RU199702U1 - Резонансный дифференциальный оптико-акустический детектор - Google Patents
Резонансный дифференциальный оптико-акустический детектор Download PDFInfo
- Publication number
- RU199702U1 RU199702U1 RU2020119036U RU2020119036U RU199702U1 RU 199702 U1 RU199702 U1 RU 199702U1 RU 2020119036 U RU2020119036 U RU 2020119036U RU 2020119036 U RU2020119036 U RU 2020119036U RU 199702 U1 RU199702 U1 RU 199702U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- acoustic
- buffer cavities
- diameter
- acoustic resonators
- length
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к анализаторам состава газов.Резонансный дифференциальный оптико-акустический детектор включает два независимых открытых акустических резонатора, выполненных в форме прямых трубок круглого сечения, расположенных параллельно друг другу и соединенных по торцам входной и выходной буферными полостями. Согласно предлагаемому изобретению акустические резонаторы выполнены цилиндрической формы диаметром Dи длиной Lи разделены перегородкой толщиной t, на боковых стенках в середине каждого акустического резонатора смонтированы микрофоны, в середине одного из акустических резонаторов напротив микрофона смонтирован звуковой излучатель, входная и выходная буферные полости выполнены идентичными цилиндрической формы диаметром Dи длиной L, концы акустических резонаторов сообщены с буферными полостями, причем диаметр буферных полостей составляет D≥(2D+t),гдеD- диаметр буферных полостей;D- диаметр акустических резонаторов;t - толщина перегородки, разделяющей буферные полости;длина буферных полостей Lсоставляет (1-1,5)×D, торцы буферных полостей закрыты прозрачными окнами, а на боковых стенках буферных полостей смонтированы устройства для ввода/вывода анализируемого газа.
Description
Полезная модель относится к анализаторам состава газов, которые могут использоваться, в том числе в составе течеискателей.
Детектирование утечек газообразных веществ, например, метана из различных трубопроводов и сосудов под давлением, а также измерение текущей концентрации газообразного вещества, например, метана в воздухе (например, в шахтах) является актуальной задачей. Для этой цели используются различные газоанализаторы, работающие на разных физических принципах (полупроводниковые, термокаталитические, электрохимические, фотоионизационные, оптические и др. [http://www.gazanalizator.ru]).
В лазерных газоанализаторах используются как нерезонансные, так и резонансные оптико-акустические детекторы (ОАД) различных типов.
Резонансные ОАД имеют свои преимущества и недостатки. Одним из недостатков резонансных ОАД (особенно объемных ОАД с высокой добротностью резонансов) является зависимость их резонансной частоты от температуры окружающей среды и состава анализируемой газовой смеси, что часто приводит к нарушению калибровки оптико-акустического отклика таких детекторов. Для обеспечения высокой точности и воспроизводимости результатов измерения концентрации анализируемого газа необходимо оперативно определять текущую резонансную частоту ОАД (f1), модулировать мощность зондирующего излучения лазера на этой частоте и проводить измерения также на этой частоте.
Наиболее близким к предлагаемому является резонансный дифференциальный оптико-акустический детектор [A. Miklos, P. Hess, Z. Bozoki, "Application of acoustic resonators in photoacoustic trace gas analysis and metrology" // Review Scientific Instruments, 2001, Vol. 72, №4, p. 1937-1955], включающий два независимых открытых акустических резонатора, выполненных в форме прямых трубок круглого сечения, расположенных параллельно друг другу и соединенных по торцам двумя буферными полостями, объем которых значительно превосходит объем трубок. При такой конструкции во время прохождения через один из акустических резонаторов детектора лазерного луча, модулированного обтюратором с частотой f1, равной низшей резонансной акустической частоте детектора, при наличии поглощения лазерного излучения в газе в этом резонаторе возникают акустические колебания, обусловленные оптико-акустическим эффектом. По торцам акустического резонатора устанавливаются узлы звуковой волны, а в центре - пучность. Резонансная частота детектора равна f1=ν/2L, где ν - скорость звука, L - длина акустических резонаторов. Акустические колебания регистрируются микрофоном, расположенным в центральной части этого резонатора в месте пучности волны. Второй микрофон расположен в центральной части другого акустического резонатора, в котором за счет наличия буферных соединительных полостей большого объема акустическая волна на частоте f, вызванная поглощением лазерного излучения в первом резонаторе, не возникает. Сигналы, поступающие с обоих микрофонов, усиливаются дифференциальным усилителем. Детектор допускает работу в потоке газа-носителя, позволяет получать информацию в реальном времени, достигать низкого уровня акустического и электрического шумов и высокой чувствительности. Ввод и вывод газового потока в области узлов акустических волн приводит к снижению уровня шума от потока газа. Для того, чтобы шум потока оставался на достаточно низком уровне, поток должен быть ламинарным. Газовый поток проходит через оба акустических резонатора, производя примерно одинаковый шум потока в обоих резонаторах. Симметричность детектора дает возможность уменьшить шум от потока газа и влияние внешних возмущений. Все шумовые компоненты, которые синфазны в двух резонаторах, эффективно подавляются дифференциальным усилителем, что позволяет повысить соотношение сигнал/шум. Фотоакустическая чувствительность такого резонансного дифференциального детектора составляет около 1,0×10-9 Вт⋅см-1.
