа, причем относительное изменение отношения составляет, по меньшей мере, 0,5% изменения температуры газа по Кельвину.
2. Способ по п 1 отличающийся тем, что первый диапазон
поглощения имеет сверхтемпературную зависимость и тем, что второй диапазон
поглощения имеет антитемпературную зависимость.
3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что газ протекает через
измерительное устройство, когда осуществляется указанный способ.
4. Способ по любому из пл. 1-3, отличающийся тем, что газ протекает через измерительное устройство со скоростью 0,05 литра в минуту или с большей скоростью.
5. Способ по любому из п.п. 1-4, отличающийся тем, что газ является компонентом газа, выдыхаемого человеком или животным, газом процесса горения, газом в промышленных биологических процессах, газом в промышленных химических процессах или газом в проточном процессе отслеживания.
6. Способ по любому из п.п. 1-5, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один из первого, относящегося к абсорбции, параметра, и второго, относящегося к абсорбции параметра, содержит поглощение, набор спектрально разрешенных поглощений, ширину линии, набор спектрально разрешенных ширин линий, значения математической функции, полученные на основе измеряемых значений поглощения и/или площади под кривой соответствующей инфракрасной полосы поглощения.
7. Способ по любому из п.п. 1-6, отличающийся тем, что проводится только единственное измерение поглощения.
8. Способ по любому из п.п. 1-7, отличающийся тем, что модельная функция соответствует измеренным значениям первой инфракрасной полосы поглощения и/или второй инфракрасной полосы поглощения.
9. Способ по любому из п.п. 1-8, отличающийся тем, что определение температуры проводится с временным разрешением.
10. Способ по любому из п.п. 1-9, отличающийся тем, что указанный
способ проводится в течение 5 секунд или менее.
11. Способ по любому из п.п. 1-10, отличающийся тем, что
дополнительно определяется концентрация газа.
12. Способ по любому из п.п. 1-11, отличающийся тем, что первая инфракрасная полоса поглощения и вторая инфракрасная полоса поглощения выбираются такими, что поглощение на одной из первой инфракрасной полосы поглощения и/или второй инфракрасной полосы поглощения увеличивается при увеличении температуры газа, в то время как поглощение на другой из первой инфракрасной полосы поглощения и второй инфракрасной полосы поглощения уменьшается с увеличением температуры газа.
13. Способ по люоом> из п.п. 1-12, отличающийся тем, что первая инфракрасная полоса поглощения имеет первое среднее положение, а вторая инфракрасная полоса поглощения имеет второе среднее положение, причем расстояние между первым средним положением и вторым средним положением составляет от 0,5 см"1 до 1000 см"1.
14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что лазер используется в
качестве источника излучения, причем лазер может настраиваться таким
образом, что он может измерять как первое среднее положение, так и второе
среднее положение.
12С02
R-ветвь Р-ветвь
I -1 1_ I 1 1 I
2400 235 0 2300 2250
Энергия в см-1
ФИГ 1 (уровень техники)
ФИГ 2 (урове". техники)
i 1 г
т 20
i 15 ос
o°c
25° С 40° С 80° С
Т "А
Ў ."А
T-.iii,!;
-20
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10
Вращательный уровень R-ветви
ФИГ 3 (уровень техники)
0,000
"I ' ~Г г-
1 -0.005 -0,006 --0,007
-0.0062
10 20 30 40 50 60 70
Вращательное квантовое число С02
ФИГ 4 (уровень техники)
ФИГ 5 (уровень техники)
Волновые числа (см-1)
ФИГ 6
3/4
3/4
3/4
3/4
3/4
3/4
3/4
3/4
3/4
4/4