NO300346B1

NO300346B1 - Photo-acoustic measuring device

Info

Publication number: NO300346B1
Application number: NO951334A
Authority: NO
Inventors: Alain Ferber; Ralph W Bernstein
Original assignee: Sinvent As
Priority date: 1995-04-05
Filing date: 1995-04-05
Publication date: 1997-05-12
Also published as: NO951334L; AU5348796A; EP0819243A1; WO1996031765A1; NO951334D0

Description

Denne oppfinnelse angår en foto-akustisk måleanordning beregnet for gasser og gassblandinger, omfattende en pulset eller modulert strålingskilde innrettet til å belyse et gassvolum som skal detekteres eller underkastes måling, og en foto-akustisk detektor, idet nevnte gassvolum befinner seg utenfor detektoren. This invention relates to a photo-acoustic measuring device intended for gases and gas mixtures, comprising a pulsed or modulated radiation source arranged to illuminate a gas volume to be detected or subjected to measurement, and a photo-acoustic detector, said gas volume being located outside the detector.

Fotoakustisk teknikk er basert på en varmevirkning som er kjent som den fototermiske effekt. Disse teknikker utnyt-ter det prinsipp at absorbert strålingsenergi, særlig fra infrarød (IR-)stråling resulterer i trykkvariasjoner i et avgrenset gassvolum, idet trykkvariasjonene er proporsjonale med den absorberte energimengde. Disse trykkvariasjoner kan så detekteres ved hjelp av en følsom trykksensor. Photoacoustic technology is based on a heat effect known as the photothermal effect. These techniques utilize the principle that absorbed radiation energy, particularly from infrared (IR) radiation results in pressure variations in a limited gas volume, the pressure variations being proportional to the absorbed amount of energy. These pressure variations can then be detected using a sensitive pressure sensor.

I anordningen ifølge oppfinnelsen kan det med fordel benyttes en foto-akustisk gassdetektor av den art som er beskrevet i søkerens patentsøknad nr. 95.0505, idet denne spesielle gassdetektor omfatter et kammer til å oppta den aktuelle gass eller gassblanding, en vei for pulset eller modulert IR-stråling inn i, gjennom og ut av kammeret, og en trykksensor innrettet til å registrere trykkendringer i kammeret bevirket av påtrykket IR-stråling. Foreliggende oppfinnelse er imidlertid ikke begrenset til en slik type gassdetektor eller IR-stråling. Også synlig lys eller ultra-fiolett stråling, eventuelt forholdsvis bredbåndet belysning kan anvendes i forbindelse med denne oppfinnelse. På dette punkt er det grunn til å bemerke at gassdetektor er laget av silisium er gjennomsiktige for IR-stråling, men ikke for synlig lys. In the device according to the invention, a photo-acoustic gas detector of the kind described in the applicant's patent application no. 95.0505 can advantageously be used, as this special gas detector comprises a chamber to record the relevant gas or gas mixture, a path for pulsed or modulated IR radiation into, through and out of the chamber, and a pressure sensor arranged to record pressure changes in the chamber caused by the applied IR radiation. However, the present invention is not limited to such a type of gas detector or IR radiation. Visible light or ultra-violet radiation, possibly relatively broadband lighting can also be used in connection with this invention. At this point, it is worth noting that gas detectors made of silicon are transparent to IR radiation, but not to visible light.

De foto-akustiske teknikker kan anvendes når det dreier seg om gassmolekyler med to eller flere atomer og som har absorpsjonslinjer for vibrasjon/rotasjon i f.eks. det infra-røde området mellom 2 og 25 pm. The photo-acoustic techniques can be used when it concerns gas molecules with two or more atoms and which have absorption lines for vibration/rotation in e.g. the infrared range between 2 and 25 pm.

Vanlige og tidligere kjente målemetoder basert på den foto-akustiske effekt krever et fast eller begrenset volum for den gass eller gassblanding som det skal måles på, hvilket innebærer at man er bundet til instrumenter som omfatter en gasscelle for den aktuelle gassprøve. Deteksjon av lave gasskonsentrasjoner forutsetter bruk av store gass-celler og en infrarød eventuelt laserkilde med høy effekt. Videre må gasscellen fylles med den aktuelle gass eller gassblanding og følgelig kreves det eksternt utstyr såsom pumper, ventiler og partikkelfiltre. En måle- eller sensor-anordning som på denne måte er direkte basert på det foto-akustiske prinsipp, vil derfor bli kostbar og omfattende i dimensjoner. Common and previously known measurement methods based on the photo-acoustic effect require a fixed or limited volume for the gas or gas mixture to be measured, which means that you are bound to instruments that include a gas cell for the gas sample in question. Detection of low gas concentrations requires the use of large gas cells and an infrared possibly high-power laser source. Furthermore, the gas cell must be filled with the relevant gas or gas mixture and consequently external equipment such as pumps, valves and particle filters is required. A measuring or sensor device which in this way is directly based on the photo-acoustic principle will therefore be expensive and extensive in dimensions.

