HU226449B1 - Method and device for selective determining contaminating components of a gaseous sample on photoacoustic principle using distant exciting wavelengths - Google Patents
Method and device for selective determining contaminating components of a gaseous sample on photoacoustic principle using distant exciting wavelengths Download PDFInfo
- Publication number
- HU226449B1 HU226449B1 HU0501060A HUP0501060A HU226449B1 HU 226449 B1 HU226449 B1 HU 226449B1 HU 0501060 A HU0501060 A HU 0501060A HU P0501060 A HUP0501060 A HU P0501060A HU 226449 B1 HU226449 B1 HU 226449B1
- Authority
- HU
- Hungary
- Prior art keywords
- laser light
- harmonic
- wavelength
- photoacoustic
- light path
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 83
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 73
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 56
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 47
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 38
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 claims description 24
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 23
- 239000000470 constituent Substances 0.000 claims description 13
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 claims description 13
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 claims description 13
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims description 12
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 9
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 claims description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 7
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 6
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000011591 potassium Substances 0.000 claims description 6
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 5
- VCZFPTGOQQOZGI-UHFFFAOYSA-N lithium bis(oxoboranyloxy)borinate Chemical compound [Li+].[O-]B(OB=O)OB=O VCZFPTGOQQOZGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- NNAZVIPNYDXXPF-UHFFFAOYSA-N [Li+].[Cs+].OB([O-])[O-] Chemical compound [Li+].[Cs+].OB([O-])[O-] NNAZVIPNYDXXPF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- LFVGISIMTYGQHF-UHFFFAOYSA-N ammonium dihydrogen phosphate Chemical compound [NH4+].OP(O)([O-])=O LFVGISIMTYGQHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 3
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 claims description 3
- MGWGWNFMUOTEHG-UHFFFAOYSA-N 4-(3,5-dimethylphenyl)-1,3-thiazol-2-amine Chemical compound CC1=CC(C)=CC(C=2N=C(N)SC=2)=C1 MGWGWNFMUOTEHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000004988 Nematic liquid crystal Substances 0.000 claims 1
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 claims 1
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 claims 1
- 229920001684 low density polyethylene Polymers 0.000 claims 1
- 239000004702 low-density polyethylene Substances 0.000 claims 1
- JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N nitrogen dioxide Inorganic materials O=[N]=O JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 22
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 12
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 11
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 6
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 5
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 4
- 239000003570 air Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000009931 harmful effect Effects 0.000 description 4
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 3
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 2
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 2
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000051 modifying effect Effects 0.000 description 2
- 125000005575 polycyclic aromatic hydrocarbon group Chemical group 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001627 detrimental effect Effects 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 239000000706 filtrate Substances 0.000 description 1
- 238000011010 flushing procedure Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004949 mass spectrometry Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 description 1
- 238000004867 photoacoustic spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 150000003384 small molecules Chemical class 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
(54) Eljárás és berendezés gázminta szennyező-összetevőinek fotoakusztikus elvű szelektív meghatározására egymástól spektrálisan távoli gerjesztő hullámhosszok felhasználásával (57) Kivonat(54) Process and equipment for the selective determination of photo-acoustic pollutant constituents of gas samples using spectrally distant excitation wavelengths (57)
A találmány tárgya eljárás és berendezés (200) gázminta szennyező-összetevőinek fotoakusztikus elvű szelektív meghatározására egymástól spektrálisan távoli gerjesztő hullámhosszok felhasználásával.The present invention relates to a method and apparatus (200) for selectively determining photo-acoustic pollutant constituents of gas samples using spectrally distant excitation wavelengths.
A találmány szerinti eljárás lényege, hogy gázmintát tartalmazó fotoakusztikus kamrával (280) megvalósított legalább egy mérőhelyen áthaladó fényútba lézerfényt (220) táplálnak, a betáplált lézerfényt (220) mint alapharmonikust a fényútban frekvenciatöbbszörözésnek alávetve a lézerfény (220) legalább egy magasabb rendű harmonikusát előállítják, az alapharmonikust mérőhelyen átvezetve azzal a gázmintaThe method of the invention comprises feeding a laser light (220) through a light path through a photoacoustic chamber (280) comprising a gas sample, and feeding the laser light (220) as a basic harmonic in the light path to at least one higher order of laser light (220). passing the basic harmonic at the measuring point with the gas sample
HU 226 449 Β1HU 226 449 Β1
A leírás terjedelme 16 oldal (ezen belül 4 lap ábra)The length of the description is 16 pages (including 4 pages)
HU 226 449 Β1 szennyező-összetevőit gerjesztik, a frekvenciatöbbszörözéssel nyert legalább egy harmonikust egyenként mérőhelyen átvezetve azzal a gázminta szennyezőösszetevőit gerjesztik, az alapharmonikus és a magasabb rendű harmonikusok hullámhosszain mint gerjesztő hullámhosszokon kapott fotoakusztikus jeleket detektálják, a kapott fotoakusztikus jeleket kiértékelve a mintagáz szennyező-összetevőit egyenként azonosítják.EN 226 449 Β1 they excite the impurity components of the gas sample by passing through at least one harmonic obtained by frequency multiplication at a measuring point, detecting the photoacoustic signals obtained at the excitation wavelengths of the fundamental and higher harmonics at the excitation wavelengths individually identified.
A találmány szerinti berendezés (200) lényege, hogy lézerfényt (220) kibocsátó gerjesztőegysége (210), legalább egy, gázmintát tartalmazó és abban lézerfénnyel keltett fotoakusztikus jel detektálására alkalmas fotoakusztikus kamrával (280) megvalósított mérőhelye, a gerjesztőegységtől (210) a legalább egy mérőhellyel bezárólag kiképzett és ez utóbbin áthaladó, lézerfényt vezető fényútja, a fényútban elrendezett legalább egy, ráeső lézerfény magasabb rendű harmonikusát előállító tulajdonságú frekvenciakonvertáló eleme (240), továbbá a fényútban elrendezett legalább egy, ráeső lézerfénykeveréket az azt alkotó lézerfények hullámhossza szerint az egyes lézerfényekre szétválasztó tulajdonságú hullámhossz-szelektív eleme (250, 252) van, ahol a fényút mérőhelyen átmenő szakasza a gázmintán egyidejűleg egyetlen hullámhosszú lézerfényt átvezetőn van kialakítva.The apparatus (200) of the present invention comprises a laser light emitter (220) emitting unit (210) having at least one measurement location with at least one measurement location from the excitation unit (210) with at least one photoacoustic signal comprising a gas sample and capable of detecting a laser light therein. a laser light path, extending therethrough and passing through the latter, at least one frequency converting element (240) having a higher order harmonic property of incident laser light, and at least one incident light beam of laser light blends on said light path. a wavelength-selective element (250, 252), wherein the portion of the path through the light path is simultaneously transmitted through a single wavelength laser light to the gas sample.
A találmány tárgya gázminta szennyező-összetevőinek, különösen széles elnyelési spektrummal bíró, speciálisan aeroszol típusú szennyező-összetevőinek egymástól spektrálisan távoli, speciálisan széles hullámhossztartományban elszórtan elhelyezkedő gerjesztő hullámhosszok használatával történő fotoakusztikus elvű szelektív meghatározására szolgáló eljárás és berendezés.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a method and apparatus for the selective determination of impurity constituents of a gas sample, in particular of a broad spectrum absorption spectrum, using excitation wavelengths which are spectrally distant, especially excitation wavelengths, particularly in a wide wavelength range.
A különféle gázminták szennyezőanyag-tartalmának szelektív és pontos meghatározása napjainkban egyre fontosabb feladat. Például a levegőben lévő szilárd halmazállapotú anyagok (porok, részecskék) vagy folyadékcseppek - továbbiakban összefoglalóan: aeroszolok - mennyiségének, vagyis a levegő aeroszolszennyezettségének szelektív (vagyis összetevőről összetevőre történő) mérése elengedhetetlen az említett anyagok emberi szervezetre kifejtett káros hatásainak célzott kiküszöböléséhez, mivel az aeroszolok egészségkárosító hatásainak mértéke a szennyező aeroszolok összetételétől, továbbá az összetevők fizikai (például méret, tömeg) és/vagy kémiai (például felületi kötőképesség) tulajdonságaitól függ. Jellemzően a környezeti levegő aeroszolszennyeződésében megtalálható szálló por az emberi egészségre kevésbé, míg az annak szintén részét képező korom (amely elsősorban a tüzelőanyagok égetési folyamataiból vagy a gépjárművek kipufogógázából származik) erősen káros.The selective and accurate determination of the pollutant content of different gas samples is increasingly important today. For example, the measurement of the amount of solids (dusts, particles) or droplets of liquid in the air, collectively, "aerosols", that is, selectively (i.e., from ingredient to ingredient) in air, is essential to eliminate the harmful effects of these substances on human The extent of its effects depends on the composition of the contaminating aerosols and on the physical (e.g. size, weight) and / or chemical (eg surface-binding) properties of the components. Typically, particulate matter in aerosol contamination of ambient air is less harmful to human health, while soot (which is derived primarily from fuel combustion processes or vehicle exhaust) is also highly harmful.
A szóban forgó korom károsító hatása fokozódik, ha felületén további egészségkárosító anyagok (például policiklusos aromás szénhidrogének; PAH) kötődésére van mód, illetve ha a koromrészecskék karakterisztikus mérete a 10-6 m alatti tartományba esik.The detrimental effect of the carbon black in question is enhanced when other harmful substances (such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH)) can be bound to the surface or the characteristic size of the carbon black particles is below 10 -6 m.
A gázok aeroszolszennyezettségének kimutatására napjainkban használatos eszközök egy része optikai abszorpciós elven, vagyis a vizsgált gáz mintája által elnyelt fényenergia mennyiségének a megmérésén alapul. Ennek keretében a Beer-Lambert-törvényt használják ki, amely szerint a minta általi fényelnyelés 55 mértéke arányos az elnyelő összetevő(k) koncentrációjával/koncentrációival. Ellentétben a könnyen azonosítható keskeny elnyelési vonalakkal rendelkező gáznemű anyagokkal, elsősorban a kis molekulás gázokkal, például vízgőzzel, metánnal, szén-dioxiddal vagy am- 60 móniával, az aeroszolok optikai abszorpciós spektruma általában nem tartalmaz karakterisztikus, könnyen be20 azonosítható elnyelési vonalakat. Az aeroszolok optikai elnyelésére a széles hullámhossztartományban fennálló lassú változás a jellemző. Ebből kifolyólag egy aeroszoltartalmú gázminta mérése olyan fényforrás(ok) használatával, amely(ek) által kibocsátott fény hullám25 hossza csak egy keskeny hullámhossztartományra korlátozódik, megbízható módon nem oldható meg: az ilyen fényforrások használatával nyert mérési eredmények alapján nem lehet a különféle aeroszolfajták között minőségi és mennyiségi különbséget tenni. A kes30 kény hullámhossztartományban emittáló fényforrások alkalmazásának ugyanakkor mégis is van előnye: egy szűk hullámhossztartományban emittáló fényforrás a gázmintában szintén jelen lévő kis molekulájú gázösszetevők jól meghatározott elnyelési vonalai közé 35 hangolható, vagyis az optikai elvű mérés lebonyolítására olyan hullámhosszok választhatóak ki, amelyeken a gázminta kis molekulájú összetevői nem vagy csak kismértékben nyelnek el.Some of the devices currently used to detect aerosol contamination of gases are based on the principle of optical absorption, that is, on the measurement of the amount of light energy absorbed by a sample of the gas being tested. In this context, the Beer-Lambert Law is used, according to which 55 degrees of opacity of a sample is proportional to the concentration (s) of the absorbing component (s). Unlike gaseous materials with easily identifiable narrow absorption lines, particularly small molecular gases such as water vapor, methane, carbon dioxide or ammonia, the optical absorption spectrum of aerosols generally does not contain characteristic, easily identifiable absorption lines. Optical absorption of aerosols is characterized by a slow change over a wide wavelength range. As a result, the measurement of an aerosol containing gas sample using light source (s) which are limited to a narrow wavelength range cannot be reliably solved: the results obtained using such light sources cannot to make a quantitative difference. However, the use of kes30 narrow wavelength emitters also has the advantage that a narrow wavelength emitter can be tuned between well-defined absorption lines of small molecule gas components also present in the gas sample, i.e., small wavelengths can be selected for conducting optical measurement its components do not or only slightly absorb.