Однако авторы работы [A. Miklos, P. Hess, Z. Bozoki, "Application of acoustic resonators in photoacoustic trace gas analysis and metrology" // Review Scientific Instruments, 2001, Vol. 72, №4, p. 1937-1955.] ошиблись в описании акустических волн, которые возникают в данном детекторе. При облучении одного из акустических резонаторов данного дифференциального детектора модулированным по мощности излучением лазера и наличии поглощения импульсов излучения газом на низшей резонансной частоте ОАД (f1) в обоих акустических резонаторах формируются колебания давления (оптико-акустический сигнал), которые находятся в противофазе (получено экспериментально). При этом внутри детектора формируется акустическая мода кольцевой конфигурации, у которой в резонансе на длине акустических резонаторов укладывается половина акустической длины волны. Траектория распространения колебаний давления кольцевой акустической моды на низшей резонансной частоте f1 дифференциального ОАД выступает из акустических резонаторов детектора в буферные полости с обеих сторон на расстояние 1-2 мм, огибая перегородку, разделяющую акустические резонаторы. При этом в середине обоих акустических резонаторов расположены пучности колебаний давления стоячей акустической волны, а на переходах из одного акустического резонатора в другой вблизи краев перегородки расположены узлы колебаний давления. Таким образом, траектория распространения кольцевой акустической моды на низшей резонансной частоте f1 дифференциального ОАД не достигает окон детектора, которые закрывают открытые торцы буферных полостей ОАД, что приводит к снижению чувствительности дифференциального ОАД к влиянию паразитного поглощения излучения лазера в окнах детектора.
Задача (технический результат) предлагаемой полезной модели заключается в расширении арсенала технических средств для анализа газового состава воздуха.
Поставленная задача решается тем, что резонансный дифференциальный оптико-акустический детектор включает два независимых открытых акустических резонатора, выполненных в форме прямых трубок круглого сечения, расположенных параллельно друг другу и соединенных по торцам входной и выходной буферными полостями. Согласно предлагаемому изобретению акустические резонаторы выполнены цилиндрической формы диаметром D1 и длиной L1 и разделены перегородкой толщиной t, на боковых стенках в середине каждого акустического резонатора смонтированы микрофоны, в середине одного из акустических резонаторов напротив микрофона смонтирован звуковой излучатель, входная и выходная буферные полости выполнены идентичными цилиндрической формы диаметром D2 и длиной L2, концы акустических резонаторов сообщены с буферными полостями, причем диаметр буферных полостей составляет D2≥(2D1+t),
где
D2 - диаметр буферных полостей;
D1 - диаметр акустических резонаторов;
t - толщина перегородки, разделяющей буферные полости;
длина буферных полостей L2 составляет (1-1,5)×D1, торцы буферных полостей закрыты прозрачными окнами, а на боковых стенках буферных полостей смонтированы устройства для ввода/вывода анализируемого газа.
Экспериментально установлено, что предлагаемое соотношение диаметра и длины буферных полостей и акустических резонаторов дифференциального ОАД обеспечивает высокую чувствительность и меньший внутренний объем детектора (по сравнению с работой [A. Miklos, P. Hess, Z. Bozoki, "Application of acoustic resonators in photoacoustic trace gas analysis and metrology" // Review Scientific Instruments, 2001, Vol. 72, №4, p. 1937-1955]), что приводит к уменьшению времени задержки сигнала ОАД при прокачке через него анализируемой пробы воздуха.
Предлагаемая полезная модель фигурой, на которой схематически представлен заявляемый резонансный дифференциальный оптико-акустический детектор (экспериментальный образец).