Eksempler på kjente anvendelser av slik foto-akustisk teknikk er bl.a. å finne i patentpublikasjonen US-H651 og i en artikkel av C. F. Dewey Jr, R. D. Kamm, og C. E. Hackett: Acoustic amplifier for detection of atmospheric pollutants, Appl. Phys. Lett., Vol. 23, No. 11, desember 1973. Examples of known applications of such photo-acoustic technique are, among other things, to be found in patent publication US-H651 and in an article by C. F. Dewey Jr, R. D. Kamm, and C. E. Hackett: Acoustic amplifier for detection of atmospheric pollutants, Appl. Phys. Lett., Vol. 23, No. 11, December 1973.

Det er et formål med denne oppfinnelse å tilveiebringe en ny og forbedret foto-akustisk måleanordning som ikke har de foran omtalte begrensninger og som baserer seg på en foto-akustisk detektor med en iboende eller innebygget selektivi-tet. Dette blir ifølge oppfinnelsen oppnådd i første rekke ved at den foto-akustiske detektor er fylt med en mengde gass eller gassblanding av samme type som den som skal detekteres eller måles. It is an aim of this invention to provide a new and improved photo-acoustic measuring device which does not have the aforementioned limitations and which is based on a photo-acoustic detector with an inherent or built-in selectivity. According to the invention, this is achieved primarily by the photo-acoustic detector being filled with a quantity of gas or gas mixture of the same type as that to be detected or measured.

Ifølge en særlig foretrukket utførelsesform av anordningen ifølge oppfinnelsen, er detektoren fylt med en kontrollert mengde av den aktuelle gass eller gassblanding. Videre er det ifølge oppfinnelsen mulig å la det gassvolum som skal detekteres eller måles, befinne seg i stråleveien mellom strålingskiIden og detektoren. Ytterligere et mer spesielt trekk som omfattes av oppfinnelsen ligger i at anordningen er forsynt med en referansedetektor som også er plassert og orientert for å motta belysning fra strålingskilden. According to a particularly preferred embodiment of the device according to the invention, the detector is filled with a controlled amount of the relevant gas or gas mixture. Furthermore, according to the invention, it is possible to allow the gas volume to be detected or measured to be in the beam path between the radiation source and the detector. Another more special feature covered by the invention is that the device is provided with a reference detector which is also positioned and oriented to receive illumination from the radiation source.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 skjematisk og forenklet viser en første utførelses- form av måleanordningen ifølge oppfinnelsen, og fig. 2 viser en annen eller modifisert utførelse av måle anordningen . In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the drawings, where: Fig. 1 schematically and simplified shows a first embodiment shape of the measuring device according to the invention, and fig. 2 shows another or modified embodiment of measuring the device.

En rekke elementer inngår i begge utførelser som er vist på tegningene, og det dreier seg om følgende: En strålingskilde 4, f.eks. en IR-kilde forsynt med en reflektor 4A for å dirigere en strålebunt 2 gjennom et målevolum 10 av den aktuelle gass eller gassblanding, mot den egentlige foto-akustiske detektor. Denne omfatter en lukket kavitet 1 som har et optisk vindu 6 for strålingen eller belysningen 2 fra kilden 4, slik at en mengde gass eller gassblanding som er opptatt i kaviteten eller hulrommet 1, kan belyses. Hulrommet kan være anordet i et hus av silisium eller annet transparent materiale, hvor hulrommet kan være tildannet ved vanlig halvleder-planarteknikk, såkalt mikromaskinering. Hulrommet 1 må kunne forsegles på fullstendig tettsluttende måte etter at den aktuelle gass eller gassblanding er bragt inn i dette. Dersom huset eller en vegg i dette lages av silisium, f.eks. vinduet 6, vil dette utgjøre et optisk vindu i IR-området. A number of elements are included in both designs shown in the drawings, and these are the following: A radiation source 4, e.g. an IR source provided with a reflector 4A to direct a beam 2 through a measurement volume 10 of the relevant gas or gas mixture, towards the actual photo-acoustic detector. This comprises a closed cavity 1 which has an optical window 6 for the radiation or illumination 2 from the source 4, so that a quantity of gas or gas mixture which is occupied in the cavity or cavity 1 can be illuminated. The cavity can be arranged in a housing made of silicon or other transparent material, where the cavity can be formed by conventional semiconductor planar technology, so-called micromachining. The cavity 1 must be able to be sealed in a completely hermetic manner after the gas or gas mixture in question has been brought into it. If the house or a wall in it is made of silicon, e.g. the window 6, this will constitute an optical window in the IR range.

