Оптико-акустический газоанализатор

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси Белорусский государственный университет(72) Авторы Старовойтов Владимир Сергеевич Горелик Александр Владимирович Фираго Владимир Александрович Никонович Федор Никифорович Казак Николай Станиславович Стецик Виктор Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси Белорусский государственный университет(57) Оптико-акустический газоанализатор, содержащий источник зондирующего излучения в виде лазера, генерирующего узконаправленное линейно-поляризованное излучение камеру, образованную боковыми стенками с внутренней поверхностью цилиндрической формы и торцевыми стенками, внутренняя поверхность которых плоская, содержащую входное и выходное оптические окна, изготовленные в виде плоскопараллельных пластин,составляющих часть внутренней полости камеры, и расположенные на торцевых стенках камеры два газопроводных канала, расположенные в боковых стенках камеры микрофон,отличающийся тем, что ось внутренней цилиндрической поверхности камеры совмещаема 13951 1 2010.12.30 с оптической осью лазерного луча, оптические окна камеры ориентированы параллельно друг относительно друга таким образом, что нормали к внутренним плоским поверхностям окон составляют угол, близкий к углу Брюстера по отношению к оси внутренней цилиндрической поверхности камеры, микрофон расположен в боковой стенке камеры вблизи одной из трех областей пучности стоячей волны, разделенных двумя непересекающимися между собой узловыми поверхностями стоячей волны, которые имеют пересечение с самой длинной диагональю внутренней полости камеры, точка пересечения внутренней плоской поверхности окна с осью внутренней цилиндрической поверхности камеры расположена вблизи точки соприкосновения внутренней плоской поверхности окна с узловой поверхностью стоячей волны, место соединения с внутренней полостью камеры для каждого из газопроводных каналов расположено вблизи точки соприкосновения внутренней поверхности камеры с плоскостью, задаваемой оптической осью и нормалью к внутренним плоским поверхностям окон, и каждой узловой поверхностью стоячей волны для второй акустической моды камеры. Изобретение относится к области контроля состава газовых смесей оптико-акустическим способом и может использоваться в устройствах непрерывного локального определения содержания различных химических соединений в газообразных средах, используемых в промышленных технологических процессах, медицине, биологии, экологии и лазерной спектроскопии. Оптико-акустический газоанализатор предназначен для определения содержания заданного вещества в газовой среде при концентрации определяемого вещества вплоть до 10-10 об. . Принцип действия оптико-акустического газоанализатора основан на определении амплитуды и фазы акустических колебаний давления газа, возникающих при поглощении модулированного излучения молекулами газа внутри специально сконструированной камеры 1, 2. Газоанализатор включает три основные функциональные части источник модулированного зондирующего излучения, оптико-акустическую камеру и микрофон. Источник излучения подбирается таким образом, чтобы длина волны излучения находилась в резонансе по отношению к спектральной линии поглощения для заданного вещества. Зондирующее излучение пропускается через камеру, которая содержит анализируемую газообразную среду. Оптические окна камеры, через которые пропускается излучение, изготавливаются из прозрачного для излучения материала и располагаются на стенках камеры. Микрофон, встроенный в одну из стенок камеры, преобразует звуковые колебания, возникающие внутри камеры при поглощении излучения, в переменный электрический сигнал. По амплитуде электрического сигнала, генерируемого микрофоном на частоте модуляции зондирующего излучения, вычисляют концентрацию молекул определяемого химического соединения. Общими требованиями, предъявляемыми к устройству,являются высокая пороговая чувствительность, компактность устройства и возможность проводить непрерывный оперативный анализ газовой среды. Достижение высокой пороговой чувствительности для данного устройства выполняется посредством минимизации паразитных сигналов, не связанных с резонансным поглощением излучения молекулами определяемого химического соединения. К этим сигналам относятся 1 неоптические помехи и оптические (фоновые) сигналы. Эффективный подход к уменьшению негативного влияния неоптических помех на работу устройства связан, прежде всего, с использованием лазера, генерирующего узконаправленное линейно-поляризованное излучение малого поперечного сечения (т.