Az optikai elvű mérések jelentős része indirekt mé40 rési módszer. Az ilyen mérések esetében a mintába belépő és azt adott helyen elhagyó fény energiája különbségének a megméréséből következtetnek a minta által elnyelt fényenergia nagyságára. A mintába belépő és az abból távozó fény energiája közötti különbséget 45 részben a mintában bekövetkező fényelnyelődés, részben pedig a mintában lejátszódó szórási folyamatok okozzák. Az elnyelési és a szórási folyamatok egymáshoz viszonyított aránya azonban csak nagyon nehezen, és az esetek többségében csupán rendkívül pon50 tatlanul határozható meg. Ennek következtében az indirekt elvű optikai mérések csak bizonyos mértékű hibával tudnak becslést adni a mintabeli aeroszolok mennyiségéről. Vagyis az így nyert mérési eredmények megbízhatósága erősen korlátozott.The majority of optical measurements are indirect measurements. For these measurements, the difference between the energy of light entering and leaving the sample is deduced from the amount of light absorbed by the sample. The difference in energy between the light entering and leaving the sample is due in part to the light absorption in the sample and partly to the scattering processes in the sample. However, the ratio of absorption and scattering processes to each other is very difficult and in most cases only extremely uncertain. As a result, indirect optical measurements can only estimate the amount of aerosol in the sample with some degree of error. That is, the reliability of the measurement results thus obtained is severely limited.
Ezen hiányosság kiküszöbölésére kezdték el az optikai elnyelődést direkt módon mérő spektroszkópiai módszereket, ezen belül például az úgynevezett fotoakusztikus spektroszkópiai vizsgálatokat alkalmazni. A fotoakusztikus mérési elv lényege, hogy egy megfelelő fényforrással megvilágított gázminta az általa el2To overcome this defect, spectroscopic methods, such as photoacoustic spectroscopy, have been used to measure optical absorption directly. The principle of photoacoustic measurement is that a gas sample illuminated by a suitable light source
HU 226 449 Β1 nyelt fényenergiát akusztikus energiává alakítja át, amit megfelelő detektor segítségével regisztrálnak. A fényforrás által kibocsátott fényteljesítmény időben változó, jellemzően (legtöbbször periodikusan) modulált vagy impulzusok sorozatából áll. A fényforrás által kibocsátott fény hullámhosszára továbbá az jellemző, hogy az - részben vagy egészben - átfedésben van a gázminta mérni szándékozott összetevőjének egy vagy több optikai abszorpciós vonalával. Ha a vizsgált gázminta összetevői közül a fényforrás fényét csak egyetlen összetevő nyeli el, a mért fotoakusztikus jelből a mérendő komponens koncentrációja viszonylag egyszerűen meghatározható. Ilyen esetekben a mérés szelektivitása tökéletes. Gázmintaként levegőt tekintve, az abban lévő aeroszolok fotoakusztikus elvű mérését megnehezíti és a mérés szelektivitását jelentősen csökkenti, hogy az aeroszol-összetevők spektrálisan jellemzően széles, egymással jelentős mértékben átfedő, jellegtelen elnyeléssel bírnak szinte a teljes optikai spektroszkópiai tartományban, így azokat rendkívül nehéz egymástól megkülönböztetni.It converts the absorbed light energy into acoustic energy, which is registered with a suitable detector. The luminous power emitted by a light source consists of a series of time-varying, typically (mostly periodically) modulated or pulses. Further, the wavelength of light emitted by the light source is characterized by overlapping, in whole or in part, with one or more optical absorption lines of the constituent of the gas sample to be measured. If only one component of the gas sample absorbs the light of the light source, the concentration of the component to be measured can be determined relatively easily from the measured photoacoustic signal. In such cases, the selectivity of the measurement is perfect. As a gas sample, it makes it difficult to measure aerosols in the photoacoustic principle and significantly reduces the selectivity of the measurement because the aerosol components have a spectrally broad, substantially overlapping, intrinsic absorption over almost the entire optical spectroscopic range, making them extremely difficult to distinguish.
Az US-6,662,627 sz. amerikai egyesült államokbeli szabadalom kipufogógáz részecsketartalmának mérésére szolgáló fotoakusztikus szenzort ismertet. A szenzorban gerjesztésre használt lézerfényforrás egyetlen, az 1047 nm-es vagy az 532 nm-es hullámhosszon üzemel, így a mérés ugyancsak ezen hullámhosszok egyikén kerül végrehajtásra. A mérés a vizsgált gázmintában lévő teljes részecskemennyiség értékét adja eredményül, és annak összetételéről semmilyen információt nem szolgáltat.U.S. Patent No. 6,662,627. U.S. Pat. No. 4,102,125 discloses a photoacoustic sensor for measuring the particle content of exhaust gas. The laser light source used to excite the sensor operates at a single wavelength of 1047 nm or 532 nm, so measurement is also performed at one of these wavelengths. The measurement gives the value of the total particle content of the gas sample tested and gives no information on its composition.
Az Atmospheric Environment c. szaklapban [1999. évi 33. kötet 2845-2852. oldalak] W. Patrick Amott et al. szerzők által bemutatott fotoakusztikus elvű spektrométer levegő aeroszoltartalma fényelnyelésének időbeli mérésére szolgál. A mérések elvégzéséhez gerjesztő fényforrásként egy 685 nm-es hullámhosszon emittáló diódalézert és egy 532 nm-es hullámhosszon működő frekvenciakétszerezett Nd:YAG lézert használnak. A hullámhosszok közötti váltást a mérés megszakításával és a fényforrások cseréjével valósítják meg, így a mérési adatok nem ugyanazon időszakokra vonatkoznak, és ennek megfelelően eltérő feltételek kerülnek felvételre. Ráadásul, mivel a méréseket egymáshoz mindössze két, viszonylag közeli hullámhosszon végzik, a kapott spektrumok alapján az aeroszoltartalom összetételének pontos meghatározása nem lehetséges.The Atmospheric Environment (1999). Vol. 33, pp. 2845-2852. pages] W. Patrick Amott et al. The photoacoustic principle spectrometer, presented by the authors, is used for the temporal measurement of the light absorption of the aerosol content of air. For measurements, an excitation light source employs a 685 nm wavelength diode laser and a 532 nm wavelength Nd: YAG laser. The switching between the wavelengths is accomplished by interrupting the measurement and changing the light sources so that the measurement data does not refer to the same time periods and accordingly different conditions are recorded. In addition, since measurements are made at only two relatively close wavelengths, the spectra obtained do not allow an accurate determination of the composition of the aerosol content.
A DE 200 17 795 U1 német használati mintaoltalom olyan fotoakusztikus elvű koromrészecske-szenzort tárgyal, amely lehetőséget nyújt a vizsgálat tárgyát képező gázmintában jelen lévő gáznemű és szilárd szennyezők abszorpciójának szétválasztására. A szétválasztást mechanikai úton hajtják végre: a vizsgálat tárgyát képező gázmintát a fotoakusztikus kamrába táplálást megelőzően előírt időszakonként olyan szűrőelemen vezetik keresztül, amely a szilárd szennyezőket a gázmintából kiszűri. A szüretien és a szűrésnek alávetett minta fotoakusztikus jele közötti különbség a minta teljes szilárdanyag-tartalmát jellemzi. A tekintett koromrészecske-szenzorral csupán egyetlen hullámhosszon lehetséges méréseket végezni, így az a szilárdanyag-tartalom összetételének fotoakusztikus elvű szelektív vizsgálatára/meghatározására nem alkalmas. A szilárdanyag-tartalom pontos összetételének megállapításához a szüredéket más jellegű (például tömegspektrometriás) elemzésnek kell alávetni.German Patent Application DE 200 17 795 U1 discloses a photoacoustic soot particle sensor that provides a means of separating the absorption of gaseous and solid impurities present in the gas sample being tested. The separation is carried out by mechanical means: the gas sample to be analyzed is passed through a filter element which filters solid impurities out of the gas sample at predetermined intervals before being fed to the photoacoustic chamber. The difference between the unaccompanied and the photoacoustic signal of the sample subjected to filtration is representative of the total solids content of the sample. This soot particle sensor is only capable of measuring at a single wavelength and is therefore not suitable for the selective examination / determination of the solids content composition by the photoacoustic principle. In order to determine the exact composition of the solids content, the filtrate must be subjected to other analysis (eg mass spectrometry).
A. H. Veres at al. szerzők a Spactroscopy Letters c. folyóiratban [2005. évi 38. kötet 377-388. oldalak] olyan mérési összeállítást mutatnak be, amellyel gázminta egyik kiválasztott gáznemű összetevője, nevezetesen ózon, koncentrációjának fotoakusztikus elvű mérése hajtható végre. A bemutatott mérési összeállításban a gerjesztést impulzusüzemű, illetve kvázifolytonos üzemű lézerforrással valósítják meg. Az UV-tartományban (λ=266 nm hullámhosszon) erőteljes elnyelést mutató ózon gerjesztéséhez az önmagában ismert frekvenciatöbbszörözés módszerével előállított lézerfényt használják fel. A mérések elvégzéséhez speciálisan az 1064 nm-es hullámhosszon emittáló Nd:YAG lézer által kibocsátott és frekvenciatöbbszörözésnek alávetett frekvencianégyszerezett lézerfényt használják. Mivel a tekintett UV-tartományban az aeroszolösszetevők ugyancsak jelentős mértékű elnyeléssel rendelkeznek, az ózon koncentrációjának mérése aeroszoltartalmú gázminta esetén viszonylag nagy háttérjel mellett történik, ami a mérési adatok megbízható kiértékelését rendkívül megnehezítheti. A mérési összeállítás egy további hátránya, hogy azzal a gázminta aeroszoltartalmának szelektív meghatározására irányuló mérés nem végezhető.A. H. Veres at al. authors of Spactroscopy Letters c. in a journal [2005 Volume 38, pp. 377-388. pages 1 to 5 show a measurement setup for performing a photoacoustic measurement of the concentration of one of the selected gaseous constituents of the gas sample, namely ozone. In the presented measurement setup, the excitation is performed by a pulsed or quasi-continuous laser source. Laser light produced by a technique known as frequency multiplication is used to generate ozone with a high absorption in the UV range (λ = 266 nm). The measurements are performed using frequency quadrature laser light emitted by Nd: YAG laser emitting at 1064 nm wavelength. Because aerosol components also exhibit a significant degree of absorption in this UV range, the measurement of ozone concentration with an aerosol containing gas sample is performed with a relatively large background signal, which can make it very difficult to evaluate the measurement data reliably. A further disadvantage of the measuring set-up is that it cannot be used for the selective determination of the aerosol content of the gas sample.
Az előzőekben ismertetett módszerek/eszközök egyik közös hátránya, hogy esetükben azokkal nem határozható meg, hogy a vizsgált gázmintában jelen lévő szennyező anyagok, speciálisan aeroszolok egyes összetevői külön-külön milyen mértékben vesznek részt az elnyelésben, és ezáltal milyen mértékben járulnak hozzá a mért fotoakusztikus jelhez. Másképpen kifejezve, a napjainkban elterjedten alkalmazott módszerekkel/eszközökkel a gázmintában jelen lévő, általában széles és jellegtelen elnyelési spektrummal rendelkező szennyező anyagok, speciálisan aeroszolok (illetve azok összetevői) nem határozhatóak meg, vagyis a mérés szelektivitása az említett összetevők tekintetében nincs biztosítva.One of the common drawbacks of the above methods / devices is that they do not determine the extent to which each of the constituents of the pollutants present in the gas sample under investigation, specifically aerosols, contribute to the absorption separately and thereby contribute to the measured photoacoustic signal. . In other words, pollutants, especially aerosols (or their constituents), which are generally present in the gas sample and generally have a broad and unobtrusive absorption spectrum, cannot be determined by the methods / devices used today, i.e. the selectivity of the measurement is not assured.
Vizsgálataink során arra a következtetésre jutottunk, hogy a mérések szelektivitása biztosítható lenne, ha a gázmintán a méréseket egy széles hullámhossztartományban, vagy legalábbis egy széles hullámhossztartomány egymástól távol eső több hullámhosszán tudnánk végrehajtani anélkül, hogy ehhez magát a mérést a gerjesztő fényforrás cseréje céljából időről időre meg kellene szakítanunk, illetve a mérésre használt berendezést meg kellene bontanunk.We concluded that the selectivity of the measurements could be assured if measurements on the gas sample could be made over a wide wavelength range, or at least over a wide range of wavelengths, without having to replace the time-varying light source. we should interrupt or dismantle the measuring equipment.
A fentiek fényében a találmánnyal célunk olyan berendezés, valamint mérési eljárás kidolgozása, amely adott gázminta összetevőinek, különösen szennyezőanyag-, speciálisan aeroszol-összetevőinek szelektív (azaz összetevőről összetevőre történő) fotoakusztikus elvű meghatározását teszi lehetővé. A találmánnyalIn the light of the foregoing, it is an object of the present invention to provide an apparatus and a measuring method which enables the selective (i.e., component to component) determination of the constituents of a given gas sample, in particular of the pollutant, specifically the aerosol component. With the invention
HU 226 449 Β1 emellett további célunk még olyan berendezés és mérési eljárás megvalósítása is, amely lehetőséget biztosít tetszőleges (adott esetben szilárd és/vagy gáznemű szennyező anyagot is tartalmazó) gázminta elnyelési (abszorpciós) együtthatójának (optikai abszorpciójának) egy viszonylag széles hullámhossztartomány néhány, egymástól távoli hullámhosszán való egyidejű kimérésére is.It is a further object of the present invention to provide an apparatus and measurement method that provides a means for absorbing (optical absorption) of any gas sample (optionally containing a solid and / or gaseous pollutant) over a relatively wide wavelength range. for simultaneous measurement at a remote wavelength.
