FR2808884A1 - HYPERFREQUENCY-ACOUSTIC GAS ANALYZER - Google Patents
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Abstract
Ce dispositif pour analyser la concentration d'un gaz de test dans un gaz échantillon comprend une source de micro-ondes (1b), une chambre (12) contenant l'échantillon de gaz et disposé de sorte que le signal de la source traverse l'échantillon de gaz dans la chambre, dans laquelle le gaz de test de l'échantillon de gaz absorbe le signal de test et le convertit en un signal acoustique, un transducteur acoustique (28) détectant ce signal et produisant un signal de sortie corrélé à la quantité du gaz de test dans l'échantillon de gaz et un processeur de signaux (34) déterminant la quantité de test de gaz dans l'échantillon de gaz.Application notamment à la détermination de la concentration d'une vapeur anesthésique dans un échantillon de gaz.This device for analyzing the concentration of a test gas in a sample gas comprises a microwave source (1b), a chamber (12) containing the gas sample and arranged so that the signal from the source passes through the 'sample gas in the chamber, in which the test gas of the gas sample absorbs the test signal and converts it into an acoustic signal, an acoustic transducer (28) detecting this signal and producing an output signal correlated to the amount of the test gas in the gas sample and a signal processor (34) determining the test amount of gas in the gas sample.Application particularly to determining the concentration of an anesthetic vapor in a sample gas.
Description
La présente invention concerne d'une manière générale un dispositif et unThe present invention relates generally to a device and a
procédé utilisant l'effet micro-onde acoustique pour déterminer la concentration d'un gaz spécifié dans un échantillon de gaz. De façon plus spécifique, la présente invention a trait à un analyseur micro-onde acoustique de gaz, qui est utilisé pour déterminer la concentration d'une vapeur anesthésique dans un échantillon de gaz, incluant la vapeur seule ou en process using the acoustic microwave effect to determine the concentration of a specified gas in a gas sample. More specifically, the present invention relates to an acoustic gas microwave analyzer, which is used to determine the concentration of an anesthetic vapor in a gas sample, including vapor alone or in combination with it.
mélange avec d'autres gaz.mixture with other gases.
Des agents anesthésiques ainsi que d'autres types de gaz possèdent des pics d'absorption spectrale dans la gamme de la lumière visible et/ou dans la gamme de l'infrarouge. En raison de l'existence de ces pics d'absorption, on peut utiliser un procédé de détection photo-acoustique pour déterminer la quantité d'un gaz Anesthetic agents as well as other types of gases have spectral absorption peaks in the range of visible light and / or in the range of infrared. Due to the existence of these absorption peaks, a photo-acoustic detection method can be used to determine the quantity of a gas
spécifié ou d'une vapeur spécifiée dans un mélange de gaz. specified or specified vapor in a mixture of gases.
Une mesure photo-acoustique est basée sur la tendance pour les molécules, dans un gaz, lorsqu'elles sont exposées à certaines fréquences d'énergie rayonnante (une énergie rayonnante infrarouge), à absorber l'énergie et à atteindre des niveaux plus élevés de vibration moléculaire et d'état de rotation, en atteignant de ce fait une température et une pression plus élevées. Lorsque l'énergie rayonnante est modulée en amplitude, les fluctuations résultantes de l'énergie disponible pour l'absorption produisent des A photoacoustic measurement is based on the tendency for molecules in a gas, when exposed to certain frequencies of radiant energy (infrared radiant energy), to absorb energy and reach higher levels of molecular vibration and state of rotation, thereby reaching a higher temperature and pressure. When the radiant energy is amplitude modulated, the resulting fluctuations in the energy available for absorption produce
fluctuations correspondantes de température et de pression. corresponding fluctuations in temperature and pressure.
On peut utiliser un microphone sensible pour produire un signal de sortie électrique représentant les fluctuations de pression. L'amplitude du signal acoustique et le signal de sortie électrique résultant délivré par le microphone sont proportionnels à l'intensité du rayonnement et à la valeur de la concentration du gaz absorbant ou de la vapeur absorbante. C'est pourquoi, pour une amplitude constante donnée d'un éclairement avec une énergie rayonnante, le signal de sortie électrique peut être détecté à la fréquence de modulation pour fournir une valeur de concentration proportionnelle à une quantité d'absorption du gaz. En outre la relation avec l'intensité de la source de lumière permet à l'utilisateur d'augmenter la sensibilité en augmentant l'intensité de la source de lumière. C'est pourquoi, les dispositifs sont bien appropriés pour mesurer de faibles concentrations d'un gaz ou d'une vapeur, comme par exemple la concentration d'un agent anesthésique dans un système respiratoire d'un A sensitive microphone can be used to produce an electrical output signal representing pressure fluctuations. The amplitude of the acoustic signal and the resulting electrical output signal delivered by the microphone are proportional to the intensity of the radiation and to the value of the concentration of the absorbent gas or absorbent vapor. This is why, for a given constant amplitude of illumination with radiant energy, the electrical output signal can be detected at the modulation frequency to provide a concentration value proportional to an amount of absorption of the gas. Furthermore, the relationship with the intensity of the light source allows the user to increase the sensitivity by increasing the intensity of the light source. This is why the devices are very suitable for measuring low concentrations of a gas or vapor, such as for example the concentration of an anesthetic agent in a respiratory system of a
patient.patient.
Un inconvénient de ces types de systèmes de détection photo-acoustique est la nécessité de produire une énergie rayonnante dans une bande extrêmement étroite. De façon typique des émetteurs d'infrarouge fournissent une énergie rayonnante qui inclut un spectre relativement large. Une solution pour ce spectre large d'énergie rayonnée consiste à utiliser des filtres optiques pour filtrer l'énergie émise pour l'amener à avoir une largeur de bande plus étroite. Sinon, on peut utiliser des lasers coûteux ou d'autres types de dispositifs formant filtres optiques pour délivrer une énergie rayonnante ayant une A disadvantage of these types of photo-acoustic detection systems is the need to produce radiant energy in an extremely narrow band. Typically infrared emitters provide radiant energy which includes a relatively broad spectrum. One solution for this broad spectrum of radiated energy consists in using optical filters to filter the energy emitted to bring it to have a narrower bandwidth. Otherwise, expensive lasers or other types of optical filter devices can be used to deliver radiant energy having a
largeur de bande étroite.narrow bandwidth.
Un autre inconvénient de ces types de système est la difficulté relative de moduler l'énergie infrarouge rayonnante à une haute fréquence. Ceci est dû en partie aux limitations imposées à la fréquence à laquelle une source infrarouge incandescente à faible coût peut être activée et désactivée rapidement. Un procédé pour résoudre ce problème consiste à utiliser un disque perforé rotatif servant à moduler la longueur d'onde ou l'amplitude, comme cela est Another drawback of these types of system is the relative difficulty of modulating the infrared radiant energy at a high frequency. This is due in part to the limitations on the frequency at which a low cost incandescent infrared source can be quickly turned on and off. One method of solving this problem is to use a rotary perforated disk used to modulate the wavelength or the amplitude, as is
illustré dans le brevet US N 4 818 882 au nom de NEXO. illustrated in US Patent No. 4,818,882 in the name of NEXO.
Outre le fait de présenter des pics d'absorption spectrale dans les gammes de la lumière visible et/ou du rayonnement infrarouge, des médicaments anesthésiques présentent également des pics d'absorption spectrale dans la gamme des micro-ondes. Les pics d'absorption spectrale dans la gamme des micro-ondes sont dus à des transitions entre niveaux d'énergie de rotation moléculaires de la In addition to having spectral absorption peaks in the visible light and / or infrared radiation ranges, anesthetic drugs also exhibit spectral absorption peaks in the microwave range. The spectral absorption peaks in the microwave range are due to transitions between molecular rotation energy levels of the
vapeur du médicament anesthésique. vapor of the anesthetic drug.