е. лазерный луч) в узком спектральном интервале длин волн инфракрасной области спектра, в качестве источника зондирующего излучения для устройства. Кроме того, влияние неоптических помех на работу устройства существенно минимизируется прииспользовании резонансного режима детектирования оптико-акустических сигналов, когда частота моду 2 13951 1 2010.12.30 ляции излучения находится в резонансе с одной из частот собственных акустических колебаний камеры 1, 3. При резонансном режиме акустические колебания, вызванные поглощением зондирующего излучения внутри камеры-резонатора, инициируются в виде стоячей акустической волны. Пространственное распределение стоячей волны характеризуется устойчивыми областями пространства, где амплитуда волны имеет максимум (область пучности волны) или близка к 0 (узел волны). При использовании резонансного режима микрофон должен быть расположен в непосредственной близости от пучности стоячей волны, отвечающей выбранной акустической моде камеры-резонатора. Подавление фонового акустического сигнала, возникающего за счет поглощения излучения в окнах и последующего локального нагрева материала окон, может быть обеспечено за счет конструкционных особенностей камеры, при которых узлы данной стоячей волны находятся в непосредственной близости от внутренней поверхности окон камеры 1. Конструкция камеры должна обеспечивать также минимизацию паразитного отражения зондирующего излучения от окон камеры и защиту от внешнего акустического шума, проникающего внутрь камеры через отверстия для впуска и выпуска анализируемого газа. Известно устройство, сочетающее перечисленные конструкционные особенности. Этим устройством является оптико-акустический газоанализатор, включающий камеру Н-типа 3. В качестве источника излучения применяется лазер, генерирующий узконаправленное линейно-поляризованное излучение (т.е. лазерный луч) в средней инфракрасной области. Для подавления оптического фона, вызванного паразитным отражением лазерного луча от окон камеры, ввод излучения в камеру производится под углом Брюстера по отношению к окнам. Модуляция излучения в этом устройстве осуществляется с частотой, находящейся в резонансе с собственной частотой продольных колебаний полостирезонатора, симметричных по отношению к микрофону, расположенному в отверстии поблизости от центра полости-резонатора. Расположение широкоапертурных буферных полостей между окнами и специальной полостью, используемой в качестве акустического резонатора, приводит к снижению влияния фонового сигнала, обусловленного поглощением излучения в окнах камеры. Внешние акустические шумы, проникающие внутрь камеры через отверстия в стенках камеры для впуска и выпуска анализируемого газа,гасятся на заданной акустической частоте при помощи акустических режекторных фильтров 3. К недостаткам этого устройства можно отнести усложненность конструкции и большой объем внутренней полости камеры, что ограничивает ее применение в задачах детектирования малых газовых потоков. Решением, наиболее близким по технической сущности к заявляемому, является устройство (оптико-акустический газоанализатор) 4, содержащее источник зондирующего излучения, камеру и микрофон. Источник зондирующего излучения является лазером,генерирующим узконаправленное линейно-поляризованное излучение. Излучение модулируется с частотой, резонансной по отношению к выбранной акустической моде камеры. Излучение пропускается через камеру. Камера образована боковыми стенками с внутренней поверхностью цилиндрической формы и торцевыми стенками, внутренняя поверхность которых плоская. Камера содержит входное и выходное оптические окна, через которые пропускается излучение. Окна изготовлены в виде плоскопараллельных