IT9020756A1 - Cella optoacustica per la misura di concentrazioni di specie chimiche in fluidi in genere - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale

La presente Invenzione concerne una cella optoacustlca per la misura di concentrazioni di specie chimiche in fluidi in genere, in particolare per la misura di concentrazioni di inquinanti gassosi o specie chimiche presenti In atmosfera o nel fumi oppure per la rivelazione di specie chimiche presenti, anche a livelli di tracce. In liquidi.

E' nota nella tecnica una cella optoacustica comprendente un corpo con una cavita interna atta ad essere attraversata da un fascio luminoso e dal fluido da analizzare. Il fascio luminoso viene generato da una sorgente luminosa preferibilmente Impulsata, tipicamente un laser, la cui luce viene fatta passare all'interno della cavita della cella optoacustica attraverso opportune finestre di ingresso ed uscita ricevete nel corpo cella cella stessa. Il fascio luminoso ha generalmente una simmetria cilindrica e la sua lunghezza d'onda viene scelta in modo tale da coincidere con una banda di assorbimento della specie chimica da rivelare.

La miscela gassosa o liquida da analizzare viene immessa o fatta fluire nella caviti della cella optoacustica; la presenza nella caviti della specie chimica da rivelare provoca un assorbimento di luce proporzionale alla sua concentrazione. Parte dell'energia luminosa assorbita viene rilasciata alla miscela sotto forma di calore, generando quindi un'onda acustica, con simmetria e fronte d'onda approssimativamente cilindrici, fortemente dipendenti dalle caratteristiche spaziali del fascio luminoso impiegato. L'ampiezza dell'onda acustica è proporzionale alla concentrazione della specie chimica. Tale ampiezza dell'onda acustica viene rivelata da uno o più rivelatori acustici, tipicamente microfoni. Il fattore di proporzionalità dell'ampiezza dell'onda acustica rispetto alla concentrazione della specie chimica tiene conto delle caratteristiche chimico -fisiche della miscela e della geometria della rivelazione acustica.

L'utilizzo di una sorgente luminosa impulsata offre il vantaggio di poter meglio discriminare il segnale spurio generato dalle finestre cella cella optoacustica rispetto al segnale utile, poiché ì possibile separarli temporaneamente

D'altra parte le celle optoacustiche finora utiliatele, aventi generalmente una cavità interna cilindrica, hanno il grave limite di una bassa sensibilità di misura.

Ciò costringe il progettista a prevedere un laser di elevata potenza ed un microfono di alta sensibilità, che comporta costi assai elevati di tutta l'apparecchiatura.

Questa bassa sensibilità è dovuta al fatto che il microfono capta solo una piccola parte dell'onda acustica generatasi nella cavità della cella optoacustica.

I microfoni normalmente utilizzati per miscele gassose sono di tipo capacitivo poiché sono quelli a piò alta sensibilità; però questi microfoni di tipo capacitivo, per avere buona risposta anche alle elevate frequenze acustiche tipiche di questa applicazione, hanno dimensioni assai ridotte rispetto alle dimensioni della cavità della cella optoacustica, e quindi, come detto sopra, captano solo una piccola parte dell'onda acustica generatasi nella cavità.

I microfoni normalmente utilizzati per miscele liquide sono di tipo piezoelettrico, in quanto la loro sensibilità è ottimale per questa applicazione. Tali microfoni piezoeltrici sono anch'essi normalmente di piccole dimensioni e quindi presentano gli stessi inconvenienti visti sopra.

Si potrebbe d'altra parte aumentare l'area sensibile del microfono in entrambi i casi, per una regola che vale per ogni tipo di microfono dice che aumentando l'area sensibile aumenta anche il runiore associato, perciò è in generale convergente ridurne le dimensioni .

Una possibile soluzione per aumentare lo superficie di raccolta del segnale acustico è di utilizzare molti microfoni in parallelo; la maggior sensibilità cosi ottenuta fi perfl ridotta dall'aumento complessivo del rumore e comporta un aumento dei costi.

Scopo della presente invenzione è di proporre una cella optoacustica che permetta di ovviare agli inconvenienti sopra esposti.