C'est pourquoi un but de la présente invention est d'utiliser une énergie à micro-ondes modulée pour détecter la présence et la concentration d'un gaz de test dans un échantillon de gaz ou un mélange de gaz, comme par exemple la concentration de vapeurs d'anesthésique dans un échantillon de gaz, moyennant l'utilisation des phénomènes acoustiques résultant de l'application d'une énergie à micro-ondes à l'échantillon de gaz. En outre, un but de la présente invention est de fournir une source de microondes qui peut être modulée de différentes manières et dont les microondes traversent un échantillon de gaz incluant un This is why an object of the present invention is to use a modulated microwave energy to detect the presence and the concentration of a test gas in a sample of gas or a mixture of gases, such as for example the concentration anesthetic vapors in a gas sample, through the use of acoustic phenomena resulting from the application of microwave energy to the gas sample. Furthermore, an object of the present invention is to provide a microwave source which can be modulated in different ways and whose microwaves pass through a gas sample including a
agent anesthésique.anesthetic agent.
La présente invention a trait à un analyseur micro- The present invention relates to a micro-
onde acoustique de gaz, qui utilise un signal de test aux fréquences des micro-ondes ou hyperfréquences, et les transitions de niveaux d'énergie de rotation moléculaires d'un gaz de test pour produire un signal acoustique possédant des propriétés associées directement à la gas acoustic wave, which uses a test signal at microwave or microwave frequencies, and transitions of molecular rotational energy levels of a test gas to produce an acoustic signal with properties associated directly with the
concentration du gaz de test dans un échantillon de gaz. concentration of the test gas in a gas sample.
L'analyseur de gaz micro-onde acoustique selon la présente invention peut par conséquent être utilisé pour déterminer la concentration d'un gaz de test tel qu'un agent The acoustic microwave gas analyzer according to the present invention can therefore be used to determine the concentration of a test gas such as an agent
anesthésique, dans un échantillon de gaz. anesthetic, in a gas sample.
L'analyseur de gaz selon la présente invention inclut une source de microondes qui produit un signal à micro-ondes se situant d'une manière générale dans la gamme de 500 MHz à 500 GHz. Le signal à micro-ondes délivré par la source de micro-ondes est sélectionné sur la base de fréquences d'absorption prédéterminées pour le gaz de test qui est analysé. La source de micro-ondes peut être choisie The gas analyzer according to the present invention includes a microwave source which produces a microwave signal generally lying in the range of 500 MHz to 500 GHz. The microwave signal delivered by the microwave source is selected based on predetermined absorption frequencies for the test gas being analyzed. Microwave source can be chosen
parmi différents types de générateurs classiques de micro- among different types of conventional micro generators
ondes dont chacun émet un signal en micro-ondes à une waves each of which emits a microwave signal at a
fréquence ou à plus d'une fréquence. frequency or more than one frequency.
Le signal à micro-ondes délivré par la source de micro-ondes est modulé avant son émission à travers l'échantillon de gaz de test. Dans la forme de réalisation préférée de l'invention, le signal à micro-ondes est modulé en fréquence avant son émission à travers l'échantillon de gaz de test. Le modulateur de fréquence selon la présente invention est à même de moduler le signal à micro-ondes dans la gamme des fréquences allant des kHz aux MHz pour produire le signal de test. En plus de la modulation de fréquence, on envisage d'utiliser d'autres procédés de modulation, comme par exemple une modulation d'amplitude, une modulation de phase, une modulation d'impulsions et une The microwave signal delivered by the microwave source is modulated before being transmitted through the test gas sample. In the preferred embodiment of the invention, the microwave signal is frequency modulated before being transmitted through the test gas sample. The frequency modulator according to the present invention is able to modulate the microwave signal in the frequency range from kHz to MHz to produce the test signal. In addition to frequency modulation, it is envisaged to use other modulation methods, such as for example amplitude modulation, phase modulation, pulse modulation and
modulation codée.coded modulation.
Après la modulation, le signal de test à micro- After modulation, the micro test signal
ondes est émis ou excité dans une cavité résonante et traverse l'échantillon de gaz, y compris le gaz de test, contenu à l'intérieur d'une chambre ou cellule de gaz de test. Le gaz de test, tel qu'un agent anesthésique, absorbe l'énergie à micro-ondes provenant du signal de test et produit un signal acoustique à l'intérieur de la chambre ou cellule à gaz de test. De façon spécifique le gaz de test, tel qu'un agent anesthésique, situé dans l'échantillon de gaz absorbe l'énergie à microondes provenant du signal de test, et les transitions de niveaux d'énergie de rotation moléculaires du gaz de test créent des variations de pression à l'intérieur de la chambre ou cellule à gaz de test. Un transducteur acoustique est positionné de manière à détecter les transitions de pression à l'intérieur de la chambre à gaz de test. Le transducteur acoustique, qui est de façon typique un microphone sensible, produit un signal de sortie sur la base du signal acoustique détecté dans la chambre à gaz de test. Le signal de sortie délivré par le transducteur acoustique est reçu par un processeur de signaux de sortie qui traite le signal de sortie en rapport avec le signal de test. Le signal de sortie traité délivré par le transducteur acoustique est en relation directe avec la concentration du gaz de test à waves is emitted or excited in a resonant cavity and passes through the sample of gas, including the test gas, contained inside a chamber or cell of test gas. The test gas, such as an anesthetic agent, absorbs microwave energy from the test signal and produces an acoustic signal inside the test gas chamber or cell. Specifically the test gas, such as an anesthetic agent, located in the gas sample absorbs microwave energy from the test signal, and the molecular rotational energy level transitions of the test gas create pressure variations inside the test gas chamber or cell. An acoustic transducer is positioned to detect pressure transitions inside the test gas chamber. The acoustic transducer, which is typically a sensitive microphone, produces an output signal based on the acoustic signal detected in the test gas chamber. The output signal from the acoustic transducer is received by an output signal processor which processes the output signal in relation to the test signal. The processed output signal delivered by the acoustic transducer is directly related to the concentration of the test gas at
l'intérieur de l'échantillon de gaz. inside the gas sample.
Différentes autres configurations pour la chambre à Different other configurations for the room
gaz de test et la cavité résonante pour l'analyseur micro- test gas and the resonant cavity for the micro analyzer
onde acoustique de gaz selon la présente invention sont possibles. En outre, il est envisagé que le transducteur de pression soit un transducteur acoustique différentiel contenu à l'intérieur d'une chambre à gaz tubulaire continue. De façon plus précise l'invention concerne un dispositif pour analyser la concentration d'un gaz de test dans un échantillon de gaz, caractérisé en ce qu'il comporte: une source de microondes pour produire un signal de test possédant une fréquence comprise entre 500 MHz et 300 GHz, une chambre à gaz de test contenant le gaz échantillon à analyser, la chambre à gaz de test étant positionnée par rapport à la source de micro-ondes de telle gas acoustic wave according to the present invention are possible. In addition, it is envisaged that the pressure transducer is a differential acoustic transducer contained inside a continuous tubular gas chamber. More precisely, the invention relates to a device for analyzing the concentration of a test gas in a gas sample, characterized in that it comprises: a microwave source for producing a test signal having a frequency between 500 MHz and 300 GHz, a test gas chamber containing the sample gas to be analyzed, the test gas chamber being positioned relative to the microwave source of such
sorte le signal de test délivré par la source de micro- so the test signal from the micro source
ondes traverse l'échantillon de gaz dans une chambre de test, le gaz de test dans l'échantillon de gaz absorbant le signal de test et convertissant le signal de test en un signal acoustique, un transducteur acoustique positionné de manière à détecter le signal acoustique produit dans la chambre du gaz de test et délivrant un signal de sortie, le signal de sortie étant corrélé à la quantité du gaz de test dans l'échantillon de gaz; et un processeur de signaux positionné de manière à recevoir le signal de sortie délivré par le transducteur acoustique, le processeur de signaux pouvant agir de manière à déterminer la quantité du gaz de test dans waves pass through the gas sample in a test chamber, the test gas in the gas sample absorbing the test signal and converting the test signal to an acoustic signal, an acoustic transducer positioned to detect the acoustic signal produced in the test gas chamber and delivering an output signal, the output signal being correlated to the amount of test gas in the gas sample; and a signal processor positioned to receive the output signal from the acoustic transducer, the signal processor being operable to determine the amount of the test gas in
l'échantillon de gaz sur la base du signal de sortie. the gas sample based on the output signal.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le gaz de test situé dans l'échantillon de gaz convertit le signal de test à micro-ondes en le signal acoustique sous l'effet des transitions de niveaux d'énergie de rotation According to another characteristic of the invention, the test gas located in the gas sample converts the microwave test signal into the acoustic signal under the effect of the transitions of rotational energy levels.
