акустооптический индикатор критических концентраций опасных газов

Формула изобретения

1. Акустооптический индикатор критических концентраций опасных газов на основе анализа спектрального состава газовой смеси, отличающийся тем, что, с целью оперативного обнаружения и индикации присутствия в газовой смеси опасных газов, в его состав введены ультразвуковой генератор, пьезокерамический преобразователь, узкополосный оптический фильтр, фоточувствительное устройство, электронный усилитель, индикаторы критических концентраций опасных газов и автономный блок питания, причем выход ультразвукового генератора подсоединен ко входу пьезокерамического преобразователя, а выход фоточувствительного устройства подсоединен к входу электронного усилителя, выход которого соединен с входом индикатора присутствия в газовой смеси опасных газов.

2. Акустооптический индикатор критических концентраций опасных газов по п.1, отличающийся тем, что свечение приповерхностного слоя окружающей газовой смеси вызывается на основе использования оптического эффекта акустолюминесценции.

3. Акустооптический индикатор критических концентраций опасных газов по п.1, отличающийся тем, что уровень критической концентрации опасного газа определяется по интенсивности его спектральной линии.

4. Акустооптический индикатор критических концентраций опасных газов по п.1, отличающийся тем, что в качестве индикатора критической концентрации опасного газа могут применяться оптические и звуковые сигнализаторы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для оперативного обнаружения критических концентраций опасных промышленных газов и может быть применено, в основном, в химической, нефтегазовой, угольной и других областях промышленности.

Из уровня техники хорошо известны технические решения аналогичного характера.

Так из уровня техники известны устройства для определения концентрации компонент промышленных газов, например, акустический газоанализатор, представляющий собой рабочую камеру, выполненную в виде резонатора - полого цилиндра с высотой, равной нечетному числу звуковых полуволн, и отверстиями, расположенными в середине высоты, а источник и приемник звука смонтированы в торцах резонатора. Акустический газоанализатор имеет также электронную схему генерации, приема звука и измерения частоты, см., например, описание заявки №2142131, G01N 29/00, 1998.

Известными являются также способы, включающие, например, разделение состава газа на отдельные компоненты в хроматографической колонке с последующим измерением их концентраций и индентификации компонентов, которые производятся с помощью акустического резонатора - резонатора крутильных колебаний, см., например, описание к заявке №93037030, G01N 30/76, 1996.

Кроме того, из уровня техники известны способы и устройства на их основе для определения состава микропримесей различных веществ в газах, в частности, с помощью хроматографии, обеспечивающие повышение чувствительности и разрешающей способности обнаружения микропримесей веществ в газе. Так, известно устройство, в которое введен блок синхронизации и связанная многочастотная колебательная система. Одним из конденсаторов системы являются два параллельных электрода. Связанная многочастотная колебательная система, формирователь импульсов и блок синхронизации образуют замкнутый контур обратной связи, см, например, описание заявки №1412447, G01N 27/62, 1998.

К недостаткам таких устройств и способов можно отнести относительную сложность их технической реализации, очевидные высокие требования к точности и стабильности элементов (резонаторов, коллиматоров и пр.) и параметров (частоты акустической волны) и др., что может сделать их применение затруднительным и необоснованным, особенно при массовом производстве.

Кроме того, из уровня техники известны технологии аналогичного назначения, раскрытые в описаниях зарубежных охранных документах, например, SU 832447 А, 23.05.81. SU 853520 А, 07.08.81. SU 661327 A, 15.05.79. RU 2039971 C1, 20.07.95. FR 2091258 A, 14.01.72. EP 0180068 A2, 07.05.86.

