Оптико-акустический детектор

Полезная модель касается резонансных оптико-акустических детекторов (ОАД), используемых в оптико-акустических газоанализаторах. Оптико-акустический детектор, содержащий, по меньшей мере, один акустический резонатор, установленный в полости резонатора микрофон, средства ввода/вывода в резонатор анализируемого газа и зондирующего излучения, отличающийся тем, что в полости акустического резонатора дополнительно установлен пьезоэлектрический акустический излучатель. Введение в состав ОАД акустического излучателя обеспечивает возможность предварительной акустической калибровки ОАД с целью оптимизации его метрологических характеристик при изменении температуры, состава газа и др. условий проведения измерений.

Полезная модель касается резонансных оптико-акустических детекторов (ОАД), используемых в оптико-акустических газоанализаторах.

Известны оптико-акустические газоанализаторы (см., например, патенты US 4013260, МПК G01N 21/31, G01N 33/00, G01J 1/00 от 1977.03.22; 4236827, МПК G01N 21/37, G01N 21/34 от 1980.12.02; 4288693, МПК G01N 21/37, G01J 1/00, G01N 21/25 от 1981.08.09; 5773828, МПК G01N 21/35; G01N 21/35 от 1995.03.04; ЕР 0794423, МПК G01N 21/03, G01N 21/35, G01N 21/03, G01N 21/35 от 1996.03.06; JP 9033432, МПК G01N 21/35, G01N 21/61, G01N 21/35, G01N 21/61 от 1997.02.07; RU 51746, МПК G01N 21/64 опубликован 27.02.2006), в которых регистрация полезного сигнала осуществляется так называемыми оптико-акустическими детекторами (ОАД).

Известные ОАД, в той или иной степени отличаясь друг от друга по компоновочным схемам и конструкции, в общем случае содержат, по меньшей мере, один акустический резонатор с установленным в его полости микрофоном, средства для ввода/вывода в резонатор анализируемого газа и прозрачные для излучения окна, выполненные в торцевых стенках резонатора.

В качестве наиболее близкого аналога предлагаемой полезной модели выбран резонансный оптико акустический детектор по патенту RU 51746, представляющий собой корпусный блок, внутри которого выполнены два идентичных, расположенных параллельно друг другу акустических резонатора, выполненных в виде цилиндрических каналов, при этом открытые торцы резонаторов попарно соединены между собой трубчатыми соединительными элементами с образованием замкнутой кольцеобразной камеры. Камера снабжена штуцерами для ввода и вывода анализируемого газа, соединительные элементы выполнены прозрачными для излучения, а в каждом из резонаторов установлен микрофон.

Детектор работает следующим образом.

В резонаторы через штуцеры ввода/вывода подается проба анализируемого газа, а через прозрачные окна в соединительных элементах - импульсно-модулированное зондирующее излучение от внешнего источника света (в настоящее время, как правило, лазера). При поглощении света газом, содержащимся в резонаторе, в последнем возникают пульсации давления, регистрируемые микрофонами как акустический сигнал, частота которого равна частоте модуляции зондирующего излучения, а амплитуда пропорциональна произведению концентрации молекул поглощающего газа, коэффициенту поглощения последнего на длине волны зондирующего излучения, мощности излучения и калибровочному коэффициенту ОАД. При этом, если частота модуляции зондирующего излучения совпадает с собственной резонансной частотой акустических резонаторов, амплитуда регистрируемого сигнала и, соответственно, соотношение сигнал/шум, чувствительность и др. метрологические параметры детектора максимальны.

Вместе с тем, так как собственная частота резонатора зависит от состава и температуры анализируемой смеси (так, например, при комнатной температуре для воздуха резонансная частота ОАД равна 1700 Гц, для азота - 1730 Гц, при изменении температуры собственная частота ОАД изменяется в среднем на 2,8 Гц/1°С), то изменение температуры и/или состава газа приводит к нарушению условий резонансного детектирования и соответствующему снижению чувствительности и точности анализа, что и является основным недостатком известных резонансных ОАД.

Задачей предлагаемой полезной модели является устранение вышеуказанного недостатка резонансных ОАД.

Техническими результатами разработки являются стабильно высокие, независимые от условий измерения чувствительность и точность анализа.

Результаты полезной модели достигаются за счет того, что в оптико акустическом детекторе, содержащим, по меньшей мере, один акустический резонатор, установленный в полости резонатора микрофон, средства ввода/вывода в резонатор анализируемого газа и зондирующего излучения, в полости акустического резонатора установлен акустический излучатель.

В практическом варианте полезной модели предпочтительно использование пьезоэлектрического акустического излучателя.

На нижеследующем рисунке приведена конструктивная схема предлагаемого детектора.

ОАД по данной полезной модели содержит корпусной блок 1 с акустическим резонатором 2 и буферными полостями 3, микрофон 4, штуцера 5, 6 для ввода/вывода анализируемого газа, прозрачные окна 7, 8 для ввода/вывода зондирующего излучения, акустический излучатель 9.

Последовательность работы с предлагаемым детектором следующая.

Перед началом измерений ОАД заполняют подлежащей измерению газовой пробой. После прогрева и тестирования регистрирующей аппаратуры на акустический излучатель подают серию импульсов напряжения с частотой повторения, лежащей вблизи собственной резонансной частоты ОАД, при этом в ОАД возникают высокодобротные акустические колебания на его резонансной частоте. Микрофоны ОАД преобразуют возникшие акустические колебания в электрический сигнал, который подают на схему регистрации для дальнейшей обработки и вычисления реальной при текущих условиях измерения резонансной частоты ОАД. После определения резонансной частоты ОАД устанавливают соответствующую ей частоту модуляции зондирующего излучения, после чего в штатном режиме выполняют анализ состава газовой пробы.

Таким образом, введение в состав ОАД акустического излучателя обеспечивает возможность предварительной акустической калибровки ОАД с последующей настройкой, в соответствии с полученными результатами калибровки, оптимального для текущих условий измерения рабочего режима газоанализатора.

Оптико-акустический детектор, содержащий, по меньшей мере, один акустический резонатор, установленный в полости резонатора микрофон, средства ввода/вывода в резонатор анализируемого газа и зондирующего излучения, отличающийся тем, что в полости акустического резонатора установлен акустический излучатель.