moléculaires dans le gaz de test.molecules in the test gas.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comporte en outre un modulateur positionné de manière à moduler le signal de test avant la transmission According to another characteristic of the invention, the device further comprises a modulator positioned so as to modulate the test signal before transmission
du signal de test à travers l'échantillon de gaz. of the test signal through the gas sample.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le According to another characteristic of the invention, the
modulateur est un modulateur de fréquence. modulator is a frequency modulator.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le modulateur de fréquence module le signal de test entre 1 According to another characteristic of the invention, the frequency modulator modulates the test signal between 1
KHz et 1 MHz.KHz and 1 MHz.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le processeur de signaux est un amplificateur de quadrature qui détecte la différence de phase entre le signal de test According to another characteristic of the invention, the signal processor is a quadrature amplifier which detects the phase difference between the test signal
et le signal de sortie.and the output signal.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le According to another characteristic of the invention, the
gaz de test est une vapeur anesthésique. test gas is an anesthetic vapor.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le signal de sortie du transducteur acoustique est un signal électrique. Selon une autre caractéristique de l'invention, la chambre à gaz de test est réalisée en un matériau désigné According to another characteristic of the invention, the output signal from the acoustic transducer is an electrical signal. According to another characteristic of the invention, the test gas chamber is made of a designated material
sous le nom de marque Téflon.under the brand name Teflon.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le modulateur de fréquence module le signal de test dans une gamme prédéterminée de fréquences de telle sorte que le processeur de signaux reçoit le signal de sortie à des fréquences de modulation variables pour déterminer la fréquence d'absorption maximale dans l'échantillon de gaz According to another characteristic of the invention, the frequency modulator modulates the test signal in a predetermined range of frequencies so that the signal processor receives the output signal at variable modulation frequencies to determine the absorption frequency maximum in the gas sample
qui est testé.which is tested.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comporte en outre une cavité résonante contenant la source de micro-ondes, au moins une partie de la chambre à gaz de test étant logée à l'intérieur de la cavité résonante. Selon une autre caractéristique de l'invention, seule une partie de la chambre à gaz de test est logée à l'intérieur de la cavité résonante et que le transducteur acoustique est un transducteur acoustique différentiel qui détecte le signal acoustique produit dans la chambre à gaz According to another characteristic of the invention, the device further comprises a resonant cavity containing the microwave source, at least part of the test gas chamber being housed inside the resonant cavity. According to another characteristic of the invention, only part of the test gas chamber is housed inside the resonant cavity and the acoustic transducer is a differential acoustic transducer which detects the acoustic signal produced in the gas chamber
de test.test.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le signal de test possède une fréquence dans la gamme des According to another characteristic of the invention, the test signal has a frequency in the range of
micro-ondes entre 500 MHz et 500 GHz. microwave between 500 MHz and 500 GHz.
L'invention concerne également un dispositif pour analyser la quantité d'un agent anesthésique dans un échantillon de gaz, caractérisé en ce qu'il comporte: une source de micro-ondes positionnée dans une cavité résonante pour produire un signal de test ayant une fréquence de test comprise entre 500 MHz et 500 GHz, une chambre à gaz de test contenant le gaz échantillon à analyser, la chambre à gaz de test étant positionnée au voisinage de la cavité résonante de telle sorte que le signal de test provenant de la source de micro-onde traverse l'échantillon de gaz située dans la chambre de test, l'agent anesthésique situé dans l'échantillon de gaz absorbant l'énergie du signal de test, tandis que les transitions de niveaux d'énergie de rotation moléculaires de l'agent anesthésique convertissent le signal de test en un signal acoustique, un transducteur acoustique positionné de manière à détecter le signal acoustique produit dans la chambre à gaz de test et produire le signal de sortie, le signal de sortie étant proportionnel à la quantité de l'agent anesthésique dans l'échantillon de gaz, et un processeur de signaux positionné de manière à recevoir le signal de sortie délivré par le transducteur acoustique pour déterminer la quantité de l'agent anesthésique dans l'échantillon de gaz. D'autres caractéristiques et avantages de la The invention also relates to a device for analyzing the quantity of an anesthetic agent in a gas sample, characterized in that it comprises: a microwave source positioned in a resonant cavity to produce a test signal having a frequency test range between 500 MHz and 500 GHz, a test gas chamber containing the sample gas to be analyzed, the test gas chamber being positioned in the vicinity of the resonant cavity so that the test signal from the source of microwave passes through the gas sample located in the test chamber, the anesthetic agent located in the gas sample absorbing the energy of the test signal, while the molecular rotational energy level transitions from l anesthetic agent converts the test signal into an acoustic signal, an acoustic transducer positioned to detect the acoustic signal produced in the test gas chamber and pr oducing the output signal, the output signal being proportional to the amount of anesthetic agent in the gas sample, and a signal processor positioned to receive the output signal from the acoustic transducer to determine the amount anesthetic agent in the gas sample. Other features and advantages of the
présente invention ressortiront de la description donnée present invention will emerge from the description given
ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une illustration schématique d'un analyseur de gaz micro- onde acoustique selon la présente invention; - la figure 2 est une illustration graphique de la période du signal de test à micro-ondes et de la réponse détectée d'un gaz de test ainsi que la réponse pour l'oxygène pur; - la figure 3 est un graphique illustrant une impulsion de signal de test ainsi que la réponse du transducteur acoustique lorsque la concentration du gaz de test varie; - la figure 4a est un graphique représentant le vecteur micro-onde acoustique pour un gaz de test pour une fréquence sélectionnée avec une réduction de la concentration; - la figure 4b est un graphique du signal de sortie d'un transducteur acoustique illustrant la réponse d'un gaz de test à une énergie à micro- ondes dans une première gamme de fréquences; - la figure 4c est un graphique du signal de sortie d'un transducteur acoustique illustrant la réponse d'un gaz de test à l'énergie à micro-ondes dans une seconde gamme de fréquences; - la figure 5 montre une première forme de réalisation de la chambre à gaz de test et de la source de micro-ondes selon la présente invention; - la figure 6 représente une seconde forme de réalisation de la chambre à gaz de test; la figure 7 montre une troisième forme de réalisation de la chambre à gaz de test; - la figure 8 montre une quatrième forme de réalisation de la chambre à gaz de test; - la figure 9 est une cinquième forme de réalisation de la chambre à gaz de test et de la cavité résonante pour une source à micro-ondes; - la figure 10 représente une sixième forme de réalisation de la chambre à gaz de test et de la cavité résonante; - la figure 11 représente une septième forme de réalisation de la chambre à gaz de test et de la source de micro-ondes mettant en oeuvre la présente invention; - la figure 12a est une vue de face d'une huitième forme de réalisation de la chambre à gaz de test et de la cavité résonante pour la source de micro-ondes; - la figure 12b est une vue en élévation latérale représentant la chambre à gaz de test et la cavité résonante de la figure 12a; - la figure 13 représente une neuvième forme de réalisation d'une chambre à gaz de test et d'une source de micro- ondes selon la présente invention; - la figure 14 est un graphique représente la forme d'onde produite par l'oscillateur délivrant la fréquence de modulation de la neuvième forme de réalisation de l'invention représentée sur la figure 13; - la figure 15 est un graphique représentant le signal d'énergie à micro-ondes produit par la source de micro-ondes de la figure 13; et - la figure 16 est un graphique illustrant un signal de sortie produit par le transducteur acoustique de la forme de réalisation de l'invention représentée sur la hereinafter taken with reference to the appended drawings, in which: - Figure 1 is a schematic illustration of an acoustic microwave gas analyzer according to the present invention; - Figure 2 is a graphic illustration of the period of the microwave test signal and the detected response of a test gas as well as the response for pure oxygen; FIG. 3 is a graph illustrating a test signal pulse as well as the response of the acoustic transducer when the concentration of the test gas varies; FIG. 4a is a graph representing the acoustic microwave vector for a test gas for a selected frequency with a reduction in the concentration; FIG. 4b is a graph of the output signal from an acoustic transducer illustrating the response of a test gas to microwave energy in a first frequency range; - Figure 4c is a graph of the output signal from an acoustic transducer illustrating the response of a test gas to microwave energy in a second frequency range; - Figure 5 shows a first embodiment of the test gas chamber and the microwave source according to the present invention; - Figure 6 shows a second embodiment of the test gas chamber; Figure 7 shows a third embodiment of the test gas chamber; - Figure 8 shows a fourth embodiment of the test gas chamber; - Figure 9 is a fifth embodiment of the test gas chamber and the resonant cavity for a microwave source; - Figure 10 shows a sixth embodiment of the test gas chamber and the resonant cavity; - Figure 11 shows a seventh embodiment of the test gas chamber and the microwave source implementing the present invention; - Figure 12a is a front view of an eighth embodiment of the test gas chamber and the resonant cavity for the microwave source; - Figure 12b is a side elevational view showing the test gas chamber and the resonant cavity of Figure 12a; - Figure 13 shows a ninth embodiment of a test gas chamber and a microwave source according to the present invention; - Figure 14 is a graph shows the waveform produced by the oscillator delivering the modulation frequency of the ninth embodiment of the invention shown in Figure 13; - Figure 15 is a graph showing the microwave energy signal produced by the microwave source of Figure 13; and - Figure 16 is a graph illustrating an output signal produced by the acoustic transducer of the embodiment of the invention shown in the
figure 13.figure 13.