пластин. Внутренние поверхности окон составляют часть внутренней полости камеры и ориентированы параллельно друг относительно друга. Окна расположены на торцевых стенках камеры. Нормали к внутренним поверхностям окон находятся под углом, близким к углу Брюстера по отношению к направлению распространения излучения внутри камеры. Точки пересечения внутренней поверхности окон с оптической осью, задающей оптический путь для излучения внутри камеры, находятся поблизости от области узлов для стоячей волны, отвечающей заданной моде акустических колебаний камеры. Камера содержит газопроводный канал, предназначенный для впуска и выпуска исследуемой газовой среды 3 13951 1 2010.12.30 внутрь камеры. Место соединения канала с внутренней полостью камеры расположено вблизи линии соприкосновения внутренней поверхности камеры с областью узлов для стоячей волны, отвечающей заданной моде акустических колебаний камеры. Микрофон расположен в непосредственной близости от пучности стоячей волны, отвечающей заданной моде акустических колебаний камеры. Достоинствами этого устройства являются простота конструкции и высокая пороговая чувствительность, обусловленная низким уровнем фоновых сигналов от окон. Геометрическая форма для внутренней полости камеры является цилиндром, торцевые стенки которого расположены перпендикулярно по отношению к оси цилиндрической симметрии. Модуляция излучения в этом устройстве осуществляется с частотой, резонансной по отношению к собственной частоте первой низколежащей радиальной моды 1 акустических колебаний полости-цилиндра. Длина и радиус полости-цилиндра, а также положение входного и выходного окна камеры на торцевой стенке камеры выбраны таким образом,что центры внутренних поверхностей окон совмещены с областью узлов для стоячей волны,отвечающей акустической моде 1. Микрофон установлен в отверстии, сделанном в одной из торцевых стенок камеры на оси цилиндра, совпадающей с линией пучности для моды 1. Это устройство обладает существенными недостатками. Во-первых, оптическая ось зондирующего луча внутри камеры (линия, которая задает положение оптического пути для зондирующего луча в камере) пересекается с осью цилиндра под углом, близким к углу Брюстера . Как результат, объем внутренней полости камеры велик, что существенно ограничивает применение устройства в задачах детектирования малых газовых потоков. Второй недостаток устройства связан с отсутствием возможности выполнять непрерывную прокачку анализируемой газовой среды, что существенно затрудняет решение задач,предполагающих непрерывный контроль состава газовых сред. Камера имеет только один газопроводной канал, который используется для попеременного впуска и выпуска анализируемого газа внутрь камеры. Место соединения канала с внутренней полостью камеры совпадает с местом пересечения торцевой стенки цилиндра с поверхностью узлов моды 1,что минимизирует вредное влияние отверстия на добротность акустического резонанса вблизи моды 1. В связи с отсутствием возможности выполнять непрерывную прокачку газа, защита устройства от проникновения внешнего акустического шума внутрь камеры отсутствует. Задачей изобретения является создание миниатюрного высокочувствительного оптикоакустического газоанализатора, предназначенного для непрерывного оперативного контроля газовых сред. Указанная задача решается следующим образом. В оптико-акустическом газоанализаторе, содержащим источник зондирующего излучения в виде лазера, генерирующего узконаправленное линейно-поляризованное излучение, камеру, образованную боковыми стенками с внутренней поверхностью цилиндрической формы и торцевыми стенками, внутренняя поверхность которых плоская, содержащую входное и выходное оптические окна, изготовленные в виде плоскопараллельных пластин, составляющих часть внутренней полости камеры, и расположенные на торцевых стенках камеры, два газопроводных канала, расположенные в боковых стенках камеры, микрофон, ось внутренней поверхности камеры совмещена с оптической осью лазерного луча, оптические окна камеры ориентированы параллельно друг относительно друга таким образом, что нормали к внутренним плоским поверхностям