En speilende anordning (reflektor) 11 kan med fordel anbringes i enden av hulrommet 1 for å sende "ubenyttet" stråling ut av detektoren. Med en slik reflektor vil man unngå termisk absorpsjon i veggene. A mirroring device (reflector) 11 can advantageously be placed at the end of the cavity 1 to send "unused" radiation out of the detector. With such a reflector, thermal absorption in the walls will be avoided.

Det er anordnet to mikrofoner 3A og 3B som kan ha form av følsomme trykksensorer, for å detektere eller registrere trykksignaler forårsaket av den foto-akustiske effekt under måling. En kontrollert eller veldefinert og konstant mengde gass eller gassblanding av samme type som den som skal detekteres eller måles, innføres i hulrommet 1 før dette forsegles. Gassen forutsettes å ha konstant trykk, det vil si partialtrykk, som ikke nødvendigvis er lik trykket i gass-eller målevolumet 10. Two microphones 3A and 3B are arranged which can take the form of sensitive pressure sensors, to detect or record pressure signals caused by the photo-acoustic effect during measurement. A controlled or well-defined and constant amount of gas or gas mixture of the same type as that to be detected or measured is introduced into the cavity 1 before this is sealed. The gas is assumed to have constant pressure, i.e. partial pressure, which is not necessarily equal to the pressure in the gas or measuring volume 10.

Utgangssignalene fra de to mikrofoner 3A og 3B føres gjennom en krets 8A for summering eller annen kombinering av de to signaler, til en elektronisk målekrets som kan omfatte mer eller mindre inngående signalbehandling og dessuten fremvisning eller utskrift av måleresultatene. The output signals from the two microphones 3A and 3B are fed through a circuit 8A for summation or other combination of the two signals, to an electronic measuring circuit which can include more or less extensive signal processing and also display or print out the measurement results.

Den modifiserte utførelse på fig. 2 omfatter spesielt en referansedetektor 9 som mottar belysning fra kilden 4 etter strålingens passasje gjennom detektorens hulrom 1, idet dette her er forsynt med et annet optisk vindu 16 på en vegg mot-satt av det første vindu 6, slik at stråleveien fra kilden 4 går direkte gjennom hoved-detektoren og faller inn på referansedetektoren 9. Denne måler dermed et referansesignal som gjør det mulig å korrigere for drift i strålingskilden 4 eller uønskede maskeringseffekter forårsaket f.eks. av støv eller røk i målevolumet 10. I dette tilfellet er det således en betingelse at belysningen eller strålingen ikke fullt ut absorberes i hoved-detektorens hulrom 1, men slippes ut på baksiden av denne gjennom det viste vindu 16. På fig. 2 er det videre vist en måle- eller elektronikk-krets 18 som også referansedetektoren 9 er forbundet med. The modified embodiment of fig. 2 includes in particular a reference detector 9 which receives illumination from the source 4 after the passage of the radiation through the detector's cavity 1, this being here provided with another optical window 16 on a wall opposite the first window 6, so that the beam path from the source 4 goes directly through the main detector and falls on the reference detector 9. This thus measures a reference signal which makes it possible to correct for drift in the radiation source 4 or unwanted masking effects caused e.g. of dust or smoke in the measurement volume 10. In this case, it is thus a condition that the illumination or radiation is not fully absorbed in the main detector's cavity 1, but is released at the back of this through the window 16 shown. In fig. 2 also shows a measuring or electronic circuit 18 to which the reference detector 9 is also connected.

Det er klart at en referansedetektor vil kunne plasseres og orienteres på andre måter i forhold til hoved-detektoren 1 og kilden 4, enn slik det er illustrert på fig. 2. Selv om det er en fordel at referansedetektoren mottar sin andel av belysningen etter passasje gjennom hoved-detektoren, vil en referansedetektor også kunne være til nytte for den nevnte korreksjon, ved plassering på andre måter, f.eks. slik at den mottar sin belysning mer eller mindre direkte fra kilden 4. It is clear that a reference detector will be able to be positioned and oriented in other ways in relation to the main detector 1 and the source 4 than as illustrated in fig. 2. Although it is an advantage that the reference detector receives its share of the illumination after passing through the main detector, a reference detector could also be useful for the aforementioned correction, when placed in other ways, e.g. so that it receives its illumination more or less directly from the source 4.

