RU10461U1 - Оптико-акустический анализатор газов - Google Patents

Abstract

1. Оптико-акустический анализатор газов, содержащий лазер, механический модулятор интенсивности излучения лазера, резонатор Гельмгольца, выполненный в виде двух идентичных, цилиндрических, расположенных взаимнопараллельно кювет, внутренние полости которых герметично закрыты, заполнены анализируемым газом и соединены между собой через боковые поверхности кювет капилляром, по меньшей мере один микрофон, смонтированный в боковой стенке одной из кювет, и схему обработки электрических сигналов, в которую включены усилитель, вычислительное устройство и устройство индикации, при этом в торцах одной из кювет резонатора Гельмгольца выполнены прозрачные окна, а сам лазер, модулятор интенсивности излучения лазера и резонатор Гельмгольца установлены таким образом, чтобы при работе лазера его излучение проходило предварительно через модулятор интенсивности излучения, а затем через кювету резонатора Гельмгольца, оборудованную прозрачными окнами, указанный же усилитель своим входом электрически связан с выходом микрофона, а своим выходом - с входом вычислительного устройства, выход которого, в свою очередь, электрически связан с входом устройства индикации, отличающийся тем, что в нем механический модулятор интенсивности излучения выполнен с зеркально отражающимися поверхностями, установлено дополнительное 100% отражающее зеркало, а обе кюветы резонатора Гельмгольца оборудованы прозрачными окнами, при этом лазер, механический модулятор с зеркально отражающими поверхностями и поворотное зеркало установлены таким образом, чтобы во время работы газоанализатора излучение лазера проходило поочередно, с частот

Description

Оптико-акустический анализатор газов, | 1 нОЯ 1998

Настоящее изобретение относится к анализаторам состава тазов, работающих на основе оптико-акустического эффекта, и может быть использовано для различных оптико-акустических анализаторов газовых смесей для различных областей хозяйственной деятельности.

Известен огггико-акустический аналр1затор газов (1). содержащий лазер, модулятор интенсивности излучения этого лазера; и оптикоакустическую ячейку, которая выполнена в виде герметично закрытого пилиндра с прозрачными окнами в его торцах. Внутри оптикоакустической ячейки установлен микрофон. При этом лазер и отпикоакустическая оптически связаны межд собой таким образом, что при работе лазера его излучение проходит через выполненые в ее торпах оБсна по всей длине этого пилиндра.

Данный оптико-акустический анализаторимеет

чувствительность недостаточную для анализа больщой номенклатуры загрязняющих атмосферу газов, особенно при использовании маломощных диодных лазеров.

Известен оптико-акустический анализатор газов (2), который содержит лазер, модулятор интенсивности излучения лазера, оптикоакустическую ячейку, выполненую в виде акустического резонатора Гельмгольпа, и электрическую схему обработки сигналов. Резонатор Гельмгольпа выполнен в виде двух замкнутых пилиндрических объемов, заполненных анализируемым газом, и соединенных капилляром. Один из объемов имеет по торцам цилиндра прозрачные окна, а в другом установлен микрофон. Электрическая схема обработки сипхалов электрически связана с выходом микрофона. Пррт этом лазер и резонатор связаны межд} собой таким образом, при работе лазера его излучение проходит через прозрачные окна того из объемов, в котором отсутствует микрофон.

Этогг оптико-акустический анализатор газов имеет более высокую чувствительность чем предыдущий, поскольку добротноть резонатора Гельмгольца много больще единицы. Пороговая же чувствительность газоанализатора может быть уменьщена в силу того, что акустические волны в разных объемах резонатора Гельмгольца, (условленные поглощением модулированного по интенсивности лазерного излучения анализируемым газом, строго проа ивоположны по фазе.

Ш1 п о с д 1 «. t; О i

МКИ- : G01N21/00

акустического резонатора Гельмгольца, в каждом из объемов которого установлены ми фофоны, а одни из этих объемов имеет прозрачные окна. Кроме того, этот анализатор также содержит лазер, модулятор интенсивности излучения лазера и схему обработки элекЕрт-гческих сигналов, поступающих от указанных микрофонов. При этом лазер и резонатор Гельмгольца оптически связаны между собой таким образом, чтобы при работе лазера его излучение проходило через прозрачные окна одного из объемов резонатора Гельмгольца. Электрическая же схема обработки ситалов содержргг дифференциальный усилитель, связанный своими входами с выходами микрофонов, суммируя таким образом информативные сигналы с микрофонов, строго противоположные друг другу по фазе, и вычитая синфазные сигналы помех.