Kitűzött céljainkat egyrészt olyan eljárás kidolgozásával értük el, amelynél gázmintát tartalmazó fotóakusztikus kamrával megvalósított legalább egy mérőhelyen áthaladó fényútba lézerfényt táplálunk, a betáplált lézerfényt mint alapharmonikust a fényútban frekvenciatöbbszörözésnek alávetve a lézerfény legalább egy magasabb rendű harmonikusát előállítjuk, az alapharmonikust mérőhelyen átvezetve azzal a gázminta szennyező-összetevőit gerjesztjük, a frekvenciatöbbszörözéssel nyert legalább egy harmonikust egyenként mérőhelyen átvezetve azzal a gázminta szennyezőösszetevőit gerjesztjük, az alapharmonikus és a magasabb rendű harmonikusok hullámhosszain mint gerjesztő hullámhosszokon kapott fotoakusztikus jeleket detektáljuk, a kapott fotoakusztikus jeleket kiértékelve a mintagáz szennyező-összetevőit egyenként azonosítjuk.On the one hand, we have achieved a method of feeding a laser light to a light path through at least one measuring path through a photo-acoustic chamber containing a gas sample; excitation of the at least one harmonic obtained by frequency multiplication at each measuring point, exciting the impurity components of the gas sample, detecting the photoacoustic signals obtained at the excitation wavelengths of the basic and higher harmonics as excitation wavelengths, and equating the resulting photoacoustic signals.
A találmány szerinti mérési eljárás lehetséges előnyös példaként! változatait a 2-20. igénypontok határozzák meg.The measuring method according to the invention is a possible advantageous example. 2-20. claims.
Kitűzött céljainkat másrészt olyan fotoakusztikus elvű berendezés létrehozásával értük el, amelynek lézerfényt kibocsátó gerjesztőegysége, legalább egy, gázmintát tartalmazó és abban lézerfénnyel keltett fotoakusztikus jel detektálására alkalmas fotoakusztikus kamrával megvalósított mérőhelye, a gerjesztőegységtől a legalább egy mérőhellyel bezárólag kiképzett és ez utóbbin áthaladó, lézerfényt vezető fényútja, a fényútban elrendezett legalább egy, ráeső lézerfény magasabb rendű harmonikusát előállító tulajdonságú frekvenciakonvertáló eleme, továbbá a fényútban elrendezett legalább egy, ráeső lézerfénykeveréket az azt alkotó lézerfények hullámhossza szerint az egyes lézerfényekre szétválasztó tulajdonságú hullámhossz-szelektív eleme van, ahol a fényút mérőhelyen átmenő szakasza a gázmintán egyidejűleg egyetlen hullámhosszú lézerfényt átvezetőn van kialakítva.On the other hand, the object of the present invention has been achieved by providing a photoacoustic apparatus having a laser emitting unit, at least one measuring chamber with a photoacoustic chamber for detecting a photoacoustic signal containing a gas sample and transmitting at least one measuring well , at least one frequency converting element in the light path having a higher harmonic property of incident laser light, and at least one incident light beam in the light path having a wavelength selective having a wavelength separating wavelength, a single wavelength of laser light is transmitted through a gas sample at a time.
A találmány szerinti berendezés előnyös példaként! kiviteli alakjait a 22-32. igénypontok határozzák meg.The device according to the invention is a preferred example! 22-32. claims.
A találmányt a továbbiakban a csatolt rajzra hivatkozással ismertetjük részletesen, ahol azThe invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which:
1. ábra a találmány szerinti mérési összeállítás egyik lehetséges, a mérést egyidejűleg három hullámhosszon (az alapharmonikus, valamint a frekvenciatöbbszörözéssel nyert frekvenciakétszerezett második harmonikus és frekvencianégyszerezett negyedik harmonikus hullámhosszain) három különálló fotoakusztikus kamra alkalmazásával megvalósító példaként! kiviteli alakjának sematikus tömbvázlata; aFIG. 1 illustrates one possible embodiment of a measurement assembly of the invention using three separate photoacoustic chambers simultaneously at three wavelengths (basic harmonic and second harmonic and frequency quadrature fourth harmonic). a schematic block diagram of an embodiment; the
2. ábra a találmány szerinti mérési összeállítás egyik lehetséges másik, a mérést két hullámhosszon (az alapharmonikus és a frekvenciakétszerezéssel előállított második harmonikus hullámhosszán) egyetlen fotoakusztikus kamra alkalmazásával megvalósító példaként! kiviteli alakjának sematikus tömbvázlata; aFig. 2 shows another possible embodiment of the measurement set-up according to the invention, using a single photoacoustic chamber for measuring at two wavelengths (the basic harmonic and the second harmonic wavelength produced by frequency doubling). a schematic block diagram of an embodiment; the
3. ábra a találmány szerinti mérési összeállítás egyik lehetséges további, a mérést három hullámhosszon (az alapharmonikus, valamint a frekvenciatöbbszörözéssel nyert frekvenciakétszerezett második harmonikus és frekvencianégyszerezett negyedik harmonikus hullámhosszain) egyetlen fotoakusztikus kamrát használva megvalósító példaként! kiviteli alakjának sematikus tömbvázlata; aFigure 3 illustrates one possible further embodiment of the measurement setup of the invention at three wavelengths (basic harmonic and frequency multiplied second harmonic and frequency quadruple fourth harmonic) using a single photoacoustic chamber. a schematic block diagram of an embodiment; the
4. ábra a találmány szerinti mérési összeállítás egyik lehetséges még további, a mérést négy hullámhosszon (az alapharmonikus, valamint a frekvenciatöbbszörözéssel nyert frekvenciakétszerezett, frekvenciaháromszorozott és frekvencianégyszerezett harmonikusok hullámhosszain) egyetlen fotoakusztikus kamra alkalmazásával megvalósító példaként! kiviteli alakjának sematikus tömbvázlata; míg azFigure 4 illustrates one possible further embodiment of the measurement set-up according to the invention, using a single photoacoustic chamber for measuring at four wavelengths (basic and frequency multiplied, frequency triplied and quadruple harmonics). a schematic block diagram of an embodiment; while that
5. ábra két eltérő eredetű és tulajdonságú koromrészecske-fajta abszorpciós együtthatóját mutatja a hullámhossz [λ] függvényében az UV-tartománytól egészen a közeli IR-tartományig terjedő mérési tartományban.Figure 5 shows the absorption coefficients of two soot particles of different origins and properties as a function of wavelength [λ] over the UV range to the near IR range.
Amint az a fentiekből nyilvánvaló a jelen találmány szerinti megoldással egy viszonylag széles, az UV-tartománytól egészen a közeli IR-tartományig terjedő mérési tartományban kívánunk meghatározott (egymástól viszonylag távol eső) hullámhosszokon adott összetételű gázmintán szelektív fotoakusztikus méréseket végrehajtani, és a mérési eredményekből a gázminta összetételére következtetni.As is evident from the foregoing, the present invention seeks to perform selective photoacoustic measurements on a gas sample of a given composition (at a relative distance) over a relatively wide measuring range from the UV to the near IR, and from the measurement results to the gas sample. composition.
Az 1. ábra a találmány szerinti fotoakusztikus elvű 100 berendezés egy olyan példaként! kiviteli alakjának elvi vázlatát szemlélteti, amely a gázmintán való mérés végrehajtására több (a bemutatott kiviteli alak esetében szám szerint három), térben egymástól elkülönülő mérőhellyel van kialakítva. A 100 berendezés alapvetően lézer formájában biztosított 110 gerjesztőegységet, 140, 145 frekvenciakonvertáló elemeket, 150, 155 hullámhossz-szelektív elemeket, magukat a mérőhelyeket képező és a gázmintát tartalmazó 180, 182, 184 fotoakusztikus kamrákat, valamint optikai 190, 192, 194 teljesítménymérőket tartalmaz. A 140, 145 frekvenciakonvertáló elemek, a 150, 155 hullámhossz-szelektív elemek, továbbá a 180, 182, 184 fotoakusztikus kamrák egyetlen, többször elágazó fényútban vannak elrendezve. A 140, 145 frekvenciakonvertáló elemekhez kapcsolódóan a későbbiekben részletesen ismertetésre kerülő, gerjesztésre használt lézerfények tekintetében a szóban forgó fényút egyes ágai speciálisan a 110 gerjesztőegység lézernyaláb-kibocsátó nyílásától rendre a 190, 192, 194 teljesítmény4Figure 1 illustrates an apparatus 100 according to the present invention as an example. illustrates a conceptual outline of an embodiment of the present invention, which is configured with a plurality of spatially spaced locations for performing a gas sample measurement (three in the illustrated embodiment). The apparatus 100 includes a laser excitation unit 110, frequency converting elements 140, 145, wavelength-selective elements 150, 155, photo-acoustic chambers 180, 182, 184, which themselves form the measuring wells, and optical power meters 190, 192, 194. The frequency converting elements 140, 145, the wavelength selective elements 150, 155 and the photoacoustic chambers 180, 182, 184 are arranged in a single, multi-branched light path. With respect to the frequency converting elements 140, 145, which will be described in greater detail below, certain branches of said light path, specifically from the laser beam emitting aperture of the excitation unit 110, are the power 190, 192, 194 respectively.
HU 226 449 Β1 mérők érzékelőfelületéig tartanak. A fényút elágazási pontjai a 150,155 hullámhossz-szelektív elemekkel esnek egybe, vagyis az elágazási pontok száma megegyezik a hullámhossz-szelektív elemek számával. A 180 fotoakusztikus kamra a 190 teljesítménymérő előtt és a 150 hullámhossz-szelektív elem után, míg a 182 és a 184 fotoakusztikus kamrák rendre a 192 és a 194 teljesítménymérők előtt és a 155 hullámhossz-szelektív elem után vannak a fényút megfelelő ágaiban elrendezve. Az egyes 150, 155 hullámhossz-szelektív elemek előtt a fényútban rendre egy-egy 140,145 frekvenciakonvertáló elem van elrendezve. A fényútban emellett szükség esetén (például szóró- vagy gyűjtőlencsék képezte) kiegészítő 130, 132, 134 optikai elemek is jelen lehetnek, célszerűen a 150, 155 hullámhossz-szelektív elemek előtt elrendezve. A fényútban elhelyezett 140 frekvenciakonvertáló elem és 150 hullámhossz-szelektív elem (adott esetben a 132 optikai elemmel kiegészítve) együttesen első sugárosztó egységet alkot. A fényútban elhelyezett 145 frekvenciakonvertáló elem és 155 hullámhossz-szelektív elem (adott esetben a 134 optikai elemmel kiegészítve) együttesen második sugárosztó egységet alkot. Az 1. ábrán vázolt 100 berendezésnél az első sugárosztó egység a fényútban a második sugárosztó egység előtt van elrendezve. Itt és a továbbiakban az „előtt” és az „után megjelölések egy adott elemnek egy másik elemhez viszonyított, a fényútban a fény terjedési irányában tekintett elhelyezkedésére utalnak.EN 226 449 Β1 to the sensor surface. The paths of the light path coincide with the wavelength-selective elements 150,155, i.e. the number of branch points is equal to the number of the wavelength-selective elements. The photoacoustic chamber 180 is located in front of the power meter 190 and after the wavelength selective element 150, while the photoacoustic chambers 182 and 184 are arranged in the respective branches of the light path before the power meters 192 and 194 and after the wavelength selective element 155 respectively. In front of each wavelength-selective element 150, 155, a frequency conversion element 140,145 is arranged in the light path, respectively. Additionally, additional optical elements 130, 132, 134 may be present in the light path, if necessary (e.g., formed by lenses or collecting lenses), preferably arranged in front of the wavelength-selective elements 150, 155. The frequency conversion element 140 and the wavelength selective element 150 (optionally supplemented with the optical element 132) in the light path together form a first beam splitting unit. In the light path, the frequency converting elements 145 and the wavelength selective elements 155 (optionally supplemented with the optical element 134) together form a second beam splitting unit. In the apparatus 100 shown in Figure 1, the first beam splitter unit is located in the light path ahead of the second beam splitter unit. Here and thereafter, the signs "before" and "after" refer to the position of one element relative to another element in the light path in the direction of light propagation.