Tale scopo viene raggiunto realizzando una cella optoacustica per la misura di concentrazioni di specie chimiche in fluidi in genere, comprendente un corpo con una caviti interna atta ad essere attraversata da un fascio luminoso e atta a contenere il fluido da analizzare, affinché all'interno della caviti si generi un'onda acustica di ampiezza proporzionale alla concentrazione della specie chimica da misurare, caratterizzata dal fatto che almeo una di detta cavità è configurata in modo tale da concentrare l'onda acustica su una zona sensibile sostanzialmente puntiforme di un rivelatore acustico.

Per meglio comprendere le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione vengono di seguito descritte due realizzazioni esemplificative non limitative dell'invenzione, illustrate nei cisegni allegati in cui:

la fig. 1 è una vista prospettica di una prima cella optoacustica secondo l'invenzione;

la fig. 2 è una sezione secondo la traccia II-II della cella optoacustica di fig. 1;

la fig. 3 è una sezione secondo la traccia III-III della cella optoacustica di fig. 1;

la fig. 4 è una vista prospettica di una seconda cel la optoacustica secondo l 'invenzione;

la fig. 5 è una sezione secondo la traccia V-V della cella optoacustica di fig. 4;

la fig. 6 è una sezione secondo la traccia VI-VI della cella optoacustica di fig. 4, e

la fig. 7 mostra una variante alla realizzazione di fig. 4, secondo la sezione di fig. 6.

La cella optoacustica di fig. 1, indicata genericamente con 10, comprende un corpo 11 che può essere formato da elementi 11A, ad esempio di acciaio, fissati uno all'altro tramite viti o mediante saldatura.

All'interno del corpo 11 è formerà una cavita 12. Nel corpo 11 sono inoltre forma e due finestre allineate e contrapposte 13 ed una sede 14.

Le finestre 13 permettono il passaggio nella cavita 12 di un fascio luminoso 15 generato da una sorgente luminosa esterna impulsata, ad esempio un laser, non illustrata.

Nella sede 14 è avvitata una bussola 24 nella quale è alloggiato un microfono 22 visibili solo nelle figg. 2 e 3. la cui zona sensibile 16 è in prossimità della cavità 12.

Una parete 17 della cavità 12 presenta una configurazione sostanzialmente toroidale ovvero avente due curvature di valore diverso lungo due piani ortogonali uno rispetto all'altro, tale per cui, per ogni punto della parete 17, la somma delle distanze del punto stesso dal centro della zona sensibile 16 del microfono 22 e dall'asse del fascio luminoso 15 sia costante.

Nel corpo 11 sono ricavati due fori 1S e 19 che sfociano nella cavità 12 e che sono collegati a due rispettive tubazioni esterne d'ingresse e ai uscita del fluido da analizzare, indicate con 20 e 21.

Con la cella optoacustica descritta ed illustrata è possibile misurare le concentrazioni di specie chimiche in fluidi in genere nel modo seguente. La miscela contenente la specie chimica e le specie chimiche da rivelare viene fatta fluire nella cavità 12 della cella 10 facendola entrare attraverso la tubazione d'ingresso 20 ed 11 foro 18 e facendola uscire attraverso il foro 19 e la tubazione di uscita 21.

Contemporaneamente nella cavità 12 viene fatto passare 11 fascio luminoso 15 generato dal laser non illustrato.

Come spiegato nell'introduzione, la presenza nella miscela della specie chimica da rivelare provoca un assorbimento di luce proporzionale alla sua concentrazione; parte dell'energia luminosa assorbita viene rilasciata alla miscela sotto forma di calore, generando quindi un'onda acustica con simmetria e fronte d'onda approssimativamente cilindrici, che si propaga dal fascio luminoso.

Grazie alla presenza della parete a configurazione toroidale 17 questa onda acustica sostanzialmente cilindrica viene riflessa da tale parete 17 che la converte da onda cilindrica ad onda sferica e la concentra sul centro cella zona sensibile 15 del microfono 22.

Il microfono 22 emette poi un segnale elettrico proporzionale alla concentrazione della specie chimica da rivelare, segnale che poi viene elaborat con una unita di elaborazione dati non illustrata.

La parete 17 permette quindi di convogliare tutta l'onda acustica Incidente su di essa e proveniente dal fascio luminoso 15 sulla zona sensibile 15 del microfono 22.