En se référant tout d'abord à la figure 1, on y voit représenté un analyseur micro-onde acoustique de gaz selon la présente invention. L'analyseur de gaz 10 selon la présente invention est utilisé pour analyser la concentration d'un gaz désiré ou d'une vapeur désirée, contenu à l'intérieur d'une chambre de gaz de test 12. Le gaz désiré ou la vapeur désirée contenu dans la chambre à gaz de test 12 peut être n'importe quel type de gaz ou de vapeur qui possède des pics d'absorption dans la gamme des micro-ondes en raison des transitions de niveaux d'énergie de rotation moléculaires à l'intérieur du gaz ou de la vapeur. Dans la forme de réalisation préférée de l'invention, le gaz désiré contenu dans la chambre à gaz de Referring first to Figure 1, there is shown an acoustic gas microwave analyzer according to the present invention. The gas analyzer 10 according to the present invention is used to analyze the concentration of a desired gas or a desired vapor, contained inside a test gas chamber 12. The desired gas or the desired vapor contained in test gas chamber 12 can be any type of gas or vapor that has absorption peaks in the microwave range due to transitions from molecular rotational energy levels to the inside the gas or vapor. In the preferred embodiment of the invention, the desired gas contained in the gas chamber of
test est une vapeur contenant un médicament anesthésique. test is a vapor containing an anesthetic drug.
Par exemple la vapeur contenue dans la chambre à gaz de test 12 devant être testée peut inclure des médicaments anesthésiques tels que celui connu sous l'appellation Desflurane, du sevoflurane et différents autres agents For example, the vapor contained in the test gas chamber 12 to be tested may include anesthetic drugs such as that known as Desflurane, sevoflurane and various other agents
anesthésiques usuels disponibles dans le commerce. commercially available standard anesthetics.
L'analyseur micro-onde acoustique de gaz 10 représenté sur la figure 1 inclut une source de micro-ondes The acoustic gas microwave analyzer 10 shown in Figure 1 includes a microwave source
14 servant à produire un signal à la fréquence des micro- 14 used to produce a signal at the frequency of micro-
ondes. Dans la forme de réalisation préférée de l'invention, la source de micro-ondes 14 produit un signal à micro-ondes 16 ayant une fréquence comprise entre 500 MHz et 500 GHz, de telle sorte que la source de microondes 14 peut en réalité produire des signaux à micro-ondes ou en ondes millimétriques. Pour l'explication qui va suivre, la gamme des signaux à micro-ondes est définie comme se situant entre 1000 MHz et 30 GHz, tandis que la gamme millimétrique se situe entre 30 MHz et 300 GHz conformément à des directives admises de classification. Dans la forme waves. In the preferred embodiment of the invention, the microwave source 14 produces a microwave signal 16 having a frequency between 500 MHz and 500 GHz, so that the microwave source 14 can actually produce microwave or millimeter wave signals. For the following explanation, the range of microwave signals is defined as being between 1000 MHz and 30 GHz, while the millimeter range is between 30 MHz and 300 GHz according to accepted classification guidelines. In the form
de réalisation préférée de l'invention, la source de micro- preferred embodiment of the invention, the source of micro-
ondes 14 peut être choisie dans un groupe comprenant une diode Gunn à faible coût, une diode IMPATT, une diode tunnel ou des transistors à semiconducteurs à micro-ondes tels que des transistors FET au Si ou au GaAs. D'une manière générale la source de micro-ondes 14 produit un signal à micro-ondes qui est centré de façon spécifique sur la fréquence d'absorption désirée pour le gaz qui est analysé à l'intérieur de la chambre à gaz de test 12. La source de micro-ondes 14 peut comporter un ou plusieurs composants, dont la ou les fréquences et/ou les harmoniques pour de multiples fréquences d'absorption maximales du gaz de test devant être détecté à l'intérieur de la chambre de waves 14 can be chosen from a group comprising a low cost Gunn diode, an IMPATT diode, a tunnel diode or microwave semiconductor transistors such as Si or GaAs FET transistors. In general, the microwave source 14 produces a microwave signal which is specifically centered on the absorption frequency desired for the gas which is analyzed inside the test gas chamber 12 The microwave source 14 may comprise one or more components, including the frequency (s) and / or the harmonics for multiple maximum absorption frequencies of the test gas to be detected inside the
gaz de test 12.test gas 12.
Le signal à micro-ondes 16 produit par la source de micro-ondes 14 est de préférence modulé par un modulateur 18. Le modulateur 18 module les signaux à micro-ondes au moyen d'une modulation d'amplitude (AM), d'une modulation de fréquence (FE), d'une modulation de phase (PSK), d'une The microwave signal 16 produced by the microwave source 14 is preferably modulated by a modulator 18. The modulator 18 modulates the microwave signals by means of amplitude modulation (AM), frequency modulation (FE), phase modulation (PSK),
modulation d'impulsions (PM) ou d'une modulation codée. pulse modulation (PM) or coded modulation.
Dans la forme de réalisation de l'invention représentée sur la figure 1, le modulateur 18 module en fréquence le signal de micro-ondes 16 au moyen d'une fréquence de modulation produite par l'oscillateur 20 produisant la fréquence de modulation. Un avantage de l'analyseur micro-onde acoustique de gaz 10 selon la présente invention par rapport à un analyseur de gaz photo-acoustique est la capacité de moduler le signal à micro-ondes 16 à une fréquence plus élevée que le signal infrarouge utilisé dans un analyseur photo-acoustique. Par exemple le modulateur de fréquence 18 indiqué dans la forme de réalisation In the embodiment of the invention shown in FIG. 1, the modulator 18 frequency modulates the microwave signal 16 by means of a modulation frequency produced by the oscillator 20 producing the modulation frequency. An advantage of the acoustic gas microwave analyzer 10 according to the present invention over a photoacoustic gas analyzer is the ability to modulate the microwave signal 16 at a higher frequency than the infrared signal used in a photo-acoustic analyzer. For example the frequency modulator 18 indicated in the embodiment
représenté de l'invention peut moduler le signal à micro- shown of the invention can modulate the micro signal
ondes 16 dans la gamme des kilohertz. Dans l'analyseur photo-acoustique de l'art antérieur, le signal infrarouge pourrait, de façon typique est produit uniquement dans la gamme des hertz. Dans la forme de réalisation de l'invention représentée sur la figure 2, le signal de test waves 16 in the kilohertz range. In the prior art photoacoustic analyzer, the infrared signal could typically be produced only in the hertz range. In the embodiment of the invention shown in Figure 2, the test signal
22 est une forme d'onde de modulation à 2 kHz de 10 GHz. 22 is a 2 kHz 10 GHz modulation waveform.