Резонансный дифференциальный оптико-акустический детектор включает два независимых открытых акустических резонатора 1 и 2, выполненных в форме прямых трубок круглого сечения, расположенных параллельно друг другу и соединенных по торцам входной 3 и выходной 4 буферными полостями. Акустические резонаторы 1 и 2 выполнены цилиндрической формы диаметром D1 и длиной L1 и разделены перегородкой 5 толщиной t. На боковых стенках в середине каждого акустического резонатора 1 и 2 смонтированы микрофоны 6. В середине одного из акустических резонаторов 1 или 2 напротив микрофона смонтирован звуковой излучатель 7. Входная 3 и выходная 4 буферные полости выполнены идентичными цилиндрической формы диаметром D2 и длиной L2. Концы акустических резонаторов 1 и 2 сообщены с буферными полостями 3 и 4, причем диаметр буферных полостей 3 и 4 составляет D2≥(2D1+t),
где
D2 - диаметр буферных полостей;
D1 - диаметр акустических резонаторов;
t - толщина перегородки, разделяющей буферные полости;
длина буферных полостей 3 и 4 L2 составляет (1-1,5)×D1, на боковых стенках буферных полостей 3 и 4 смонтированы устройства 8 и 9 соответственно для ввода и вывода анализируемого газа, а торцы буферных полостей 3 и 4 закрыты прозрачными окнами 10.
Резонансный дифференциальный ОАД работает следующим образом.
При облучении заявляемого ОАД модулированным по мощности излучением лазера и наличии поглощения импульсов излучения газом-маркером на низшей резонансной частоте f1 ОАД в обоих акустических резонаторах 1, 2 формируются колебания давления (оптико-акустический сигнал), которые находятся в противофазе (получено экспериментально [I. Sherstov, L. Chetvergova, "Experimental researches of acoustical modes of various types of resonant photo-acoustic detectors" // Optics Communications, 2020, Vol. 462 (in press); https://doi.org/10.1016/j.optcom.2019.125184]). При этом внутри дифференциального ОАД формируется акустическая мода кольцевой конфигурации, у которой в резонансе на низшей резонансной частоте f1 на длине акустических резонаторов 1, 2 укладывается половина акустической длины волны. Траектория распространения колебаний давления кольцевой акустической моды на низшей резонансной частоте f1 дифференциального ОАД выступает из акустических резонаторов 1, 2 детектора в буферные полости 3, 4 с обеих сторон на расстояние 1-2 мм, огибая перегородку 5, разделяющую акустические резонаторы 1, 2 дифференциального ОАД. При этом в середине обоих акустических резонаторов 1, 2 дифференциального ОАД расположены пучности колебаний давления стоячей акустической волны кольцевой конфигурации, а на переходах из одного акустического резонатора детектора в другой вблизи краев перегородки 5 с обеих сторон расположены узлы колебаний давления. Таким образом, траектория распространения кольцевой акустической моды на низшей резонансной частоте f1 дифференциального ОАД не достигает окон 10 детектора, которые закрывают открытые торцы буферных полостей 3, 4 ОАД, что приводит к снижению чувствительности дифференциального ОАД к влиянию паразитного поглощения излучения лазера в окнах 10 ОАД.
Промышленная применимость заявляемого резонансного дифференциального оптико-акустического детектора подтверждается изготовлением опытного образца с использованием известных микросхем.
Claims (6)
- Резонансный дифференциальный оптико-акустический детектор, включающий два независимых открытых акустических резонатора, выполненных в форме прямых трубок круглого сечения, расположенных параллельно друг другу и соединенных по торцам входной и выходной буферными полостями, отличающийся тем, что акустические резонаторы выполнены цилиндрической формы диаметром D1 и длиной L1 и разделены перегородкой толщиной t, на боковых стенках в середине каждого акустического резонатора смонтированы микрофоны, в середине одного из акустических резонаторов напротив микрофона смонтирован звуковой излучатель, входная и выходная буферные полости выполнены идентичными цилиндрической формы диаметром D2 и длиной L2, концы акустических резонаторов сообщены с буферными полостями, причем диаметр буферных полостей составляет D2≥(2D1+t),
- где
- D2 - диаметр буферных полостей;
- D1 - диаметр акустических резонаторов;
- t - толщина перегородки, разделяющей буферные полости;
- длина буферных полостей L2 составляет (1-1,5)×D1, торцы буферных полостей закрыты прозрачными окнами, а на боковых стенках буферных полостей смонтированы устройства для ввода/вывода анализируемого газа.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020119036U RU199702U1 (ru) | 2020-06-02 | 2020-06-02 | Резонансный дифференциальный оптико-акустический детектор |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020119036U RU199702U1 (ru) | 2020-06-02 | 2020-06-02 | Резонансный дифференциальный оптико-акустический детектор |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU199702U1 true RU199702U1 (ru) | 2020-09-15 |
Family
ID=72513427
