GR1010249B - Διαταξη με αισθητηρα οπτικης απορροφησης με μεγαλη ευαισθησια και μεθοδος χρησης της για περιβαλλοντικες εφαρμογες - Google Patents
Διαταξη με αισθητηρα οπτικης απορροφησης με μεγαλη ευαισθησια και μεθοδος χρησης της για περιβαλλοντικες εφαρμογες Download PDFInfo
- Publication number
- GR1010249B GR1010249B GR20200100657A GR20200100657A GR1010249B GR 1010249 B GR1010249 B GR 1010249B GR 20200100657 A GR20200100657 A GR 20200100657A GR 20200100657 A GR20200100657 A GR 20200100657A GR 1010249 B GR1010249 B GR 1010249B
- Authority
- GR
- Greece
- Prior art keywords
- light
- sensor
- excitation
- chamber
- flow
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 50
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 title claims description 53
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 title claims description 25
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 title claims description 16
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 72
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 64
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 52
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 45
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 39
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 claims abstract description 29
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 claims abstract description 29
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 claims abstract description 8
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000013480 data collection Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000004071 soot Substances 0.000 claims description 27
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 25
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 claims description 21
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 20
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 15
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 claims description 12
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 11
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 claims description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 11
- 239000003570 air Substances 0.000 claims description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 9
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 9
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 claims description 7
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 6
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 5
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 5
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 5
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 4
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 4
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 claims description 3
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 claims description 3
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 claims description 3
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 claims description 3
- 238000013473 artificial intelligence Methods 0.000 claims description 3
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 3
- 238000013500 data storage Methods 0.000 claims description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 3
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 2
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 claims description 2
- 230000032683 aging Effects 0.000 claims description 2
- 239000000428 dust Substances 0.000 claims description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 2
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 claims description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 claims 1
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 16
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 abstract description 10
- JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N nitrogen dioxide Inorganic materials O=[N]=O JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 9
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 abstract description 4
- MGWGWNFMUOTEHG-UHFFFAOYSA-N 4-(3,5-dimethylphenyl)-1,3-thiazol-2-amine Chemical compound CC1=CC(C)=CC(C=2N=C(N)SC=2)=C1 MGWGWNFMUOTEHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 3
- 239000003738 black carbon Substances 0.000 abstract 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 abstract 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 abstract 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 7
- RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N sulfur dioxide Inorganic materials O=S=O RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 4
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 3
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 3
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 3
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 description 3
- XTQHKBHJIVJGKJ-UHFFFAOYSA-N sulfur monoxide Chemical class S=O XTQHKBHJIVJGKJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052815 sulfur oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 206010034960 Photophobia Diseases 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 2
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 208000013469 light sensitivity Diseases 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 2
- 238000004513 sizing Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 2
- 229910000906 Bronze Inorganic materials 0.000 description 1
- 206010010071 Coma Diseases 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000004397 blinking Effects 0.000 description 1
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 1
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 1
- 239000010974 bronze Substances 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N copper tin Chemical compound [Cu].[Sn] KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000030808 detection of mechanical stimulus involved in sensory perception of sound Effects 0.000 description 1
- 230000010259 detection of temperature stimulus Effects 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000002207 metabolite Substances 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000010422 painting Methods 0.000 description 1
- 238000010895 photoacoustic effect Methods 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 238000005549 size reduction Methods 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/171—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with calorimetric detection, e.g. with thermal lens detection
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/3103—Atomic absorption analysis
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
- G01N2021/1704—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids in gases
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/171—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with calorimetric detection, e.g. with thermal lens detection
- G01N2021/1712—Thermal lens, mirage effect
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
- G01N2021/4704—Angular selective
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
- G01N2201/02—Mechanical
- G01N2201/022—Casings
- G01N2201/0221—Portable; cableless; compact; hand-held
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Η εφεύρεση αφορά μια διάταξη με έναν αισθητήρα αποτελούμενο από μια πηγή φωτός, ένα θάλαμο και έναν ανιχνευτή, όπου παράγεται σήμα εντός του θαλάμου ως αποτέλεσμα διέγερσης φωτός, Ο θάλαμος επιτρέπει τη ροή ενός αέριου ή υγρού που περιέχει ένα μετρητικό στόχο και συγκεντρώνει την ενέργεια που παράγεται ως απόκριση της διέγερσης για αποτελεσματική ανίχνευση. Η διέγερση δημιουργείται εντός ενός όγκου διέγερσης, ο οποίος σχηματίζεται από την τομή μιας πηγής δέσμης φωτός με κατάλληλα διαμορφωμένη ένταση και της ροής του μετρητικού στόχου. II διέγερση αυτή παράγει θερμική και ακουστική (πίεση) ενέργεια, όπου η καθεμία από αυτές μπορεί να μετρηθεί από έναν κατάλληλο ανιχνευτή. Επιπλέον του φωτός διαμορφωμένης έντασης, ο αισθητήρας μπορεί να ενσωματώνει πρόσθετες πηγές φωτός και να συνδέεται με μέσα μέτρησης για την παροχή συμπληρωματικών πληροφοριών για το μετρητικό στόχο μέσω οπτικής ανίχνευσης. Οι πρόσθετες πηγές φωτός μπορεί να είναι πολλαπλά μήκη κύματος. Η εφεύρεση αφορά επίσης μια μέθοδο λειτουργίας της ανωτέρω διάταξης, όπου ο μετρητικός στόχος διέρχεται συνεχώς διαμέσου του θαλάμου, ο οποίος διεγείρεται από τις πηγές φωτός του αισθητήρα και ανιχνεύεται από τους ανιχνευτές του με διακοπτόμενο ή συνεχή τρόπο. Η μέθοδος επιπλέον περιλαμβάνει ανάλυση δεδομένων, μετάδοση και λειτουργεία αποθήκευσης που μπορεί να χρησιμοποιηθούν για παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο και για συλλογή δεδομένων από τους κατανεμημένους αισθητήρες ανεξάρτητα του αριθμού τους. Ο μετρητικός στόχος μπορεί να είναι αιθάλη και άλλα σωματίδια, αέριοι ρύποι (NΟ2, CO2 κά.), ενεργά αέρια ή άλλα μόρια. Η διάταξη με τον αισθητήρα μπορεί να χρησιμοποιηθεί κυρίως για περιβαλλοντικές εφαρμογές όπως για τον χαρακτηρισμό ρύπων στην ατμόσφαιρα, ή από πηγές εκπομπών τέτοιων ρύπων.
Description
Διάταξη με αισθητήρα οπτικής απορρόφησης με μεγάλη ευαισθησία και μέθοδος χρήσης της για περιβαλλοντικές εφαρμογές
ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ
Πεδίο της εφεύρεσης
Η εφεύρεση αφορά μία διάταξη μέτρησης με χρήση του οπτοακουστικού φαινομένου και με υψηλής ευαισθησίας οπτική απορρόφηση, η οποία αποτελείται από, μια πηγή φωτός, έναν αισθητήρα με θάλαμο και ανιχνευτή, όπου το σήμα δημιουργείται μέσα στο θάλαμο μετά από διέγερση από φως, και η χρήση της αφορά κυρίως περιβαλλοντικές εφαρμογές.
Υπόβαθρο της εφεύρεσης
Η αιθάλη που αναφέρεται στο εξής ως BC έχει σχετισθεί με κλιματικά φαινόμενα λόγω του μεγάλου δυναμικού απορρόφησης ακτινοβολίας που έχει [1], Βέβαια, η αιθάλη παραμένει πηγή μεγάλης αβεβαιότητας σε σχετικούς κλιματικούς υπολογισμούς λόγω της έλλειψης πληροφοριών σχετικά με την κατανομής της στην ατμόσφαιρα [2]. Είναι επομένως πολύ σημαντικό να βελτιωθεί η κατανόησή μας σχετικά με την συγκέντρωσή της στην ατμόσφαιρα. Ένας αισθητήρας μικρού κόστος που μπορεί να μετρήσει την απορρόφηση φωτός από αιωρούμενα σωματίδια BC μπορεί να αποτελέσει ιδανικό εργαλείο προς αυτήν την κατεύθυνση [3].
Ένας τέτοιος αισθητήρας θα εξυπηρετήσει και άλλες ανάγκες. Οι μηχανές εσωτερικής καύσης, που χρησιμοποιούνται σε οχήματα, πλοία, αεροπλάνα αλλά και σε εφαρμογές σταθερών πηγών ρύπανσης, είναι οι βασικές πηγές αιθάλης. Σε αυτές τις εφαρμογές, η αιθάλη παράγεται ταυτόχρονα με άλλους αέριους και σωματιδιακούς ρύπους. Η παρακολούθηση της λειτουργίας, με χρήση κατάλληλων αισθητήρων, είναι απαραίτητη για την αποδοτική λειτουργία των κινητήρων και για τον έλεγχο συμμόρφωσης με τα όρια εκπομπών. Για τις εφαρμογές αυτές, ένας αισθητήρας που μπορεί με την ίδια αρχή λειτουργίας να μετράει επιπλέον ρύπους, εκτός της αιθάλης, όπως για παράδειγμα διοξείδιο του αζώτου, διοξείδιο του άνθρακα, οξείδια του θείου και οργανικές ενώσεις θα έχει σημαντικά πλεονεκτήματα στην παρακολούθηση της λειτουργίας πηγών εκπομπών.
Αρκετές οπτικές μέθοδοι έχουν χρησιμοποιηθεί για μετρήσεις αιθάλης, όπως το αιθαλόμετρο (aethalometer) και το νεφελόμετρο (opacitimeter) [4], Τα βασικά μειονεκτήματα των συσκευών αυτών είναι ότι δε μπορούν να ξεχωρίσουν την απορρόφηση φωτός από την διάχυση φωτός, εισάγοντας έτσι σφάλμα στη μέτρηση. Επιπλέον, τα νεφελόμετρα έχουν περιορισμένη ευαισθησία σε σωματίδια με διάμετρο της τάξης των νανομέτρων (nm) επειδη] δεν έχουν μεγάλο συντελεστή σκέδασης φωτός, ενώ τα αιθαλόμετρα προϋποθέτουν την δέσμευση της αιθάλης σε φίλτρο, πράγμα που μεταβάλλει τις οπτικές της ιδιότητες [5]. Επισης, για να μπορέσουν να πετύχουν χαμηλά όρια ανίχνευσης οι συγκεκριμένες τεχνολογίες, απαιτούν τη χρήση μέσου όρου μετρήσεων από σημαντικά χρονικά διαστήματα και άρα δε μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μετρήσεις σε πραγματικό χρόνο [6]. Ως αποτέλεσμα, περιορίζονται οι πιθανές εφαρμογές μόνο σε μετρήσεις όπου οι συγκεντρώσεις δεν έχουν έντονες αυξομειώσεις. Τέλος, άλλες τεχνολογίες όπως τα CPCs, οι αισθητήρες ηλεκτρικής αντίστασης και φόρτισης δεν μπορούν να μετρήσουν αποκλειστικά αιθάλη, αλλά δίνουν σήμα ανάλογο της συνολικής συγκέντρωσης σωματιδίων.
Συστήματα που βασίζονται μόνο στη απορρόφηση φωτός είναι διαθέσιμα στο εμπόριο και χρησιμοποιούνται σε περιβαλλοντικές εφαρμογές για ανίχνευση ρύπων, συμπεριλαμβανομένης και της αιθάλης. Η μέθοδος απαιτεί μια πηγή φωτός με κατάλληλο μήκος κύματος ώστε να είναι δυνατή η απορρόφηση φωτός από την επιθυμητή ουσία. Με κατάλληλη διαμόρφωση της δέσμης φωτός, ο μετρητικός στόχος θερμαίνεται περιοδικά από το προσπίπτον φως. Ανιχνεύοντας μέσω ενός αισθητήρα θερμοκρασίας την ένταση των κωμάτων θερμότητας που δημιουργούνται, ή μέσω ενός ακουστικού αισθητήρα των συνεπαγόμενων κυμάτων πίεσης, μπορεί να γίνει ποσοτικοποίηση της συγκέντρωσης του μετρητικού στόχου.