окон составляют угол, близкий к углу Брюстера по отношению к оси внутренней цилиндрической поверхности камеры, микрофон расположен в боковой стенке камеры вблизи одной из трех областей пучности стоячей волны, разделенных двумя непересекающимися между собой узловыми поверхностями стоячей волны, которые имеют пересечение с самой длинной диагональю внутренней полости камеры, точка пересечения внутренней плоской поверхности окна с осью внутренней цилиндрической камеры расположена вблизи точки соприкосновения внутренней плоской поверхности окна с уз 4 13951 1 2010.12.30 ловой поверхностью стоячей волны, место соединения с внутренней полостью камеры для каждого из газопроводных каналов расположено вблизи точки соприкосновения внутренней поверхности камеры с плоскостью, задаваемой оптической осью и нормалью к внутренним плоским поверхностям окон, и каждой узловой поверхностью стоячей волны для второй акустической моды камеры. Свойство, появляющееся у заявляемого технического решения, - повышение пороговой чувствительности оптико-акустического газоанализатора за счет ослабления влияния паразитных сигналов (акустического шума, внешнего по отношению к камере, и оптического фона, возникающего за счет поглощения излучения и локального нагрева окон и стенок камеры) на стоячую акустическую волну, амплитуда которой регистрируется микрофоном. Это повышение реализуется при модуляции излучения с частотой, резонансной по отношению к заданной акустической моде внутренней полости. Такое решение позволяет уменьшить объем камеры до нескольких десятков кубических миллиметров и обеспечить непрерывный контроль малых газовых потоков. Сущность изобретения поясняют фиг. 1-3. На фиг. 1 показано сечение камеры на плоскости. На фиг. 2 показана зависимость амплитуды оптико-акустического сигнала от частоты модуляции. На фиг. 3 показаны погрешностив зависимости от частоты акустических колебанийв диапазоне частот от 0 до 22 кГц при двух различных уровнях внешнего акустического шума. Схема заявляемого устройства приведена на фиг. 1 в виде сечения на плоскости. Устройство содержит лазер 1, камеру 2 и микрофон 3. Лазер 1 генерирует узконаправленное линейно-поляризованное излучение в виде лазерного луча 4. Камера 2 образована боковыми стенками 5 камеры с внутренней поверхностью цилиндрической формы,срезанной под углом, близким к углу Брюстера , и окнами 6, наклоненными под углом Брюстерак оптической оси 7 камеры 2. Окна 6 изготовлены из прозрачного для излучения материала в виде плоскопараллельных пластин и расположены параллельно друг относительно друга. Камера похожа на кольцо ( - ширина кольца,- диаметр внутренней цилиндрической поверхности), наклоненное к лазерному лучу под углом Брюстера . Поэтому сечение для внутренней поверхности камеры отображено на фиг. 1 в виде параллелограмма с самой длинной диагональю 8 для внутренней полости камеры. Диаметрдолжен быть выбран существенно большим по отношению к диаметру поперечного сечения лазерного луча. Лазерный луч 4 направлен точно по оси камеры 9 (т.е. по оси цилиндрической симметрии для внутренней поверхности боковых стенок камеры). Модуляция излучения выполняется с частотой 2, резонансной по отношению ко второй низкочастотной акустической моде камеры 2, пространственное распределение амплитуды стоячей волны для которой отображено на фиг. 1 в виде затемнения для внутренней полости камеры. Стоячая волна моды 2 образует три неперекрывающиеся между собой области пучностей 10 и 11, разделенные двумя непересекающимися между собой узловыми поверхностями 12. Поверхности 12 имеют пересечение с диагональю 8. Точка 13, отображающая пересечение внутренней поверхности окна 6 с оптической осью 7, находится поблизости от места соприкосновения внутренней поверхности окна с узловой поверхностью 12. Камера 2 имеет два газопроводных канала 14, предназначенных для непрерывного впуска и выпуска исследуемой газовой среды. Каналы расположены в боковых стенках 5 камеры 2. Точки 15 отображают места соединения с внутренней полостью камеры для каждого из каналов. Каждая точка расположена вблизи точки соприкосновения между внутренней поверхностью