A 110 gerjesztőegységet képező lézer előnyösen egy impulzuslézer vagy egy, fénykibocsátását tekintve ismert módon (például periodikusan) modulált folyamatos üzemű lézer. A 100 berendezés egyik előnyös kiviteli alakjánál a 110 gerjesztőegységet célszerűen egy, az 1064 nm-es alaphullámhosszon üzemelő Nd:YAG impulzuslézer képezi. A 100 berendezés egy lehetséges másik előnyös kiviteli alakjánál a 110 gerjesztőegységet célszerűen egy, a kb. 700 nm és kb. 1000 nm közötti hullámhossztartományban hangolható (jellemzően a kb. 800 nm-es alaphullámhosszon működtetett) Ti:zafír lézer képezi. Természetesen a 110 gerjesztőegységként ezektől eltérő lézereket ugyancsak használhatunk.Preferably, the laser forming the excitation unit 110 is a pulsed laser or a continuous laser modulated in a known manner (e.g., periodically) with respect to its light output. In an advantageous embodiment of the apparatus 100, the excitation unit 110 is preferably an Nd: YAG pulsed laser operating at a base wavelength of 1064 nm. In another possible embodiment of the apparatus 100, the exciter assembly 110 is preferably provided with an approx. 700 nm and approx. It is tunable in the Ti: sapphire laser, which can be tuned within a wavelength range of 1000 nm (typically operated at a wavelength of approximately 800 nm). Of course, lasers other than these can also be used as excitation units 110.
A 140, 145 frekvenciakonvertáló elemek olyan optikai elemek, amelyek a térfogatukba adott hullámhosszal belépő lézernyalábból a belépő lézernyaláb mellett egy további, a belépő lézernyaláb hullámhosszától eltérő hullámhosszú lézerfényt is előállítanak. Ennek megfelelően a 140, 145 frekvenciakonvertáló elemek mindegyikét két, eltérő hullámhosszal rendelkező lézerfény hagyja el. A 140, 145 frekvenciakonvertáló elemek célszerűen önmagukban ismert nemlineáris optikai tulajdonságokat mutató, optikai szempontból megfelelően orientált kristályok.The frequency converting elements 140, 145 are optical elements which, in addition to the incoming laser beam, produce an additional laser light of a wavelength different from the incoming laser beam at a given wavelength. Accordingly, each of the frequency converting elements 140, 145 is omitted by two laser lights of different wavelengths. The frequency converting elements 140, 145 are conveniently crystallized optically oriented crystals having nonlinear optical properties known per se.
A találmány szerinti 100 berendezés 1. ábrán bemutatott példaként! kiviteli alakjánál a 140 frekvenciakonvertáló elem célszerűen egy olyan nemlineáris kristály, amely például az Nd:YAG lézer beeső 1064 nm-es (alapharmonikus) infravörös 120 lézerfényének a frekvenciáját megkétszerezi, és ezáltal aThe device 100 according to the invention is exemplified in Figure 1. In the embodiment, the frequency converting element 140 is preferably a nonlinear crystal that doubles the frequency of, for example, the 1064 nm (base) infrared laser light 120 of the Nd: YAG laser, thereby
120 lézerfény adott hányadának áteresztése mellett egy 532 nm-es, azaz látható tartományba eső 122 lézerfényt (második harmonikus) is előállít. A 140 frekvenciakonvertáló elem jelen esetben előnyösen például lítium-triborát- (LiB3O5, továbbiakban LBO), kálium-dihidrofoszfát- (KH2PO4, továbbiakban KDP), kálíum-deuteron-foszfát- (KD2PO4, továbbiakban DKDP), ammónium-dihidrofoszfát- (NH4H2PO4, továbbiakban ADP) vagy β-bárium-borát- (β-Β82Ο4, továbbiakban BBO) kristályból van kialakítva. A találmány szerinti 100 berendezés 1. ábrán bemutatott példaként! kiviteli alakjánál a 145 frekvenciakonvertáló elem célszerűen egy olyan nemlineáris kristály, amely például a beeső 532 nm-es második harmonikus 122 lézerfény frekvenciáját megkétszerezve a 122 lézerfény adott hányadának áteresztése mellett egy 266 nm-es, azaz UV-tartományba eső 124 lézerfényt (negyedik harmonikus) is előállít. A 145 frekvenciakonvertáló elem jelen esetben előnyösen például cézium-lítium-borát- (CsLiB6O10, továbbiakban CLBO) vagy KDP-kristályból van kialakítva. Megjegyezzük, hogy a 140, 145 frekvenciakonvertáló elemekként megfelelő tulajdonságú nemlineáris kristályt használva, az alkalmazott kristályba ugyanazon lézerfény két különböző harmonikusát adott fáziseltéréssel egyidejűleg becsatolva a kristállyal az alapharmonikus lézerfény további harmonikusait is előállíthatjuk. Például, amint az a területen járatos szakember előtt ismeretes, LBO-kristályba Nd:YAG lézer alapharmonikusát és második harmonikusát megfelelő feltételek mellett becsatolva az LBO-kristállyal a Nd:YAG lézer 355 nm-es harmadik harmonikusa is egyszerűen előállítható. Ehhez hasonlóan, például CLBO-kristályba Ti:zafír lézer alapharmonikusát és második harmonikusát megfelelő fázisillesztés mellett becsatolva a CLBO-kristállyal egyszerűen előállítható a Ti:zafír lézer harmadik harmonikusa is. Megjegyezzük továbbá, hogy az alkalmazott frekvenciakonvertáló elemek frekvenciatöbbszöröző hatásukat csupán abban az esetben fejtik ki, ha a beeső lézerfény megfelelő, a nemlineáris optikai kristály kristályrácsával összhangban lévő polarizációsíkkal rendelkezik.In addition to transmitting a given proportion of laser light 120, it also produces a laser light (second harmonic) of 532 nm, which is in the visible range. The frequency converting element 140 in this case is preferably, for example, lithium triborate (LiB 3 O 5 , hereinafter LBO), potassium dihydrophosphate (KH 2 PO 4 , hereinafter KDP), potassium deuterone phosphate (KD 2 PO 4 , hereinafter DKDP). ), formed from ammonium dihydrophosphate (NH 4 H 2 PO 4 , hereinafter ADP) or β-barium borate (β-Β 8 2 Β 4 , hereinafter BBO) crystals. The device 100 according to the invention is exemplified in Figure 1. In its embodiment, the frequency converting element 145 is preferably a nonlinear crystal which, for example, doubles the frequency of the incident 532 nm second harmonic laser light 122 by transmitting a portion of the laser light 122 at 266 nm, i.e. a UV light 124 (fourth harmonic). also produces. The frequency converting element 145 in this case is preferably formed from, for example, cesium lithium borate (CsLiB 6 O 10 , hereinafter CLBO) or KDP crystals. It will be appreciated that by using a non-linear crystal of suitable property as frequency converting elements 140, 145, two different harmonics of the same laser light can be coupled to the crystal simultaneously, and further harmonics of the basic laser light can be produced with the crystal. For example, as is known to one of ordinary skill in the art, by coupling the basic and second harmonics of an Nd: YAG laser to an LBO crystal under appropriate conditions, the 355 nm third harmonic of an Nd: YAG laser can be easily produced. Similarly, for example, by coupling the basic harmonics and second harmonics of a Ti: sapphire laser to a CLBO crystal with a suitable phase fit, the third harmonic of a Ti: sapphire laser can easily be produced with a CLBO crystal. It is further noted that the frequency converting elements used exhibit a frequency multiplication effect only if the incident laser light has an appropriate polarization plane consistent with the crystal lattice of the nonlinear optical crystal.
A 150, 155 hullámhossz-szelektív elemek olyan optikai elemek, amelyek a rájuk bocsátott eltérő hullámhosszú lézerfények alkotta nyaláb egyes összetevőit az összetevők hullámhosszától függően eltérő mértékben térítik el, és ezáltal az összetevő lézerfényeket a fényút eltérő ágaiba irányítják. A 150, 155 hullámhossz-szelektív elemek célszerűen önmagukban ismert, optikailag megfelelően orientált dikroikus tükrök vagy prizmák.The wavelength-selective elements 150, 155 are optical elements that divert certain components of the beam of laser wavelengths emitted to them differently depending on the wavelength of the components, thereby directing the component laser light to different branches of the light path. The wavelength-selective elements 150, 155 are preferably well-known dichroic mirrors or prisms which are optically well-oriented.
A találmány szerinti 100 berendezés 1. ábrán bemutatott példaként! kiviteli alakjánál a 150 hullámhossz-szelektív elemet előnyösen olyan dikroikus tükör képezi, amely a ráeső, alapharmonikus 120 lézerfény (λ=1064 nm) és második harmonikus 122 lézerfény (λ=532 nm) alkotta nyalábot az összetevők hullámhossza szerint szétválasztja, azaz például a 120 lézerfényt egyszerűen átereszti, míg a 122 lézerfény terjedési irányát megváltoztatva a 122 lézerfényt más irányba tereli. Hasonlóan, a 155 hullámhossz-szelektív ele5The device 100 according to the invention is exemplified in Figure 1. In its embodiment, the wavelength-selective element 150 is preferably a dichroic mirror which separates the beam formed by the incident, harmonic laser beam 120 (λ = 1064 nm) and second harmonic laser beam 122 (λ = 532 nm), e.g. it simply passes the laser light, while changing the propagation direction of the laser light 122 deflects the laser light 122 in another direction. Similarly, the wavelength-selective element 155
HU 226 449 Β1 met előnyösen olyan dikroikus tükör képezi, amely a ráeső, második harmonikus 122 lézerfény (λ=532 nm) és negyedik harmonikus 124 lézerfény (λ=266 nm) alkotta nyalábot az összetevők hullámhossza szerint szétválasztja, vagyis például a 122 lézerfényt átereszti, míg a 124 lézerfény terjedési irányát megváltoztatva a 124 lézerfényt más irányba tereli. A 150 hullámhosszszelektív elem a fényútban úgy van elrendezve, hogy az általa áteresztett 120 lézerfény a 180 fotoakusztikus kamrába, míg az általa eltérített (speciálisan visszavert) 122 lézerfény a 145 frekvenciakonvertáló elembe jut. Továbbmenve, a 155 hullámhossz-szelektív elem a fényútban úgy van elrendezve, hogy az általa áteresztett 122 lézerfény a 182 fotoakusztikus kamrába, míg az általa eltérített (speciálisan visszavert) 124 lézerfény a 184 fotoakusztikus kamrába jut.Preferably, the beam formed by the incident second harmonic laser light 122 (λ = 532 nm) and fourth harmonic laser light 124 (λ = 266 nm) is formed by a dichroic mirror which diffuses the laser light 122, e.g. while changing the propagation direction of the laser light 124, it deflects the laser light 124 in a different direction. The wavelength selective element 150 is arranged in the light path so that the transmitted laser light 120 passes into the photoacoustic chamber 180 and the deflected (specially reflected) laser light 122 passes into the frequency converting element 145. Further, the wavelength-selective element 155 is arranged in the light path so that the transmitted laser light 122 passes into the photoacoustic chamber 182 and the deflected laser beam 124 into the photoacoustic chamber 184.
A találmány szerinti 100 berendezésben használható 180, 182, 184 fotoakusztikus kamrák egyik lehetséges kiviteli alakjának felépítése, szerkezete és geometriája részletesen megtalálható például A. Miklós ef al. szerzőknek a Rév. Sci. Instrum. című szaklapban [2001. évi 72. kötet 1937-1955. oldalak] megjelent munkájában, így arra itt külön nem térünk ki. A 100 berendezés mérőhelyeiként funkcionáló, térben elválasztott 180,182,184 fotoakusztikus kamrák előnyösen teljesen egyformák, bár egymástól különböző (például eltérő akusztikus rezonanciafrekvenciával rendelkező) kamrák szintén használhatóak. Megjegyezzük, hogy ezen utóbbi esetben a mérési eredmények feldolgozása és kiértékelése lényegesen bonyolultabb. Továbbmenve, az egyes 180, 182, 184 fotoakusztikus kamrák egyaránt működtethetőek rezonáns üzemmódban (vagyis amikor a beeső lézerfény modulációs frekvenciája és a kamra akusztikus rezonanciafrekvenciája azonos) vagy ettől eltérő üzemmódokban.The structure, construction and geometry of one possible embodiment of the photoacoustic chambers 180, 182, 184 for use in the apparatus 100 according to the invention are described in detail, for example, in A. Miklós et al. authors of the Rév. Sci. [2001]. Volume 72, 1937-1955. pages], so we will not discuss it here. The spatially separated photoacoustic chambers 180,182,184 serving as the measuring locations of the apparatus 100 are preferably completely identical, although chambers of different acoustics (e.g., having different acoustic resonance frequencies) may also be used. Note that in the latter case the processing and interpretation of the measurement results is considerably more complicated. Further, each of the photoacoustic chambers 180, 182, 184 may be operated in either resonant mode (i.e., when the modulation frequency of the incident laser light and the acoustic resonance frequency of the chamber are the same) or in different modes.