En foto-akustisk detektor i en måleanordning som beskrevet ovenfor, har en virkemåte i korthet som følger: Detektoren genererer et signal som er proporsjonalt med den foto-akustiske effekt i detektorens hulrom 1, idet signalet blir maksimalt når det ikke er noen gass eller gassblanding tilstede i målevolumet, det vil si mellom kilden 4 og detektoren 1. En bestemmelse av eller et mål for gasskonsentra-sjonen i målevolumet 10 utledes ved å ta utgangspunkt i differansen mellom det nevnte maksimale signal og målesig-nalet. Konsentrasjonen vil være tilnærmet proporsjonal med denne differanse, forutsatt at det forekommer neglisjerbare metningseffekter i forbindelse med målingen. A photo-acoustic detector in a measuring device as described above has a mode of operation in brief as follows: The detector generates a signal that is proportional to the photo-acoustic effect in the detector's cavity 1, the signal being maximum when there is no gas or gas mixture present in the measurement volume, that is between the source 4 and the detector 1. A determination of or a measure for the gas concentration in the measurement volume 10 is derived by starting from the difference between the aforementioned maximum signal and the measurement signal. The concentration will be approximately proportional to this difference, provided that there are negligible saturation effects in connection with the measurement.

Oppfinnelsen er ovenfor beskrevet og illustrert i tem-melig enkle utførelser, blant annet kjennetegnet ved en direkte og rettlinjet strålevei mellom kilden 4 og detektorens hulrom 1 samt eventuelt referansedetektoren 9 (fig. 2). Det er klart ,at mer spesielle og kompliserte arrangementer av hele måleanordningen eller -oppstillingen kan tenkes, av-hengig av den situasjon, det sted og de betingelser forøvrig som målingene skal tilpasses. F.eks. vil det ved hjelp av speil kunne dannes stråleveier mellom kilde og detektor med forskjellige grener eller avbøyninger for å belyse ett eller flere målevolumer i den totale strålevei mellom kilde og detektor. Videre er det klart at selve konstruksjonen av den egentlige detektor med hulrom eller kavitet l, som fylles med den nevnte kjente mengde av gass eller gassblanding, kan varieres på mange måter. Dette gjelder f.eks. antallet av mikrofoner, som kan være én, to eller flere. Som nevnt inn-ledningsvis kan det i mange anvendelser være en fordel å benytte en gassdetektor av den art som er beskrevet i foran-nevnte patentsøknad nr. 95.0505. The invention is described above and illustrated in fairly simple embodiments, characterized among other things by a direct and rectilinear beam path between the source 4 and the detector's cavity 1 and possibly the reference detector 9 (Fig. 2). It is clear that more special and complicated arrangements of the entire measuring device or set-up can be imagined, depending on the situation, the place and the other conditions to which the measurements are to be adapted. E.g. with the help of mirrors, beam paths can be formed between source and detector with different branches or deflections to illuminate one or more measurement volumes in the total beam path between source and detector. Furthermore, it is clear that the actual construction of the actual detector with cavity or cavity 1, which is filled with the aforementioned known amount of gas or gas mixture, can be varied in many ways. This applies, for example, to the number of microphones, which can be one, two or more. As mentioned at the outset, in many applications it can be advantageous to use a gas detector of the type described in the above-mentioned patent application no. 95.0505.

Claims

1. Photo-acoustic measuring device intended for gases and gas mixtures, comprising a pulsed or modulated radiation source (4) arranged to illuminate a gas volume (10) to be detected or subjected to measurement, and a photo-acoustic detector (1), said gas volume (10) is located outside the detector (1), characterized in that the photo-acoustic detector (1) is filled with a quantity of gas or gas mixture of the same type as the one (10) to be detected or measured.

2. Device according to claim 1, characterized in that the photo-acoustic detector (1) is filled with a controlled amount of said gas or gas mixture, preferably determined by the partial pressure of the gas or gas mixture.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the photo-acoustic detector (1) is arranged to be so positioned and oriented in relation to the radiation source (4) that the aforementioned gas volume (10) can be in the radiation path (2) ) between the radiation source (4) and the detector (1).

4. Device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that it is provided with at least one reference detector (9) which is also positioned and oriented to receive illumination (2) from the radiation source (4).

5. Device according to claim 4, characterized in that the photo-acoustic detector (1) is arranged to pass through (16) impressed illumination (2) to illuminate the reference detector (9).

6. Device according to claim 5, characterized in that the photo-acoustic detector (1) is provided with a first window (6) for applied illumination (2) and, in direct continuation of the beam path, another window (16) to release said illumination towards the reference detector (9) .

7. Device according to one of the claims 1-4, characterized in that in the photoacoustic detector (1) there is arranged a reflective surface (11) designed to direct a significant part of the incident lighting back and out of the detector (1 ).