РЕЗОНАНСНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЙ ДЕТЕКТОР
RESONANT DIFFERENTIAL OPTICAL-ACOUSTIC DETECTOR

Изобретение 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]). При нормальных условиях фоновая концентрация метана в воздухе составляет около 2 ppm [В.Н. Арефьев, P.M. Акименко, Ф.В. Кашин, Л.Б. Упэнэк, "Фоновая составляющая концентрации метана в приземном воздухе (станция мониторинга Обнинск)" // Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2015, том 51, №6, с. 1-9]. Для большинства используемых коммерческих газоанализаторов метана такой уровень чувствительности недоступен. Известен NDIR датчик метана [http://gas-sensor.ru/ndir-gas-sensor.html], который широко применяется для измерения концентрации метана в воздухе при уровне концентрации метана от 500-1000 ppm и выше. Для измерения малых концентраций метана в воздухе на уровне фоновых значений и ниже данный датчик неприменим.
Важным условием построения высокочувствительного лазерного газоанализатора является выбор оптической схемы газоанализатора, а также рабочей длины волны излучения лазера, совпадающей с одной из полос поглощения анализируемого газа.
В лазерных газоанализаторах используются как нерезонансные, так и резонансные оптико-акустические детекторы (ОАД) различных типов.
1
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 (f), модулировать мощность зондирующего излучения лазера на этой частоте и проводить измерения также на этой частоте.
1
1
1
-9
-1
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 f 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 f=v/2L, где v - 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 Вт⋅см.
1
1
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 (f) 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 f 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 f 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) предлагаемого изобретения заключается в расширении арсенала технических средств для анализа газового состава воздуха.
1
1
2
2
2
1
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 D и длиной L 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 D и длиной L, концы акустических резонаторов сообщены с буферными полостями, причем диаметр буферных полостей составляет D≥(2D+t),
где
2
D - диаметр буферных полостей;
1
D - диаметр акустических резонаторов;
t - толщина перегородки, разделяющей акустические резонаторы;
2
1
длина буферных полостей L составляет (1…1,5)×D, 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.
Предлагаемое изобретение поясняется фигурой, на которой схематически представлен заявляемый резонансный дифференциальный оптико-акустический детектор (экспериментальный образец).
1
1
2
2
2
1
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 D и длиной L 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 D и длиной L. Концы акустических резонаторов 1 и 2 сообщены с буферными полостями 3 и 4, причем диаметр буферных полостей 3 и 4 составляет D≥(2D+t),
где
2
D - диаметр буферных полостей;
1
D - диаметр акустических резонаторов;
t - толщина перегородки, разделяющей акустические резонаторы;
2
1
длина буферных полостей 3 и 4 L составляет (1…1,5)×D, 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.
1
1
1
1
При облучении одного из акустических резонаторов 1 или 2 дифференциального ОАД модулированным по мощности излучением лазера и наличии поглощения импульсов излучения газом-маркером на низшей резонансной частоте f ОАД в обоих акустических резонаторах 1 и 2 детектора 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, 125184; 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 f на длине акустических резонаторов 1, 2 укладывается половина акустической длины волны. Траектория распространения колебаний давления кольцевой акустической моды на низшей резонансной частоте f 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 и 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 f 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 3.
Промышленная применимость заявляемого резонансного дифференциального оптико-акустического детектора подтверждается изготовлением опытного образца с использованием известных микросхем.