Amint azt az 1. ábra mutatja, a 180 fotoakusztikus kamra a gázminta kamrába vezetésére szolgáló 180a beömlőcsonkkal és a gázminta kamrából való ürítésére szolgáló 180b kiömiőcsonkkal rendelkezik. Hasonlóan, a 182 fotoakusztikus kamra 182a beömlőcsonkkal és 182b kiömlőcsonkkal, míg a 184 fotoakusztikus kamra 184a beömlőcsonkkal és 184b kiömlőcsonkkal van ellátva.As shown in Figure 1, the photoacoustic chamber 180 has an inlet port 180a for introducing a gas sample into the chamber and an outlet port 180b for evacuating the gas sample from the chamber. Similarly, the photoacoustic chamber 182 is provided with an inlet 182a and an outlet 182b, while the photoacoustic chamber 184 is provided with an inlet 184a and an outlet 184b.
A 190, 192, 194 teljesítménymérők olyan, önmagukban ismert optikai teljesítménymérők, amelyek képesek az érzékelőfelületeikre beeső lézernyaláb optikai teljesítményének folyamatos mérésére, továbbá a feldolgozás céljából ezen mérés villamos jelek formájában előállított eredményének kijelölt céleszközhöz történő továbbítására. Amint az a területen járatos szakember számára nyilvánvaló, a 190, 192, 194 teljesítménymérők szerepét a detektálni szándékozott hullámhosszra, illetve annak környezetére érzékenyített közönséges fotodiódák, vagy valamilyen elnyelésre képes anyag ismert mennyiségével töltött fotoakusztikus kamra is képezheti. Továbbmenve, időben stabil teljesítményű gerjesztés alkalmazása esetén a 190, 192, 194 teljesítménymérők akár el is hagyhatóak; azokra csupán akkor van szükség, ha a mérés folyamán a gerjesztésre használt lézerfények teljesítménye megváltozhat.Power meters 190, 192, 194 are optical power meters known per se which are capable of continuously measuring the optical power of a laser beam incident on their sensor surfaces and transmitting the result of such measurement in the form of electrical signals for processing to a designated target device. As will be apparent to one of ordinary skill in the art, photoelectric chambers filled with known amounts of sensible wavelengths or their surroundings sensitive to the wavelength to be detected, or any material capable of absorbing it, may serve as power meters. Further, with the use of time-stable power excitation, power meters 190, 192, 194 may be omitted; they are only needed if the power of the laser light used to excite may change during the measurement.
A 190, 192, 194 teljesítménymérők szerepe, hogy alkalmazásukkal kiküszöböljük a mért fotoakusztikus jel ingadozásának azon részét, ami nem a vizsgált összetevők koncentrációjának változása, hanem csupán a gerjesztésre használt lézerfény teljesítményében jelentkező ingadozás következtében lép fel. Ennek egyik lehetséges módja például, ha a mérés során a mért fotoakusztikus jelet elosztjuk a 190, 192, 194 teljesítménymérőkkel megmért fényteljesítménnyel, majd a vizsgált összetevők koncentrációját az így képzett hányadosból, például az A. Thöny ef al. szerzők Infrared Phys. Technoi, című folyóiratban [1995. évi 36. kötet, 585-615. oldalak] megjelentetett munkájában alkalmazott kalibrációs eljárás és multikomponensanalízis segítségével határozzuk meg.The purpose of the power meters 190, 192, 194 is to eliminate the part of fluctuation of the measured photoacoustic signal which is not due to a change in the concentration of the tested components but merely to the fluctuation in the power of the laser light used for excitation. One way to do this, for example, is to divide the measured photoacoustic signal by the luminous power measured by power meters 190, 192, 194, and then to determine the concentration of the test components from the quotient so formed, e.g., A. Thöny et al. authors Infrared Phys. Technoi, 1995. Vol. 36, pp. 585-615. pages], using a calibration procedure and multicomponent analysis.
A 100 berendezés kalibrálása, illetve az azzal végzett mérések során a 180, 182, 184 fotoakusztikus kamrák átöblítését követően a vizsgálat tárgyát képező gázmintát a 180, 182, 184 fotoakusztikus kamrákba tápláljuk. Magát a mérést a 180, 182, 184 fotoakusztikus kamrák zárt vagy átömléses üzemmódjában egyaránt végrehajthatjuk. A 180, 182, 184 fotoakusztikus kamrák megtöltése után működésbe hozzuk a példa szerint Nd:YAG lézer képezte 110 gerjesztőegységet, amely kibocsátja az alapharmonikus (jelen esetben 1064 nm-es) 120 lézerfényt. A 120 lézerfény a fényútban adott esetben elrendezett 130 optikai elemen keresztül az első sugárosztó egységbe jut, ahol a 140 frekvenciakonvertáló elem, a 120 lézerfény mellett, létrehozza a (jelen esetben 532 nm-es) frekvenciakétszerezett 122 lézerfényt. Ezt követően a 120, 122 lézerfények az adott esetben alkalmazott (például fókuszáló) 132 optikai elemen keresztül a 150 hullámhossz-szelektív elembe jutnak. A 150 hullámhosszszelektív elem a 120 lézerfény eredeti terjedési irányban való áteresztése és a 122 lézerfény ezzel egyidejű eltérítése útján a 120, 122 lézerfényeket egymástól elválasztja. A 120 lézerfény az első sugárosztó egységet elhagyva a 180 fotoakusztikus kamrába lép be, ahol a hullámhosszának megfelelő abszorpciós hullámhosszon a gázminta szennyező-összetevőit gerjesztheti, miáltal megfelelő fotoakusztikus jelet kelt. A fotoakusztikus jelet a további feldolgozás céljából az adott esetben szükséges kondicionálást/erősítést követően (rajzon nem ábrázolt) központi kiértékelőegységbe tápláljuk. A 120 lézerfény el nem nyelődött része a 180 fotoakusztikus kamrán áthaladva a kamrából a belépési oldallal átellenes oldalon távozik, és az 1. ábrán szemléltetett kiviteli alak esetében a 190 teljesítménymérőbe jut, amellyel megmérjük a teljesítményét. A teljesítménymérés eredményeként kapott (villamos) jelet ugyancsak a kiértékelőegységbe továbbítjuk.Following calibration of the apparatus 100 and the subsequent flushing of the photoacoustic chambers 180, 182, 184, the gas sample to be tested is fed to the photoacoustic chambers 180, 182, 184. The measurement itself can be performed in either the closed or flow mode of the photoacoustic chambers 180, 182, 184. After the photoacoustic chambers 180, 182, 184 are filled, the excitation unit 110 formed by the Nd: YAG laser is activated, which emits a basic harmonic (in this case 1064 nm) laser light 120. The laser light 120 passes through the optical element 130, optionally arranged in the light path, to the first beam splitter unit, where the frequency converting element 140 produces, besides the laser light 120, the frequency doubled laser light 122 (in this case 532 nm). Thereafter, the laser light 120, 122 is transmitted to the wavelength-selective element 150 through the optional optical element 132 (e.g., focusing). The wavelength selective element 150 separates the laser lights 120, 122 by passing the laser light 120 in its original propagation direction and simultaneously deflecting the laser light 122. Leaving the first beam distributing unit, the laser light 120 enters the photoacoustic chamber 180 where it can excite the impurity components of the gas sample at an absorption wavelength corresponding to its wavelength, thereby generating an appropriate photoacoustic signal. The photoacoustic signal is fed to a central evaluation unit (not shown) after further conditioning / amplification for further processing. The unabsorbed portion of the laser light 120 passes through the photoacoustic chamber 180 from the chamber opposite to the inlet side and, in the embodiment illustrated in Figure 1, passes to the power meter 190 to measure its power. The (electrical) signal obtained as a result of the power measurement is also transmitted to the evaluation unit.
Az első sugárosztó egységből távozó 122 lézerfény a második sugárosztó egységbe kerül, ahol a 122 lézerfény hullámhosszára hangolt 145 frekvenciakonvertáló elem létrehozza a (jelen esetben 266 nm-es) frekvencianégyszerezett 124 lézerfényt. A 145 frekvenciakonvertáló elemet elhagyó 122, 124 lézerfények az adott esetben alkalmazott (például fókuszáló) 134 optikai elemen keresztül a 155 hullámhossz-szelektívThe laser light 122 emitted from the first beam splitter unit is transmitted to the second beam splitter unit, where the frequency conversion element 145 tuned to the wavelength of the laser beam 122 produces the quadruple laser beam 124 (in this case 266 nm). The laser lights 122, 124 leaving the frequency converting element 145 pass through the optional optical element 134 (e.g., focusing) to select the wavelength
HU 226 449 Β1 elembe jutnak. A 155 hullámhossz-szelektív elem a 122 lézerfény eredeti terjedési irányban való áteresztése és a 124 lézerfény ezzel egyidejű eltérítése útján a 122,124 lézerfényeket egymástól elválasztja. A 122 lézerfény a második sugárosztó egységet elhagyva a 182 fotoakusztikus kamrába jut, ahol a gázminta széles abszorpciós tartománnyal rendelkező szennyezőösszetevőit a neki megfelelő hullámhosszon gerjesztve fotoakusztikus jelet vált ki. Az így nyert fotoakusztikus jelet az előzőekben ismertetett módon szintén a kiértékelőegységbe vezetjük. A122 lézerfény 182 fotoakusztikus kamrát elhagyó részét adott esetben a 192 teljesítménymérővel fogjuk fel, és a teljesítménymérés eredményeként kapott (villamos) jelet ugyancsak a kiértékelőegységbe továbbítjuk.HU 226 449 Β1 cells. The wavelength selective member 155 separates the laser lights 122,124 by passing the laser light 122 in its original propagation direction and simultaneously deflecting the laser light 124. Leaving the second beam unit, the laser light 122 passes into the photoacoustic chamber 182 where it excites a photoacoustic signal by excitation of the impurity components of the gas sample having a wide absorption range at its appropriate wavelength. The resulting photoacoustic signal is also fed to the evaluation unit as described above. Optionally, the portion of the laser light 122 leaving the photoacoustic chamber 182 is captured by the power meter 192 and the (electrical) signal resulting from the power measurement is also transmitted to the evaluation unit.
A második sugárosztó egységet elhagyó 124 lézerfény a 184 fotoakusztikus kamrába jut, ahol a gázminta széles abszorpciós tartománnyal rendelkező szennyező-összetevőit a neki megfelelő hullámhosszon gerjesztve fotoakusztikus jelet vált ki. Az így nyert fotoakusztikus jelet az előzőekben ismertetett módon szintén a kiértékelőegységbe tápláljuk. A 124 lézerfény 184 fotoakusztikus kamrában el nem nyelődött részét a kamrából való távozást követően a 194 teljesítménymérővel felfogjuk, és a teljesítménymérés eredményeként kapott (villamos) jelet a kiértékelőegységbe továbbítjuk.The laser light 124 leaving the second beam splitter unit enters the photoacoustic chamber 184, where it excites a photoacoustic signal by excitation of the impurity components of the gas sample having a wide absorption range at its appropriate wavelength. The resulting photoacoustic signal is also fed to the evaluation unit as described above. The non-absorbed portion of the laser light 124 in the photoacoustic chamber 184, after leaving the chamber, is captured by the power meter 194 and the resulting (electrical) signal resulting from the power measurement is transmitted to the evaluation unit.
Az egyes hullámhosszokon végzett mérések jelen esetben a térben egymástól elkülönülő 180, 182, 184 fotoakusztikus kamrákban kerülnek végrehajtásra, majd az eltérő gerjesztő hullámhosszokhoz tartozó fotoakusztikus jelek a központi kiértékelőegységben, speciálisan egy arra hardveresen és/vagy szoftveresen egyaránt alkalmasan kialakított személyi számítógéppel kerülnek kiértékelésre, valamint adott esetben numerikus vagy grafikus megjelenítésre. A kiértékelés keretében a vizsgálat tárgyát képező gázmintában a különböző szennyező-összetevők koncentrációit az eltérő hullámhosszokon mért fotoakusztikus jelek, és szükség esetén az ugyancsak megmért fényteljesítmények alapján, például A. Thöny ef aí. szerzők már említett munkájában részletesen ismertetett kalibrációs eljárást és multikomponensanalízist felhasználva határozhatjuk meg.The measurements at each wavelength are in this case performed in spatially separate photoacoustic chambers 180, 182, 184, and then the photoacoustic signals for different excitation wavelengths are processed in a central evaluation unit, specially designed for both hardware and / or software, and where appropriate for numerical or graphic display. As part of the evaluation, concentrations of the various pollutants in the gas sample under investigation are based on photoacoustic signals measured at different wavelengths and, if necessary, also on measured luminous fluxes, e.g., A. Thöny et al. can be determined using the calibration procedure and multicomponent analysis described in detail in the above mentioned work.
