Резонансный дифференциальный оптико-акустический детектор

Авторы патента:

G01N21/00 - Исследование или анализ материалов с помощью оптических средств, т.е. с использованием инфракрасных, видимых или ультрафиолетовых лучей (G01N 3/00-G01N 19/00 имеют преимущество; измерение механических напряжений вообще G01L 1/00; оптические элементы измерительных приборов G02B; анализ изображений путем обработки данных G06T)

Владельцы патента RU 2761906:

Шерстов Игорь Владимирович (RU)

Использование: для анализа состава газа. Сущность изобретения заключается в том, 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, при этом 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 зависит определенным образом от диаметра акустических резонаторов и толщины перегородки, разделяющей акустические резонаторы, 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. Технический результат: расширение арсенала технических средств для анализа газового состава воздуха. 1 ил.

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.

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=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 f₁ 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) предлагаемого изобретения 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 акустические резонаторы;

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.

Предлагаемое изобретение поясняется 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 акустические резонаторы;

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 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 f₁ 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 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 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 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 3.

Промышленная применимость заявляемого резонансного дифференциального оптико-акустического детектора подтверждается изготовлением опытного образца с использованием известных микросхем.

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 акустические резонаторы;

Изобретение относится к фотонике, а именно к средствам измерения химического состава веществ и/или характеристик спектров поглощения/отражения с помощью оптических методов. Датчик химического состава вещества содержит по меньшей мере один источник излучения и по меньшей мере один фотоприемник излучения, а также волновод, выполненный из монокристалла.

Устройства и способы анализа почвы in situ // 2759207

Изобретение относится к области анализа почв, в частности к техническому анализу сельскохозяйственных или садовых почв. В частности, изобретение относится к сенсорному устройству для анализа почвы in situ, способу анализа почвы in situ и устройству, настроенному для выполнения способа анализа почвы, причем указанное устройство совместно и во взаимодействии с одним или более из указанных сенсорных устройств представляет собой систему для анализа почвы in situ.

Способ измерения поля температуры в реагирующих газовых потоках на основе плоскостной лазерно-индуцированной флуоресценции гидроксильного радикала // 2758869

Изобретение относится к методам измерения мгновенного двумерного поля температуры газа при горении топлива в турбулентных потоках, имеющих место в камерах сгорания транспортных и энергетических установок. Заявлен способ измерения поля температуры в реагирующих газовых потоках на основе плоскостной лазерно-индуцированной флуоресценции гидроксильного радикала, при котором используют перестраиваемый лазер на красителе с импульсным твердотельным Nd:YAG-лазером накачки.

Устройство обнаружения биопатогенов в воздухе // 2757266

Изобретение относится к области измерительной техники и касается устройства для обнаружения биопатогенов в воздухе. Устройство содержит узел для подготовки воздуха, концентратор, оптическую камеру и источник излучения, направленный на воздушный поток внутри оптической камеры для возбуждения частиц в воздушном потоке для создания излучения флуоресценции и рассеянного частицами излучения.

Чувствительный элемент люминесцентного сенсора и способ его получения // 2757012

Изобретение может быть использовано в аналитической химии при оптическом детектировании веществ в газовых и жидких средах. Чувствительный элемент люминесцентного сенсора состоит из неорганической пористой матрицы, представляющей собой модифицированный аэросил марки А-175.

Способ обработки изображений спекл-структур от рассеянного лазерного излучения на ориентированных в магнитном поле наночастицах феррожидкости // 2756375

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и касается способа обработки изображений спекл-структур. Способ заключается в обработке изображений спекл-структур, образованных наночастицами феррожидкости, размещенной в магнитном поле, сформированных в прошедшем через ячейку с феррожидкостью или отраженном от спекл-структур лазерном излучении.

Бриллюэновский рефлектометр // 2755773

Бриллюэновский рефлектометр для измерения распределения температуры или механических напряжений по длине оптического волокна содержит импульсный лазер, связанный с чувствительным элементом в виде первого отрезка оптического волокна, первое и второе средства для организации приема обратнорассеянного излучения и фотоприемник, связанный с блоком обработки информации.