Στάθμη της τεχνικής
Οι περισσότερες συσκευές που λειτουργούν με οπτική απορρόφηση χρησιμοποιούν μια διάταξη όπου
11 ροή με τον μετρητικό στόχο και η οπτική δέσμη ακολουθούν την ίδια διεύθυνση μέσα στον θάλαμο μέτρησης, όπως για παράδειγμα στα έγγραφα των ευρεσιτεχνιών US006662627B2, US007710566B2 και US008115931 Β2. Έπειτα, στις περισσότερες περιπτώσεις, χρησιμοποιούνται ακουστικοί ανιχνευτές για να μετρήσουν τα ακουστικά κύματα που παράγονται από το οπτοακουστικό φαινόμενο. Οι διαστάσεις του θαλάμου μέτρησης συνήθως επιλέγονται κατάλληλα ώστε να επιτυγχάνεται συντονισμός, και άρα ενίσχυση του ήχου. Η ευαισθησία των συσκευών αυτών επηρεάζεται από μικρές αλλαγές στην θερμοκρασία αφού ο συντονισμός εξαρτάται από την ταχύτητα του ήχου που αλλάζει με την θερμοκρασία.
Άλλες γνωστές συσκευές, όπως για παράδειγμα αποκαλύπτονται στις ευρεσιτεχνίες US008479559B2 και US008848191B2, χρησιμοποιούν καθρέφτες με σκοπό να περάσει η δέσμη φωτός πολλές φορές από το σημείο ενδιαφέροντος, αυξάνοντας έτσι την απορρόφηση φωτός και άρα την ευαισθησία. Επίσης, υπάρχει περιορισμένη χρήση ακουστικών ανακλαστήρων που έχουν στόχο να συγκεντρώσουν το ακουστικό σήμα στην σημείο όπου έχει τοποθετηθεί ο ακουστικός ανιχνευτής, όπως για παράδειγμα στα έγγραφα US008115931Β2, US20090038375A1 και ΕΡ0464902Α1. Η ανάγκη για αύξηση της ευαισθησίας συνεπάγεται ότι ο οπτικός και ο ακουστικός εξοπλισμός τοποθετούνται εντός ή κοντά στην ροή του δείγματος και άρα είναι πιθανόν να επικαθήσουν ρύποι σε κρίσιμα μέρη του αισθητήρα. Πολύπλοκες ροές και/ή δευτερεύουσες ροές χρησιμοποιούνται για να προστατεύσουν αυτά τα κρίσιμα μέρη. , όπως πχ στην ευρεσιτεχνία US008848191B2. Αυτά αυξάνουν το μέγεθος και την πολυπλοκότητα και συνεπώς το κόστος της συσκευής, κάτι που αποτελεί μειονέκτημα.
Σκοπός της εφεύρεσης
Μια διάταξη που αυξάνει το όριο ανίχνευσης χωρίς να εκθέτει κρίσιμα μέρη στη ροή του δείγματος είναι συνεπώς επιθυμητή, αφού επιτρέπει απλούστερη κατασκευή του αισθητήρα, μείωση του μεγέθους του και χαμηλό κόστος, επιτρέποντας της έτσι να είναι φορητή και να μπορεί να χρησιμοποιηθεί εκτενώς, κάτι που ταιριάζει με τις τωρινές ανάγκες στην αυτοκινητοβιομηχανία και στις περιβαλλοντικές εφαρμογές. Η επιτυχής εφαρμογή ενός τέτοιου φορητού αισθητήρα μπορεί να επεκταθεί και σε άλλες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων μετρήσεων ρευστών για βιολογικές εφαρμογές, για παράδειγμα μετρήσεις διάφορων μεταβολιτών ή άλλων συστατικών στο αίμα.
Η εφεύρεση στοχεύει να ξεπεράσει τα προαναφερθέντα μειονεκτήματα της υπάρχουσης τεχνικής, κυρίως σε ότι αφορά τους περιορισμούς σχετικά με το μέγεθος και το κόστος των προηγούμενων μεθόδων οπτικής απορρόφησης, αλλά και των υπόλοιπων μειονεκτημάτων που αναφέρθηκαν. Η βασική πρόταση της εφεύρεσης είναι η αύξηση της ευαισθησίας που αφορά την ανίχνευση της ενέργειας που παράγεται από έναν συγκεκριμένο όγκο, ως αποτέλεσμα οπτικής διέγερσης, που προκαλείται από δέσμη φωτός με κατάλληλα διαμορφωμένη ένταση.
Συνοπτική περιγραφή της εφεύρεσης
Η ανωτέρω αύξηση της ευαισθησίας βασίζεται σε τεχνικές ενίσχυσης, όπως ορίζεται παρακάτω. Ένα κεντρικό μέρος της εφεύρεσης αφορά τη δημιουργία ενός αισθητήρα με έναν θάλαμο που έχει έναν ιδιαίτερα ευνοϊκό σχεδίασμά.
Συνεπώς, προτείνεται σύμφωνα με την εφεύρεση, μια διάταξη όπως ορίζεται στην αξίωση 1.
Σύμφωνα με μια επιπλέον πραγμάτωση της διάταξης σύμφωνα με την εφεύρεση, αυτή αποτελείται από μια φωτεινή πηγή με έναν αισθητήρα για τη μέτρηση ενός μετρητικού στόχου ΜΣ, όπου με αξιοσημείωτο τρόπο επιπλέον περιλαμβάνει:
- έναν οπτοακουστικό αισθητήρα με έναν θάλαμο με μορφή που δημιουργεί έναν πρώτο άξονα X για τη ροή του δείγματος ΜΣ και έναν δεύτερο άξονα Υ για μια δέσμη φωτός με κατάλληλα διαμορφωμένη ένταση, όπου οι δύο άξονες X, Υ τοποθετούνται σε διαφορετικές γωνίες έτσι ώστε να σχηματίζουν ένα επίπεδο, επιπλέον όπου
- η δέσμη φωτός και η ροή δείγματος δημιουργούν έναν όγκο τομής που επιτρέπει τη διέγερση του ΜΣ, όπου ο όγκος αυτός αποτελεί τον όγκο διέγερσης για τον ΜΣ που βρίσκεται στην ροή δείγματος και η διέγερση πραγματοποιείται από τη δέσμη φωτός, και
- ο θάλαμος περιέχει την ενέργεια η οποία παράγεται μέσω της διέγερσης έτσι ώστε να ανιχνευτεί από έναν ανιχνευτή, όπου περαιτέρω
η μορφή του θαλάμου έχει τέτοια γεωμετρία που συγκεντρώνει και εστιάζει την ακουστική ενέργεια που παράγεται στον όγκο διέγερσης, ως αποτέλεσμα της διέγερσης από την κατάλληλα διαμορφωμένη δέσμης φωτός, σε έναν απομακρυσμένο χώρο ανίχνευσης ήχου που αντιστοιχεί σε ένα δεύτερο σημείο που βρίσκεται σε απόσταση από το πρώτο σημείο όπου γίνεται η διέγερση, και τα δύο σημεία σχηματίζουν έναν τρίτο άξονα Ζ, που δεν ανήκει στο προαναφερόμενο επίπεδο, όπου αυτό το δεύτερο σημείο αποτελεί τον χώρο ανίχνευσης ήχου, όπου ένας ανιχνευτής τοποθετείται για να μετρήσει την ενέργεια που παράγεται ως απόκριση στη δέσμη φωτός κατάλληλης διαμόρφωσης. Συγκεκριμένα αυτοί οι άξονες είναι κάθετοι μεταξύ τους.
Ο ανωτέρω θάλαμος περικλείει τρεις (3) άξονες ώστε, στον πρώτο άξονα να υπάρχει μια ροή με τον μετρητικό στόχο, στον δεύτερο να υπάρχει η κατάλληλα διαμορφωμένη δέσμη φωτός και στον τρίτο να γίνεται η ανίχνευση της αντίστοιχης ενέργειας που παράγεται. Ο πρώτος αυτός κεντρικός άξονας με την ροή του μετρητικού στόχου, και ο δεύτερος κεντρικός άξονας με τη δέσμη φωτός είναι τοποθετημένοι έτσι ώστε να σχηματίζουν ένα επίπεδο. Και οι δύο άξονες βρίσκονται σε διαφορετικές γωνίες ο ένας από τον άλλο, επιτρέποντας έτσι την δημιουργία και άλλων αξόνων, εάν αυτό απαιτείται για τη μέτρηση οπτικών ιδιοτήτων του μετρητικού στόχου. Η γεωμετρία του θαλάμου προσφέρει προστασία των οπτικών μερών και των ανιχνευτών, με το να χρησιμοποιεί διαφορετική γωνία για την ροή και για τη δέσμη φωτός αντίστοιχα. Έτσι, στη διάταξη που προτείνεται σύμφωνα με την εφεύρεση, η ροή με τον μετρητικό στόχο και η δέσμη φωτός ακολουθούν αμοιβαίως διαφορετική πορεία μέσα στον ανωτέρω θάλαμο μέτρησης της συσκευής, και συγκεκριμένα είναι ορθογώνιες. Η ενίσχυση του σήματος επιτρέπει τη χρήση φθηνών φωτεινών πηγών όπως δίοδοι λέιζερ (laser diode).
Ο μετρητικός στόχος, που θα αναφέρεται στο εξής ως ΜΣ, αντιπροσωπεύει την ροή ρευστού, μέσα στο θάλαμο και η οποία διεγείρεται από μια οπτική δέσμη η οποία βρίσκεται σε διαφορετική κατεύθυνση που σχηματίζει γωνία με την κατεύθυνση της ροής έως 90°. Ο ανώτεροι ΜΣ μπορεί να είναι κάποιο καυσαέριο οποιασδήποτε πηγής εκπομπών, περιβαλλοντικός αέρας ή ένα διάλυμα μορίων, συμπεριλαμβανομένων και βιομορίων. Το ρευστό μπορεί να περιέχει διαφορετικούς ρύπους, συμπεριλαμβανομένων των παρακάτω: αιθάλη ή άλλα σαμιατίδια, αέρια όπως διοξείδιο του αζώτου, διοξείδιο του άνθρακα, οξείδια του θείου και άλλα που χρειάζεται να μετρηθούν από έναν αισθητήρα που επιδιώκει την αξιολόγηση της ποιότητας του αέρα. Ο ΜΣ μπορεί επίσης να είναι ένα μέρος από τη συνολική ροή καυσαερίων μια μηχανής ή ενός καυσαερίου ή κάποιας άλλης διαδικασίας καύσης, όπως το καυσαέριο που παράγεται από μέσα μεταφοράς όπως αυτοκίνητα, πλοία, τρένα, αεροπλάνα, κλπ ή από μεμονωμένες δραστηριότητες όπως καυστήρες, κλίβανους, λέβητες, κλπ.
Συνεπώς, η διάταξη που προτείνεται σύμφωνα με την εφεύρεση αποτελείται από έναν αισθητήρα με έναν θάλαμο όπου εισάγεται ο ΜΣ. Ο όγκος διέγερσης σχηματίζεται από την τομή του πρώτου άξονα της ροής ΜΣ και του δεύτερου άξονα της δέσμης προσπίπτοντος φωτός με διαμορφωμένη συχνότητα.
Σε μια προτιμώμενη πραγμάτωση της διάταξης σύμφωνα με την εφεύρεση, οι άξονες αυτοί είναι κάθετοι μεταξύ τους. Παρόλα αυτά και άλλες γωνίες μεταξύ των αξόνων είναι επίσης δυνατές.
Ο σκοπός του θαλάμου είναι να επιτρέπει την ροή ενός ΜΣ και τη διέγερση του ΜΣ από μια κατάλληλα διαμορφωμένη δέσμη φωτός παρέχοντας μια διαμόρφωση όπου η ενέργεια που παράγεται από τη διέγερση του ΜΣ περιέχεταιή συγκεντρώνεται με σκοπό την επίτευξη μιας αποτελεσματικής μέτρησης με υψηλή ευαισθησία. Η ενέργεια που παράγεται από τη διέγερση προσπίπτοντος φωτός στον ΜΣ έχει μια θερμική συνιστώσα, με μικρή αύξηση της θερμοκρασίας τοπικά, και μια ακουστική συνιστώσα, μέσω της παραγωγής υπερήχων, που μπορούν να ανιχνευθούν κατά μήκος ενός τρίτου άξονα Ζ εντός του θαλάμου. Και η θερμική και η ακουστική ενέργεια σχετίζεται με την ενέργεια του φωτός που περνάει από τον χώρο διέγερσης και την ποσότητα των ουσιών που προκαλούν απορρόφηση φωτός και που βρίσκονται εντός του ΜΣ.