Этот оптико-акустическртй анализатор газов имеет более низкую поро1овую чувствительность, которая, однако, все же еше недостаточна низка для детекгирования многих газовых компонент и не может бьггь уменьшена из-за ограниченной мощности лазерного источника. Кроме того, со средой взаимодействует только половитта мощности генерируемой лазером из-за того, что интенсивность излучения модулируется непрозрачным диском с отверстиями.

Задачей, которую решает заяштяемый оптико-акустический анализатор газов, является повышение чувствительности измерений без увеличения мощности излучения лазера.

ПocтaвJIeннaя задача решается тем, что оптико-акустический анализатор газов, как и известный содержит лазер, механический модулятор иттгенсивности излучения лазера, резонатор Гельмгольпа, выполненый в виде двух идеьггичных, цилиндртгческих, расположенных взаимопаралельно, кювет, одна из которых оборудована прозрачными окнами и, внутренние полости которых герметично закрыты, заполнены анализируемым газом и соединены между собой через боковые поверхности кювет тонким капилляром, по меньшей мере, один микрофон, смонтированный в боковой стенке одной из кювет и схему обработки электричесшсс сигналов, в которЗТО включены усилитель, синхронный детектор, вычислительное устройство и устройство индикации. При этом лазер, модулятор интенсивности излучения лазера и резонатор Гельмгольпа установлены таким образом, чтобы при работе лазера его излучение проходало иредаарительно через модулятор интенсивности излучения, а затем через кювету резонатора Гельмгольца, оборудованную прозрачными окнами, указанный же усилитель своим входом электрически связан с

выходом микрофона, а своим выходом с синхронным детектором и далее с вычислительным устройством и устройством индикации.

В отличии от известного в заявляемом оптико-акустт ческом анализаторе газов, механический модулятор выполнен с зеркально отражающими поверхностями, обе кюветы резонатора Гельмголыта оборудованы прозрачными окнами и установлено дополнительное 100% отражающее зеркало, причем лазер, механический модулятор с aepKajibHo отражающими поверхностями и поворотное зеркало установлены таким образом, побы во врямя работы газоанализатора ихтучепие лазера проходило поочередно, с частотой модуляции, через каждую из опти шских кювет резонатора Гельмгольца.

В обеих кюветах резонатора Гельмгольца могут бьггь установлены микрофоны и при этом усилитель выполнен дифференциальным и своими входами электрически связан с выходами обеих микро({)онов. Это позволяет дополнительно уменьщить предельную чувствительность оптико-акустического анализатора газов за счет использования того, что акустические волны в разных кюветах резонатора Гельмгольца, вызванные взаимодействием модулированного лазерного излучения с анализируемым газом, находящимся в одной из кювет, строго противоположны по фазе и суммируются дифференциальным усилителем, в то время как, синфазные сигналы помех вычрггаются.

На фигЛ показана принципиальная схема заявляемого оптикоакустического анализатора газов с резонатором Гельмгольца, содержащим только один микрофон.

На фиг.2 показана принципиальная схема заявляемого оцтикоакустического анализатора газов с резонатором Гельмгольца с двумя микрофонами.

Оцтико-акустический анализатор газов с одним микрофоном (фиг.1) содержит лазер 1. зеркальный модулятор 2, резонатор Гельмгольца 3 с микрофоном 4 в одной из его кювет, поворотное зеркало 5, усилитель 6, синхроный детектор с микро-ЭВМ 7, устройство индикации 8.

При этом лазер 1 через зеркальный модулятор 2 и поворотное зеркало 5 оптически связан с обеими кюветами резонатора Гельмгольца 3, а выход микрофона 4 - электрически со аходом усилителя 6, выход которого, в свою очередь, электрически связан со входом синхронного детектора и микро-ЭВМ 7, также электрически связанной с устройством индикации 8.

связаны с входами дифференциального усилителя 6. Во всем остальном этот вариагтг онтико-акустического анализатора газов аналогичен тому, который показан на фиг. 1.

Оптико-акустический анализатор газов с о,тщим микрофоном (фиг.1) работает следующим образом. Лазер 1 гетюрргрует излучение, которое с помощью зеркального модулятора 2 РТ поворотного зерклла 5 поочередно, с частотой модуляции, проходит через обе кюветы резонатора Гельм1ольца 3. В результате этого ихтучение лазера 1 все время взаимодействует с анализируемым газом, находящимся в разных кюветах резонатора Гельмгольца. Такое послехДовательное взаимодействие излзчения лазера 1 с анализируемым газом вызывает в разных кюветах резонатора Гельмгольда возникновение двух сдвинутых относительно друг лруга по фазе акустических волн, суммарная амплитуда которых регистрируется микрофоном 4. Регулируя скорость врашения зеркального модулятора 2 таким образом, чтобы частота модуляции интенсивности была равна резонансной частоте резонатора Гельмгольца, мозшо добится того, ггобы акустштескис волны возникающие в разньгх кюветах поступали на микрофон 4 строго в фазе. В результате этого с микро({)она 4 на усилитель 6 поступает переменный электрический сигнал с в два раза большей амплитудой (чем в случае, если бы излучение проходило через одну кювету резонатора), де этот сигнал дополнительно усиливается и затем поступает на микро-ЭВМ 7. Поступающий в микро-ЭВМ 7 обрабатывается по заданному алгоррггму и поступает на устройство индикации 8, где отображается в том или ином виде. Таким образом, в результате того, гго данная оптико электронная схема позволяет обеспечтггь взаимодействие с анализируемым газом всей мощности лазерного излучения и получить акустический сигнал с большей амплитудой, чувствительность пнялиза заявляемого оптико-акустического анализатора газов возрастает не менее чем в два раза.