камеры, плоскостью, задаваемой оптической осью 7 и нормалью к внутренним плоским поверхностям окна 6, и узловой поверхностью 12 акустической моды 2. Диаметр поперечного сечения газопроводных каналов 14 в точках 15 должен быть значительно меньше в сравнении с используемыми параметрами ( - ширина кольца,- диа 5 13951 1 2010.12.30 метр), задающими размеры внутренней полости камеры. Миниатюрный микрофон 3 может быть расположен вблизи одной из трех областей пучности 10 и 11, находящихся в средней части или в острых углах камеры. Поскольку амплитуда стоячей волны в пучностях 10, находящихся в углах камеры, более чем в два раза (монохромная шкала на фиг. 1) превышает амплитуду волны в пучности 11, расположенной в середине камеры, микрофон располагается в отверстии, которое высверлено в боковой стенке 5 камеры 2 поблизости от одного из острых углов камеры. Диаметр поперечного сечения отверстия для микрофона намного меньше в сравнении с параметрамии . Устройство функционирует следующим образом. Проходящий поток модулированного линейно поляризованного излучения коллимируют и минимизируют его поперечное сечение таким образом, что диаметр поперечного сечения потока является пренебрежимо малым в сравнении с диаметром внутренней полости камеры . Поток направляют в камеру точно по оси 9 камеры 2. Используется камера, для которой поперечные размеры мембраны микрофона и мест соединения газопроводных каналов с внутренней полостью в точках 15 значительно меньше по отношению к размерам камеры (ширинеи диаметру). Камера ориентирована относительно потока таким образом, что плоскость, образованная оптической осью камеры и нормалью к внутренней поверхности окон, совпадает с плоскостью поляризации излучения. Данная ориентация устраняет проявление сигналов,связанных с нежелательным отражением лазерного луча от поверхностей окон внутри камеры. Поток излучения резонансно поглощается молекулами заданного химического соединения, составляющими примесь в газовой среде, прокачиваемой через камеру. При этом энергия их колебательно-вращательного движения увеличивается. В процессе дальнейших столкновений возбужденных молекул с окружающими молекулами происходит безызлучательное перераспределение поглощенной энергии между молекулами и различными степенями молекулярного движения. В результате перераспределения происходит перенос поглощенной энергии в поступательные степени свободы, что приводит к локальному повышению температуры газовой среды и, соответственно, давления. При периодической модуляции излучения с частотойв среде возникают звуковые колебания той же частоты. Приближение частоты модуляции излучения к резонансу с одной из частот собственных акустических колебаний камеры приводит к формированию стоячей волны. Пространственное распределение для стоячей волны моды 2 представлено собственной функцией акустических колебаний 2, зависящей от координат. Это означает, что амплитуда стоячей волны задается величиной 2, а фаза находится в виде функции (2),которая может принимать одно из двух значений (1 или -1). Согласно теоретической оценке 5, зависимость амплитуды акустического отклика газ, генерируемого в результате поглощения излучения молекулами выбранного вещества и детектируемого микрофоном в камере, от пространственного распределения стоячей волны моды 2 определяется в виде(11) Здесь- координатная ось, совпадающая с оптической осью 2 и 2 соответствуют значениям собственной функции акустических колебаний вблизи микрофона и в центральной области пучности 11. Зависимость амплитуды акустического сигнала окн,возникающего из-за поглощения излучения в окнах камеры и локального нагрева внутренней поверхности окон, от положения окон в пространстве дается выражением(2) окн 222(13),(13) где величина 2 - значение собственной функции акустических колебаний в точке 13,отображающей пересечение внутренней поверхности окна 6 с оптической осью 7. Амплитуда акустического шума шум, проникающего в камеру по газопроводным каналам 14 извне, оценивается в виде 13951 1 2010.12.30 Величина 2(13) отвечает значениям собственной функции акустических колебаний в точке 15,определяющей место соединения канала 14 с