Σύμφωνα με την εφεύρεση, ο θάλαμος συγκεντρώνει την ανωτέρω ακουστική συνιστώσα της ενέργειας που παράγεται και εστιάζει τον παραγόμενο ήχο από τον χώρο διέγερσης σε ένα απομακρυσμένο σημείο μέτρησης του ήχου κατά μήκος του τρίτου άξονα, όπου είναι τοποθετημένος ο ανιχνευτής ήχου. Η αξιοπιστία της ανίχνευσης ήχου αναμένεται να αυξηθεί λόγω της αποφυγής επικαθίσεων ρύπων στα οπτικά μέρη και στον ακουστικό ανιχνευτή, πράγμα που επιτυγχάνεται με την τοποθέτηση των μερών αυτών μακριά από τη ροή δείγματος. Επίσης, η εστίαση ήχου σε χαμηλές συχνότητες (10 - 200 kHz), δημιουργεί ένα σχετικά μεγάλο χώρο εστίασης, της τάξης των χιλιοστών, που σημαίνει ότι η ευαισθησία δεν εξαρτάται από την ακριβή τοποθέτηση του ακουστικού ανιχνευτή ή από εξωτερικές δονήσεις. Επομένως, μέσω της συγκέντρωσης ήχου, της αποφυγής επικαθίσεων, και τις χαλαρές απαιτήσεις από πλευράς τοποθέτησης του ακουστικού αισθητήρα που επιτυγχάνεται από την εφεύρεση, φθηνές πηγές φωτός όπως laser diode, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως φωτεινή πηγή, ενώ ταυτόχρονα επιτυγχάνεται η απαιτούμενη ευαισθησία. Με τη χρήση ενός θαλάμου στη συσκευή σύμφωνα με όσα προτείνει η εφεύρεση αντί για τη χρήση συντονιστή όπως γίνεται στην υπάρχουσα τεχνολογία, η ταχύτητα του ήχου και άρα η θερμοκρασία του δείγματος δε θα επηρεάζει σημαντικά στο τελικό σήμα. Επιπρόσθετα, ο θάλαμος μπορεί να προσφέρει αρκετούς βαθμούς ελευθερίας για συνδυασμό οπτοακουστικών και οπτικών μεθόδων ανίχνευσης για καλύτερο χαρακτηρισμό του ΜΣ.
Σε μια πιο λεπτομερή διαμόρφωση της συσκευής που προτείνεται από την εφεύρεση, ένας θάλαμος με ελλειψοειδές σχήμα, που προτείνεται ως προτιμώμενη γεωμετρία, χρησιμοποιείται για την επίτευξη με παθητικό τρόπο της εστίασης και της συγκέντρωσης του ήχου. Μια τέτοια γεωμετρία επιτρέπει επαρκή απόσταση, και συγκεκριμένα στο εύρος χιλιοστών έως εκατοστών, μεταξύ του χώρου διέγερσης, που τοποθετείται στην πρώτη εστία της έλλειψης, και του χώρου ανίχνευσης που βρίσκεται στην δεύτερη εστία της έλλειψης. Σε μια έλλειψη, η ακουστική ενέργεια που παράγεται στον χώρο διέγερσης χρειάζεται να καλύψει την ίδια απόσταση για να φτάσει μέσω ανάκλασης στα τοιχώματα στον χώρο ανίχνευσης, ανεξάρτητα της κατεύθυνσης, και άρα ο ήχος συγκεντρώνεται και εστιάζεται σε ένα σημείο μακριά από τον χώρο διέγερσης. Η έλλειψη επίσης παρέχει αρκετό χώρο και επιφάνεια τοιχωμάτων έτσι ώστε να μετρηθεί και να αξιοποιηθεί η οπτική διάχυση από το δείγμα κατά μήκος πρόσθετων αξόνων.
Χάρη στη συγκεκριμένη μορφή του θαλάμου, η απόσταση που επιτυγχάνεται μεταξύ των δύο εστιών αυξάνεται περαιτέρω με την επιλογή μιας πεπλατυσμένης έλλειψης με λόγω α/β με δυνατότητα εύρους 1,5 - 4, όπου α είναι το μήκος του μεγάλου άξονα της έλλειψης και β το μήκος του μικρού άξονα.
Σε μια επιπλέον πραγμάτωση της διάταξης σύμφωνα με την εφεύρεση, η συσκευή μέτρησης αποτελείται από διόδους λέιζερ ή Laser Emitting Diodes, που θα αναφέρονται στο εξής ως LD και LED αντίστοιχα, που αποτελούν μικρές και φθηνές πηγές φωτός. Επιπλέον, τα LD και τα LED μπορούν να διαμορφωθούν ώστε να παράγουν φως (που αναβοσβήνει) με πολύ μεγάλη συχνότητα, και έτσι επιτρέπει τη βελτίωση του λόγου σήματος ως προς το θόρυβο (SNR) μέσω της χρήσης μέσου όρου χωρίς να αυξάνεται η διάρκεια καταγραφής.
Τα ανωτέρω LD και LED, μπορούν να διαμορφωθούν με χρήση ρεύματος, και άρα μπορούν να διαμορφωθούν με χρήση διαφορετικών κυματομορφών, όπως για παράδειγμα ημιτονοειδών, τετραγωνικών παλμών με διαφορετικό ποσοστό που η φωτεινή πηγή παραμένει ανοικτή ως ποσοστό της συνολικής περιόδου (duty cycle) και με διαφορετική συχνότητα, ενώ επίσης μπορούν να διαμορφωθούν με χρήση frequency comb, ή τριγωνικού παλμού.
Σύμφωνα με μια περαιτέρω προτιμώμενη πραγμάτωση σύμφωνα με την εφεύρεση, κατάλληλοι συνδυαστές οπτικών ινών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να συγκεντρώσουν το φως που παράγεται από διαφορετικές φωτεινές πηγές σε μια οπτική ίνα, με αποτέλεσμα να μπορεί ένας αισθητήρας μικρού μεγέθους και με έναν μόνο ακουστικό ανιχνευτή να ανιχνεύσει σήμα που προέρχεται από φωτεινές πηγές διαφορετικού μήκη κύματος. Οι συνδυαστές οπτικών ινών είναι πολύ αποδοτικοί στη μεταφορά οπτικής ενέργειας, μέχρι και > 98 % και άρα δεν θα περιορίσουν την ευαισθησία του αισθητήρα.
Έξυπνες τεχνικές διαμόρφωσης και κωδικοποίησης, όπως οι Golay Codes, μπορούν να εφαρμοστούν για να διεγείρουν ταυτόχρονα το δείγμα με όλα τα επιλεγμένα μήκη κύματος και αργότερα να αποσυνδέσουν τα αντίστοιχα σήματα. Με αυτόν τον τρόπο, ο ρυθμός λήψης σήματος αισθητήρα μπορεί να αυξηθεί.
Όσον αφορά τον ακουστικό ανιχνευτή, η ανίχνευση ήχου κατά μήκος του τρίτου άξονα Ζ του θαλάμου βασίζεται σε οποιαδήποτε ευαίσθητη εφαρμογή kHz, συμπεριλαμβανομένου ενός Quartz Tuning Fork, που αναφέρεται στη συνέχεια ως QTF, πιθανώς επίσης ένα μικρόφωνο, MEMS ή άλλος πιεζοηλεκτρικός ανιχνευτής ή οπτική ανίχνευση ήχου όπως παρουσιάζεται στο [8], Σε μια ιδιαίτερη πραγμάτωση της διάταξης σύμφωνα με την εφεύρεση, ο ανιχνευτής είναι ένα QTF, το οποίο αποκρίνεται μόνο σε στενές ζώνες ακουστικών συχνοτήτων - κύρια συχνότητα και αρμονικές της -, παρέχοντας έτσι υψηλό παράγοντα Q. To QTF αναμένεται να προσφέρει υψηλή αναλογία σήματος προς θόρυβο λόγω των εγγενών χαρακτηριστικών του, αυξάνοντας έτσι την ευαισθησία, ακόμη και χρησιμοποιώντας πηγές χαμηλής οπτικής ισχύος, δηλαδή χωρίς υπερφόρτωση ρεύματος.
Η παρούσα εφεύρεση αναφέρεται επίσης σε μια μέθοδο για ανίχνευση οπτικής απορρόφησης υψηλής ευαισθησίας για περιβαλλοντικές εφαρμογές, και συγκεκριμένα για την εφαρμογή της διάταξης που αναφέρεται παραπάνω, συμπεριλαμβανομένου κυρίως ενός θερμικού ανιχνευτή.
Η οπτική ανίχνευση της διαβάθμισης θερμοκρασίας κατά μήκος του τρίτου άξονα Ζ είναι η προτιμώμενη μέθοδος για τη μέτρηση της θερμικής συνιστώσας της ενέργειας που παράγεται από τον ΜΣ. Η ενέργεια που απορροφάται από τα απορροφητικά είδη στον ΜΣ, μετά την διέγερσή τους από τη διαμορφωμένη δέσμη φωτός, προκαλεί μια κλίση θερμοκρασίας κατά μήκος του τρίτου άξονα ανίχνευσης Ζ. Αυτή η τοπική αύξηση της θερμοκρασίας ποσοτικοποιείται μέσω των αλλαγών στο δείκτη διάθλασης του περιβάλλοντα αέρα που προκαλείται από την αλλαγή στη θερμοκρασία, και είναι αποτέλεσμα της διέγερσης από το φως, όπως καταγράφηκε στις δημοσιεύσεις [8], [9].
Σε μια τέτοια πραγμάτωση, μια δέσμη φωτός διαφορετικού μήκους κύματος του διαμορφωμένου προσπίπτοντος φωτός στοχεύει κατά μήκος του τρίτου άξονα κοντά στον όγκο διέγερσης και ένα ανιχνευτής φωτός βρίσκεται στο απέναντι τοίχωμα του θαλάμου κατά μήκος του άξονα της δέσμης. Η εκτροπή της δέσμης ως αποτέλεσμα της τοπικής διαφοράς θερμοκρασίας και της αντίστοιχης μεταβολής του δείκτη διάθλασης στην περιοχή του ΜΣ έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του φωτός που ανιχνεύεται από τον ανιχνευτή φωτός. Η μείωση της έντασης φωτός που ανιχνεύεται στη συνέχεια συνδέεται με την ποσότητα ειδών που απορροφούν το φως στον ΜΣ.
Όσον αφορά την ευαισθησία του αισθητήρα, προσαρμόζοντας το πλάτος του παλμού, τον ρυθμό επανάληψης του παλμού, τις παραμέτρους του frequency comb ή άλλες παραμέτρους της διαμόρφωσης της δέσμης φωτός, η ευαισθησία του αισθητήρα μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω σύμφωνα με μια καλύτερη διαμόρφωσή της εφεύρεσης. Ο όγκος διέγερσης μπορεί επίσης να βελτιστοποιηθεί για μέγιστο SNR, υψηλή ευαισθησία και χαμηλό όριο ανίχνευσης του αισθητήρα. Ο όγκος διέγερσης μπορεί να ρυθμιστεί τροποποιώντας τη διατομή της ροής του ΜΣ, την παροχή ροής του ΜΣ, τη διατομή της διαμορφωμένης δέσμης φωτός και τη γωνία των δύο αξόνων που σχηματίστηκαν. Η διατομή της ροής του ΜΣ μπορεί να αυξηθεί με το σωστό μέγεθος της εισόδου και της εξόδου του αισθητήρα. Η αύξηση των δύο ανοιγμάτων, εισόδου και εξόδου, χρησιμοποιείται επίσης για την αύξηση της παροχής που έχει ως αποτέλεσμα περισσότερα απορροφητικά στοιχεία ανά μονάδα χρόνου που μεταφέρονται στον όγκο διέγερσης.
Ιδανικά, η διατομή της ροής του ΜΣ και η δέσμη φωτός πρέπει να έχουν τις ίδιες διαμέτρους στο σημείο όπου διασταυρώνονται μεταξύ τους. Γ ια υψηλότερη διατομή της ροής του ΜΣ, απαιτείται και ευρύτερη δέσμη για το προσπίπτον φως. Με την κατάλληλη επιλογή οπτικών εξαρτημάτων για την εστίαση της δέσμης, το σχήμα της δέσμης λέιζερ στον όγκο διέγερσης μπορεί να ποικίλει από ένα μικρό, έντονα εστιασμένο σημείο έως μια μεγάλη δέσμη. Η διαμόρφωση της δέσμης φωτός χωρικά και χρονικά επιλέγονται έτσι ώστε η ευαισθησία του αισθητήρα να είναι μέγιστη και το όριο ανίχνευσης χαμηλό.