Помимо этого, из уровня техники известны устройства спектрального анализа газов, см., например, описание к заявке №94037443, G01N 21/61, 1997 (ближайший аналог). Рассматриваемый оптический газоанализатор содержит n оптических каналов, каждый из которых содержит коллиматор, управляемый интерференционно-поляризационный фильтр, фотодетектор, а также n измерительных каналов, каждый из которых содержит схему автоматического регулирования уровня сигнала, усилитель, синхродетектор, а также автогенератор. Для улучшения эксплуатационных характеристик и расширения функциональных возможностей газоанализатора он дополнительно снабжен подвижными эталонными измерительными кюветами с блоком управления, исполнительными блоками управления схемой автоматического регулирования уровня сигнала, усилителями, автогенератором, блоком кодирования сигналов, опрашивающим блоком, вычислительным и программным устройствами. Работой всего газоанализатора в целом управляет вычислительное устройство. Наличие дополнительных устройств позволяет осуществлять нормировку выходного сигнала, исключая влияние оптических помех на его величину, регистрировать величину нулевого сигнала, исключая его дрейф, повысить степень достоверности измерений за счет улучшения качества сигнала и исключения неадекватной реакции прибора на степень освещенности трассы, а также на изменения питающих напряжений.

К недостаткам всех приведенных выше аналогов следует отнести их повышенные габаритно-массовые характеристики и энергопотребление, а также недостаточную оперативность. Это связано, прежде всего, с тем, что использование в устройствах акустических волн требует создания резонаторов, по размерам соизмеримых как минимум с длиной акустической волны, а возбуждение акустической волны требует соответствующих энергозатрат. При решении конкретной задачи оперативного оповещения о наличии конкретных опасных газовых компонент (например, природного газа, метана и пр.) в газовой смеси (например, воздухе) использование таких устройств или невозможно (требуется временной интервал технического анализа состава смеси газа), или неоправданно дорого.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание устройства, пригодного для массового производства, обладающего возможностью оперативного обнаружения и сигнализации о наличии в воздухе критических концентраций опасных газов.

При реализации данного изобретения достигаются несколько технических результатов, один из которых заключается в повышении степени надежности обнаружения наличия в воздухе критических концентраций опасных газов с одновременным снижением габаритно-массовых характеристик и энергопотребления.

Указанная задача решается на основе использования метода спектрального анализа светящейся газовой смеси на присутствие в нем спектральных линий опасного газа. Возбуждение газовой смеси до уровня свечения реализуется с использованием нового явления, названного в физике акустолюминесценцией. Это обеспечивает безопасность и оперативность индикации предельных концентраций опасных газов. В качестве детектирующих устройств используются фоточувствительные устройства, заблаговременно настроенные на обнаружение в спектре акустолюминесценции газовой смеси спектральных линий опасных газов.

Физической основой работы такого акустического газового анализатора является излучение света анализируемым газом при возбуждении приповерхностной акустолюминесценции ультразвуковыми колебаниями /1/. При распространении ультразвуковой (далее-УЗ) волны по поверхности пьезоэлектрического кристалла пьезоэлектрическое поле, сопровождающее УЗ, проникает за пределы кристалла в окружающее пространство. Если кристалл окружен воздухом, то можно осуществить его возбуждение до уровня возникновения микроразрядов. Наиболее просто возбудить интенсивные УЗ-колебания в тонких пластинах, называемыми резонаторами.

Пьезоэлектрическое поле, связанное с УЗ-колебаниями в пьезоэлектрическом кристалле, может быть существенно сильнее возбуждающего приложенного к резонатору. При колебаниях на резонансной частоте по толщине пластины укладывается половина длины волны ультразвука. Расчет дает такое значение пьезоэлектрического поля E_n /1/.

,

где напряженность внешнего приложенного поля равна V/2h, Q - механическая добротность, К - коэффициент электромеханической связи кристалла.

Следовательно, E_n может быть сильнее приложенного поля. В хороших пьезоэлектриках E_n может в десятки и сотни раз превышать приложенное. Можно наносить контакт не на всю поверхность пьезоэлектрика и тогда пьезополе проникает из пьезопластины в окружающую среду. Это поле способно поддерживать свечение газового разряда. Эксперименты по возбуждению газового разряда при атмосферном давлении проводились с резонаторами LiNbO₃ толщиной 0,14-3 мм с длиной и шириной от единиц миллиметров до нескольких сантиметров /1/. При подаче на пластину LiNbO₃ возбуждающего напряжения в ней возбуждались ультразвуковые колебания за счет собственного пьезоэффекта. При частотах, близких к резонансной, и напряжении, большем некоторого порогового значения, у поверхности образца возбуждается газовый разряд в виде фиолетовых точек. Исследования проводились в частотном интервале 0,4-16 МГц при использовании непрерывного и импульсного режимов возбуждения УЗ. Во всех случаях наблюдался пробой газа и газовый разряд окружавшего образец воздуха. В спектре светящегося разряда уверенно выделяются линии азота и кислорода, входящих в состав воздуха /1/.