A 2-4. ábrák a találmány szerinti berendezés lehetséges további, egyetlen mérőhellyel megvalósított példaként! kiviteli alakjait szemléltetik. A 2. ábrán vázolt 200 berendezés a mérés elvégzését két különböző hullámhosszon teszi lehetővé, míg a 3. ábra szerinti 200’ berendezés és a 4. ábrán bemutatott 200” berendezés rendre három, illetve négy különböző hullámhossz használatán alapul. Itt kívánjuk megjegyezni, hogy a találmány szerinti berendezés 1. és 2. ábrán vázolt kiviteli alakjának hasonló hivatkozási jellel ellátott elemei hasonló funkcióval rendelkező elemeket jelölnek. Továbbmenve, a találmány szerinti berendezés 2. és 3-4. ábrákon vázolt kiviteli alakjainak azonos hivatkozási jellel ellátott elemei azonos elemeket jelölnek. Ennek megfelelően a továbbiakban a 200, 200’ és 200 berendezéseknek csupán azon elemeit ismertetjük részletesen, amelyek a 100 berendezésnek nem képezik részét, vagy az abban használt nekik megfelelő elemhez képest eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek.2-4. Figures 1 to 5 are a further example of a possible embodiment of the apparatus according to the invention at a single location. Embodiments thereof are illustrated. The apparatus 200 shown in Figure 2 allows measurement at two different wavelengths, while the apparatus 200 'of Figure 3 and the apparatus 200' of Figure 4 are based on the use of three and four different wavelengths, respectively. It is to be noted that elements of the device of the present invention with similar reference numerals as shown in Figures 1 and 2 denote elements having a similar function. Further, the apparatus according to the invention is shown in Figs. The elements of the embodiments shown in FIGS. Accordingly, only those elements of the devices 200, 200 'and 200 which do not form part of the device 100 or have different properties to the corresponding element used therein will now be described in detail.
A 200 berendezésnek 220 lézerfényt kibocsátó 210 gerjesztőegysége, a ráeső 220 lézerfény hullámhosszának megfelelő 260 polarizációkapcsoló eleme, 265 polarizációszelektív eleme, 240 frekvenciakonvertáló eleme, 250, 252 hullámhossz-szelektív elemei, mérőhelyként funkcionáló, 280a beömlőcsonkkal és 280b kiömlőcsonkkal ellátott 280 fotoakusztikus kamrája, valamint optikai 290, 292 teljesítménymérői vannak. Megjegyezzük, hogy időben stabil teljesítményű gerjesztés esetén a 290, 292 teljesítménymérők elhagyhatóak.The laser 200 generating unit 210 exciter unit 220, the polarization switch element 260 corresponding to the wavelength of the incident laser beam 220, the frequency converter element 240, the wavelength selector element 250, 252 and the inlet 280a There are 290, 292 power meters. Note that power meters 290, 292 may be omitted with time-stable power excitation.
A 260 polarizációkapcsoló elem, a 265 polarizációszelektív elem, a 240 frekvenciakonvertáló elem, a 250, 252 hullámhossz-szelektív elemek, valamint a 280 fotoakusztikus kamra egy, a 210 gerjesztőegység lézernyaláb-kibocsátó nyílásától az egyes 290, 292 teljesítménymérők érzékelőfelületéig tartó elágazó fényútban vannak funkciójuk által megkívánt (optikai) tengelyállással elrendezve. A 260 polarizációkapcsoló elem a tekintett fényútban a 210 getjesztőegység után és a 265 polarizációszelektív elem előtt van elrendezve. A fényút elágazási pontja a 265 polarizációszelektív elemmel esik egybe. A 265 polarizációszelektív elem a fényútban a 250, 252 hullámhossz-szelektív elemek előtt van elrendezve oly módon, hogy a két 250, 252 hullámhossz-szelektív elem a fényút eltérő ágaiban helyezkedik el. A 280 fotoakusztikus kamra a 290, 292 teljesítménymérők előtt és a 250, 252 hullámhossz-szelektív elemek után van elrendezve a fényútnak a 265 polarizációszelektív elem által kijelölt egyegy ágában oly módon, hogy a fényút mindkét ága átmegy rajta. Továbbmenve, a 240 frekvenciakonvertáló elem a fényútnak a 250, 252 hullámhossz-szelektív elemek és a 265 polarizációszelektív elem közé eső szakaszainak egyikében van elrendezve. A tekintett fényútban emellett a fény terjedését elősegítő további kiegészítő optikai elemek (például a 2-4. ábrákon külön nem ábrázolt szóró- és/vagy gyűjtőlencsék) szintén elrendezhetőek.The polarization switching element 260, the polarization selective element 265, the frequency converting element 240, the wavelength selective elements 250, and the photoacoustic chamber 280 are extending from a laser beam emitting opening of the excitation unit 210 to the sensing surface of each power meter 290, 292. ordered by (optical) axis alignment. The polarization switching element 260 is disposed in said light path after the gating unit 210 and before the polarizing selective element 265. The junction point of the light path coincides with the 265 polarization selective element. The polarization selective element 265 in the light path is positioned ahead of the wavelength selective elements 250, 252 such that the two wavelength selective elements 250, 252 are located in different branches of the light path. The photoacoustic chamber 280 is arranged in front of the power meters 290, 292 and after the wavelength selective elements 250, 252 in a single path of the light path designated by the polarization selective element 265, such that both branches of the light path pass through it. Further, the frequency conversion element 240 is arranged in one of the portions of the light path between the wavelength selective elements 250, 252 and the polarization selective element 265. In addition, additional optical elements (e.g., lenses not shown separately in Figs. 2-4) that aid in the propagation of light can also be arranged in this light path.
A 250 hullámhossz-szelektív elemet jelen esetben előnyösen egy olyan dikroikus tükör képezi, amely a frekvenciakétszerezett 222 lézerfény terjedési irányát megváltoztatva a 222 lézerfényt más irányba tereli, míg az ettől eltérő hullámhosszú egyéb lézerfényeket, így speciálisan magát az alapharmonikus 220 lézerfényt is, eredeti terjedési irányában egyszerűen átereszti. Ezzel szemben a 252 hullámhossz-szelektív elemet jelen esetben előnyösen olyan dikroikus tükör képezi, amely a 220 lézerfény terjedési irányát módosítja, míg az ettől eltérő hullámhosszú egyéb lézerfényeket, így speciálisan a frekvenciakétszerezett 222 lézerfényt is, eredeti terjedési irányában átereszti.The wavelength-selective element 250 in the present case is preferably a dichroic mirror that changes the direction of propagation of the frequency-doubled laser 222 in a different direction, while other wavelengths of laser wavelengths other than the wavelength, such as the original harmonic laser 220 simply pass through. In contrast, the wavelength-selective element 252 in this case is preferably a dichroic mirror which modifies the propagation direction of the laser light 220, while transmitting other laser lights of a different wavelength, particularly the frequency-doubled laser 222, in its original propagation direction.
Az önmagában ismert 260 polarizációkapcsoló elem egyik előnyösen kiviteli alakjában valamilyen kettősen törő anyagból készített félhullámú lemezt (^-lemezt) foglal magában. A 260 polarizációkapcsoló elem egy lehetséges másik kiviteli alakjában nematikus fo7In a preferred embodiment, the polarization switch member 260, known per se, includes a semiconductor plate (? -Plate) made of a double-refractive material. In another embodiment, the polarization switching member 260 is nematic
HU 226 449 Β1 lyadékkristályt tartalmaz, amely optikai tengelyének állását (és ezáltal fénytörő képességét) adott nagyságú villamos feszültség folyadékkristályra kapcsolásával változtatja.It contains a liquid crystal that changes its optical axis position (and thus its refractive power) by switching a certain amount of electrical voltage to a liquid crystal.
A 260 polarizációkapcsoló elem feladata abban áll, hogy a beeső 220 lézerfény polarizációsíkját kívánt esetben módosítsa, és kimenetén a beeső 220 lézerfény polarizációsíkjával megegyező vagy arra éppen merőleges polarizációsíkkal rendelkező 220 lézerfényt állítson elő. Ennek megfelelően a 260 polarizációkapcsoló elem a fényútban oly módon van elrendezve, hogy optikai tengelyének a beeső 220 lézerfény polarizációsíkjával bezárt szöge két helyzet (0° és 45°) között manuálisan vagy automatikusan (az említett kiviteli alakoktól függően például a félhullámú lemez megfelelő tengely körüli elforgatásával vagy kívánt nagyságú feszültségnek a folyadékkristályra kapcsolásával) változtatható; amennyiben a 260 polarizációkapcsoló elem optikai tengelye és a 220 lézerfény polarizációsíkja által bezárt szög 0°, a 260 polarizációkapcsoló elemből kilépő 220 lézerfény polarizációsíkja a 260 polarizációkapcsoló elemre beeső 220 lézerfény polarizációsíkjához képest nem változik, míg ha ezen szög 45°-os, a 260 polarizációkapcsoló elemre beeső és az abból kilépő 220 lézerfények polarizációsíkjai egymásra éppen merőlegesek lesznek.The function of the polarization switch 260 is to modify the polarization plane of the incident laser light 220 as desired and to produce at its output a laser light 220 having the same or perpendicular polarization plane to the incident laser light 220. Accordingly, the polarization switch 260 is arranged in the light path such that the angle of its optical axis with the polarization plane of the incident laser light 220 is between two positions (0 ° to 45 °), manually or automatically (depending on said embodiments or by adjusting a voltage of the desired magnitude to the liquid crystal); if the angle between the optical axis of the polarization switch element 260 and the polarization plane of the laser light 220 is 0 °, the polarization plane of the laser light 220 exiting the polarization switch element 260 does not change with respect to the polarization plane of the laser light 220; The polarization planes of the laser light 220 entering and exiting the element will be substantially perpendicular to one another.
A 265 polarizációszelektív elem a ráeső 220 lézerfény haladási irányát a 220 lézerfény polarizációsíkjától (vagyis a 260 polarizációkapcsoló elem állásától) függően módosítja. Speciálisan a 265 polarizációszelektív elemet egy olyan polarizációfüggő nyalábosztó képezi, amely az egyik polarizációsík-állással ráeső 220 lézerfényt 220A lézerfény formájában egyszerűen átereszti, és a fényút egyik, például a 240 frekvenciakonvertáló elemet tartalmazó ágába irányítja, míg a másik polarizációsík-állással ráeső 220 lézerfényt 220B lézerfény formájában visszaveri és a fényút másik ágába vezeti. A találmány szerinti 200 berendezés esetében tehát a 265 polarizációszelektív elem választja ki a fényút azon ágát, amelyen gázminta gerjesztését megvalósító lézerfény halad.The polarization selective member 265 modifies the direction of travel of the incident laser light 220 depending on the polarization plane of the laser light 220 (i.e., the position of the polarization switch member 260). Specifically, the polarization-selective element 265 is a polarization-dependent beam splitter that simply passes a beam 220 of laser light 220A at one of its polarization plane positions and directs the light path to one of the polarization beam 220s containing the frequency converting element 220 it is reflected in the form of laser light and led to another branch of the light path. Thus, in the apparatus 200 of the present invention, the polarization selective element 265 selects the branch of the path of light along which the laser light for excitation of the gas sample passes.
A 200 berendezés az előzőekben ismertetett kalibrálást követően válik alkalmassá két hullámhosszon történő szelektív koncentrációmérésre. A 280 fotoakusztikus kamrát a mérendő gázmintával töltjük meg. A 210 gerjesztőegység által kibocsátott 220 lézerfény (például Nd:YAG lézer 1064 nm-es alapharmonikusa) keresztülhalad a 260 polarizációkapcsoló elemen. Ennek során a lemez optikai tengelye és a 220 lézerfény polarizációsíkja által bezárt szögtől függően a 220 lézerfény megtartja eredeti (első) polarizációsíkját, vagy ahhoz képest 90°-kal elforgatott (második) polarizációsíkot vesz fel. Ezt követően a 220 lézerfény a 265 polarizációszelektív elembe jut, amely a 220 lézerfényt polarizációsík-állásától függően a 220A lézerfényként vagy a 220B lézerfényként irányítja tovább a fényút egyik ágába.The apparatus 200 becomes capable of selective concentration measurement at two wavelengths following the calibration described above. The photoacoustic chamber 280 is filled with the gas sample to be measured. Laser light 220 emitted by excitation unit 210 (e.g., 1064 nm basic harmonic of Nd: YAG laser) passes through polarization switching member 260. Depending on the angle between the optical axis of the disk and the polarization plane of the laser light 220, the laser light 220 retains its original (first) polarization plane or adopts a (second) polarization plane that is rotated 90 °. The laser light 220 then passes to the polarization selective element 265, which, depending on its polarization plane position, directs the laser light 220 to either branch of the light path as laser light 220A or laser light 220B.