Заявляемый оптико-акустический анализатор газов с двумя микрофонами (фиг. 2) рабагает следующим образом. Лазер 1 генерирует излучение, которое с помощью зеркального модулятора 2 и поворотного зеркала 5 поочередно, с частотой модул 1ции, проходит через обе кюветы резонатора Гельмгольца 3. В результате этого излучение лазера I все время взаимодействует с анализируемым газом, находящимся в разных кюветах резонатора Гельм1ольца. Такое последовательное взаимодействие излучения лазера 1 с aHajiMjnpyeMHM газом вызывает в разных кюветах резонатора Гельмгольца возникновение двух сдвинутых относительно /трз-т друга по фазе

акустических волн, суммарная амплитуда которых регистрируется микрофонами 4 и 9. Регулируя скорость врашения зеркального модулятора 2 таким образом, чтобы частота модуляции интенсивности излучения была равна резонансной частоте резонатора Гельмгольца, можно добится того, чтобы акустические волны возникающие в разных кюветах были синфазны, а фаза суммарной акустической волны в разных кюветах резонатора Гельмгольца имела сдвиг фазы равный л. В результате этого микрофоны 4 и 9 будз-т вырабатывать переменные электрические сигналы с в два раза большей амплрггудой и отличающиеся по фазе на зт, которые будут суммироваться дифференциальным усилителем 6 и на его выходе формироваться сигнал с в 4 раза большей амплитудой. При этом синфазные сигналы помех с микрофонов 4 и 9 будут вычитаться, обеспечивая дополнительное увеличение чувстврттельности измерений.

Литература, принятая во внимание

1.V.P.Zharov, V.S.Letokhov, Laser Photoacoustic Spectroscopy, Springer Verlag, Berlin, (1986).

2.R.S. Qnimby, P.M.Selzer, W.M.Yen, Applied Optics, 16, 10, pp.2630- 2632, (1977).

3.G. Busse, D.Herboeck, Applied Optics, 18, 23, pp. 3959-3961, (1979).

Директор ИОА CO PAH Д.Ф.-М.Н./ /ife Г.Г.Матвиепко

Claims (2)

1. Оптико-акустический анализатор газов, содержащий лазер, механический модулятор интенсивности излучения лазера, резонатор Гельмгольца, выполненный в виде двух идентичных, цилиндрических, расположенных взаимнопараллельно кювет, внутренние полости которых герметично закрыты, заполнены анализируемым газом и соединены между собой через боковые поверхности кювет капилляром, по меньшей мере один микрофон, смонтированный в боковой стенке одной из кювет, и схему обработки электрических сигналов, в которую включены усилитель, вычислительное устройство и устройство индикации, при этом в торцах одной из кювет резонатора Гельмгольца выполнены прозрачные окна, а сам лазер, модулятор интенсивности излучения лазера и резонатор Гельмгольца установлены таким образом, чтобы при работе лазера его излучение проходило предварительно через модулятор интенсивности излучения, а затем через кювету резонатора Гельмгольца, оборудованную прозрачными окнами, указанный же усилитель своим входом электрически связан с выходом микрофона, а своим выходом - с входом вычислительного устройства, выход которого, в свою очередь, электрически связан с входом устройства индикации, отличающийся тем, что в нем механический модулятор интенсивности излучения выполнен с зеркально отражающимися поверхностями, установлено дополнительное 100% отражающее зеркало, а обе кюветы резонатора Гельмгольца оборудованы прозрачными окнами, при этом лазер, механический модулятор с зеркально отражающими поверхностями и поворотное зеркало установлены таким образом, чтобы во время работы газоанализатора излучение лазера проходило поочередно, с частотой модуляции, через каждую из оптических кювет резонатора Гельмгольца.

2. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что в нем установлен дополнительный микрофон, расположенный в той оптической кювете резонатора Гельмгольца, в которой нет микрофона, при этом усилитель выполнен фифференциальным и своими входами электрически связан с выходами обеих микрофонов.