Σύμφωνα με μια ακόμη περαιτέρω πραγμάτωση της εφεύρεσης, βελτιστοποιείται η επιλογή του υλικού τοιχώματος θαλάμου με στόχο αυξημένη ευαισθησία, τέτοια όπως λεπτά, συμπαγή τοιχώματα υψηλής πυκνότητας που προσφέρουν καλά ακουστικά χαρακτηριστικά για βελτιστοποίηση της ανάκλασης του ήχου και ελάχιστες απώλειες των ακουστικών κυμάτων. Το πλαστικό υψηλής πυκνότητας μπορεί επίσης να προσφέρει έναν καλό συμβιβασμό μεταξύ χαμηλού κόστους υλικού και υψηλής ανάκλασης ήχου. Μέταλλα, όπως ο χάλυβας, το αλουμίνιο και ο χαλκός, προσφέρουν πολύ καλή ανάκλαση ήχου, αλλά ενδέχεται να συνεπάγονται υψηλότερο κόστος κατασκευής. Η μεταλλίκι] επένδυση ενός πλαστικού τοιχώματος προσφέρει μειωμένο κόστος και βελτιωμένες ιδιότητες αντανάκλασης ήχου.
Η ευαισθησία αυξάνεται επίσης βελτιώνοντας την αναλογία σήματος προς θόρυβο. Σύμφωνα με μια ακόμη περαιτέρω προτιμώμενη πραγμάτωση της εφεύρεσης, αυτό μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση δύο αισθητήρων παράλληλα, όπου ο πρώτος αισθητήρας βρίσκεται σε κανονική λειτουργία και ο δεύτερος χρησιμοποιείται με τρόπο που η ουσία από την ροή του ΜΣ που παράγει σήμα δεσμεύεται ή εξαλείφεται. Συγκεκριμένα, ο δεύτερος αισθητήρας είναι εξοπλισμένος με μια συσκευή για την απομάκρυνση της αιθάλης προτού φτάσει στον όγκο διέγερσης. Το σήμα του δεύτερου αισθητήρα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση του μετρούμενου σήματος από τον πρώτο αισθητήρα, με γνωστές τεχνικές διόρθωσης σήματος, συμπεριλαμβανομένης της μείωσης παρεμβολών, ιδίως από περιβαλλοντικούς ρύπους ή σε περίπτωση που μια ουσία διαφορετική από αυτή που υπάρχει πρόθεση να ανιχνευθεί προκαλεί μετατόπιση στις μετρημένες τιμές ή μεταβάλει την γραμμικότητα.
Σε μια ακόμη επιπλέον πραγμάτωση της μεθόδου σύμφωνα με την εφεύρεση, προτείνεται μια οπτική παρακολούθηση του στόχου μέτρησης, όπου όταν φωτίζονται σωματίδια ή αέρια, το φως απορροφάται και ανακλάται. Η οπτικοακουστική ανίχνευση ανταποκρίνεται μόνο στην απορρόφηση φωτός που το καθιστά ιδανικό για αναγνώριση αιθάλης. Η ανίχνευση φωτός στις 180° είναι ευαίσθητη τόσο στην απορρόφηση όσο και στη σκέδαση, ενώ η ανίχνευση σε άλλες γωνίες, π.χ. 45<ο>ή 90 °, είναι ευαίσθητο μόνο στη σκέδαση. Χάρη στη συγκεκριμένη γεωμετρία του, ο αισθητήρας σύμφωνα με την εφεύρεση μπορεί να συνδυάσει τόσο οπτικοακουστική ανίχνευση όσο και ανίχνευση σκεδασμένου φωτός σε διάφορες γωνίες μεταξύ ~ 0° και 180° στερεοσκοπικά. Ειδικότερα για σωματίδια, αυτό επιτρέπει τη λήψη πληροφοριών για το μέγεθος των σωματιδίων και ενδεχομένως την ανίχνευση ύπαρξης μη ανθρακούχων συνθέσεων επιπλέον της μάζας αιθάλης. Για το σκοπό αυτό, ο αισθητήρας μπορεί να χρησιμοποιήσει οπτικές ίνες για να καθοδηγήσει το φως που διασκορπίζεται σε διαφορετικές γωνίες σε ευαίσθητους ανιχνευτές φωτός. Η κατανομή γωνίας διάχυσης του φωτός εξαρτάται από την κατανομή μεγέθους των σωματιδίων που φωτίζει το φως. Σύμφωνα με τις θεωρίες διάχυσης των Mie, Rayleigh ή Rayleigh-Debye-Gans, μπορεί να αναγνωριστεί η κατανομή μεγέθους σωματιδίων, που δίνει ίδια χαρακτηριστικά κατανομής του φωτός που διαχέεται με τη μέτρηση .
Όσον αφορά τη μείωση των επικαθίσεων ρύπων, η διατήρηση καθαρών οπτικών και ενός καθαρού ανιχνευτή ήχου είναι απαραίτητη για τη διατήρηση της μακροχρόνιας αντοχής του αισθητήρα. Εκτός αυτού, η συσσώρευση σωματιδίων από τη ροή του ΜΣ, ιδίως στην διεύθυνση της δέσμης φωτός, μπορεί να προκαλέσει μείωση της ευαισθησίας στο φως, ενώ η συσσώρευση στον ανιχνευτή ήχου θα αλλάξει τη φυσική του συχνότητα. Η μακροχρόνια λειτουργία επιτυγχάνεται φυσικά μέσω της τοποθέτησης των ευαίσθητων εξαρτημάτων μακριά από τη ροή του ΜΣ. Χάρη στη συσκευή που προτείνεται από την εφεύρεση, ο ακουστικός ανιχνευτής είναι τοποθετημένος μακριά από την εισερχόμενη ροή ρύπων του ΜΣ. Η οπτική διαδρομή είναι επίσης σχεδιασμένη κάθετη προς την αναφερθείσα ροή ρύπων του ΜΣ για να αποφευχθεί η επαφή ρύπων και οπτικών εξαρτημάτων. Σύμφωνα με μια πιο λεπτομερή πραγμάτωση της εφεύρεσης, για την περαιτέρω αποφυγή της εναπόθεσης μολυσματικών ουσιών μέσω άνωσης και φυσικής μεταφοράς, διατηρείται μια ήπια θετική θερμική διαβάθμιση μεταξύ της πορείας ρύπων και των ευαίσθητων στοιχείων για να καταστεί δυνατή η περαιτέρω προστασία με θερμική απώθηση. Επίσης, ένα ακουστικά διαφανές αλλά μη διαπερατό από σωματίδια υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να διαχωρίσει τον ακουστικό ανιχνευτή από τη ροή του ΜΣ για να τον προστατεύσει από τις επικαθίσεις.
Όσον αφορά την παροχή του ΜΣ, πρέπει να τονισθεί ότι ο θάλαμος προβάλει μια ελάχιστη αντίσταση στη ροή.
Σε μια άλλη πραγμάτωση της μεθόδου σύμφωνα με την εφεύρεση, η μέτρηση της θερμικής συνιστώσας της ενέργειας που παράγεται στον όγκο διέγερσης διεξάγεται κατά μήκος του τρίτου άξονα. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί από έναν θερμικό ανιχνευτή, μέσω της ποσοτικοποίησης της μεταβολής της θερμοκρασίας στην περιοχή της ροής του ΜΣ λόγω της ενέργειας του προσπίπτοντος φωτός, όπως παρατίθεται παρακάτω. Με την χρήση οπτικής ανίχνευσης της μεταβολής της θερμοκρασίας κατά μήκος αυτού του τρίτου άξονα, τα σχετικά οπτικά παραμένουν και πάλι σε απόσταση από τον ΜΣ και συγκεκριμένα βρίσκονται κατά μήκος ενός άξονα που σχηματίζει μια γωνία με τον άξονα ροής του ΜΣ. Αυτό εξυπηρετεί και πάλι την προστασία των οπτικών από τις επικαθίσεις ρύπων. Επιπλέον, η μέτρηση της θερμικής συνιστώσας της παραγόμενης ενέργειας πλησίον του ΜΣ αναμένεται να οδηγήσει σε αυξημένη ευαισθησία έναντι των οπτικοακουστικών αισθητήρων, καθώς η ακουστική ενέργεια είναι γνωστό ότι είναι μόνο ένα κλάσμα της θερμικής ενέργειας που παράγεται.
Όσον αφορά την χρήση δέσμης φωτός πολλαπλών μηκών κύματος και τον φασματικό διαχωρισμό, οι διάφορες ουσίες που προκαλούν απορρόφηση φωτός καθώς και τα διάφορα είδη ρύπων μπορούν αργότερα να διαχωριστούν χρησιμοποιώντας μεθόδους φασματικής ανάμιξης. Το οπτικοακουστικό σήμα είναι ανάλογο με την ενέργεια διέγερσης της πηγής λέιζερ, τον συντελεστή απορρόφησης των ειδών του ΜΣ και τη συγκέντρωση αυτών των ειδών:
όπου Sλείναι το οπτικοακουστικό σήμα της πηγής λέιζερ με μήκος κύματος λ, Ιχ είναι η οπτική ενέργεια της πηγής λέιζερ με μήκος κύματος λ, μχ' η απορρόφηση του αερίου ή των σωματιδίων i στο μήκος κύματος λ και C, η συγκέντρωση του ί αέριου ή σωματιδιακού ρύπου του ΜΣ. Επομένως, σχηματίζεται ένα σύστημα εξισώσεων η άγνωστων το οποίο μπορεί εύκολα να λυθεί αναλυτικά για να προσδιοριστεί η συγκέντρωση των η ρύπων αερίων ή σωματιδίων του ΜΣ, αρκεί να υπάρχουν η μήκη κύματος.
Τα LD και τα LED διατίθενται σε πολλά μήκη κύματος, καλύπτοντας το εύρος από το υπεριώδες, το ορατό και το NIR (~ 300 nm έως ~ 1500 nm). Τα διαφορετικά μήκη κύματος θα διεγείρουν διαφορετικά αέρια όπως Ν02 (350 nm — 600 nm), αιθάλη διαφορετικών ιδιοτήτων (κυρίως στο ορατό και NIR φάσμα), C02 (~ 1400 nm), S02 (~ 300-320 nm). Τα διαφορετικά απορροφητικά, αέρια και σωματίδια, μπορούν αργότερα να διαχωριστούν χρησιμοποιώντας τις προαναφερ θείσες μεθόδους φασματικής ανάμιξης. Χάρη σε αυτήν την πραγμάτωση της μεθόδου σύμφωνα με την εφεύρεση, ο αισθητήρας είναι ικανός να ανιχνεύει και να παρακολουθεί σε πραγματικό χρόνο πολλαπλά αέρια και σωματίδια απορρόφησης φωτός ταυτόχρονα.
Τα πολλαπλά σήματα του αισθητήρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση ενός μεγάλου αριθμού των χαρακτηριστικών του δείγματος. Το οπτικοακουστικό σήμα παρέχει τη συγκέντρωση μάζας ορισμένων ειδών αερίων και σωματιδίων όπως περιεγράφηκε προηγουμένως. Με επιπλέον παρακολούθηση της σκέδασης φωτός σε διαφορετικές γωνίες, μπορεί να υπολογιστεί η κατανομή μεγέθους των σωματιδίων. Πολλές θεωρίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίτευξη αυτών των πληροφοριών, δηλαδή η σκέδαση Rayleigh για σωματίδια μεγέθους νανομέτρων, η θεωρία Mie για σωματίδια μεγέθους μικρομέτρου (σφαιρικά), καθώς και θεωρία Rayleigh-Debye-Gans για συσσωματώματα σωματιδίων. Επίσης, ο λόγος απορρόφησης προς σκέδαση σε διαφορετικές γωνίες και μήκη κύματος διέγερσης θα χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό των συγκεντρώσεων του δείγματος αερίου και για τη διάκριση των διαφορετικών απορροφητών, όπως τα ΝO2, BC ή άλλα ανθρακούχα σωματίδια, CO2, SO2, σκόνη, τέφρα κ.λπ
Τα κατάλληλα ηλεκτρονικά κυκλώματα θα ενσωματωθούν στον αισθητήρα για την οδήγηση των LD, για την ενίσχυση του εντοπισμένου οπτικοακουστικού σήματος, για την ψηφιοποίηση και την απόκτηση των οπτικών καθώς και των οπτικοακουστικών σημάτων, την επεξεργασία τους και τη μετάδοσή τους σε ένα σημείο συλλογής και αποθήκευσης δεδομένων. Για να επιτευχθεί αυτό, μπορούν να χρησιμοποιηθούν μικρό επεξεργαστές όπως το Arduino, οι προγραμματιζόμενες συστοιχίες πυλών (FPGA), οι μετατροπείς αναλογικού προς ψηφιακό σήμα (ADC), οι λειτουργικοί ενισχυτές και οι ενισχυτές σύνθετης αντίστασης, το Bluetooth ή άλλες τεχνολογίες μετάδοσης.