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020119036U RU199702U1 (ru) | 2020-06-02 | 2020-06-02 | Резонансный дифференциальный оптико-акустический детектор |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU199702U1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2786790C1 (ru) * | 2022-05-05 | 2022-12-26 | Общество с ограниченной ответственностью "Специальные технологии" | Лазерный оптико-акустический газоанализатор и способ измерения концентрации газа |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU10461U1 (ru) * | 1998-11-02 | 1999-07-16 | Институт оптики атмосферы СО РАН | Оптико-акустический анализатор газов |
RU51746U1 (ru) * | 2005-04-04 | 2006-02-27 | Институт лазерной физики Сибирского отделения РАН | Резонансный оптико-акустический детектор и оптико-акустический лазерный газоанализатор |
WO2008026189A1 (en) * | 2006-08-31 | 2008-03-06 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Stable photo acoustic trace gas detector with optical power enhancement cavity |
US7765871B2 (en) * | 2006-07-12 | 2010-08-03 | Finesse Solutions, Llc | System and method for gas analysis using photoacoustic spectroscopy |
RU139181U1 (ru) * | 2013-04-01 | 2014-04-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Специальные технологии" | Оптико-акустический газоанализатор |
-
2020
- 2020-06-02 RU RU2020119036U patent/RU199702U1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU10461U1 (ru) * | 1998-11-02 | 1999-07-16 | Институт оптики атмосферы СО РАН | Оптико-акустический анализатор газов |
RU51746U1 (ru) * | 2005-04-04 | 2006-02-27 | Институт лазерной физики Сибирского отделения РАН | Резонансный оптико-акустический детектор и оптико-акустический лазерный газоанализатор |
US7765871B2 (en) * | 2006-07-12 | 2010-08-03 | Finesse Solutions, Llc | System and method for gas analysis using photoacoustic spectroscopy |
WO2008026189A1 (en) * | 2006-08-31 | 2008-03-06 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Stable photo acoustic trace gas detector with optical power enhancement cavity |
RU139181U1 (ru) * | 2013-04-01 | 2014-04-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Специальные технологии" | Оптико-акустический газоанализатор |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2786790C1 (ru) * | 2022-05-05 | 2022-12-26 | Общество с ограниченной ответственностью "Специальные технологии" | Лазерный оптико-акустический газоанализатор и способ измерения концентрации газа |
RU2797752C1 (ru) * | 2022-08-15 | 2023-06-08 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" | Резонансный дифференциальный оптико-акустический детектор |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10670564B2 (en) | Photoacoustic detector | |
US11300499B2 (en) | Multi-cavity semi-open resonant photoacoustic cell and multi-gas simultaneous measurement system | |
CN105259116A (zh) | 一种光声光谱痕量气体测量装置和方法 | |
Dumitras et al. | Ultrasensitive CO2 laser photoacoustic system | |
US20100103425A1 (en) | Photoacoustic detector for measuring fine dust | |
CN105241814A (zh) | 一种利用光声光谱技术测量痕量气体的装置和方法 | |
CN112924388B (zh) | 正交双通道声学谐振装置 | |
Yi et al. | Theoretical analysis of off beam quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy sensor | |
US20180306704A1 (en) | Gas-detecting device with very high sensitivity based on a helmholtz resonator | |
Liu et al. | Methodology and applications of acousto-electric analogy in photoacoustic cell design for trace gas analysis | |
Wang et al. | A compact photoacoustic detector for trace acetylene based on 3D-printed differential Helmholtz resonators | |
RU199702U1 (ru) | Резонансный дифференциальный оптико-акустический детектор | |
US20130298676A1 (en) | Measuring device and measuring method | |
RU2761906C1 (ru) | Резонансный дифференциальный оптико-акустический детектор | |
Hong et al. | Improved IP-QEPAS sensor based on cylindrical cavity enhancement | |
Kapitanov et al. | Resonance photoacoustic spectroscopy and gas analysis of gaseous flow at reduced pressure | |
Ishaku et al. | A resonant photoacoustic CO 2 sensor based on mid-ir LED and MEMS microphone technology operating at 4.3 µm | |
CN115586138A (zh) | 一种环境工程大气污染检测装置 | |
RU51746U1 (ru) | Резонансный оптико-акустический детектор и оптико-акустический лазерный газоанализатор | |
JPH08271336A (ja) | 光音響分光測定装置 | |
RU2786790C1 (ru) | Лазерный оптико-акустический газоанализатор и способ измерения концентрации газа | |
Patimisco et al. | Quartz-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy for Trace Gas Sensing | |
Pernau et al. | Resonant photoacoustic CO2 spectroscopy with LED light source | |
RU2797752C1 (ru) | Резонансный дифференциальный оптико-акустический детектор | |
RU2748054C1 (ru) | Лазерный оптико-акустический газоанализатор и резонансный дифференциальный оптико-акустический детектор |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MG9K | Termination of a utility model due to grant of a patent for identical subject |
Ref document number: 2761906 Country of ref document: RU Effective date: 20211214 |