Une fois que le signal à micro-ondes 16 a traversé le modulateur 18, le signal de test 22 possédant une fréquence de test de modulation f quitte la cavité Once the microwave signal 16 has passed through the modulator 18, the test signal 22 having a modulation test frequency f leaves the cavity
résonante 24 et pénètre dans la chambre à gaz de test 12. resonant 24 and enters the test gas chamber 12.
La chambre de gaz de test 12 inclut une entrée 26 qui permet au gaz de test de pénétrer dans la chambre à gaz de The test gas chamber 12 includes an inlet 26 which allows the test gas to enter the gas chamber.
test 12 de forme générale creuse.test 12 of generally hollow shape.
Conformément à l'invention, la fréquence de la source de micro-ondes 14 et par conséquent le signal à micro-ondes 16 sont sélectionnés de façon spécifique pour le type de gaz qui est analysé, à l'intérieur de la chambre à gaz de test 12. Par exemple, si le gaz de test devant être analysé à l'intérieur de la chambre à gaz de test 12 est du Desflurane, la fréquence du signal à micro-ondes 16 est choisie égale approximativement à 11, 54 GHz étant donné qu'il a été établi expérimentalement que le According to the invention, the frequency of the microwave source 14 and therefore the microwave signal 16 are selected specifically for the type of gas which is analyzed, inside the gas chamber of test 12. For example, if the test gas to be analyzed inside the test gas chamber 12 is Desflurane, the frequency of the microwave signal 16 is chosen to be approximately 11.54 GHz given that it has been experimentally established that the
Desflurane possède un pic d'absorption d'énergie des micro- Desflurane has a peak energy absorption of micro-
ondes approximativement à cette fréquence. waves approximately at this frequency.
Bien que la fréquence de la source de micro-ondes 14 soit décrite comme étant une seule fréquence déterminée, Although the frequency of microwave source 14 is described as a single determined frequency,
il est envisagé par l'inventeur que la source de micro- it is contemplated by the inventor that the source of micro-
ondes 14 effectue un balayage dans une gamme de fréquences. waves 14 scans over a range of frequencies.
Sous l'effet du balayage de la fréquence de la source de micro-ondes 14 dans une gamme de fréquences, l'analyseur micro-onde acoustique de gaz 10 peut exécuter une spectroscopie micro-onde acoustique du gaz de telle sorte que le signal de sortie délivré par le transducteur Under the effect of scanning the frequency of the microwave source 14 in a frequency range, the acoustic gas microwave analyzer 10 can perform an acoustic microwave gas spectroscopy so that the signal output delivered by the transducer
acoustique est produit dans une gamme de fréquences. acoustics are produced in a range of frequencies.
Moyennant l'utilisation de la source de micro-ondes 14 pour Using the microwave source 14 for
produire des fréquences dans une gamme, l'analyseur micro- produce frequencies in a range the micro analyzer
onde acoustique de gaz peut analyser l'échantillon de gaz pour les différentes fréquences, comme cela est usuel dans gas acoustic wave can analyze the gas sample for different frequencies, as is usual in
un système de spectroscopie.a spectroscopy system.
A la fréquence de test, le gaz de test analysé ou la vapeur de test analysée absorbe l'énergie à micro-ondes rayonnée et les transitions de niveaux de rotation d'énergie moléculaires à l'intérieur du gaz de test conduisent à des fluctuations de pression ou à des fluctuations acoustiques à l'intérieur de la chambre à gaz de test 12. Les fluctuations acoustiques à l'intérieur de la chambre à gaz de test 12 peuvent être détectées par un transducteur acoustique 28 raccordé à la chambre à gaz de test 12. Dans la forme de réalisation préférée de l'invention, le transducteur acoustique 28 peut être n'importe quel type de microphone ou de capteur comme par exemple un microphone à condensateur électrique, ou un microphone de type capacitif, à électrets, électrostatique, At the test frequency, the test gas analyzed or the test vapor analyzed absorbs radiated microwave energy and the transitions of molecular energy rotation levels inside the test gas lead to fluctuations in pressure or acoustic fluctuations inside the test gas chamber 12. Acoustic fluctuations inside the test gas chamber 12 can be detected by an acoustic transducer 28 connected to the test gas chamber 12. In the preferred embodiment of the invention, the acoustic transducer 28 can be any type of microphone or sensor such as for example an electric condenser microphone, or a microphone of the capacitive type, with electrets, electrostatic,
électromagnétique-dynamique, piézoélectrique, piézo- electromagnetic-dynamic, piezoelectric, piezo
résistif, optoélectronique, à fibre optique ou à interféromètre laser. Dans tous les cas le transistor acoustique 28 détecte les ondes de pression créées à resistive, optoelectronic, fiber optic or laser interferometer. In all cases the acoustic transistor 28 detects the pressure waves created at
l'intérieur de la chambre à gaz de test 12. inside the test gas chamber 12.
L'onde acoustique produite à l'intérieur de la chambre à gaz de test par l'absorption de l'énergie à micro-ondes provenant du signal de test 22 est liée par une relation de proportionnalité directe à la concentration du gaz de test à l'intérieur de la chambre à gaz de test. Par conséquent, sur la base du signal de sortie délivré par le transducteur acoustique 28, on peut effectuer une détermination du signal de sortie de la concentration du gaz de test dans la chambre à gaz de test. Le signal de sortie délivré par le transducteur acoustique 28 peut être traité de différente manière pour extraire une information concernant le signal acoustique produit dans la chambre à The acoustic wave produced inside the test gas chamber by the absorption of microwave energy from the test signal 22 is linked by a direct proportionality relationship to the concentration of the test gas at inside the test gas chamber. Consequently, on the basis of the output signal delivered by the acoustic transducer 28, a determination can be made of the output signal of the concentration of the test gas in the test gas chamber. The output signal delivered by the acoustic transducer 28 can be processed in different ways to extract information concerning the acoustic signal produced in the chamber.
gaz de test 12.test gas 12.
Dans la forme de réalisation de l'invention représentée sur la figure 1 le signal de sortie délivré par le transducteur acoustique 28 est envoyé à un amplificateur 30. Le signal de sortie de l'amplificateur 30 est envoyé à un détecteur de synchronisation 32 conjointement avec le signal délivré par l'oscillateur 20 fournissant la fréquence de modulation. A partir du détecteur de synchronisation 32, le signal de sortie est alors introduit dans un processeur de signaux de sortie 34. Le processeur de signaux de sortie 34 peut appliquer différentes étapes de traitement au signal de sortie pour analyser ce dernier et déterminer la quantité du gaz de test présent dans la chambre à gaz de test 28. Le procédé de traitement du signal exécuté par le processeur de signaux de sortie 34 peut être aussi simple que la mesure de l'amplitude du signal de sortie à la fréquence de modulation. Sinon, le processeur de signaux de sortie 34 peut mesurer la différence de phase entre le signal de test modulé 22 et le In the embodiment of the invention shown in Figure 1 the output signal from the acoustic transducer 28 is sent to an amplifier 30. The output signal from the amplifier 30 is sent to a synchronization detector 32 together with the signal delivered by the oscillator 20 providing the modulation frequency. From the synchronization detector 32, the output signal is then introduced into an output signal processor 34. The output signal processor 34 can apply different processing steps to the output signal to analyze the latter and determine the quantity of the output signal. test gas present in the test gas chamber 28. The signal processing method performed by the output signal processor 34 can be as simple as measuring the amplitude of the output signal at the modulation frequency. Otherwise, the output signal processor 34 can measure the phase difference between the modulated test signal 22 and the
signal de sortie produit par le transducteur acoustique 28. output signal produced by the acoustic transducer 28.
Ce type d'analyse est un meilleur procédé et utilise un amplificateur de quadrature 34 représenté sur les figures -13, comme cela décrit plus loin de façon plus détaillée. En outre, l'analyse directe de la forme d'onde acoustique est également l'un des meilleurs procédés pour analyser le This type of analysis is a better method and uses a quadrature amplifier 34 shown in Figures -13, as described below in more detail. In addition, direct analysis of the acoustic waveform is also one of the best methods for analyzing the
signal de sortie délivré par le transducteur acoustique 28. output signal delivered by the acoustic transducer 28.