Σύντομη περιγραφή των σχεδίων
Το Σχήμα 1 είναι μια προοπτική όψη μιας πραγμάτωσης της οπτικοακουστικής διάταξης με αισθητήρα σύμφωνα με την παρούσα εφεύρεση
Το Σχήμα 2 είναι μια τομή μιας μεγεθυμένης αναπαράστασης της διάταξης με τον αισθητήρα του Σχήματος 1 να λαμβάνεται κατά μήκος της γραμμής Α-Α
Το Σχήμα 3 είναι μια τομή της διάταξης με τον αισθητήρα του Σχήματος 1 να λαμβάνεται κατά μήκος του επιπέδου Β-Β
Το Σχήμα 4 δείχνει μια λεπτομέρεια μιας υλοποίησης της δέσμης φωτός, σε μια διάταξη με αισθητήρα; Το Σχήμα 5 είναι μια τμηματική όψη μιας πραγμάτωσης της οπτικοακουστικής διάταξης με αισθητήρα της παρούσας εφεύρεσης όπου ο αισθητήρας χρησιμοποιείται για τη μέτρηση των ρύπων σε μια γραμμή εξάτμισης
Το Σχήμα 6 είναι μια όψη σε τομή σε διαφορά γωνίας 90 μοιρών με την πραγμάτωση σύμφωνα με την εφεύρεση του Σχήματος 5
Το Σχήμα 7 είναι μια σχηματική κάτοψη μιας πραγμάτωσης σύμφωνα με την εφεύρεση που χρησιμοποιεί δύο αισθητήρες παράλληλα για την αύξηση της ευαισθησίας.
Περιγραφή
Η εφεύρεση αναφέρεται σε μια οπτικοακουστική διάταξη με αισθητήρα οπτικής απορρόφησης υψηλής ευαισθησίας και τη χρήση της για περιβαλλοντικές εφαρμογές, της οποίας μια πρώτη ενσωμάτωση φαίνεται στο Σχ. 1, όπου επιτυγχάνεται αυξημένη ευαισθησία στην ανίχνευση της ενέργειας που παράγεται σε από έναν μετρητικό στόχο, σε απόκριση της διέγερσης αυτής από φως διαμορφωμένης έντασης. Η αύξηση της ευαισθησίας βασίζεται σε τεχνικές ενίσχυσης, όπως εξηγείται παρακάτω.
Η εν λόγω διάταξη περιλαμβάνει έναν αισθητήρα 44 εφοδιασμένο με έναν θάλαμο 3 που έχει πολύ ευνοϊκό σχεδίασμά, ο οποίος περιλαμβάνει τρεις άξονες X, Υ, Ζ, επιτρέποντας σε έναν πρώτο άξονα X τη ροή του εν λόγω μετρητικού στόχου, σε έναν δεύτερο άξονα Υ την δέσμη φωτός διαμορφωμένης έντασης και σε έναν τρίτο άξονα Ζ την ανίχνευση της αντίστοιχης παραγόμενης ενέργειας. Ο εν λόγω κεντρικός άξονας ροής του μετρητικού στόχου X και ο εν λόγω κεντρικός άξονας Υ του προσπίπτοντος φωτός της διαμορφωμένης έντασης κατευθύνονται έτσι ώστε να σχηματίσουν ένα επίπεδο α. Οι ανωτέρω άξονες X, Υ βρίσκονται σε διαφορετικές γωνίες μεταξύ τους, επιτρέποντας επίσης την συμπερίληψη πρόσθετων αξόνων Ζ, όπως απαιτείται για τη μέτρηση οπτικών ιδιοτήτων του στόχου μέτρησης. Η γεωμετρία του θαλάμου παρέχει προστασία των οπτικών και των ανιχνευτών 5 που βρίσκονται σε αυτόν, αποσυνθέτοντας τους άξονες X της διαδρομής ροής του μετρητικού στόχου ΜΣ και Υ της δέσμης (ες) φωτός 19. Η ενίσχυση μέτρησης επιτρέπει τη χρήση φθηνών πηγών φωτός, όπως LD 21, 22.
Ο μετρητικός στόχος σημαίνει εδώ τη ροή ρευστού που περιέχει μια ποσότητα ειδών απορρόφησης που υπάρχουν στον μετρητικό στόχο που διέρχεται από τον θάλαμο 3, η οποία διεγείρεται από την προσπίπτουσα δέσμη φωτός 19. Ο εν λόγω ΜΣ μπορεί να είναι καυσαέριο από οποιαδήποτε πηγή εκπομπών, ατμοσφαιρικός αέρας ή μια διαλυμένη ουσία μορίων, συμπεριλαμβανομένων των βιομορίων. Το ρευστό μπορεί να περιέχει διαφορετικούς ρύπους, όπως αιθάλη ή άλλα σωματίδια, οξείδια του αζώτου, διοξείδιο του άνθρακα, οξείδια του θείου και άλλα που πρέπει να ανιχνευθούν από τον εν λόγω αισθητήρα για τον προσδιορισμό της ποιότητας του αέρα. Ο εν λόγω ΜΣ μπορεί επίσης να είναι ένα μέρος του συνόλου των καυσαερίων ενός κινητήρα ή καυσαερίων άλλης δραστηριότητας καύσης, όπως καυσαέρια και καυσαέρια που παράγονται από μέσα μεταφοράς, όπως οχήματα, πλοία, τρένα, αεροπλάνα κ.λπ. ή βιομηχανικές δραστηριότητες όπως καυστήρες, αποτεφρωτήρες, λέβητες κ.λπ.
Ο αισθητήρας 44 έχει το θάλαμο 3 όπου εισέρχεται ο ΜΣ. Ο όγκος διέγερσης 4 στον θάλαμο 3 σχηματίζεται στο σημείο τομής του άξονα ροής του ΜΣ X και του διαφορετικού άξονα Υ του προσπίπτοντος φωτός της δέσμης διαμορφωμένης συχνότητας 19, οι οποίοι δύο άξονες σχηματίζουν μια γωνία. Κατά προτίμηση αυτοί οι άξονες X, Υ είναι κάθετοι μεταξύ τους. Ωστόσο, μπορούν να προβλεφθούν και άλλες σχετικές γωνίες. Ο σκοπός του θαλάμου 3 είναι να επιτρέψει τη ροή του ΜΣ και την διέγερση του ΜΣ από το διαμορφωμένο προσπίπτον φως, καθώς και να παρέχει μια διαμόρφωση σύμφωνα με την οποία η ενέργεια που προέρχεται από τη διέγερση του ΜΣ περιέχεται ή συμπυκνώνεται προκειμένου να επιτευχθεί αποτελεσματική μέτρηση με υψηλή ευαισθησία. Μ ενέργεια που παράγεται από την προσπίπτουσα διέγερση φωτός στον ΜΣ περιέχει μια θερμική συνιστώσα που αντιπροσωπεύει μια ελαφρά αύξηση της τοπικής θερμοκρασίας, και μια ακουστική συνιστώσα που αντιστοιχεί στην παραγωγή ενός υπερήχου κύματος, που ανιχνεύεται κατά μήκος του τρίτου άξονα Ζ στον θάλαμο 3. Και η θερμική και η ακουστική ενέργεια σχετίζονται με την ποσότητα της φωτεινής ενέργειας που προσπίπτει στον όγκο διέγερσης 4 και την ποσότητα των απορροφητικών ειδών που υπάρχουν στον ΜΣ. Αυτή η σχέση περιγράφεται στη δημοσιευμένη βιβλιογραφία από τη θερμοακουστική εξίσωση (οπτοακουστική, φωτοακουστική) ή ως φωτοθερ μική εξίσωση (φωτοθερμική παραγωγή θερμότητας).
Ο θάλαμος 3 συγκεντρώνει την ακουστική συνιστώσα της ενέργειας που παράγεται και επικεντρώνει εκ νέου τον ήχο που παράγεται στον όγκο διέγερσης 4, σε μια απομακρυσμένη περιοχή ανίχνευσης ήχου 5 κατά μήκος του τρίτου άξονα Ζ, όπου βρίσκεται ο ακουστικός ανιχνευτής 5. Αυτό αναμένεται λοιπόν να αυξήσει την αξιοπιστία της ανίχνευσης σήματος, λόγω της αποφυγής επικαθίσεων ρύπων στα οπτικά εξαρτήματα και στον ακουστικό ανιχνευτή 5, καθώς και οι δύο βρίσκονται μακριά από τη ροή ρύπων. Επιπλέον, η επανεστίαση ήχου σε χαμηλές συχνότητες, 10-200 kHz, έχει ως αποτέλεσμα μια σχετικά μεγάλη ακουστική εστιακή περιοχή, της τάξης των χιλιοστών, πράγμα που σημαίνει ότι η ευαισθησία δεν εξαρτάται από την ακριβή θέση του ακουστικού ανιχνευτή 5 ή από εξωτερικές δονήσεις, οδηγώντας έτσι σε ελάφρυνση των απαιτήσεων λειτουργίας. Η εν λόγω συγκέντρωση ήχου, η εν λόγω αποφυγή επικαθίσεων και οι χαλαρές απαιτήσεις όσον αφορά τη θέση του ακουστικού αισθητήρα που αναφέρονται παραπάνω συνεπάγονται ότι οι φτηνές πηγές φωτός, όπως τα Laser Diode, είναι αρκετά καλές για να χρησιμοποιηθούν ως πηγές φωτός διατηρώντας ταυτόχρονα την απαιτούμενη ευαισθησία. Με τη χρήση ενός θαλάμου 3 αντί ενός συντονιστή, η ταχύτητα του ήχου και συνεπώς, η θερμοκρασία του δείγματος, δεν έχει σημαντική επίδραση στο τελικό σήμα, σε αντίθεση με τα συστήματα με συντονιστή που χρησιμοποιείται συνήθως. Επιπλέον, ένας θάλαμος μπορεί να παρέχει αρκετούς βαθμούς ελευθερίας για το συνδυασμό διαφόρων οπτικοακουστικών με οπτικές μεθόδους ανίχνευσης για τον καλύτερο χαρακτηρισμό των ιδιοτήτων του ΜΣ.
Ένας ελλειψοειδής θάλαμος 3 επιλέγεται ως η προτιμώμενη γεωμετρία για να επιτευχθεί παθητική συγκέντρωση και επανεστίαση του ήχου. Επιπλέον, μια τέτοια γεωμετρία χαρακτηρίζεται από δύο αμοιβαία απομακρυσμένα εστιακά σημεία F1, F2, τα οποία επιτρέπουν επαρκή απόσταση στο εύρος mm έως cm μεταξύ του όγκου διέγερσης 4 που βρίσκεται στο πρώτο εστιακό σημείο F1 και του όγκου ανίχνευσης 5 που βρίσκεται στο δεύτερο σημείο εστίασης F2. Σε ένα ελλειψοειδές, η ακουστική ενέργεια που παράγεται στον όγκο διέγερσης 4 ταξιδεύει την ίδια απόσταση προς όλες τις κατευθύνσεις και μέσω ανάκλασης στα ελλειψοειδή τοιχώματα 63 για να φτάσει στον όγκο ανίχνευσης 5. Ο ήχος συγκεντρώνεται έτσι και επανεστιάζεται μακριά από τον όγκο διέγερσης 4. Το ελλειψοειδές παρέχει επίσης αρκετό χώρο και περιοχή τοιχώματος για την αξιολόγηση της οπτικής σκέδασης από το δείγμα κατά μήκος πρόσθετων αξόνων σε διαφορετικές γωνίες.
