Absorptiospektroskopiaan perustuvan raskasmetallien mittausmenetelmän havaintorajan parantaminen

Abstract

Havaintoraja määritellään (mittaus)signaalin kolminkertaiseksi keskihajonnaksi. Työn tavoitteeksi asetettiin Optiikan laboratoriossa tutkitun ja kehitetyn spektrometrin havaintorajan parantaminen. Alkuperäisiksi savukaasun raskasmetallipitoisuuden havaintorajoiksi mitattiin kenttätesteissä kohdeyrityksen koevoimalaitoksessa 0,1 mg/m3 kadmiumille ja 2,3 mg/m3 lyijylle. Havaintorajaa voidaan parantaa optista valosignaalia kasvattamalla tai signaalin kokonaiskohinaa pienentämällä. Työssä selvitettiin alkuperäistä voimakkaampien onttokatodilamppujen hankintaa, mutta näiden hyöty-hintasuhde todettiin riittämättömäksi. Diodilasereiden käytöstä tehtiin kirjallisuusselvitys, mutta todettiin, että diodilaserit eivät vielä nykyisin sovellu raskasmetallien kenttämittauksiin UV-alueella. Kohinan pienentämiseksi hankittiin alkuperäistä herkempi, Peltier-jäähdytetty valonilmaisin ja sille vähäkohinainen vahvistin. Lukitusvahvistimen soveltuvuutta tutkittiin, mutta todettiin että lukitusvahvistimella ei voida mitata menetelmässä tarvittavaa signaalin DC-komponenttia. Mitattua signaalia estimoitiin digitaalisuodatuksella, keskiarvottamalla ja pienimmän neliösumman analyysillä. Lisäksi esitettiin amplitudimodulaation käyttö mittausmenetelmässä ja todennettiin, että Zeeman-taustankorjaus on toteutettavissa ilman valon lineaarista polarisointia. Laboratoriokokeissa työssä kehitettyä mittausalgoritmiä verrattiin alkuperäiseen algoritmiin ja parannettu algoritmi todettiin 12 kertaa paremmaksi. Laboratoriossa mitattiin nollahavaintorajat (läsnä ei ollut absorboivaa raskasmetallia), joiksi saatiin 0,006 mg/m3 kadmiumille ja 0,020 mg/m3 lyijylle. Kenttäkokeet suoritettiin toisessa kohdeyrityksessä, jossa mitattiin havaintorajat 0,06 mg/m3 kadmiumille ja 0,4 mg/m3 lyijylle. Kenttätesteissä havaintorajan parannus oli 2- ja 6-kertainen. /Kir10