Появление дополнительных линий в спектре светящегося разряда газа будет свидетельствовать о наличии в самом газе, в данном случае - воздухе, дополнительных компонент, в том числе опасных газов.

Таким образом, дополнительные линии в спектре газового разряда являются идентификационным признаком наличия в воздухе дополнительных компонент.

Детектирование указанного идентификационного признака производится с помощью фоторегистрирующего устройства, обладающего чувствительностью на уровне предельно допустимых концентраций опасных газов и спектральной избирательностью на частотах, характерных для спектральных линий опасных газов.

Ниже приводится описание графических материалов, никоим образом не ограничивающих все возможные варианты осуществления заявленного изобретения.

На чертеже представлен вариант блок-схемы устройства, нумерация блоков и элементов и используемые ниже сокращения.

1 - пьезокристалл (ПК),

2 - окружающая газовая среда (ОГС),

3 - условно показанные спектральные линии светящейся ОГС,

4 - ультразвуковой генератор (УЗГ),

5 - фоторегистрирующее устройство (ФРУ),

6 - узкополосный оптический фильтр (УОФ),

7 - электронный усилитель (ЭУ),

8 - звуковой генератор (ЗГ),

9 - звуковой индикатор (ЗИ),

10 - согласующий усилитель (СУ),

11 - световой индикатор (СИ),

12 - автономный блок питания (АБП),

13 - «сетевой» выход (СВ),

14 - центральный пункт контроля (ЦКП),

15 - контактные пластины (КП) ПК.

Современный уровень техники позволяет выполнить оборудование для устройства детектирования предельной концентрации опасного газа как в стационарном, так и в переносном вариантах.

В качестве фотоаппаратуры, регистрирующей спектральную линию и предельную концентрацию опасного газа, может быть использован, например, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) или иное устройство, например, на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС), оснащенное узкополосным фильтром, настроенным на пропускание спектральной линии опасного газа. Последовательность работы устройства. Сигнал с выхода УЗГ (4) поступает через КП (15) на вход ПК (1) и возбуждает в нем ультразвуковые колебания. Одновременно возбуждается акустолюминесценция приповерхностного слоя ОГС (2).

Поскольку узкополосный оптический фильтр настроен на пропускание света определенного спектра, а именно спектральной линии опасного газа, при его отсутствии в составе ОГС (2) сигнал на выходе ФРУ (5) также отсутствует. При появлении в спектре акустолюминесценции приповерхностного слоя ОГС (2) компоненты опасного газа и при интегральной интенсивности его спектральной линии, характеризующей критическую концентрацию опасного газа, на выходе ФРУ (5) формируется электрический сигнал, который усиливается ЭУ (7) и подается через СУ (10) на СИ (11) и через ЗГ (8) на ЗИ (9), что приводит к формированию светового и звукового сигнала «Опасность!».

При использовании устройства в качестве датчика в составе сети аналогичных датчиков, покрывающих некоторое охраняемое пространство (например, большой химический цех), на его СВ (13) также формируется сигнал. К выходу СВ (13) может быть подсоединен любой интерфейс, например, проводной или беспроводной электрический или волоконно-оптический канал для связи с ЦПК (14) наличия в контролируемой газовой смеси опасных примесей.

Таким образом, применение предлагаемого устройства обеспечивает надежное и оперативное оповещение о наличии в рабочей газовой смеси, например, в воздухе дополнительных компонент, в частности, опасных газов. За счет отсутствия дорогостоящих элементов в структуре устройства и возможности его массового производства, такие устройства могут быть выполнены в виде носимых индивидуальных датчиков или покрывать защищаемое пространство сетью датчиков. Как пример, можно рекомендовать применение сети таких индикаторов в угольных шахтах, газодобывающих, газоперерабатывающих и газоперекачивающих предприятиях и в объектах химической промышленности и др.

Источники информации

1. Островский И.В. Акустолюминесценция - новое явление акустооптики. Соросовский образовательный журнал, 1998, №1.