Σε μια άλλη πραγμάτωση της εφεύρεσης, η μέτρηση του θερμικού συστατικού της ενέργειας που παράγεται στον όγκο διέγερσης 4 πραγματοποιείται κατά μήκος του τρίτου άξονα Ζ. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί από έναν θερμικό ανιχνευτή μέσω ποσοτικοποίησης της μεταβολής της θερμοκρασίας στην περιοχή του ΜΣ λόγω της ενέργειας του προσπίπτοντος κατάλληλα διαμορφωμένου φωτός, όπως αναφέρεται παρακάτω. Με την εισαγωγή οπτικής ανίχνευσης διακύμανσης θερμοκρασίας κατά μήκος αυτού του τρίτου άξονα Ζ, τα σχετικά οπτικά παραμένουν και πάλι σε απόσταση από τον ΜΣ και κατά μήκος ενός άξονα Υ σχηματίζοντας μια γωνία με τον άξονα ροής του ΜΣ X. Αυτό χρησιμεύει και πάλι ως προστασία των οπτικών από τις επικαθίσεις. Επιπλέον, η μέτρηση της θερμικής συνιστώσας της παραγόμενης ενέργειας κοντά στον ΜΣ αναμένεται να οδηγήσει σε αυξημένη ευαισθησία έναντι των οπτικοακουστικών αισθητήρων, καθώς η ακουστική ενέργεια είναι μόνο ένα κλάσμα της θερμικής ενέργειας που παράγεται.
Η διάταξη μέτρησης δύναται να χρησιμοποιεί κατά προτίμηση χαμηλού κόστους και συμπαγείς πηγές φωτός όπως δίοδοι λέιζερ LD 21 , 22 ή Laser Emitting Diode LED. Οι LD και οι LED, αν και μικρές σε μέγεθος και με χαμηλό κόστος, συνήθως προσφέρουν αρκετά χαμηλή μέγιστη ισχύ εξόδου. Ωστόσο, οι LD μπορούν επίσης να διαμορφωθούν με ρεύμα έως και 40 φορές υψηλότερο από το βασικό, μόνιμο σημείο λειτουργίας τους που αναφέρεται ως απόλυτη μέγιστη τιμή CW, για λίγα μόνο νανοδευτερόλεπτα, παρέχοντας έως και 30 φορές υψηλότερη μέγιστη ισχύ από την απόλυτη μέγιστη αναφερόμενη CW, χωρίς να καταστραφούν. Με αυτόν τον τρόπο, η ισχύς που παρέχεται μπορεί να αυξηθεί, το SNR να βελτιωθεί, επομένως και η ευαισθησία του αισθητήρα [7]. Επιπλέον, τα LD και τα LED μπορούν να οδηγούνται με πολύ υψηλούς ρυθμούς επανάληψης - κύκλοι λειτουργίας - που επιτρέπουν βελτιωμένο SNR με τη χρήση μέσου όρου χωρίς αύξηση του χρόνου μέτρησης.
Προκειμένου να διατηρηθεί το μέγεθος της συσκευής ανίχνευσης μικρό και να μην χρησιμοποιηθούν πολλαπλοί ακουστικοί θάλαμοι 3 για διαφορετικά μήκη κύματος, ενσωματώνονται συνδυαστές ισχύος οπτικών ινών 27 έτσι ώστε να συνδυάζεται η έξοδος διαφορετικών πηγών φωτός 21, 22 σε μία μόνο οπτική ίνα. Οι συνδυαστές οπτικών ινών 27 παρουσιάζουν υψηλή απόδοση ζεύξης έως > 98%, επομένως δεν περιορίζουν την ευαισθησία του αισθητήρα. Τα LD ή τα LED, ως συσκευές με ρεύμα, μπορούν να διαμορφωθούν χρησιμοποιώντας διαφορετικές κυματομορφές, όπως ημιτονοειδή κύματα, τετραγωνικοί παλμοί με διαφορετικούς κύκλους λειτουργίας και ρυθμούς επανάληψης, frequency comb, τριγωνικοί παλμοί.
Έξυπνες τεχνικές διαμόρφωσης και κωδικοποίησης, όπως οι Golay Codes, μπορούν να εφαρμοστούν για να διεγείρουν ταυτόχρονα το δείγμα με όλα τα επιλεγμένα μήκη κύματος και αργότερα να αποσυνδέσουν τα αντίστοιχα σήματα. Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να αυξηθεί ο ρυθμός λήψης σήματος του αισθητήρα.
Όσον αφορά τον ακουστικό ανιχνευτή, η ανίχνευση ήχου κατά μήκος του τρίτου άξονα Ζ του θαλάμου 3 μπορεί να βασίζεται σε οποιαδήποτε ευαίσθητη υλοποίηση kHz, συμπεριλαμβανομένου του Quartz Tuning Fork που αναφέρεται στη συνέχεια ως QTF, ένα μικρόφωνο, MEMS ή άλλος πιεζοηλεκτρικός ανιχνευτής ή οπτική ανίχνευση του ήχου όπως περιγράφεται στο [8],
Σε μια πρώτη πραγμάτωση της διάταξης ανίχνευσης, ο ανιχνευτής 5 είναι ένα QTF, το οποίο ανταποκρίνεται μόνο σε στενές ζώνες ακουστικών συχνοτήτων - κύρια συχνότητα και αρμονικές της -παρέχοντας έτσι υψηλό παράγοντα Q. To QTF αναμένεται να παρέχει υψηλή αναλογία σήματος προς θόρυβο λόγω των εγγενών χαρακτηριστικών του, αυξάνοντας έτσι την ευαισθησία ακόμη και χρησιμοποιώντας πηγές χαμηλού φωτισμού ισχύος, δηλαδή χωρίς υπερφόρτωση ρεύματος.
Σε μια άλλη πραγμάτωση της διάταξης ανίχνευσης, ένα ευαίσθητο μικρόφωνο, το οποίο μπορεί να ανιχνεύσει όλες τις συχνότητες που προέρχονται από μια ενισχυμένη πηγή φωτός, χρησιμοποιείται ως ακουστικός ανιχνευτής 5. Στη συνέχεια, η υψηλή ευαισθησία επιτυγχάνεται με τη σχετικά υψηλή ακουστική ενέργεια που παράγεται από την ενισχυμένη πηγή φωτός 21 22. Το επιλεγμένο μικρόφωνο πρέπει να είναι ευαίσθητο στη συχνότητα του διαμορφωμένου φωτός και των αρμονικών του που παράγονται στον ΜΣ, και να μην είναι ευαίσθητο στις συχνότητες ήχου του περιβάλλοντος στο οποίο λειτουργεί ο αισθητήρας 44.
Το Σχ. 1 δείχνει μια προοπτική σχηματική μορφή μιας πραγμάτωσης του οπτικοακουστικού αισθητήρα 44. Αυτός περιλαμβάνει δύο μισά περιβλήματος 1, 2 που έχουν και τα δύο τις ίδιες εσοχές έτσι ώστε να περικλείουν έναν θάλαμο 3 που σχηματίζεται μέσα στον αισθητήρα, με ένα ελλειψοειδές προφίλ. Το ένα μισό 1 προβλέπει τη Θέση του ακουστικού ανιχνευτή 5. Το άλλο μισό 2 προβλέπει τη θέση της πηγής φωτός 21, 22, τη μετάδοση της φωτεινής δέσμης 19 και τη ροή του μετρητικού στόχου ΜΣ. Οι άξονες Υ, X της δέσμης φωτός 19 και ο μετρητικός στόχος ΜΣ αντίστοιχα είναι κατά προτίμηση κάθετοι μεταξύ τους και σχηματίζουν ένα επίπεδο α. Η τομή των δύο αξόνων X, Υ σχηματίζει τον όγκο διέγερσης 4 ο οποίος, μαζί με το σημείο της θέσης του ακουστικού ανιχνευτή F2 σχηματίζουν τον τρίτο άξονα Ζ του θαλάμου 3.
Μία διατομή του ανωτέρω ελλειψοειδούς θαλάμου 3 παρουσιάζεται στο Σχ.2 κατά μήκος του επιπέδου Α-Α του Σχ.1. Ο θάλαμος 3 σχηματίζεται με κατάλληλη κοίλη διαμόρφωση των δύο μισών περιβλημάτων 1 και 2, κατά προτίμηση ως δύο πανομοιότυπες μισές ελλειψοειδείς εσοχές. Αυτά είναι κατασκευασμένα από πλαστικό για εφαρμογές χαμηλής θερμοκρασίας ή μέταλλο, ή ακόμη και άλλο υλικό, π.χ. κεραμικά, για εφαρμογές υψηλότερης θερμοκρασίας. Η σωστή στεγανοποίηση των εν λόγω δύο μισών 1 , 2 επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας ένα στεγανωτικό δακτύλιο 9 από ελαστομερές, χαλκό ή οποιοδήποτε άλλο κατάλληλο υλικό.
Ο μετρητικός στόχος ΜΣ εισάγεται στον θάλαμο 3 εισερχόμενος μέσω της εισόδου 6 και εξέρχεται μέσω της εξόδου 8. Ο σωλήνας εισόδου 6 περιέχει ένα κατάλληλο τμήμα επιτάχυνσης 7 που στενεύει κατάντη της ροής, π.χ. γραμμικά για τη ροή ΜΣ σε εξέλιξη σύμφωνα με το βέλος F και ένα εξομαλυμένο χείλος 76 λίγο πριν αυτό εισέλθει στο θάλαμο, δηλαδή ανάντη αυτού. Αυτό επιτρέπει την επιτάχυνση και την εστίαση της ροής του μετρητικού στόχου ΜΣ για τη μείωση της απώλειας σωματιδίων με διάχυση στα τοιχώματα 63 αυτών και για την επίτευξη της ίδιας διαμέτρου με τη δέσμη φωτός 19 όπου διασταυρώνονται μεταξύ τους, στην τομή τους στο F1. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ότι η ροή του δείγματος παραμένει στον θάλαμο του αισθητήρα 3 για μικρό χρονικό διάστημα μόνο, γεγονός που ελαχιστοποιεί την εναπόθεση σωματιδίων σε αυτόν. Ο μετρητικός στόχος ΜΣ διασχίζει τη δέσμη φωτός 19, η οποία είναι κάθετη προς τη ροή του μετρητικού στόχου, στο πρώτο εστιακό σημείο F1 του ελλειψοειδούς. Η τομή των δύο αξόνων X, Υ σχηματίζει τον όγκο διέγερσης 4 ο οποίος, μαζί με το σημείο της θέσης του ακουστικού ανιχνευτή F2, σχηματίζουν τον τρίτο άξονα Ζ του θαλάμου 3. Η ακουστική ενέργεια που παράγεται από το οπτικοακουστικό φαινόμενο στον όγκο διέγερσης 4 επανεστιάζεται από τον ελλειψοειδή θάλαμο 3 στο δεύτερο εστιακό σημείο F2 του ελλειψοειδούς όπου ένα QTF τοποθετείται ως ακουστικός ανιχνευτής 5. Το εν λόγω QTF συγκρατείται στη θέση του, χρησιμοποιώντας ένα κωνικό τμήμα 10 που επιτρέπει ευκολότερη συναρμολόγηση. Το μέγεθος του δεύτερου εστιακού σημείου F2 καθορίζεται σε αρκετές εκατοντάδες μικρόμετρα, με αποτέλεσμα να μην απαιτείται η ακριβής τοποθέτηση του QTF. Ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα 11, το οποίο χρησιμοποιείται για τη λήψη του σήματος του QTF, βρίσκεται πάνω από τον αισθητήρα 47. Ένα O-ring 9 χρησιμοποιείται επίσης εκεί για σφιχτή στεγανοποίηση των δύο μισών περιβλήματος 1, 2 σε τέλεια ευθυγράμμιση με τα αντίστοιχα κοίλα κελύφη του ανωτέρω αισθητήρα 44.