Az első polarizációsíkkal rendelkező 220A lézerfény a 240 frekvenciakonvertáló elembe halad tovább, amelynek kimenetén az alapharmonikus 220A lézerfény és a második harmonikus (jelen esetben 532 nm-es) 222 lézerfény keveréke jelenik meg, amely ezt követően a 250 hullámhossz-szelektív elembe jut. A 250 hullámhossz-szelektív elem a 220A lézerfényt egyszerűen átereszti, míg a 222 lézerfényt a fényútban a 280 fotoakusztikus kamra irányába téríti el. A 222 lézerfény a 280 fotoakusztikus kamrában fotoakusztikus jelet kelt, továbbá azon része, amely a gerjesztés során nem nyelődött el (adott esetben az azt áteresztő 252 hullámhossz-szelektív elemen keresztül) a 290 teljesítménymérőbe távozik. A mért fotoakusztikus jelet és a 290 teljesítménymérő jelét feldolgozás céljából központi kiértékelőegységbe továbbítjuk.The laser light 220A having a first polarization plane advances to the frequency converter element 240 which outputs a mixture of basic harmonic laser light 220A and a second harmonic (in this case 532 nm) laser light 222 which then passes to the wavelength selective element 250. The wavelength-selective element 250 simply transmits the laser light 220A, while the laser light 222 deflects the light beam towards the photoacoustic chamber 280 in the light path. The laser light 222 generates a photoacoustic signal in the photoacoustic chamber 280, and the portion that is not absorbed during excitation (optionally through the wavelength selective member 252) passes to the power meter 290. The measured photoacoustic signal and power meter signal 290 are transmitted to a central evaluation unit for processing.
Ugyanakkor a második polarizációsíkkal bíró 220B lézerfény a 265 polarizációszelektív elemből közvetlenül a 252 hullámhossz-szelektív elembe halad tovább, amelyből terjedési irányának megváltozását követően a 280 fotoakusztikus kamrába távozik. A 280 fotoakusztikus kamrában fotoakusztikus jelet kelt, és azon része, amely nem nyelődik el (adott esetben az azt áteresztő 250 hullámhossz-szelektív elemen keresztül) a 292 teljesítménymérőbe távozik. A mért fotoakusztikus jelet és a 292 teljesítménymérő jelét feldolgozás céljából szintén a központi kiértékelőegységbe továbbítjuk. A 200 berendezés 280 fotoakusztikus kamráján egyidejűleg csupán egyetlen, adott hullámhosszú lézerfény halad keresztül. A gerjesztés (vagyis a mérés) hullámhosszának kiválasztása a 260 polarizációkapcsoló elem két állása közötti váltás és a 250, 252 hullámhossz-szelektív elemek egyikének együtt működése útján történik.At the same time, the laser beam 220B having the second polarization plane passes directly from the polarization selective element 265 to the wavelength selective element 252, from which it diffuses to the photoacoustic chamber 280 after changing its propagation direction. The photoacoustic chamber 280 generates a photoacoustic signal and the portion that is not absorbed (optionally through the wavelength selective member 250) passes to the power meter 292. The measured photoacoustic signal and power meter signal 292 are also transmitted to the central evaluation unit for processing. The photoacoustic chamber 280 of the device 200 passes through only one laser light of a given wavelength at a time. The excitation (i.e., measurement) wavelength is selected by switching between two positions of the polarization switching element 260 and cooperating with one of the wavelength-selective elements 250, 252.
A gázminta mérését a 200 berendezéssel célszerűen meghatározott ideig folyamatosan végezzük. Ezen időtartam alatt a 260 polarizációkapcsoló elem két állása közötti váltást olyan időzítéssel hajtjuk végre, hogy az egy-egy hullámhosszon történő gerjesztés a mért fotoakusztikus jel általában szükséges Időbeli átlagolásához elegendő hosszú legyen.Measuring the gas sample with the apparatus 200 is preferably performed continuously for a determined period. During this period, the shift between the two positions of the polarization switching element 260 is accomplished by timing such that excitation at each wavelength is long enough to average the measured photoacoustic signal.
A 3. ábra szerinti 200’ berendezés a gázmintán végzett szelektív mérések három hullámhosszon való végrehajthatóságát azáltal teszi lehetővé, hogy a 2. ábrán vázolt 200 berendezés fényútjának a 240 frekvenciakonvertáló elemet tartalmazó ágában a 240 frekvenciakonvertáló elem és az (első) 250 hullámhossz-szelektív elem közé további, a 240 frekvenciakonvertáló elemből kilépő 222 lézerfényt módosító és irányító optikai elemek vannak elrendezve. Speciálisan a 240 frekvenciákon vertáló elem után 261 polarizációkapcsoló elem, ez után 245 frekvenciakonvertáló elem, majd 255 hullámhossz-szelektív elem, ez után 298 polarizátor és végül második 250 hullámhossz-szelektív elem van beiktatva. Jelen esetben a 261 polarizációkapcsoló elem az Nd:YAG lézer λ=532 nm-es második harmonikusához illeszkedik, vagyis a 222 lézerfény két egymásra merőleges polarizációsíkkal rendelkező állapota közül választja ki az egyiket, attól függően, hogy a 222 lézerfény polarizációsíkja és a 261 polarizációkapcsoló elem optikai tengelye által bezárt szög 0° vagy 45°. A 245 frekvenciakonvertáló elem előnyösen olyan nemlineáris optikai kristály, amely a ráeső 532 nm-esThe apparatus 200 'of FIG. 3 enables the selective measurements on the gas sample to be performed at three wavelengths by providing the frequency converting element 240 and the (first) wavelength selective element 250 in the beam path of the apparatus 200 shown in FIG. Further optical elements modifying and controlling the laser light 222 exiting the frequency converting element 240 are arranged between them. Specifically, after the element evaluating at frequencies 240, there are 261 polarization switching elements, then 245 frequency converting elements, then 255 wavelength selective elements, then 298 polarizers and finally a second wavelength selective element 250. In this case, the polarization switching element 261 fits into the second harmonic of the Nd: YAG laser at λ = 532nm, i.e., the laser light 222 has one of two mutually perpendicular polarization states, depending on the polarization plane of the laser light 222 and the polarization 261 of the laser light. angle between its optical axis 0 ° or 45 °. Preferably, the frequency converter element 245 is a nonlinear optical crystal having an incident frequency of 532 nm.
HU 226 449 Β1 második harmonikus 222 lézerfény frekvenciáját megkétszerezve a 222 lézerfény mellett egy 266 nm-es, azaz UV-tartományba eső 224 lézerfényt (negyedik harmonikus) is előállít. A 255 hullámhossz-szelektív elem előnyösen olyan dikroikus tükör, amely a ráeső, alapharmonikus 220A lézerfény, második harmonikus 222 lézerfény és negyedik harmonikus 224 lézerfény alkotta nyalábból a 224 lézerfényt kiválasztja és a 280 fotoakusztikus kamra irányába téríti el, míg a nyaláb többi összetevőjét a 298 polarizátor irányába ereszti át. A 298 polarizátor a 222 lézerfény kiszűrésére szolgál. A 298 polarizátor a fényútban úgy van orientálva, hogy a 261 polarizációkapcsoló elem által adott (első) polarizációsíkkal átbocsátóit 222 lézerfényt teljesen kiszűri, míg a 261 polarizációkapcsoló elem által erre merőleges (második) polarizációsíkkal átbocsátóit 222 lézerfényt teljesen átereszti.Doubling the frequency of the second harmonic laser 222 449 Β1 produces, besides the laser 222, a laser light 224 (fourth harmonic) in the 266 nm or UV range. The wavelength-selective element 255 is preferably a dichroic mirror that diverges the beam 224 from the beam of the incident, basic harmonic laser beam 220A, second harmonic laser beam 222, and fourth harmonic laser beam 224, and diverges its beam toward the rest of the photoacoustic chamber. to the polarizer. The polarizer 298 serves to filter out the laser light 222. The polarizer 298 is oriented in the light path such that it completely filters out the laser light 222 transmitted by the (first) polarization plane provided by the polarization switch element 261 and the laser light 222 which transmits the laser light 222 through the (second) polarization plane perpendicular thereto.
A 200' berendezéssel a három (közeli IR, látható és UV) hullámhosszon a 200 berendezés kapcsán ismertetett módon hajtjuk végre egymás után többször a méréseket. Az éppen aktuális gerjesztő hullámhossz kiválasztásához a fényútban elhelyezett 260, 261 polarizációkapcsoló elemek polarizációsík beállító/váltó képességét, a 265 polarizációszelektív elem polarizációsíktól függő lézerfény-áteresztését, a 245 frekvenciakonvertáló elem azon tulajdonságát, miszerint a frekvenciatöbbszörözés kizárólag megfelelő polarizációsíkkal rendelkező beeső lézerfény esetén lép fel, valamint a 298 polarizátornak a beeső lézerfény polarizációsík-állásától függő szűrő/áteresztő hatását használjuk ki.The apparatus 200 'performs measurements successively several times at three wavelengths (near IR, visible and UV) as described for apparatus 200. To select the actual excitation wavelength, the polarization switching elements 260, 261 located in the light path have the ability to adjust / change the polarization plane, the polarization-dependent laser light transmission of the polarization selective element 265, the frequency conversion element 245 and utilizing a filter / transmission effect dependent on the polarization plane of the incident laser light of the polarizer 298.
A 4. ábrán szemléltetett 200” berendezés a gázminta szennyező-összetevőinek szelektív meghatározását a 210 gerjesztőegység által kibocsátott lézerfény-alapharmonikus, valamint annak frekvenciatöbbszörözések útján nyert első három harmonikus hullámhosszán teszi lehetővé. A harmadik harmonikus hullámhosszt, vagyis a példa szerinti Nd:YAG lézer 355 nm-es hullámhosszát oly módon állítjuk elő, hogy a 3. ábra szerinti 200' berendezés fényútjának a 240 frekvenciakonvertáló elemet tartalmazó ágába a 240 frekvenciakonvertáló elem és a 261 polarizációkapcsoló elem közé, a 220A és 222 lézerfények keverékének haladási irányában egy további, második 261 polarizációkapcsoló elemet, ez után egy, a beeső 220A és 222 lézerfények keverékéből a harmadik harmonikus 226 lézerfényt is előállító 248 frekvenciakonvertáló elemet, valamint további 254 hullámhossz-szelektív elemet iktatunk be. A 254 hullámhossz-szelektív elemet előnyösen olyan dikroikus tükör képezi, amely a ráeső, alapharmonikus 220A lézerfény, második harmonikus 222 lézerfény és harmadik harmonikus 226 lézerfény alkotta nyalábból a 226 lézerfényt kiválasztja és a 280 fotoakusztikus kamra irányába téríti el, míg a nyaláb többi összetevőjét a 245 frekvenciakonvertáló elem irányába ereszti át. Továbbmenve, a 245 frekvenciakonvertáló elem után a 280 fotoakusztikus kamrába adott polarizációsík-állás mellett először a második harmonikus 222 lézerfényt visszavezető optikai elemeket (speciálisan két darab 250 hullámhossz-szelektív elemet és közöttük elhelyezett 298 polarizátort), majd a negyedik harmonikus 224 lézerfényt visszavezető elemeket (speciálisan két darab 255 hullámhossz-szelektív elemet) rendezünk el. A polarizációs ík kiválasztására alkalmas elemek fentiek szerint nyilvánvaló beállításával és összehangolásával a 200 berendezés 280 fotoakusztikus kamrájában egyidejűleg csupán egyetlen hullámhosszon történő gerjesztésre, és az ennek eredményeként jelentkező fotoakusztikus jel mérésére biztosítunk lehetőséget. A méréseket a tekintett négy hullámhosszon egymás után többször, a polarizációsík beállítására alkalmas elemek polarizációsíkmódosító hatását megfelelően kihasználva hajtjuk végre. A 200” berendezésben egymás után felváltva gerjesztésre használt hullámhosszokon egymás után kapott mérési eredményeket feldolgozás céljából a központi kiértékelőegységbe továbbítjuk. Megjegyezzük, hogy a területen járatos szakember számára a fenti kitanítás fényében nyilvánvaló, milyen további (a bemutatottakhoz hasonló vagy azokkal megegyező) optikai elemek felhasználásával lehet a 200” berendezést oly módon kiegészíteni, hogy a fotoakusztikus elvű szelektív mérés végrehajtásához, kívánt esetben, például az Nd:YAG lézer λ=213 nm hullámhosszú ötödik harmonikusát is felhasználhassuk.The apparatus 200 'illustrated in Figure 4 allows the selective determination of the contaminant constituents of the gas sample by the basic laser wavelength emitted by the exciter 210 and its first three harmonic wavelengths obtained by frequency multiplication. The third harmonic wavelength, i.e., the 355 nm wavelength of the exemplary Nd: YAG laser, is generated by inserting a frequency converter element 240 into the light path of the device 200 'of FIG. 3 between the frequency converter element 240 and the polarization switch element 261, an additional second polarization switching element 261 in the direction of travel of the mixture of laser lights 220A and 222, followed by a frequency conversion element 248 which also produces a third harmonic laser light 226 from the mixture of incident laser lights 220A and 222, and an additional wavelength selective element 254. Preferably, the wavelength-selective element 254 is a dichroic mirror which diverges the beam 226 from the beam of incident, basic harmonic laser beam 220A, second harmonic laser light 222 and third harmonic laser light 226, and diverges its beam towards the rest of the photoacoustic chamber 280. 245 in the direction of the frequency converter. Further, after the frequency converting element 245, with the polarization plane position placed in the photoacoustic chamber 280, first the second harmonic laser 222 optical elements (specially two wavelength selective elements 250 and 298 polarizers placed between them) and then the fourth harmonic laser 224 specially arranged two 255 wavelength selective elements). By obviously adjusting and coordinating the elements for selecting the polarization pattern, it is possible to excite only one wavelength at a time in the 280 acoustic chambers of the apparatus 200 and to measure the resulting photoacoustic signal. Measurements are made several times at successive wavelengths, utilizing the polarization plane modifying effect of the elements capable of adjusting the polarization plane. The successive measurement results at the wavelengths used to excite alternately in the 200 "apparatus are transmitted to the central evaluation unit for processing. It will be appreciated by those skilled in the art, in light of the above teachings, that additional optical elements (similar to or similar to those shown) can be used to supplement the 200 "apparatus to perform photoacoustic selective measurement, e.g. : We can also use the fifth harmonic of a YAG laser with a wavelength of 213 nm.