En se référant maintenant à la figure 2, on y voit représenté le signal de test 22 appliqué au gaz de test situé à l'intérieur de la chambre à gaz de test 12. Dans la forme de réalisation préférée de l'invention, représentée sur la figure 2, le signal de test 22 est appliqué à une vapeur de Desflurane contenue dans la chambre à gaz de test 12. Le signal de test sur la figure 2 est modulé à 1 kHz, comme indiqué par l'état appliqué 36 et l'état supprimé 38 du signal de test 22. La courbe 40 représentée sur la figure 2 représente le signal de sortie du transducteur acoustique 28 lors de l'application du signal de test 22 dans la chambre à gaz de test incluant la vapeur de Desflurane. Comme on peut le voir, la courbe 40 est de forme générale sinusoïdale et reproduit directement l'application du signal de test à micro-ondes 22 à la Referring now to FIG. 2, there is shown there the test signal 22 applied to the test gas located inside the test gas chamber 12. In the preferred embodiment of the invention, represented on In FIG. 2, the test signal 22 is applied to a Desflurane vapor contained in the test gas chamber 12. The test signal in FIG. 2 is modulated at 1 kHz, as indicated by the applied state 36 and l 'deleted state 38 of the test signal 22. The curve 40 shown in Figure 2 represents the output signal from the acoustic transducer 28 when applying the test signal 22 in the test gas chamber including Desflurane vapor. As can be seen, the curve 40 is generally sinusoidal and directly reproduces the application of the microwave test signal 22 to the
vapeur de test.test steam.
Au-dessous de la courbe 40 sur la figure 2 on a marqué une courbe 42, qui représente la réponse de 100 % de 02 au même signal de test à micro-ondes 22. Comme le montre la courbe 42, 100 % de 02 présente une réponse qui se situe entre une faible réponse et l'absence de réponse, au signal de test à micro-ondes 22. Sur la figure 2, le signal de test possède une fréquence porteuse de 10 GHz modulée à un signal de 1 kHz. Par conséquent on peut noter que différents gaz fournissent des réponses différentes à un signal de test à micro-ondes et par conséquent produisent une forme d'onde acoustique, qui peut être détectée par un Below curve 40 in FIG. 2 a curve 42 has been marked, which represents the response of 100% of 02 to the same microwave test signal 22. As curve 42 shows, 100% of 02 is present a response which lies between a weak response and the absence of response, to the microwave test signal 22. In FIG. 2, the test signal has a carrier frequency of 10 GHz modulated to a signal of 1 kHz. Therefore it can be noted that different gases provide different responses to a microwave test signal and therefore produce an acoustic waveform, which can be detected by a
transducteur de pression.pressure transducer.
En référence à la figure 3, on a représenté l'effet d'une impulsion unique à micro-ondes 44 appliquée à un échantillon de gaz de test contenant différentes concentrations d'un gaz de test ou d'une vapeur de test. De façon spécifique, le gaz de test est utilisé sur la figure 3 est un Desflurane, la courbe 46 représente la réponse du transducteur acoustique 28 lorsque la quantité du gaz de test dans l'échantillon de gaz est zéro. Comme on s'y attend, la courbe 46 est une courbe de forme générale plate Referring to Figure 3, there is shown the effect of a single microwave pulse 44 applied to a test gas sample containing different concentrations of a test gas or test vapor. Specifically, the test gas used in FIG. 3 is a Desflurane, the curve 46 represents the response of the acoustic transducer 28 when the quantity of the test gas in the gas sample is zero. As you would expect, curve 46 is a generally flat curve
et ne présente aucune réponse à l'impulsion appliquée 44. and shows no response to the applied pulse 44.
La courbe 48 représente la réponse dans le cas o 5 cm3 de Desflurane sont placés dans la chambre de test d'une contenance de 20 cm3. Comme on peut le voir avec la courbe 48, le signal de sortie délivré par le transducteuracoustique 28 répond avec une amplitude maximale A lorsque Curve 48 represents the response in the case where 5 cm 3 of Desflurane are placed in the test chamber with a capacity of 20 cm 3. As can be seen with curve 48, the output signal delivered by the acoustic transducer 28 responds with a maximum amplitude A when
la concentration de Desflurane est de 25 %. the concentration of Desflurane is 25%.
La courbe 50 sur la figure 3 représente la réponse fournie par le transducteur acoustique 28 lorsque 10 cm3 de Desflurane sont présents dans la chambre de test d'une contenant de 20 cm3. Comme on peut le voir avec la courbe , l'amplitude du signal de réponse est illustrée par B. Par conséquent, lorsque la concentration de Desflurane augmente de 25 % à 50 %, l'amplitude du signal délivré par The curve 50 in FIG. 3 represents the response provided by the acoustic transducer 28 when 10 cm3 of Desflurane are present in the test chamber of a 20 cm3 container. As can be seen from the curve, the amplitude of the response signal is illustrated by B. Therefore, when the concentration of Desflurane increases from 25% to 50%, the amplitude of the signal delivered by
le transducteur acoustique 28 augmente. the acoustic transducer 28 increases.
Enfin, la courbe 52 sur la figure 3 représente le cas o 20 cm3 de Desflurane sont placés dans la chambre de test d'une contenance de 20 cm3. L'amplitude du signal délivré par le transducteur acoustique 28, telle que représentée par C, lorsque la chambre à gaz de test 12 contient 100 % du gaz de test Desflurane est nettement plus élevée à l'amplitude lorsque la chambre de test contenait 50 % de Desflurane. Comme cela a été décrit précédemment, la comparaison de l'amplitude du signal de sortie délivré par le transducteur acoustique 28 est le seul procédé pour déterminer la quantité du gaz de test dans la chambre à gaz Finally, curve 52 in FIG. 3 represents the case where 20 cm 3 of Desflurane are placed in the test chamber with a capacity of 20 cm 3. The amplitude of the signal delivered by the acoustic transducer 28, as represented by C, when the test gas chamber 12 contains 100% of the Desflurane test gas is significantly higher at the amplitude when the test chamber contained 50% from Desflurane. As described above, comparing the amplitude of the output signal from the acoustic transducer 28 is the only method for determining the amount of test gas in the gas chamber
de test 12.test 12.
En se référant maintenant à la figure 4a, on y voit représenté différentes courbes pour le gaz de test Desflurane à 17,6 GHz. Chacune des courbes sur la figure 4a représente la diminution de la concentration à la fréquence de 17,1 GHz. Sur chacun des graphiques de la figure 4a, la concentration du gaz de test Desflurane est maximale dans le graphique (i) et la concentration du gaz de test diminue Referring now to Figure 4a, there are shown various curves for the test gas Desflurane at 17.6 GHz. Each of the curves in Figure 4a represents the decrease in concentration at the frequency of 17.1 GHz. On each of the graphs in Figure 4a, the concentration of the Desflurane test gas is maximum in the graph (i) and the concentration of the test gas decreases
pour atteindre son niveau le plus bas avec la courbe x(v). to reach its lowest level with the curve x (v).
Chacune des courbes représente les composantes réelle et imaginaire de la réponse acoustique, qui indiquent le retard du signal lorsqu'il traverse l'échantillon de gaz de test. De façon spécifique, un retard plus élevé du signal de test indique une concentration plus grande du gaz de test Desflurane dans l'échantillon de gaz de test. Par conséquent, lorsque la concentration du gaz de test Desflurane diminue, la courbe a une longueur qui diminue, Each of the curves represents the real and imaginary components of the acoustic response, which indicate the delay of the signal as it passes through the test gas sample. Specifically, a higher delay in the test signal indicates a greater concentration of the Desflurane test gas in the test gas sample. Consequently, when the concentration of the Desflurane test gas decreases, the curve has a length which decreases,
et tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. and rotates clockwise.
La figure 4b représente l'amplitude du signal de sortie micro-onde acoustique (MWA) dans une gamme de fréquences centrée approximativement autour de 6,5 GHz. De façon analogue, la figure 4c représente l'amplitude du signal de sortie MWA dans une gamme de fréquence centrée Figure 4b shows the amplitude of the acoustic microwave output signal (MWA) in a frequency range centered approximately around 6.5 GHz. Similarly, FIG. 4c represents the amplitude of the output signal MWA in a centered frequency range
autour d'une fréquence d'environ 17,1 GHz. around a frequency of around 17.1 GHz.