In questo modo, a differenza di quanto accade nella tecnica nota citata nell'introduzione, anche con un microfono di piccole dimensioni è possibile captare gran parte dell'onda acustica che si genera all'interno della caviti della cella optoacustica.

Si ha quindi il grande vantaggio di avere un'elevata sensibilità di misura, impiegando un singolo microfono di piccole dimensioni con vantaggi in termini di costo e di minimizzazione del rumore.

Con la cella 10 descritta ed illustrata si possono misurare concentrazioni di specie chimiche di miscele sia liquide che gassose.

Nelle figure 4, 5 e 6 è illustrata una seconda cella optoacustica secondo l'invenzione, indicata genericamente con 30.

Tale cella 30 comprence anch'essa un corpo 31 formato da elementi 31A, ad esempio in acciaio, fissati tra di loro mediante viti o mediante saldatura. Nel corpo 31 è ricavata uno cavità interna 32 e sono inoltre ricavata due finestre 33 allineate e contrapposte per il passaggio attraverso la cavità 32 del fascio luminoso 15 proveniente dall'esterno, ed una sede 34 In cui è avvitata la bussola 24 che accoglie il Microfono 22 la cui zona sensibile 16 è in prossimità della cavità 32. Nel corpo 31 sono inoltre ricavati due fori 37 e 38 collegati rispettivamente a una tubazione 39 di ingresso del fluido e una tubazione 40 di uscita del fluido, che permettono il fluire della miscela da analizzare nella cavità 32.

Una prima parete 41 della cavità 32 è configurata secondo un paraboloide di traslazione in cui il fuoco è costituito da una retta che coincide con il fascio luminoso 15.

Una seconda parete 42 della cavità 32 è configurata secondo un paraboloide di rotazione; il fuoco di tale paraboloide si trova sul centro della zona sensibile 16 del microfono 22.

In questo caso l'onda acustica cilindrica che si propaga dalla sorgente luminosa 15 viene convertita in onda piana dalla parete 41 e quindi viene focalizzata sul centro dello zona sensibile 15 del microfono 22 dalla parete 42.

I vantaggi di tale soluzione sono identici a quelli già visti per la cella optoacustica 10, dovuta alla concentrazione sulla zona sensibile 15 del microfono 22 dell'onda acustica che si propaga dal fascio luminoso 15.

In entrambe le soluzioni viste, ciascune parete di convogliamento dell'onda acustica viene ricavata su uno degli elementi che compongono il corpo della cella e cifl permette una lavorazione di precisione e nel contempo economica.

Nei due esempi illustrati i fori di ingresso e di uscita del fluido da analizzare sono ricavati su un'ulteriore parete della cavità, Indicata nella cella 10 con 23 e nella cella 30 con 43, diversa dalla parete o dalle pareti che convogliano l'onda acustica sulla zona sensibile del microfono. In questo modo viene evitato che una parte dell'onda acustica riflessa da tale parete o da tali pareti di concentrazione dell'onda acustica venga assorbita dai suddetti fori disperdendosi e causando una diminuzione di sensibilità della cella.

L'alloggiamento del microfono in una bussola che si avvita in una sede del corpo della cella permette di regolare la posizione del microfono stesso rispetto alla parete od alle pareti di concentrazione dell'onda acustica, in modo da portare la parte sensibile del microfono stesso nel punto di concentrazione dell'onda acustica.

E' chiaro che possono essere apportate varianti e/o aggiunte a quanto descritto ed illustrato sopra.

In particolare la configurazione geometrica delle pareti della cavità interna della cella optoacustica pud essere diversa da quelle descritte ed illustrate nei due esempi; tale configurazione geometrica deve essere perd tale da permettere la concentrazione dell'onda acustica che si sviluppa all'interno della cavità su una zona sostanzialmente puntiforme coincidente con una zona sensibile di un rivelatore acustico. Per "zona sostanzialmente puntiforme" si intende una zona di dimensioni dell'ordine di grandezza della lunghezza d'onda dell'onda acustica.

Anche l'alloggiamento del rivelatore acustico pud avere una configurazione diversa dagli alloggiamenti Illustrati negli esempi, ciò ovviamente in funzione della configurazione del rivelatore acustico stesso.

