Оптико-акустический индикатор представляет собой неселективный приемник лучистой энергии, предназначенный для анализа газов.

Принцип работы лазерного оптико-акустического газоанализатора состоит в следующем (рис.1). Излучение от лазера 1 пропускается через абсорбционную ячейку 2. При совпадении длины волны излучения лазера с полосой поглощения детектируемых молекул газ поглощает часть мощности лазерного излучения, нагревается и создает повышенное давление в замкнутом объеме, которое и представляет собой ОА-сигнал, несущий информацию о концентрации молекул поглощающего газа. Затем ОА-сигнал преобразуется в электрический сигнал с помощью микрофона 3, помещенного в ячейку, и поступает на регистрирующее устройство 4. Ячейка с микрофоном была названа спектрофоном, а позднее в связи с использованием лазеров для обнаружения микропримесей в газах – ОА-детектором молекул. Таким образом, в лазерных ОА-приборах осуществляется прямое детектирование поглощенной мощности непосредственно в камере спектрофона (собственно такая схема и была использована впервые Беллом при исследовании ОА-эффекта, однако низкая интенсивность излучения тепловых источников не позволяла обнаруживать малые концентрации анализируемых молекул).

На рис.2 показаны основные физические процессы преобразования в ОА-детекторе поглощенной энергии лазерного излучения, резонансно взаимодействующего с колебательно-вращательным переходом молекулы газа.

 

Прибор предназначен для проведения оперативного газоанализа атмосферного воздуха методом оптико-акустической лазерной спектроскопии.

ОА - газоанализатор используется для контроля состава отработавших газов автотранспорта в процессе эксплуатации. Ультрамикроконцентрации оксида углерода (II), содержащегося в атмосферном воздухе, также измеряют спектроабсорбционным методом с использованием полосы поглощения СО в инфракрасной области спектра 4,66 мкм, где приемниками лучистой энергии служат герметичные камеры с конденсаторным микрофоном, заполненные газовой смесью из определяемого газа.

Оптико-акустический метод весьма универсален: он позволяет анализировать все газообразные вещества, за исключением одноэлементных. Оптико-акустический метод и первый лабораторный образец оптико-акустического газоанализатора были разработаны в СССР М.Л. Вейнгеровым.

Оптико-акустический газоанализатор с дифференциальной оптической схемой состоит, в основном, из двух идентичных оптических каналов, дифференциального фотоприемника и двух источников инфракрасного излучения 1 (рис.1), излучение от которых направляется с помощью вогнутых зеркал 2 в оптические каналы. В оптические каналы системы поступает как прямое излучение, так и излучение, отражаемое зеркалами. Потоки излучения прерываются обтюратором 4 с частотой несколько герц. Прерывание происходит всегда в одной и той же фазе.

В первом канале системы находится рабочая камера 5, через которую непрерывно протекает газовая смесь. Симметрично, в левом канале расположена сравнительная камера 6, которую обычно заполняют азотом или чистым воздухом и герметически закрывают. Обе эти камеры именуют газовыми. На пути потоков излучения, за рабочей 5 и сравнительной 6 газовыми камерами, могут быть расположены так называемые фильтровые камеры 7, 8.

Пройдя газовые 5, 6 и фильтровые 7, 8 камеры, оба потока излучения попадают в лучеприемное устройство 9,10,11. Оно состоит из двух камер, называемых иногда лучеприемными цилиндрами 9, 10, в которых поглощаются потоки излучения, и мерной камеры 11, разделенной упругой мембраной микрофона на две половины, каждая из которых соединена с соответствующим цилиндром. Лучеприемные цилиндры 9, 10 герметически закрыты окнами, пропускающими инфракрасное излучение. Лучеприемное устройство (цилиндры и мерную камеру) заполняют газовой смесью, состоящей из измеряемого компонента и азота или воздуха.

Поток инфракрасного излучения при прохождении через рабочую газовую камеру 5 частично поглощается поступающей на анализ газовой смесью, в то время как в сравнительной камере 6 поглощения не происходит. Таким образом, в лучеприемные цилиндры 9, 10 лучеприемного устройства по двум каналам поступают потоки излучения, разность значения которых зависит от содержания измеряемого газа, протекающего через рабочую камеру. Под воздействием прерывистого излучения, поступающего в лучеприемные цилиндры, в последних возникают периодические колебания температуры заполняющего их газа и, соответственно, его давления. Давление газа преобразуется конденсаторным микрофоном, установленным в мерной камере лучеприемного устройства, в напряжение переменного тока, которое усиливается и регистрируется.

Чтобы уменьшить влияние на показания газоанализатора изменения содержания в анализируемой газовой смеси неопределяемых компонентов, ими заполняют фильтровые камеры 7, 8. Часть энергии излучения, соответствующая полосам поглощения неопределяемых компонентов, поглощается в фильтровых камерах обоих каналов и в лучеприемное устройство не поступает.