Устройство для измерения времени релаксации в газообразных средах

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 21!61

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ю

О

00 (21) 3574081/25 (22) 06.04,83 (46) 15.09.92. Бюл. N. 34 (71) Институт оптики атмосферы СО АН

СССР (72) С.Ю.Нечаев и Ю,Н,Пономарев (56) Гуляева Т.М., Домина П.И. Интерпретация оптико-акустических измерений времен колебательной релаксации молекулы СО, Оптика и спектроскопия, 1975, т. 39, М 1, с.

198-200.

Антипов А.Б. идр. Определение времени колебательно-поступательной релакса ции в газах по зависимости чувствительности спектрофона от давления. — Оптика и спектроскопия, 1980, т. 49, N 1. с. 53-55. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ВРЕМЕНИ РЕЛАКСАЦИИ В ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕДАХ, содержащее последовательИзобретение относится к молекулярной физике и спектроскопии и может быть использовано для определения скоростей и констант колебательно-поступательного и электронно-поступательного обмена энергией в газообразных средах.

Известны оптико-акустические устройства для измерения времени колебательновращательной релаксации (тут) в газообразной среде. Имеется устройство для измерения т т по фазовому сдвигу между световым сигналом и акустической волной в замкнутом объеме. Устройство включает источник оптического излучения, систему регистрации импульса света, оптико-акустический приемник (ОАП), систему измерения смещения фаз сигналов источни„,5U 1126078 А1 но расположенные источник оптического излучения; оптико-акустический приемник, вакуумную систему для приготовления, регулирования и измерения давления газа, о тл и ч а ю щ е е с.я тем; что, с целью увеличения точности измерений и расширения диапазона измерений, устройство дополнительно содержит второй оптико-акустический приемник с радиусом ячейки. отличающимся от радиуса ячейки первого оптико-акустического приемника в 3 — 5 раз, и измеритель отношения сигналов двух приемников, второй оптико-акустический приемник установлен по ходу луча последовательно за первым оптико-акустическим приемником и связан с ним газопроводом, присоединенным ) к вакуумной системе, причем оба оптико-акустических приемника связаны с измерителем. отношения. кэ и ОАП, систему регулирования и измерения параметров исследуемой среды, Недостаток устройства — сравнительно большая инерционность ОАП, не позволяющая измерять vT «1 мс.

Ближайшим техническим решением является устройство для измерения времени релаксации в газообразных средах, содержащее последовательно расположенные источник оптического излучения, оптикоакустический приемник, вакуумную систему для приготовления, регулирования и измерения давления газа.

Недостатки устройства связаны вопервых, с использованием многоходовой вакуумной кюветы, так кэк это не позволяет измерять коэффициенты поглощения сла;

1126078

20

40

50

55 бых линий и, тем самым, гл для слабых линий: во-вторых, с проведением измерений при разных давлениях, в результате чего точность снижается из-за изменения механических свойств мембраны оптикоакустического приемника.

Цель изобретения — увеличение точности измерений и расширения диапазона измерений.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения времени релаксации в газообразных средах, содержащее последовательно расположенные источник оптического излучения, оптико-акустический приемник, вакуумную систему для приготовления, регулирования и измерения давления газа, дополнительно содержит второй оптико-акустический приемник с ра-. диусом ячейки, отличающимся от радиуса ячейки первого оптико-акустического приемника в 3 — 5 раз. и измеритель отношения сигналов двух приемников, второй оптикоакустический приемник установлен по ходу луча последовательно за первым оптикоакустическим приемником и связан с ним газопроводом, присоединенным к вакуумной системе, причем оба оптико-акустических приемника связаны с измерителем отношения.

Схема устройства представлена на чертеже. Устройство имеет источник оптического излучения 1, на его оптической оси установлены оптико-акустические приемника 2 и 3, имеющие различные радиусы ячеек.

Вакуумная система 4 соединена с ячейками оптико-акустических приемников общим газопроводом так, что давление и состав газа в них одинаковы. Измеритель отношения 5 электрических сигналов присоединен к микрофонам ОАПов.

После включения источника оптического излучения 1 излучение проходит последовательно через ОАПы. вызывая в их ячейках скачок давления, регистрирующийся микрофонами ОАПов. В случае полной трансформации поглощенной энергии в акустическую волну сигналы в обоих ОАПах, приведенные к единице объема ячейки, будут одинаковы, При снижении давления часть энергии эа счет диффузии возбуждения передается стенкам ячеек, ослабляя тем самым акустическую волну. Конкуренция дезактивации за счет диффузии и за счет возбуждения акустической волны различна для ячеек разного радиуса, в результате чего сигналы ОАПов, нормированные на единицу объема, становятся существенно . различными. Измеритель отношения 5 сравнивает электрические выходные сигналы ОАПов и выдает их отношение. которое используется при расчете AT по формуле

Р 1У тчт

24 Dî,(1 — )

02. где P — давление, мм рт.ст.;

D0 — табличный коэффициент диффузии при P = 1 мм рт ст.;

01/U2 — отношение электрических сигналов первого и второго ОАПов соответственно;

r1, r2 — радиусы ячеек ОАПов.

Общая вероятность релаксации 1/х (r) может быть записана в виде

1 1

= — + (2)

7 (г) Рlт диф

Здесь т (r) — время релаксации излучения, зависящее от радиуса ячейки r ОАП; тдиф (г) — время дезактивации за счет диффузии. Обозначим через T (r1), r(r2) время релаксации излучения для ОАП с радиусами

Ячеек r1 и r2; гдиф (r1), тдиф (r2) — вРемЯ дезактивации за счет диффузии для ОАП с радиусами ячеек г1 и r2.

Максимальная точность при измерениях достигается в условиях

Р/Т = Тдиф (г2), AT Тдиф (г1) °

Поскольку обычная точность оптико-акустических измерений составляет величину

-10%, то

10 AT + диф (г1), (3) что приводит к необходимости выполнения условия

10 диф (г2) < адис (г1) (4)

Поскольку тдиф (г1) -г1, то удовлетворительным соотношением радиусов ячеек можно принять следующее:

5 r2 г1 > Зг2 (5)

Увеличение соотношения радиусов ячеек более чем в 5 раз ведет к увеличению акустических шумов. Уменьшение соотношения радиусов до 3 ограничивает динамический диапазон. отодвигая ту границу давлений газа, при которой сигналы ОАПов, нормированные на квадрат радиусов ячеек. будут различаться в г1ределах погрешности эксперимента на величину, выходящую за пределы погрешности измерения.

Формула (1) выведена при условии

r2» R где R — радиус поперечного сечения пучка лучей от источника оптического излучения 1.

При R = 1 мм, г2 = 10 мм, r1 = 30 мм оптико-акустические приемники вполне работоспособны и могут давать достаточный сигнал при работе с линиями поглощения излучения с коэффициентами поглощения

-8 10 - 10 см-1 что с многоходовыми вакуум1126078

Составитель

Редактор Е,Гиринская Техред М.Моргентал Корректор М.Шароши

Заказ 4062 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ. СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушскэя наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 ными кюветами требует нереальных длин пути (10 — 100 км).

Поскольку в формуле (1) используется отношение электрических сигналов первого и второго ОАП И /И2, то влияние изменения 5 упругости мембран исключается, если они подобраны одинаковыми.

Изобретение может быть использовано при измерении характеристик слабых линий поглощения для спектроскопических задач при научных исследованиях, а также в практике контроля загрязнения природной среды с помощью оптических методов.