Nel caso in cui la misura della concentrazione della specie chimica nella miscela sia statica, ovvero nel caso in cui la miscela venga immessa nella cavità della celli, optoacustica ed alla fine dello misura venga estratta dalla cavità stessa, ciascuno dei fori e delle rispettive tubazioni che nella misura dinamica hanno operativeniente una funzione specifica o di ingresso o di uscita della miscela da analizzare, nella misura statica possono essere impiegati sia per l'immissione che per l'estrazione della miscela.

Ovviamente il numero di tali fori ρυò variare in funzione delle diverse esigenze.

Tali fori, che mettono in comunicazione la cavita con l'esterno della cella per il passaggio del fluido da analizzare, possono essere ricavati su una o più pareti qualsiasi della cavità, purché non siano le pareti riflettenti che provvedono a concentrare l'onda acustica sul rivelatore acustico.

L'onda acustica pud anche essere concentrata su una guida d'onda acustica che convoglia l'onda acustica su un microfono lontano dalla cella optoacustlca, ad esempio nel caso in cui il microfono possa essere danneggiato dal fluido presente nella cavità. Un esempio di ciò è mostrato in fig. 7, dove, con riferimento alla cella 30, nella bussola 24 S inserito un tubo 45, ad esempio di teflon o di acciaio, su una cui estremità viene concentrata l'onda acustica ed in una cui altra estremità viene inserito il microfono 22. Ciò ovviamente può anche applicarsi alla cella 19.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Cella optoacustica per la misura di concentrazioni di specie chimiche in fluidi in genere, comprendente un corpo con una cavità interna atta ad essere attraversata da un fascio luminoso e atta a contenere 11 fluido da analizzare, affinchè all'interno della cavità si generi un'onda acustica di ampiezza proporzionale alla concentrazione della specie chimica da misurare, caratterizzata dal fatto che almeno una parete di detta cavità è configurata in modo tale da concentrare l'onda acustica su una zona sensibile sostanzialmente puntiforme di un rivelatore acustico.
2. 2. Cella optoacustica secondo la rivendicazione 1, in cui detta parete della cavità ha una configurazione sostanzialmente toroidale tale per cui, per ogni punto della parete, la somma delle distanze del punto stesso dal centro della zona sensibile del rivelatore acustico e dall'asse del fascio luminoso è costante.
3. 3. Cella optoacustica secondo la rivendicazione 1, in cui è prevista una prima parete avente la configurazione di un paraboloide di traslazione, in cui il fuoco del paraboloide è costituito da una retta coincidente con 11 fascio luminoso, ed una seconda parete avente la configurazione di un paraboloide di rotazione, in cui il fuoco del paraboloide coincide con un punto della zona sensibile del rivelatore acustico.
4. 4. Cella optoacustica secondo la rivendicazione 1, in cui nel corpo della cella optoacustica è ricavata uno sede nelle quale è avvitata una bussola che alloggia un rivelatore acustico in una posizione di captazione dell'onda acustica su di esso concentrata.
5. 5. Cella optoacustica secondo la rivendicazione 1, in cui è prevista almeno un'ulteriore parete di detta cavità, nella quale ulteriore parete sono ricavati del fori che mettono in comunicazione la caviti con l'esterno della cella optoacustica per 11 passaggio del fluido da analizzare.
6. 6. Cella optoacustica secondo la rivendicazione 1, in cui detto corpo è formato da una serie di elementi fissati tra di loro, almeno uno del quali e sagomato in modo da ricavare la parete o le pareti di concentrazione dell'onda acustica.
7. 7. Cella optoacustica secondo la rivendicazione 1, n cui è prevista una guida d'onda tra la cavità ed 11 rivelatore acustico, che permette il collegamento acustico a distanza tra di essi.
8. 8. Cella optoacustica secondo la rivendicazione 7, in cui detta guida d'onda è costituita da un tubo.
9. 9. Cella optoacustica secondo la rivendicazione 3, in cui nel corpo della cella optoacustica è ricavata una sede nella quali, è avvitata una bussola che alloggia una porzione di detto tubo, una estremità di detto tubo essendo in prossimità di detta cavità e nell 'altra estremità di detto tubo essendo inserito il rivelatore acustico.