регистрирующая кювета для фототермоакустического газоанализатора

Формула изобретения

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°.

Описание изобретения к патенту

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.