Το Σχ. 3 δείχνει μια διατομή αισθητήρα κατά μήκος του επιπέδου Β-Β του Σχ. 1, η οποία είναι υπό γωνία 90 μοιρών σε σύγκριση με τη διατομή του Σχ.2 και δείχνει τη διαδρομή της δέσμης φωτός 19. Μια οπτική ίνα 18 μεταφέρει το φως από την πηγή φωτός 21, 22 στην οπτική διαδρομή του αισθητήρα 44. Διαφανή παράθυρα 12, κατασκευασμένα από γυαλί, χρησιμοποιούνται για να επιτρέπουν στο φως να διέρχεται μέσα και έξω από τον αισθητήρα 44. Ένα σετ φακών 15, 16 χρησιμοποιείται για να εστιάσει τη φωτεινή δέσμη 19 στο πρώτο εστιακό σημείο F1 του ελλειψοειδούς. Η διάμετρος της δέσμης φωτός αρχίζει να αυξάνεται όταν βγαίνει από την οπτική ίνα 18 έως ότου συναντήσει τον πρώτο φακό 16. Ο πρώτος φακός 16 παραλληλίζει τη δέσμη φωτός 19 πριν φτάσει στον δεύτερο φακό 15, και έπειτα ο δεύτερος φακός εστιάζει τη δέσμη φωτός 19 έτσι ώστε να έχει την κατάλληλη διάμετρο όταν φτάνει τον όγκο διέγερσης 4. Η διάμετρος της διατομής της εστιασμένης δέσμης στη θέση του όγκου διέγερσης 4 εξαρτάται από τη συχνότητα διαμόρφωσης της δέσμης φωτός, προκειμένου να επιτευχθεί η μέγιστη ευαισθησία. Επιπλέον, η εστίαση της δέσμης 19 από τον φακό 15 βοηθά στη μείωση της ποσότητας φωτός που χάνεται στα τοιχώματα 63 του αισθητήρα 44 προκαλώντας ακουστικό θόρυβο υποβάθρου. Η δέσμη φωτός 19 μπορεί να περιλαμβάνει περισσότερες από μία πηγές φωτός 21, 22, δηλαδή μήκη κύματος, που φέρονται από την ίδια οπτική ίνα 18 για να επιτρέπουν την ανίχνευση περισσότερων από ενός ειδών του μετρητικού στόχου ΜΣ.
Ένα κοίλο πώμα 13 χρησιμοποιείται για να συγκρατεί τα γυάλινα παράθυρα 12 στη θέση τους στην πλευρά όπου το φως εξέρχεται από το θάλαμο 3 ενώ O-ring 9 στεγανοποιούν αυτά τα γυάλινα παράθυρα. Ένα δεύτερο καπάκι 14 συγκρατεί το γυαλί στην είσοδο της δέσμης φωτός 19. Αυτό το καπάκι 14 εμπεριέχει επίσης τους δύο φακούς 15, 16, οι οποίοι παρέχουν κατάλληλη χωρική διαμόρφωση της δέσμης φωτός 19. Ένας προσαρμογέας σύνδεσης οπτικής ίνας 17, ο οποίος επιτρέπει στην οπτική ίνα να ενσωματωθεί με εξαρτήματα σπειρώματος SM, βιδώνεται επίσης σε ένα σπείρωμα SM του δεύτερου καπακιού 14, σε πολύ μικρή απόσταση από τον δεύτερο φακό 16. Μια οπτική ίνα 18, η οποία φέρει τη δέσμη φωτός 19, συνδέεται τελικά στον προσαρμογέα σύνδεσης οπτικής ίνας 17.
Η χρήση οπτικής ίνας 18 επιτρέπει ευκαμψία όταν η πηγή φωτός 21 , 22 τοποθετείται σε σχετική θέση με το σώμα του αισθητήρα. Αυτό μπορεί να είναι απαραίτητο για παράδειγμα όταν ο αισθητήρας 44 λειτουργεί σε περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας ή όπου η πηγή φωτός 21, 22 θα πρέπει να προστατεύεται διαφορετικά. Υπάρχει ένας επιπλέον λόγος για τη χρήση οπτικής ίνας, η οποία συνίσταται στη δυνατότητα συνδυασμού περισσότερων από μία πηγών φωτός 21, 22, για παράδειγμα σε διαφορετικά μήκη κύματος λί, για ανίχνευση διαφορετικών ειδών. Το Σχ.4 δείχνει πώς το φως από δύο διαφορετικές πηγές 21 , 22 εισέρχεται στην ίνα 18 για να μεταφερθεί στον αισθητήρα 44. Δύο δίοδοι λέιζερ 21, 22 σε διαφορετικά μήκη κύματος λί, λ2 χρησιμοποιούνται ως πηγές φωτός σε αυτόν τον υποδειγματικό τρόπο πραγμάτωσης. Οι δίοδοι λέιζερ συνδέονται με ηλεκτρονικά κυκλώματα 20 που ρυθμίζουν την έξοδο τους. Ένα δίδυμο σετ δύο φακών 23/24, 25/26 συνδέει τις ακτίνες φωτός 28, 29 με έναν συνδυαστή οπτικών ινών 1 x 2 27. Ο συνδυαστής οπτικών ινών 27 παράγει μια μικτή δέσμη φωτός 30, η οποία περιέχει και τα δύο μήκη κύματος λ1, λ2.
Το Σχ.5 απεικονίζει ένα δεύτερο υποδειγματικό τρόπο πραγμάτωσης του αισθητήρα, όπου είναι διαμορφωμένος για εγκατάσταση σε γραμμή εξάτμισης οχήματος ή σε βιομηχανική καπνοδόχο για καυσαέρια. Το αισθητήριο μέρος είναι ίδιο με αυτό που παρουσιάζεται στα Σχήματα 1 έως 3. Ωστόσο, η διαδρομή ροής του μετρητικού στόχου ΜΣ ανάντη του αισθητήρα αλλάζει για να επιτρέψει την αντίσταση του αισθητήρα σε υψηλές θερμοκρασίες και μια αυτο-επαγόμενη ροή για τον μετρητικό στόχο (εξάτμιση ή καυσαέρια). Ο αισθητήρας συγκρατείται στην εν λόγω γραμμή εξάτμισης ή καπνοδόχο μέσω ενός κοχλία συγκράτησης 31, π.χ. μεγέθους Μ20, παρόμοιο με αυτό που χρησιμοποιείται στους αισθητήρες καυσαερίων αυτοκινήτων σήμερα. Ο επιθυμητός ρυθμός ροής μέσω του αισθητήρα δημιουργείται από ένα άκρο 32 που χρησιμοποιεί την αρχή Bernoulli. Με βάση αυτό, η εξαναγκασμένη κίνηση των καυσαερίων στην εν λόγω γραμμή εξάτμισης ή καπνοδόχο δημιουργεί υποπίεση στο άκρο εξόδου 33. Αυτό δημιουργεί ένα ρυθμό ροής καυσαερίων μέσω μιας εισόδου 34, η οποία κινείται σε έναν οδηγητικό σωλήνα; 35 και εισέρχεται στον θάλαμο του αισθητήρα 3 μέσω μιας εισόδου 36. Ένας ελλειψοειδής θάλαμος όπως στα Σχ. 1, 2 και 3 χρησιμοποιείται επίσης σε αυτήν την περίπτωση. Χάρη σε αυτήν την αξιοσημείωτη διαμόρφωση, τα ηχητικά κύματα που δημιουργήθηκαν στο πρώτο εστιακό σημείο 37 κατευθύνεται εκεί όπου η δέσμη φωτός εστιάζεται στο QTF που είναι τοποθετημένο στο δεύτερο εστιακό σημείο 38. Και πάλι το τελευταίο βρίσκεται μακριά από την πηγή ρύπων για να αποφευχθούν οι επικαθήσεις στο QTF, ως ευαίσθητο στοιχείο. Ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα 39 χρησιμοποιείται και εδώ για τη λήψη του σήματος. Ένα O-ring 40 χρησιμοποιείται για τη στεγανοποίηση του αισθητήρα.
Το Σχ.6 δείχνει την ίδια πραγμάτωση σε κάθετη τομή στο επίπεδο που παρουσιάζεται στο Σχ.5. Σε αυτήν την τομή, απεικονίζεται η διαδρομή της δέσμης φωτός. Μια οπτική ίνα 43 μεταφέρει το φως από την πηγή φωτός στην είσοδο του αισθητήρα 34. Η καλωδίωση 42 για την οπτική ίνα 43 μπορεί επίσης να μεταφέρει τα καλώδια για τα σήματα του αισθητήρα 41. Με αυτόν τον τρόπο, οι πηγές φωτός και το ηλεκτρονικό κουτί βρίσκονται σε απόσταση από τον αισθητήρα για να αποφευχθούν επιπτώσεις λόγω ταλαντώσεων και θερμοκρασίας, όπως και να επιτευχθεί ευελιξία σύνδεσης στο κεντρικό σύστημα του οχήματος ή της βιομηχανικής διάταξης όπου είναι εγκατεστημένος ο αισθητήρας.
Τέλος, το Σχ.7 δείχνει ένα τρίτο υποδειγματικό τρόπο πραγμάτωσης όπου δύο πανομοιότυποι αισθητήρες 44, 45 χρησιμοποιούνται με διαφορετικό τρόπο. Αυτή η διαμόρφωση βοηθά στη βελτίωση της ευαισθησίας, ιδίως για την αιθάλη. Ο πρώτος αισθητήρας 44 και ο δεύτερος αισθητήρας 45 λαμβάνουν το δείγμα του μετρητικού στόχου από μια κοινή γραμμή εισόδου 46. Ένα φίλτρο αέρα σωματιδίων υψηλής απόδοσης 47 , ανάντη του δεύτερου αισθητήρα 45, χρησιμοποιείται για να φιλτράρει όλη τη σωματιδιακή ύλη, συμπεριλαμβανομένης της αιθάλης, προτού εισέλθουν τέτοια είδη στον θάλαμο του αισθητήρα. Έτσι, το σήμα από τον δεύτερο αισθητήρα 45 είναι ένα ασθενές σήμα λόγω οποιασδήποτε παρεμβολής από είδη αέριας φάσης και θορύβου λόγω διάχυσης φωτός στα τοιχώματα του αισθητήρα 63. Αφαιρώντας το σήμα του αισθητήρα 45 από τον πρώτο αισθητήρα 44, δημιουργείται μια διαφορά που είναι ανάλογη με τη συγκέντρωση της αιθάλης. Αυτή η διαμόρφωση επιτρέπει την αύξηση της ευαισθησίας για τη μέτρηση της αιθάλης στο περιβάλλον, διορθώνοντας έτσι και τον αντίκτυπο περιβαλλοντικών συνθηκών όπως υγρασία, θερμοκρασία κ.λπ. στο σήμα του αισθητήρα. Όταν χρησιμοποιούνται περισσότερες από μία πηγές φωτός σε κάθε αισθητήρα 44, 45, π.χ. μία για αιθάλη και μία για διαφορετικό αέριο είδος, όπως CO2 ή ΝO2, το σήμα του δεύτερου αισθητήρα 45 σε αυτό το αέριο είδος, το οποίο δεν επηρεάζεται από επιμόλυνση από σωματιδιακή ύλη, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αναφορά για τη διόρθωση του σήματος του πρώτος αισθητήρας 44, κατά τη σύγκριση της απόκρισης των αισθητήρων για το ίδιο είδος αερίου.
Η λειτουργία της εν λόγω οπτικοακουστικής διάταξης αναπτύσσεται παρακάτω.
Θερμική Ανίχνευση
Η οπτική ανίχνευση της διαβάθμισης θερμοκρασίας κατά μήκος του τρίτου άξονα Ζ είναι η προτιμώμενη μέθοδος μέτρησης της θερμικής συνιστώσας της ενέργειας που παράγεται στον ΜΣ. Η ενέργεια που απορροφάται από τα απορροφητικά είδη στον ΜΣ, μετά την διέγερσή τους από τη διαμορφωμένη δέσμη φωτός 19 που προσπίπτει σε αυτά, προκαλεί μια κλίση θερμοκρασίας κατά μήκος του τρίτου άξονα ανίχνευσης Ζ. Αυτη η τοπική αύξηση της θερμοκρασίας μπορεί να μετρηθεί με την ποσοτικοποίηση των αλλαγών στο δείκτη διάθλασης λόγω θερμοκρασίας, που προκαλείται σε απόκριση της διέγερσης, όπως καταγράφεται στο [8], [9].
Σε μια τέτοια διαμόρφωση, μια οπτική δέσμη φωτός 19 διαφορετικού μήκους κύματος του διαμορφωμένου προσπίπτοντος φωτός στοχεύει κατά μήκος του τρίτου άξονα Ζ κοντά στον όγκο διέγερσης 4, ενώ ένα στοιχείο ανίχνευσης φωτός βρίσκεται στο απέναντι τοίχωμα του θαλάμου 3 κατά μήκος του άξονας δέσμης 19. Η εκτροπή της δέσμης 19 ως αποτέλεσμα της τοπικής διαφοράς θερμοκρασίας και της αντίστοιχης αλλαγής του δείκτη διάθλασης στην περιοχή του ΜΣ έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του φωτός που ανιχνεύεται από το στοιχείο ανίχνευσης φωτός. Η μείωση της έντασης φωτός που ανιχνεύεται στη συνέχεια συνδέεται με την ποσότητα ειδών που απορροφούν φως στον ΜΣ.
