Регистрирующая кювета для фототермоакустического газоанализатора

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для количественного определения энергии падающего ИК-излучения в составе фототермоакустического газоанализатора. Кювета состоит из герметичной камеры, наполненной газом, поглощающим оптическое излучение. На противоположных торцах камеры расположены на одной оптической оси входное и выходное окна, которые наклонены к оптической оси под углом 45°. На боковой стороне камеры расположены акустически согласованные между собой излучатель и приемник ультразвуковых колебаний так, что вдоль оптической оси происходит совмещение оптического и акустического излучения. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности за счет увеличения длины оптического пути и области взаимодействия акустического и оптического лучей. 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в составе фототермоакустического газоанализатора для количественного определения энергии падающего ИК-излучения.

Известны регистрирующие кюветы, использующие эффект изменения давления заключенного в них газа при поглощении этим газом падающего на него оптического излучения (Д.Л.Бронштейн, Н.Н.Александров. Современные средства измерения загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1989, гл.3, с.147).

Основным их недостатком является низкая защищенность от влияния акустических и вибрационных помех, обусловленная использованием в качестве чувствительного элемента оптико-пневматических приемников акустического микрофона, что приводит к низкой чувствительности кювет.

Наиболее близкой по принципу действия является регистрирующая кювета в составе фототермоакустического газоанализатора (Патент РФ №2207546, бюллетень изобретений 2003, №18. фиг.1, №№4, 8).

Регистрирующая кювета для фототермоакустического газоанализатора состоит из герметичной камеры, наполненной поглощающим оптическое излучение газом. Кювета имеет входное и выходное окна для ввода и вывода оптического излучения, расположенные на одной оптической оси, на противоположных сторонах камеры, и, акустически согласованные между собой, излучатель и приемник ультразвуковых колебаний.

Основным недостатком известной кюветы, регистрирующей количество поглощенной энергии, является низкая чувствительность, обусловленная малой областью взаимодействия ультразвукового луча с областью нагрева газа, определяемой зоной поглощения оптического излучения. В свою очередь, малая зона взаимодействия обусловлена ортогональным совмещением оптического и акустического лучей. Согласно известной зависимости ослабления оптического излучения I=I₀e^-kl, величина поглощенной энергии зависит от l (длины взаимодействия оптического излучения со средой, в которой это излучение распространяется). Соответственно, в случае ортогонального совмещения эта длина ограничивается диаметром акустического луча, что свидетельствует о малой величине поглощенной энергии и, следовательно, низкой чувствительности всего устройства. Увеличение длины оптического пути за счет многократных отражений в данной кювете нецелесообразно, т.к. это приведет к увеличению оптических потерь и диссипации измеряемой температуры газа на стенки кюветы, в связи с близостью области нагрева газа со стенками.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение длины оптического пути и области взаимодействия акустического и оптического лучей при уменьшении влияния стенок кюветы. Технический результат - увеличение чувствительности патентуемой регистрирующей кюветы.

Указанный технический результат достигается тем, что так же, как и в известном устройстве, регистрирующая кювета состоит из герметичной камеры, наполненной газом, поглощающим оптическое излучение, входного и выходного окон, расположенных на одной оптической оси на противоположных торцах камеры и акустически согласованных между собой излучателя и приемника ультразвуковых колебаний.

Но в отличие от известного устройства входное и выходное окна патентуемой регистрирующей кюветы для фототермоакустического газоанализатора располагают под углом 45° к оптической оси кюветы, при этом излучатель ультразвуковых колебаний располагают таким образом, что его акустическая ось проходит через точку пересечения плоскости входного окна с оптической осью и составляет с ней угол 90°, а приемник ультразвуковых колебаний располагают таким образом, что его акустическая ось проходит через точку пересечения плоскости выходного окна с оптической осью и также составляет с ней угол 90°.

Такое взаимное расположение названных выше элементов регистрирующей кюветы обеспечивает соосное совмещение проходящих через кювету оптического и акустического излучений, что позволяет в десятки раз увеличить длину их взаимодействия одновременно с увеличением длины оптического пути, а также уменьшить потери тепла за счет влияния стенок кюветы.

На чертеже изображена блок-схема патентуемой регистрирующей кюветы для фототермоакустического газоанализатора.

Она состоит из герметичной камеры 1, входного окна 2 и выходного окна 3. Внутри кюветы находятся акустически согласованные излучатель ультразвуковых колебаний 4 и приемник ультразвуковых колебаний 5. Акустическое излучение распространяется по пути 6, оптическое излучение распространяется по пути 7, 8 - оптическая ось устройства.

Кювета для фототермоакустического газоанализатора работает следующим образом. Оптическое излучение 7, в спектре которого имеются составляющие, совпадающие со спектральными полосами поглощения газа, находящегося внутри камеры 1, проходя вдоль оптической оси 8 через входное окно 2, к выходному окну 3, вызывает нагрев этого газа. Одновременно с этим акустический излучатель 4 возбуждает ультразвуковые колебания, распространяющиеся через газовую среду внутри кюветы к приемнику 5 вдоль направления 6 (согласно Фиг.).

Благодаря известной зависимости скорости распространения акустического колебания С в газовой среде от температуры среды Т: (где К - коэффициент пропорциональности, зависящий от сорта газа, его давления и являющийся в данном случае константой), время прихода ультразвукового колебания на акустический приемник 5 будет изменяться в зависимости от величины падающего оптического излучения.

Заявленный технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа данная кювета для фототермоакустического газоанализатора имеет максимальное совмещение акустического и оптического лучей, что делает возможным наиболее эффективно использовать падающую энергию оптического излучения и, следовательно, регистрировать меньшие значения этой энергии.

Регистрирующая кювета для фототермоакустического газоанализатора, состоящая из герметичной камеры, наполненной поглощающим оптическое излучение газом, входного и выходного окон, расположенных на одной оптической оси на противоположных торцах камеры и акустически согласованных между собой излучателя и приемника ультразвуковых колебаний, отличающаяся тем, что входное и выходное окна расположены под углом 45° к оптической оси кюветы, при этом излучатель ультразвуковых колебаний расположен так, что его акустическая ось проходит через точку пересечения плоскости входного окна с оптической осью и составляет с ней угол 90°, а приемник ультразвуковых колебаний расположен так, что находится с излучателем по одну сторону от оптической оси и его акустическая ось проходит через точку пересечения плоскости выходного окна с оптической осью и также составляет с ней угол 90°.