Comme on peut le voir sur la figure 1, le processeur 34 de signaux de sortie délivre un signal de détecteur 68. Ce signal de détecteur est utilisé pour déterminer la concentration du gaz de test dans As can be seen in Figure 1, the output signal processor 34 outputs a detector signal 68. This detector signal is used to determine the concentration of the test gas in
l'échantillon de gaz.the gas sample.
En se référant maintenant aux figures 5 à 13, on y voit représentées différentes autres formes de réalisation pour la réalisation de la cavité à résonance à micro-ondes et la chambre à gaz de test, chacune fonctionnant d'une manière générale de la manière décrite précédemment en référence aux figures 1 à 4. Dans chacune des autres formes de réalisation représentées sur les figures 5 à 13, le signal de sortie délivré par le transducteur acoustique 28 est envoyé à un amplificateur de quadrature 34 pour le traitement des signaux. Comme cela est représenté sur la figure 5, le signal de sortie est initial envoyé à un amplificateur 30. Le signal délivré par l'amplificateur 30 est envoyé à deux commutateurs de modulation séparés 70, qui comparent le signal à un signal de synchronisation délivré par la source de micro-ondes et le modulateur 72, ainsi qu'un signal qui est déphasé de 90 par rapport au signal délivré par la source de micro-ondes et le modulateur 72. Le signal délivré par l'amplificateur de quadrature 34 est envoyé à un oscilloscope numérique 74, qui agit en tant que processeur de signaux de sortie pour afficher le signal de réponse délivré par le transducteur acoustique 28. En général, l'amplificateur de quadrature 34 et l'oscillateur numérique 74 sont identiques dans les différentes formes de réalisation de l'invention représentées sur les figures 5 à 13, et des détails de ces Referring now to Figures 5 to 13, there are shown various other embodiments for the realization of the microwave resonance cavity and the test gas chamber, each operating generally as described previously with reference to FIGS. 1 to 4. In each of the other embodiments shown in FIGS. 5 to 13, the output signal delivered by the acoustic transducer 28 is sent to a quadrature amplifier 34 for processing the signals. As shown in Figure 5, the output signal is initially sent to an amplifier 30. The signal delivered by the amplifier 30 is sent to two separate modulation switches 70, which compare the signal to a synchronization signal delivered by the microwave source and the modulator 72, as well as a signal which is 90 ° out of phase with the signal delivered by the microwave source and the modulator 72. The signal delivered by the quadrature amplifier 34 is sent to a digital oscilloscope 74, which acts as an output signal processor to display the response signal from the acoustic transducer 28. In general, the quadrature amplifier 34 and the digital oscillator 74 are identical in different forms of the invention shown in FIGS. 5 to 13, and details of these
unités seront donnés uniquement en référence à la figure 5. units will be given only with reference to Figure 5.
Sur la figure 5, la chambre à gaz de test est une chambre sphérique 76 réalisée en un matériau diélectrique 77 et inclut un orifice d'accès 78 pour le transducteur acoustique 28. La forme de la chambre à gaz de test sphérique 76 facilite la détermination de la fréquence In Figure 5, the test gas chamber is a spherical chamber 76 made of dielectric material 77 and includes an access port 78 for the acoustic transducer 28. The shape of the spherical test gas chamber 76 facilitates determination frequency
émise par la source de micro-ondes. emitted by the microwave source.
En se référant maintenant à la figure 6, on y voit représentée une autre première forme de réalisation de la cavité résonante et de la chambre de gaz de test selon la présente invention. Dans la forme de réalisation représentée sur la figure 6, un conducteur central 80 transmet le signal de test à une chambre à gaz de test tubulaire 82 définie par une paroi métallique coaxiale cylindrique 84. L'échantillon de gaz est contenu dans l'espace intérieur ouvert de la chambre à gaz tubulaire 82 ou à l'intérieur d'une fenêtre acoustique 83 de sorte que le signal à microondes traverse l'échantillon de gaz, et que l'onde de pression acoustique est détectée par le transducteur acoustique 28. Un élément tubulaire plastique 86 entoure une partie de la chambre à gaz 82 et facilite Referring now to Figure 6, there is shown another first embodiment of the resonant cavity and the test gas chamber according to the present invention. In the embodiment shown in Figure 6, a central conductor 80 transmits the test signal to a tubular test gas chamber 82 defined by a coaxial cylindrical metal wall 84. The gas sample is contained in the interior space open from the tubular gas chamber 82 or inside an acoustic window 83 so that the microwave signal passes through the gas sample, and the acoustic pressure wave is detected by the acoustic transducer 28. A plastic tubular element 86 surrounds part of the gas chamber 82 and facilitates
l'envoi du signal acoustique au transducteur acoustique 28. sending the acoustic signal to the acoustic transducer 28.
En se référant maintenant à la figure 7, dans l'autre seconde forme de réalisation, l'échantillon de gaz est logé dans une chambre à gaz de test annulaire 88 et entoure un conducteur central 90. Le signal à micro-ondes est émis par le conducteur central 90 et traverse le gaz de test contenu dans la chambre à gaz annulaire 88. Le signal acoustique produit par le gaz de test est reçu par le transducteur acoustique 28 qui est positionné à l'intérieur d'une partie formant col 92. La chambre à gaz 88 se termine par une charge 91 de 50 ohms ou sinon est court-circuitée Referring now to FIG. 7, in the other second embodiment, the gas sample is housed in an annular test gas chamber 88 and surrounds a central conductor 90. The microwave signal is emitted by the central conductor 90 and passes through the test gas contained in the annular gas chamber 88. The acoustic signal produced by the test gas is received by the acoustic transducer 28 which is positioned inside a part forming a neck 92. The gas chamber 88 ends with a load 91 of 50 ohms or otherwise is short-circuited
ou est ouverte.or is open.
En se référant maintenant à la figure 8, dans la première forme de réalisation de l'invention, le gaz de test est contenu à l'intérieur d'un tube continu 94 et inclut un transducteur acoustique différentiel 96. Comme on peut le voir sur la figure 8, une partie de test 98 du tube continu pénètre dans la chambre à gaz de test 100 et est soumis au signal de test à micro-ondes. Le signal de test à micro-ondes traverse la partie de l'échantillon de gaz dans la partie de test 98 et crée un signal acoustique qui est reçu des deux côtés du transducteur acoustique différentiel 96. Le tube continu 94 est choisi de telle sorte que la longueur de la branche courte 102 et de la branche longue 104 aboutissant au transducteur acoustique différentiel 96 sont égales à des multiples différents de la longueur d'onde du signal de test. Le transducteur acoustique différentiel 96 compare par conséquent la différence entre les deux branches 102 et 104 du tube continu 94. Dans la forme de réalisation préférée de l'invention, le tube continu 94 est formé par le matériau dit Téflon et possède un diamètre intérieur d'un millimètre. L'extrémité de la chambre à gaz de test se termine par un dispositif de Referring now to Figure 8, in the first embodiment of the invention, the test gas is contained within a continuous tube 94 and includes a differential acoustic transducer 96. As can be seen in Figure 8, a test portion 98 of the continuous tube enters the test gas chamber 100 and is subjected to the microwave test signal. The microwave test signal passes through the part of the gas sample in the test part 98 and creates an acoustic signal which is received on both sides of the differential acoustic transducer 96. The continuous tube 94 is chosen such that the length of the short branch 102 and of the long branch 104 leading to the differential acoustic transducer 96 are equal to different multiples of the wavelength of the test signal. The differential acoustic transducer 96 therefore compares the difference between the two branches 102 and 104 of the continuous tube 94. In the preferred embodiment of the invention, the continuous tube 94 is formed by the so-called Teflon material and has an internal diameter d 'a millimeter. The end of the test gas chamber ends with a device for
terminaison de guide d'ondes 101.waveguide termination 101.