Системы и устройства для секвенирования с высокой пропускной способностью с детектированием на основе полупроводников // 2755738

Изобретение относится к биологическому или химическому анализу, а именно к системам и способам, использующим устройства детектирования для биологического или химического анализа. Устройство для определения нуклеотидных оснований в последовательности нуклеиновой кислоты содержит биодатчик и приемник, выполненный с возможностью удержания биодатчика, причем биодатчик имеет поверхность для образцов, содержащую области пикселей и содержащую множество кластеров в процессе последовательности событий анализа образцов так, что кластеры распределены неравномерно по областям пикселей, матрицу датчиков, причем каждый датчик в матрице выполнен с возможностью считывания информации из одного или более кластеров, расположенных в соответствующих областях пикселей поверхности для образцов, для формирования сигнала пикселя в событии анализа образца, причем матрица выполнена с возможностью формирования множества последовательностей сигналов пикселей, матрица имеет N активных датчиков, датчики в матрице расположены относительно поверхности для образцов, чтобы формировать соответствующие сигналы пикселей в процессе последовательности событий анализа образцов из N соответствующих областей пикселей поверхности для образцов для создания множества последовательностей сигналов пикселей, и порт связи, выполненный с возможностью вывода множества последовательностей сигналов пикселей; и процессор сигналов, соединенный с приемником и выполненный с возможностью исполнения анализа временной последовательности и пространства множества последовательностей сигналов пикселей для обнаружения схем освещения соответствующих N+М отдельных кластеров на поверхности для образцов от N активных датчиков, где М является положительным целым числом, и классификации результатов последовательности событий анализа образца для N+М отдельных кластеров и выполненный с возможностью использования множества последовательностей сигналов пикселей, снятых с группы областей пикселей, по которым неравномерно распределены по меньшей мере два кластера, для определения пространственных характеристик этих по меньшей мере двух кластеров, в том числе местоположения указанных по меньшей мере двух кластеров на поверхности для образцов, причем множество последовательностей сигналов пикселей кодирует дифференциальные помехи между по меньшей мере двумя кластерами, являющиеся результатом их неравномерного распределения по группам областей пикселей.

Устройство для выявления скрытых дефектов реставрированных деталей кузова автомобиля // 2755564

Изобретение относится к области обслуживания, содержания, ремонта легковых автомобилей и может быть использовано для обнаружения скрытых дефектов реставрированных деталей кузова. Устройство содержит осветительное устройство, воздействующее излучением на исследуемую деталь, и сопряженный с ним фотодатчик, генерирующий электрический сигнал, блок преобразования этого сигнала и блок управления и оценки качества заданного набора локальных зон.

Способ оценки состояния биоклетки // 2755401

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для визуализации биологических объектов, в частности для биологических исследований одиночной клетки и различных процессов на внутриклеточном уровне. Способ оценки состояния биоклетки путем ее визуализации включает получение конъюгата биоклетки и наночастиц сульфида кадмия путем помещения и выдержки клеточной культуры на предметном стекле в водном коллоидном растворе, содержащем наночастицы сульфида кадмия, покрытые оболочкой из динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА), извлечение предметного стекла, облучение ультрафиолетовым излучением в диапазоне длин волн 335-425 нм, регистрацию флуоресценции, получение микрофотографий и их последующую обработку с помощью стандартных программ, при этом используют коллоидный водный раствор с концентрацией наночастиц сульфида кадмия, покрытых оболочкой из динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты, равной 3,0-3,5 мМ, при этом соотношение сульфида кадмия (ядро) и динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (оболочка) равно, масс.%: сульфид кадмия - 8.78 ÷ 8.92; динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты - 91.08 ÷ 91.22.

Субстрат для усиленной поверхностью спектроскопии комбинационного рассеяния света // 2763861

Изобретение относится к области измерительной техники и касается субстрата для усиленной поверхностью спектроскопии комбинационного рассеяния света. Субстрат состоит из твердой плоской подложки, на поверхности которой иммобилизованы аффинные метки одного и более видов для связывания с аффинными группами на молекуле исследуемого образца, и слоя металла, полученного путем напыления поверх поверхности образца. Технический результат заключается в увеличении интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.