внутренней полостью камеры. Конструкция камеры предполагает, что точки 13, соответствующие пересечению внутренней поверхности окон с оптической осью 7, а также места (точки 15) соединения газопроводных каналов с внутренней полостью камеры находятся поблизости от узловых поверхностей 12. Это означает, что значения величин 2(13) и 2(15) близки к 0. Кроме того,данная конструкция обеспечивает оптимальное перекрытие лазерного луча со стоячей волной моды 2, при котором излучение поглощается молекулами, расположенными в центральной области пучностей. Это означает, что интеграл 2 имеет определенное ненулевое значение, примерно равное 2(11)/. Следовательно, конструкция камеры предполагает выполнение соотношений вида(6) шум/газ(22) /2 1. Таким образом, конструктивные особенности предлагаемого устройства предполагают повышение пороговой чувствительности за счет подавления фонового сигнала от окон и минимизации влияния внешнего акустического шума. Это повышение должно быть реализовано при модуляции излучения на частотах, резонансных по отношению к акустической моде 2. Изготовлен опытный образец оптико-акустического анализатора согласно заявляемому изобретению. Параметры, определяющие характерные размеры камеры (ширина кольцаи диаметр внутреннего поперечного сечения ) подобраны таким образом, чтобы удовлетворять требованиям заявляемого изобретения. Подбор этих параметров выполнен путем численного моделирования акустических свойств камеры. Окна камеры сделаны из поликристаллического . Внутренний объем камеры 0,5 см 3, диаметр внутреннего сечения 8 мм. Длина оптического пути внутри камеры 1 см. Для детектирования акустических сигналов используется миниатюрный конденсаторный микрофон, соединенный с внутренней полостью камеры через отверстие диаметром 0,7 мм и глубиной 1 мм. Диаметр газопроводных каналов в точках 15 составляет величину 0,3 мм. Согласно результатам численного моделирования для данной камеры, в диапазоне частот модуляции от 0 до 20 кГц можно наблюдать 3 акустических резонанса (вблизи 18,1 кГц, 214,2 кГц и 319,2 кГц), обусловленных модами 1, 2 и 3. Для демонстрации преимуществ, связанных с применением подобного устройства для газового анализа, проведен эксперимент. В эксперименте выполнено детектирование полезного и фонового акустических сигналов, регистрируемых микрофоном камеры, на индивидуальных линиях генерации СО 2-лазера. Мы анализируем соотношение между этими сигналами и шумом микрофона в зависимости от частоты модуляции . В качестве полезного сигнала принимается сигнал, формируемый в результате поглощения аммиаком (3 в потоке 2) излучения, генерируемого лазером на линии колебательно-вращательного перехода 9(30) полосы 000-1000,0200 молекулы 12 С 16 О 2. Коэффициент поглощениядля аммиака на этой линии при атмосферном давлении составляет величину 73,9 см-1 атм-1. Столь сильное поглощение подразумевает, что сигнал, детектируемый на данной линии, может быть принят как полезный оптико-акустический отклик от анализируемого газа при условии, что концентрация аммиака в азоте составляет величину не ниже чем 1 . Все измерения в эксперименте выполнены при содержании аммиака в потоке азота от 5 до 15 . Фоновые сигналы и шум детектируются микрофоном путем измерений на лазерной линии 9(24) той же полосы (- линия). Резонансное поглощение аммиака на этой линии пренебрежимо мало (0,001 см-1 атм-1) для того, чтобы оказывать какоелибо заметное влияние на детектируемый сигнал в рассмотренном диапазоне концентраций аммиака. Скорость газового потока, пропускаемого через камеру, поддерживается ав 7 13951 1 2010.12.30 томатически на постоянном уровне таким образом, чтобы обеспечивать полное обновление газа внутри камеры за время не более чем 1 с. Давление и температура в камере принимаются близкими к атмосферному давлению и температуре в лаборатории (750 торр и 22 С). При отсутствии аммиака в потоке - и - оптико-акустические отклики идентичны. Анализируем измеренную зависимость амплитуды и фазы от частоты модуляциив диапазоне от 1 до 20 кГц для - и - сигналов. Результаты измерений отображены на фиг. 2, где амплитуда детектируемого сигнала приведена в вольтах. - сигналполучен