A találmány szerinti berendezéssel eltérő szennyezőanyag-tartalmú gázmintákon széles hullámhossztartományban elszórtan elhelyezkedő hullámhosszokon méréseket végezve az egyes hullámhosszokon fellépő abszorpcióértékekből, valamint azok egymással való összevetéséből a gázmintában jelen lévő szennyező anyagok fajtáira egyértelműen következtethetünk, amint az például az 5. ábráról látható. Az 5. ábra speciálisan két eltérő eredetű és tulajdonságú koromrészecske-fajta esetében kapott abszorpciós görbét ábrázol a hullámhossz függvényében az UV-tartománytól egészen a közeli IR-tartományig terjedő mérési tartományban. Az 5. ábráról szembetűnő a vizsgált két koromrészecske-fajta elnyelésében a közeli IR-tartományban jelentkező szignifikáns különbség, amely alapján egy gázmintában a két koromrészecske-fajta szelektíven azonosítható. Továbbmenve, a találmány szerinti eljárással felvett abszorpciós értékekből a multikomponensanalízis segítségével az eltérő hullámhosszokon mért abszorpcióértékeket alapul véve például a két koromrészecske-fajta gázmintabeli koncentrációit is meghatározhatjuk.By measuring the wavelengths scattered over a wide range of wavelengths with different pollutant containing gas samples, the absorbance values at each wavelength and their comparison with each other can be clearly deduced from the types of pollutants present in the gas sample, for example. Fig. 5 is a graph showing the absorption curves for two types of carbon black particles of different origins and properties over the wavelength range from the UV range to the near IR range. From Figure 5, there is a significant difference in the absorption of the two soot particles studied in the near IR range, which indicates that the two soot particles can be selectively identified in a gas sample. Further, from the absorbance values obtained by the process of the present invention, it is also possible to determine, for example, the concentration of the two soot particles in the gas sample by using multicomponent analysis based on the absorbance values at different wavelengths.
A találmány szerinti berendezés előnyösen használható gázminta (például levegő) aeroszoltartalmának (például korom- és portartalmának) szelektív meghatározására is. Ehhez azt használjuk ki, hogy a por például az 1064 nm-es gerjesztő hullámhosszon alig abszorbeál, az 532 nm-es gerjesztő hullámhosszon azonban jelentős mértékű abszorpciót mutat. Ezzel szemben a korom abszorpciója az említett két gerjesztő hullámhosszon közel azonos mértékű. Ha tehát a gázminta fotoakusztikus jele a két hullámhosszon közel egyenlő nagyságú, a gázminta viszonylag sok kormot tartalmaz. Ha azonban a gázminta fotoakusztikus jele csupán az 532 nm-es gerjesztő hullámhosszon egyenlő egymással, a gázminta jelentős mennyiségű port tartalmaz.The device according to the invention is also advantageous for the selective determination of the aerosol content (e.g., soot and dust) of a gas sample (e.g. air). For this, it is utilized that the powder, for example, barely absorbs at 1064 nm excitation wavelength, but exhibits significant absorption at 532 nm excitation wavelength. In contrast, the carbon black absorbance at these two excitation wavelengths is approximately the same. Thus, if the photoacoustic signal of the gas sample is approximately equal in size at the two wavelengths, the gas sample contains a relatively large amount of carbon black. However, if the photoacoustic signal of the gas sample is only equal at the excitation wavelength of 532 nm, the gas sample contains a significant amount of powder.
HU 226 449 Β1HU 226 449 Β1
Itt kívánjuk megjegyezni, hogy a találmány szerinti berendezéssel speciálisan olyan gázminta összetétele is egyszerűen, pontosan és szelektív módon meghatározható, amely elsősorban gáznemű szennyező anyago(ka)t tartalmaz. Ilyen esetben a gázminta aeroszoltartalma esetlegesen zavaró hatásának kiküszöbölése érdekében a gázmintát a fotoakusztikus kamrákba táplálását megelőzően megfelelő finomságú szűrőelem(ek)en vezethetjük keresztül az aeroszoltartalom kiszűrése céljából. Továbbmenve, a találmány szerinti berendezéssel egy ilyen, aeroszoltartalmától lényegében teljesen megfosztott gázmintán végrehajtott méréssel nyert, a gázminta gáznemű szennyezőanyagtartalmára jellemző fotoakusztikus jelet a mérés tárgyát képező gázból származó, aeroszoltartalma szempontjából azonban szüretien gázminta mérésével kapott fotoakusztikus jelből levonva megnövekszik a találmány szerinti eljárás szelektivitása az aeroszol-összetevők azonosítása tekintetében.It is to be noted here that the apparatus of the present invention can, in particular, easily, accurately and selectively determine the composition of a gas sample containing predominantly gaseous pollutant (s). In this case, the gas sample may be passed through a suitable fine filter element (s) prior to feeding to the photoacoustic chambers to filter out the aerosol content, in order to eliminate any interference with the aerosol content of the gas sample. Further, a photoacoustic signal obtained from a gas sample of the invention obtained by measuring such a gas sample with a gas sample substantially free of its aerosol content, - Identification of components.
Itt kívánjuk továbbá megjegyezni, hogy a találmány szerinti eljárás és berendezés a gerjesztőegység által emittált lézerfény alap- vagy magasabb rendű harmonikusai egyikének hullámhosszával egybeeső abszorpciós hullámhosszal rendelkező gáznemű anyagok detektálására is alkalmas. Gerjesztőegységként például Nd:YAG lézert használva, és a szelektivitás fokozása céljából a vizsgáit gázminta aeroszoltartalmát megfelelő finomságú szűrőelemekkel előzetesen eltávolítva a találmány szerinti berendezéssel és mérési eljárással az 532 nm-es hullámhosszon elnyelést mutató nitrogén-dioxid és/vagy a 266 nm-es hullámhosszon abszorbeáló ózon is detektálhatóvá válik.It should also be noted that the method and apparatus of the invention are also capable of detecting gaseous materials having an absorption wavelength coinciding with one of the basic or higher harmonics of the laser light emitted by the excitation unit. For example, using an Nd: YAG laser as an excitation unit and pre-removing the aerosol content of the gas sample to be tested by filtering elements of appropriate fineness to the nitrogen gas at 532 nm and / or at 266 nm wavelength to increase selectivity. ozone also becomes detectable.
Claims (32)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| HU0501060A HU226449B1 (en) | 2005-11-14 | 2005-11-14 | Method and device for selective determining contaminating components of a gaseous sample on photoacoustic principle using distant exciting wavelengths |
| PCT/HU2006/000098 WO2007054751A1 (en) | 2005-11-14 | 2006-11-14 | Method and apparatus for the selective photoacoustic detection of contaminants in a gaseous sample by making use of spectrally distant exciting wavelengths |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| HU0501060A HU226449B1 (en) | 2005-11-14 | 2005-11-14 | Method and device for selective determining contaminating components of a gaseous sample on photoacoustic principle using distant exciting wavelengths |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| HU0501060D0 HU0501060D0 (en) | 2006-01-30 |
| HUP0501060A2 HUP0501060A2 (en) | 2007-05-29 |
| HU226449B1 true HU226449B1 (en) | 2008-12-29 |
Family
ID=89986399
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| HU0501060A HU226449B1 (en) | 2005-11-14 | 2005-11-14 | Method and device for selective determining contaminating components of a gaseous sample on photoacoustic principle using distant exciting wavelengths |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| HU (1) | HU226449B1 (en) |
| WO (1) | WO2007054751A1 (en) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102010063558A1 (en) * | 2010-12-20 | 2012-06-21 | Endress + Hauser Conducta Gesellschaft für Mess- und Regeltechnik mbH + Co. KG | Measuring device for photometric detection of concentration of e.g. aluminum ion of solution for monitoring quality of water, has doubler for radiating frequency two times higher than another frequency along path |
| EP2770319B2 (en) * | 2013-02-25 | 2022-01-26 | Sick Ag | Gas measuring device |
| MX2019010953A (en) * | 2017-03-15 | 2019-10-21 | Frito Lay North America Inc | Quantitative liquid texture measurement apparatus and methods. |
| EP3693725B1 (en) | 2019-02-11 | 2021-04-07 | Infineon Technologies AG | Photoacoustic sensor |
| CN110296918B (en) * | 2019-07-04 | 2021-10-12 | 哈尔滨工程大学 | Diesel engine emission particulate matter concentration online detection device and detection method |
| CN113933245B (en) * | 2021-08-24 | 2023-06-06 | 南京大学 | Bi-component quantitative imaging method based on single-wavelength transmission type photoacoustic microscope |
| CN116223450B (en) * | 2023-03-23 | 2024-03-19 | 中南大学 | Instrument and method for measuring concentration of transparent liquid |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5436459A (en) * | 1993-03-10 | 1995-07-25 | Dragerwerk Aktiengesellschaft | UV spectrometer with laser diodes and laser frequency multiplication |
| FR2728452B1 (en) * | 1994-12-22 | 1997-07-25 | Dior Christian Parfums | DEVICE FOR PHOTOACOUSTIC ANALYSIS OF SKIN IN SITU |
| JPH08240528A (en) * | 1995-03-02 | 1996-09-17 | Masanao Morimura | Laser spectroscopic analyzer |
| US5946093A (en) * | 1998-08-19 | 1999-08-31 | Met One, Inc. | Particle detection system and method employing an upconversion laser |
| HU225660B1 (en) * | 2002-05-24 | 2007-05-29 | Mol Magyar Olaj & Gazipari Rt | Method for photoacoustic measurement of concentration of non hydrocarbon component of gas mixture containing methane |
-
2005
- 2005-11-14 HU HU0501060A patent/HU226449B1/en unknown
-
2006
- 2006-11-14 WO PCT/HU2006/000098 patent/WO2007054751A1/en active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2007054751A1 (en) | 2007-05-18 |
| HUP0501060A2 (en) | 2007-05-29 |
| HU0501060D0 (en) | 2006-01-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8456629B2 (en) | Apparatus and method for multiple-pulse impulsive stimulated raman spectroscopy | |
| CA2715157C (en) | Infrared spectrometer | |
| Yi et al. | Short-lived species detection of nitrous acid by external-cavity quantum cascade laser based quartz-enhanced photoacoustic absorption spectroscopy | |
| US5786893A (en) | Raman spectrometer | |
| HU226449B1 (en) | Method and device for selective determining contaminating components of a gaseous sample on photoacoustic principle using distant exciting wavelengths | |
| US5436459A (en) | UV spectrometer with laser diodes and laser frequency multiplication | |
| JP2021507221A (en) | Hydrogen gas sensor and method for measuring hydrogen under ambient pressure and high pressure | |
| JPS62212551A (en) | Gas chamber for test used for spectrometer | |
| US20080128622A1 (en) | Infrared spectrometer | |
| US3738755A (en) | Analyzer employing magneto-optic rotation | |
| Hof | Basics of optical spectroscopy | |
| US9664561B2 (en) | Technique to discriminate against ambient and scattered laser light in Raman spectrometry | |
| Pal et al. | Simultaneous monitoring of 32 S, 33 S and 34 S isotopes of H 2 S using cavity ring-down spectroscopy with a mid-infrared external-cavity quantum cascade laser | |
| CN111133296B (en) | Remote substance determining apparatus and remote substance determining method | |
| GB2023822A (en) | Photoacoustic raman spectroscopy | |
| JP2000501831A (en) | Compact laser diode monitor and method | |
| US6480277B1 (en) | Dual circular polarization modulation spectrometer | |
| New et al. | Multiplex polarization spectroscopy of OH for flame thermometry | |
| JPH05296922A (en) | Carbon isotope analyzing instrument | |
| JP2002107299A (en) | Gas measuring device | |
| JP3422725B2 (en) | An analyzer that simultaneously performs Raman spectroscopy and particle size distribution measurement | |
| Singh et al. | Isotopic trace analysis of water vapor with multipass cavity Raman scattering | |
| JP2004340833A (en) | Optical measuring device | |
| JP2019109117A (en) | Carbonate mineral analysis method | |
| WO2021038743A1 (en) | Spectroscopic measurement device |