En se référant maintenant à la figure 9, la quatrième autre forme de réalisation inclut une cavité résonante cylindrique 106 qui inclut l'émetteur 108 du signal à micro-ondes. Le signal de test à micro-ondes pénètre dans la cavité résonante 106 et traverse l'échantillon de gaz contenu dans une partie de test 110 d'un tube continu 112 contenant l'échantillon de gaz. Comme représenté sur la figure 9, le gaz de test pénètre dans le tube 112 par une entrée 114 et sort du tube par une partie 116. Le transducteur acoustique différentiel 96 est positionné de manière à détecter le signal acoustique Referring now to Figure 9, the fourth alternative embodiment includes a cylindrical resonant cavity 106 which includes the transmitter 108 of the microwave signal. The microwave test signal enters the resonant cavity 106 and passes through the gas sample contained in a test portion 110 of a continuous tube 112 containing the gas sample. As shown in FIG. 9, the test gas enters the tube 112 through an inlet 114 and leaves the tube through a portion 116. The differential acoustic transducer 96 is positioned so as to detect the acoustic signal
produit par le gaz de test situé dans l'échantillon de gaz. produced by the test gas located in the gas sample.
La figure 10 représente une cinquième autre forme de réalisation, dans laquelle la cavité résonante 118 est sphérique et inclut l'émetteur à micro-ondes 120. Le signal de test à micro-ondes émis par l'émetteur 120 travers l'échantillon de gaz incluant le gaz de test contenu à l'intérieur du tube 122. Le transducteur acoustique 28 détecte le signal acoustique produit par le gaz de test et transfère le signal de sortie à l'amplificateur de FIG. 10 shows a fifth other embodiment, in which the resonant cavity 118 is spherical and includes the microwave transmitter 120. The microwave test signal emitted by the transmitter 120 through the gas sample including the test gas contained inside the tube 122. The acoustic transducer 28 detects the acoustic signal produced by the test gas and transfers the output signal to the amplifier.
quadrature 34.squaring 34.
La figure 11 représente une sixième autre forme de réalisation qui inclut un émetteur à microbande 126 qui émet le signal à micro-ondes à travers l'échantillon de gaz contenu dans le tube 128, qui traverse un boîtier extérieur 130. La figure 12a représente une diode Gunn 130 positionnée dans une cavité de résonateur à micro-ondes 132 pour produire le signal de test à micro-ondes. Le signal de test à micro-ondes délivré par la diode Gunn 130 traverse l'échantillon de gaz contenu dans le tube à volume fixe 134 incluant le transducteur acoustique 28. Comme on peut le voir sur la figure 12b, le dispositif inclut également une diode mélangeuse 136 disposée à l'intérieur d'une enceinte FIG. 11 shows a sixth other embodiment which includes a microstrip transmitter 126 which emits the microwave signal through the gas sample contained in the tube 128, which passes through an outer casing 130. FIG. 12a represents a Gunn diode 130 positioned in a microwave resonator cavity 132 to produce the microwave test signal. The microwave test signal delivered by the Gunn diode 130 passes through the gas sample contained in the fixed volume tube 134 including the acoustic transducer 28. As can be seen in FIG. 12b, the device also includes a diode mixer 136 arranged inside an enclosure
séparée adjacente à la cavité 132 du résonateur à micro- separate adjacent cavity 132 of the micro-resonator
ondes. En se référant maintenant à la forme de réalisation finale représentée sur la figure 13, un signal de modulation est produit par le modulateur 132 et est envoyé à un transistor FET 134 en GaAs. A partir du transistor FET 134 en GaAs, une ligne à microbande 136 située sur une carte à circuits imprimés produit le signal de test à micro-ondes qui est transmis à un résonateur diélectrique 148. Le signal de test à microondes traverse le gaz de test contenu dans un tube 140. Dans la forme de réalisation préférée de l'invention, le tube 146 est formé de Téflon et possède un diamètre intérieur de 1,2 mm. Le transducteur acoustique 128 détecte le signal acoustique produit par le gaz de test et délivre le signal à un amplificateur de waves. Referring now to the final embodiment shown in Figure 13, a modulation signal is produced by the modulator 132 and is sent to a FET transistor 134 in GaAs. From the FET transistor 134 in GaAs, a microstrip line 136 located on a printed circuit board produces the microwave test signal which is transmitted to a dielectric resonator 148. The microwave test signal crosses the test gas contained in a tube 140. In the preferred embodiment of the invention, the tube 146 is formed of Teflon and has an internal diameter of 1.2 mm. The acoustic transducer 128 detects the acoustic signal produced by the test gas and delivers the signal to an amplifier
quadrature similaire (non représenté). similar quadrature (not shown).
En se référant maintenant aux figures 14-16, on y voit représentées les différentes formes d'onde mesurées en des emplacements séparés à l'intérieur des formes de réalisation spécifiques de l'analyseur microonde acoustique de gaz représenté sur les figures 5-13. De façon spécifique, les graphiques des figures 14-16 sont dérivés de la forme de réalisation de l'invention représentée sur la figure 13. En se référant tout d'abord à la figure 14, on y voit représenté l'onde carrée de modulation produit par le modulateur 132 de la figure 13. L'onde carrée de modulation représentée sur la figure 14 possède une fréquence de 1,66 kHz. La figure 15 représente le signal à micro-ondes produit par le résonateur diélectrique 138 de la figure 13. Comme on peut le voir sur la figure 15, le signal à micro-ondes est centré autour de la fréquence de Referring now to Figures 14-16, there are shown the various waveforms measured at separate locations within the specific embodiments of the microwave acoustic gas analyzer shown in Figures 5-13. Specifically, the graphs in Figures 14-16 are derived from the embodiment of the invention shown in Figure 13. Referring first to Figure 14, there is shown the square wave of modulation produced by the modulator 132 of Figure 13. The square modulation wave shown in Figure 14 has a frequency of 1.66 kHz. FIG. 15 represents the microwave signal produced by the dielectric resonator 138 of FIG. 13. As can be seen in FIG. 15, the microwave signal is centered around the frequency of
9,77 GHz.9.77 GHz.
La figure 16 représente le signal de sortie délivré par le transducteur acoustique 28 de la figure 13. Comme on peut le voir en comparant la figure 16 à la figure 14, le signal de sortie délivré par le transducteur acoustique 28 FIG. 16 represents the output signal delivered by the acoustic transducer 28 of FIG. 13. As can be seen by comparing FIG. 16 to FIG. 14, the output signal delivered by the acoustic transducer 28
répond directement au signal de test à micro-ondes modulé. responds directly to the modulated microwave test signal.
Bien que de nombreuses formes de réalisation différentes de l'analyseur micro-onde acoustique de gaz soient représentées sur les figures 5-13, l'inventeur envisage la possibilité d'utiliser différentes autres configurations à la fois pour la chambre à gaz de test et à la cavité résonante ainsi que pour le conducteur pour le signal de test à microondes, tout en restant dans le cadre Although many different embodiments of the acoustic gas microwave analyzer are shown in Figures 5-13, the inventor envisions the possibility of using different other configurations for both the test gas chamber and to the resonant cavity as well as to the conductor for the microwave test signal, while remaining within the frame
de l'invention.of the invention.
LEGENDES DES FIGURESLEGENDS OF FIGURES
Figure 1: 20. oscillateur produisant la fréquence de modulation 18. modulateur 14. source de micro-ondes 32. détecteur de synchronisation 34. processeur de signaux de sortie Figures 2, 3 et 4a: Pas de légendes Figures 4b et 4c: a. MWAsortie b. fdémarrage Figure 5: 12. source de micro-ondes et modulateur 34. amplificateur de verrouillage en quadrature 74. oscilloscope numérique a. réglage d'accord de la micro-tête Figures 6 à 11: 12. source de micro-ondes et modulateur 34. amplificateur de verrouillage en quadrature 74. oscilloscope numérique Figures 12a à 16: Pas de légendes Figure 1: 20. oscillator producing the modulation frequency 18. modulator 14. microwave source 32. synchronization detector 34. output signal processor Figures 2, 3 and 4a: No captions Figures 4b and 4c: a. MWAoutput b. fstart Figure 5: 12. microwave source and modulator 34. quadrature lock amplifier 74. digital oscilloscope a. micro-head tuning adjustment Figures 6 to 11: 12. microwave source and modulator 34. quadrature lock amplifier 74. digital oscilloscope Figures 12a to 16: No captions
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