при концентрации аммиака в потоке азота 13,6 и мощности излучения 66 мВт. - сигнал получен при мощности излучения 130 мВт. Время усреднения для каждой измеренной точки зависимости равно 0,13 с. При наличии аммиака в потоке эта зависимость, как отображено на фиг. 2, демонстрирует различное поведение для - и- сигналов при изменении частоты модуляции. Добавление аммиака в поток при- измерениях приводит к росту амплитуды детектируемого сигнала и существенной трансформации зависимости амплитуды от частоты. Для - сигнала отчетливо наблюдаются резонансные пики, когда частота модуляцииблизка к 1, 2 или 3. Отметим, что величина добротности 212,3 (22/,- ширина резонансного пика на полувысоте) для акустического резонанса вблизи 2 заметно выше по сравнению с соответствующим параметром 14,6 для резонансного пика вблизи 1. Улучшение резонансных свойств полезного сигнала вблизи 2 объясняется тем, что впускное и выпускное отверстия для прокачки газа располагаются в местах соприкосновения внутренней поверхности камеры с поверхностью узлов 2. Независимо от концентрации аммиака в потоке, зависимость амплитуды от частоты модуляции для - сигнала остается неизменной. В отличие от - сигнала,зависимость проявляет только два резонансных пика. Это акустические резонансы вблизи частот 1 или 3. Мы связываем проявление этих резонансов с фоновым оптикоакустическим сигналом от окон камеры. В то же время резонанс в окрестности 2 не наблюдается. Более того, при 2 - сигнал сильно зашумлен, а его амплитуда имеет минимальное значение, сравнимое по величине со среднеквадратической погрешностью его определения. Эти значение и погрешность не зависят от уровня мощности излучения и могут быть определены для акустических сигналов в отсутствие лазерного луча. Детальный анализ - сигнала показывает, что при 2 фаза сигнала может быть представлена в виде величины, изменяющейся случайным образом со временем в диапазоне значений от 0 до 2. Это означает, что при 2 амплитуда фонового сигнала от окон камеры пренебрежимо мала по сравнению с шумом микрофона. Таким образом,эксперимент свидетельствует, что надлежащий выбор параметров, определяющих геометрическую форму для внутренней поверхности камеры, может приводить к существенному улучшению резонансных свойств камеры и сокращению фоновых сигналов от окон камеры применительно к акустической моде 2. Минимальная погрешность измерений достигается для частот модуляции 2 и ограничивается среднеквадратическим отклонением от среднего, обусловленным акустическим и электрическим шумами микрофона. Негативное влияние внешнего акустического шума на измерения, выполняемые заявляемым устройством, проявляется в виде возрастания погрешности, вносимой в измерения стохастической составляющей детектируемого сигнала. Это возрастание не зависит от мощности зондирующего излучения, но может зависеть от частоты, на которой выполняется модуляция излучения. Для оценки взаимосвязи между погрешностью измерений и внешним шумом мы выполнили эксперимент по детектированию акустических сигналов,возникающих внутри камеры в отсутствии зондирующего излучения при различных уровнях внешнего шума. Камера была помещена в капсулу, обеспечивающую надежную акустическую изоляцию от шума, производимого в лабораторном помещении. Конструкция 8 13951 1 2010.12.30 капсулы допускала связь внутренней полости камеры с внешним миром лишь через газопроводные каналы 14. Поблизости от места соединения одного из каналов с внешним миром (т.е. от места, предназначенного для всасывания исследуемой газовой среды) располагался источник акустического шума. В качестве исследуемой газовой среды, наполняющей внутреннюю полость камеры, использовался воздух. В эксперименте определена погрешностьопределения сигналов, регистрируемых микрофоном устройства, в зависимости от частоты акустических колебанийв диапазоне частот от 0 до 22 кГц. Погрешность определяется в виде среднеквадратичного отклоненияот среднего для Фурье-образадетектируемого акустического сигнала(7)( -)1/2. Величинаопределяется с помощью процедуры быстрого Фурье-преобразования, выполненного над временной последовательностью выборок сигнала , регистрируемого микрофоном на протяжении заданного промежутка времени . Обозначениесоответствует усреднению величин по ансамблю выборок. Результаты определения погрешностив зависимости от частоты акустических колебанийв диапазоне частот от 0 до 22 кГц при двух различных уровнях внешнего акустического шума приведены на фиг. 3. При отсутствии внешнего шума (источник акустического шума выключен, газопроводные каналы 14 заглушены) погрешность(представлена на фиг. 3, линия 1) является величиной, слабо зависимой от частоты . Значениянаходятся в диапазоне от 10-7 до 410-7 В. Слабая резонансная зависимость отнаблюдается для частот, близких к собственным частотам акустических мод камеры 1, 2 и 3. Характер полученной частотной зависимости длясвидетельствует, что источником погрешности измерений для полностью акустически изолированной камеры являются электрические шумы микрофона и флуктуации давления газа внутри камеры. При наличии внешнего акустического шума (источник акустического шума выключен, газопроводные каналы 14 открыты и обеспечивают прокачку лабораторного воздуха со скоростью потока, при которой происходит полное обновление газа внутри камеры за время не более чем 1 с) зависимость погрешности от частоты существенно меняется (представлена на фиг. 3, линия 2). Наиболее восприимчивыми к действию внешнего шума являются частотные области, ответственные за наличие акустического резонанса. Для этих областей рост внешнего акустического шума может приводить к значительному увеличению погрешности измерений. Так, например, в наибольшей мере внешний шум проявляется для интервала низких частот (частоты от 0 до 2 кГц), отвечающих за нулевую моду акустических колебаний, собственная частота которой равна нулю. Заметное увеличение величиныс шумом наблюдается и для частот, резонансных по отношению к модам 1 и 3. В то же время рост погрешности измерений в области частот резонансных по отношению 2 не наблюдается. В окрестности 2 величинане зависит от уровня приложенного внешнего шума и не превышает значение 210-7 В. Таким образом, совмещение узлов акустической моды 2 с местом соединений газопроводных каналов позволяет значительно минимизировать негативное влияние внешнего акустического шума на частотах, резонансных по отношению к 2. Максимальная чувствительность измерений для данной камеры может быть достигнута, когда излучение модулируется на частоте, близкой к 2. Поэтому мы оцениваем чувствительность камеры для случая 2. Чувствительность оценивается как минимальное детектируемое поглощение . Эта величина соответствует минимальному значению коэффициента поглощения, при котором регистрируемое соотношение сигнал/шум равно единице при продолжительности усреднения сигналов 1 с и мощности лазерного луча 1 Вт(8)31/2 /. Величины 3 исоответствуют фактическим значениям концентрации аммиака в азоте и времени усреднения сигналов. Величинадает мощность модулированного 9 13951 1 2010.12.30 излучения на входе лазерного луча в камеру. Параметрдает амплитуду усредненного акустического - сигнала. Величинаобозначает среднеквадратическую погрешность для акустического сигнала, полученного в - измерениях. Согласно нашим оценкам, соотношение сигнал/шум для концентрации 313,6 , мощности излучения 66,12 мВт и времени усреднения 0,13 с составляет величину 552,75,что соответствует минимальному детектируемому поглощению 3,2 см-1 10-8 Вт Гц-1/2. Таким образом, за счет конструктивных особенностей, обеспечивающих подавление фонового сигнала от окон и минимизацию влияния внешнего акустического шума, предлагаемый оптико-акустический газоанализатор обладает лучшей пороговой чувствительностью. Простая конструкция камеры позволяет уменьшить ее размеры и за счет соответствующего сокращения внутреннего объема камеры повысить скорость контроля малых газовых потоков. Источники информации 1. Жаров В.П., Летохов В.С. Лазерная оптико-акустическая спектроскопия. - М. Наука, 1984. - С. 320. 2.,2-// . . . 1990. - . 61. - . 7. - . 1779-1807. 3. ,,,./ Под ред. , 2000. 4..//. . - 1980. - . 23. - . 319-326. 5..,.,.// . . . - 2001. - . 72. - . 1937-1955. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 10