Ευαισθησία του Αισθητήρα
Ρυθμίζοντας το πλάτος του παλμού, τον ρυθμό επανάληψης της παλμού, τις παραμέτρους του frequency comb ή άλλες παραμέτρους της λειτουργίας διαμόρφωσης, η ευαισθησία του αισθητήρα μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω. Ο όγκος διέγερσης 4 μπορεί επίσης να βελτιστοποιηθεί για μέγιστο SN11, υψηλή ευαισθησία και χαμηλό όριο ανίχνευσης του αισθητήρα 44. Ο όγκος διέγερσης 4 μπορεί να ρυθμιστεί τροποποιώντας τη διατομή της ροής του ΜΣ, την παροχή της ροής του ΜΣ, τη διατομή της διαμορφωμένης δέσμης φωτός και τη γωνία των δύο αξόνων X, Υ που σχηματίζονται. Η διατομή ροής του ΜΣ μπορεί να αυξηθεί με το σωστό μέγεθος της εισόδου 6 και της εξόδου 8 του αισθητήρα 44 για τη ροή του ΜΣ. Η αύξηση των δύο ανοιγμάτων, της εισόδου και της εξόδου, μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τhν αύξηση της παροχής που έχει ως αποτέλεσμα περισσότερα απορροφητικά είδη ανά μονάδα χρόνου να μεταφέρονται στον όγκο διέγερσης 4.
Στην ιδανική περίπτωση, η διατομή της ροής του ΜΣ και η δέσμη φωτός 19 πρέπει να έχουν τις ίδιες διαμέτρους στο σημείο όπου διασταυρώνονται μεταξύ τους. Για υψηλότερη διατομή της ροής του ΜΣ, απαιτείται δέσμη μεγαλύτερης διαμέτρου για το προσπίπτον φως. Με την κατάλληλη επιλογή οπτικών εξαρτημάτων εστίασης, το σχήμα της δέσμης λέιζερ 19 στον όγκο διέγερσης 4 μπορεί να ποικίλει από μια μικρή, πολύ εστιασμένη, δέσμη έως μια μεγάλη δέσμη. Οι κυματομορφές διαμόρφωσης της δέσμης φωτός στο πεδίο του χρόνου και του χώρου μπορούν να επιλεγούν έτσι ώστε η ευαισθησία του αισθητήρα να είναι μεγίστη και το όριο ανίχνευσης χαμηλό.
Το υλικό του τοιχώματος 63 του θαλάμου επιλέγεται για βέλτιστη αντανάκλαση του ήχου και ελάχιστη μετάδοση και απορρόφηση των προσπίπτων κυμάτων, έτσι ώστε να επιτευχθεί βελτίωση της ευαισθησίας. Λεπτά συμπαγή τοιχώματα υψηλής πυκνότητας 63 μπορούν να προσφέρουν τέτοια χαρακτηριστικά. Το πλαστικό υψηλής πυκνότητας προσφέρει έναν καλό συμβιβασμό μεταξύ χαμηλού κόστους υλικού και υψηλής αντανάκλασης ήχου. Μέταλλα, όπως χάλυβας, αλουμίνιο και μπρούντζος προσφέρουν προηγμένη αντανάκλαση ήχου, αλλά ενδέχεται να συνεπάγονται υψηλότερο κόστος κατασκευής. Η μεταλλίκη επένδυση του πλαστικού τοιχώματος συνεπάγεται μειωμένο κόστος και βελτιωμένες ιδιότητες αντανάκλασης του ήχου. Δίνεται προσοχή για την αποφυγή διάβρωσης υλικού σε συγκεκριμένες εφαρμογές αισθητήρων που εκτίθενται σε διαβρωτικά υγρά.
Απαιτείται επίσης ελάχιστη απορρόφηση φωτός του υλικού του τοιχώματος 63 για να αποφευχθεί η παραγωγή θερμικής και ακουστικής ενέργειας από οποιοδήποτε διάχυτο φως στον θάλαμο 3. Αυτή η παραγωγή ενέργειας θα είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση του επιπέδου της θερμικής και της ακουστικής ενέργειας μειώνοντας έτσι την ευαισθησία. Οι τεχνικές για την αύξηση της ανάκλασης του φωτός μέσω στίλβωσης επιφανειών, επιμετάλλωσης ή βαφής με ανοιχτό χρώμα των επιφανειακών τοιχωμάτων αναμένεται να βελτιώσουν την αναλογία σήματος προς θόρυβο.
Συνδέοντας το κύκλωμα ενίσχυσης του σήματος στον αισθητήρα 44, επιτυγχάνεται η βέλτιστη ενίσχυση και μετάδοση του σήματος στη μονάδα απόκτησης για ελάχιστες απώλειες και μέγιστο SNR. Η αυξημένη ευαισθησία επιτυγχάνεται με τη βελτιστοποίηση της γεωμετρίας του θαλάμου 3, και με το εν λόγω ελλειψοειδές σχήμα του, βελτιστοποιώντας την εκκεντρότητα ή το μέγεθος του για να αυξηθεί η ευαισθησία χωρίς να αυξηθούν οι επικαθίσεις ρύπων, ιδίως επιλέγοντας μια αναλογία α /β περίπου στην περιοχή 1,5 έως 4.
Η ευαισθησία αυξάνεται επίσης βελτιώνοντας την αναλογία σήματος προς θόρυβο SNR. Για την επίτευξη του στόχου αυτού, δύο αισθητήρες 44, 45 είναι διατεταγμένοι παράλληλα, με τον πρώτο αισθητήρα 44 σε κανονική λειτουργία και τον δεύτερο 45 με τη ροή ρευστού του ΜΣ του να καθαρίζεται στο είδος για το οποίο ο πρώτος αισθητήρας 44 παράγει ένα σήμα. Ο δεύτερος αισθητήρας 45 μπορεί να εξοπλιστεί με μια συσκευή για την απομάκρυνση της αιθάλης προτού φτάσει στον όγκο διέγερσης 4. Το σήμα του δεύτερου αισθητήρα 45 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση του μετρημένου σήματος από τον πρώτο αισθητήρα 44, χρησιμοποιώντας γνωστές τεχνικές διόρθωσης σήματος, συμπεριλαμβανομένων της μείωσης παρεμβολών, ιδίως από περιβαλλοντικούς ρύπους, μετατόπισης και γραμμικότητας.
Μια οπτική παρακολούθηση του μετρητικού στόχου πραγματοποιείται ως εξής. Όταν φωτίζονται σωματίδια ή αέρια, το φως θα απορροφάται και θα σκεδάζεται. Το οπτοακουστικό σήμα αφορά μόνο στην απορρόφηση φωτός που το καθιστά ιδανικό για αναγνώριση αιθάλης. Η ανίχνευση φωτός στις 180° είναι ευαίσθητη τόσο στην απορρόφηση όσο και στη σκέδαση ενώ η ανίχνευση σε άλλες γωνίες, π.χ. 45° ή 90°, επηρεάζεται μόνο από τη σκέδαση. Ο αισθητήρας 44 μπορεί να συνδυάζει οπτοακουστική ανίχνευση και ανίχνευση σκεδασμένου φωτός σε διάφορες γωνίες μεταξύ ~ 0° και 180° στερεοσκοπικά. Ειδικότερα για σωματίδια, αυτό θα επιτρέψει, επιπλέον της μάζας της αιθάλης, τη λήψη πληροφοριών για το μέγεθος των σωματιδίων και ενδεχομένως για τη σύστασή τους που μπορεί να είναι μη ανθρακούχα. Για το σκοπό αυτό, ο αισθητήρας 44 μπορεί να χρησιμοποιεί οπτικές ίνες για να καθοδηγεί το φως που σκεδάζεται σε διαφορετικές γωνίες σε ευαίσθητους ανιχνευτές φωτός. Η κατανομή της γωνίας διάχυσης του φωτός εξαρτάται από την κατανομή μεγέθους των σωματιδίων που φωτίζει το φως. Σύμφωνα με τις θεωρίες σκέδασης των Mie, Rayleigh ή Rayleigh-Debye-Gans, μπορεί να προκύψει κατανομή μεγέθους σωματιδίων.
Όσον αφορά τη μείωση των επικαθίσεων, η διατήρηση καθαρών οπτικών και ενός καθαρού ανιχνευτή ήχου είναι απαραίτητη για τη διατήρηση της μακροχρόνιας αντοχής του αισθητήρα. Η συσσώρευση σωματιδίων στην οπτική διαδρομή μειώνει την ευαισθησία στο φως, ενώ η συσσώρευση στον ανιχνευτή ήχου αλλάζει τη φυσική της συχνότητα. Η μακροχρόνια λειτουργία χωρίς επιπλοκές επιτυγχάνεται με φυσικό τρόπο απομακρύνοντας τα ευαίσθητα συστατικά από τη διαδρομή ροής. Ο ακουστικός ανιχνευτής 5 τοποθετείται μακριά από τη ροή εισερχόμενων ρύπων. Η οπτική διαδρομή ~ Υ είναι επίσης σχεδιασμένη κάθετη προς τη ροή ρύπων ~ X για να αποφευχθεί η επαφή οπτικών εξαρτημάτων και ρύπων. Για να αποφευχθεί περαιτέρω η εναπόθεση ρύπων επίσης από την διάχυση και τη φυσική μεταφορά, μπορεί να διατηρηθεί μια ήπια θετική θερμική κλίση μεταξύ της του χώρου ροής ρύπων και των ευαίσθητων στοιχείων για να επιτρέψει την περαιτέρω προστασία μέσω θερμο-απώθησης. Ένα ακουστικά διαφανές αλλά μη διαπερατό από σωματίδια υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να διαχωρίσει τον ακουστικό ανιχνευτή από τη ροή του ΜΣ για να τον προστατεύσει από τις επικαθίσεις.
Η μέτρηση της παροχής του μετρητικού στόχου πραγματοποιείται με τον θάλαμο 3 να εισάγει ελάχιστη αντίσταση στη ροή του ΜΣ χάρη στον απλοποιημένο σχεδίασμά του όπως φαίνεται στο Σχ. 2. Επομένως, η ροή του ΜΣ μπορεί να δημιουργηθεί με πολλαπλά μέσα. Μια μικρή γεννήτρια ροής, όπως μια αντλία, μπορεί να συνδεθεί στον αγωγό εξόδου του θαλάμου 3 και να δημιουργήσει μια ροή με υποπίεση. Αυτό εγγυάται σταθερό ρυθμό ροής της τάξης μερικών λίτρων ανά λεπτό και μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο για μετρήσεις περιβάλλοντος όσο και για πηγές εκπομπών.
Για περιβαλλοντικές εφαρμογές, η ύπαρξη αντλίας μπορεί να αποφευχθεί με τη σωστή διαμόρφωση των αγωγών εισόδου και εξόδου του αισθητήρα. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορες μέθοδοι για τη δημιουργία μικρής ροής μέσω του αισθητήρα. Η δημιουργία μιας μικρής ροής που μέσω ενός ανεμιστήρα σε έναν σωστά γωνιακό αγωγό εξόδου δημιουργεί μια ροή του ΜΣ λόγω του φαινομένου Bernoulli. Ο ανεμιστήρας δημιουργεί ένα ρεύμα αέρα σε μια κατεύθυνση με γωνία προς τον άξονα του αγωγού εξόδου. Εάν η γωνία είναι πάνω από 90 μοίρες, η επιταχυνόμενη ροή γύρω από την έξοδο του αγωγού δημιουργεί υποπίεση και δημιουργεί ροή του ΜΣ στον θάλαμο 3. Μια δεύτερη μέθοδος περιλαμβάνει το σχηματισμό μιας μικρής κλίσης θερμοκρασίας στον θάλαμο κατά μήκος του άξονα ροής του ΜΣ X. Αυτό μπορεί να δημιουργηθεί από μια μικρή πηγή θερμότητας, όπως μια ηλεκτρική αντίσταση τοποθετημένη στα τοιχώματα του αγωγού εξόδου, η οποία δημιουργεί ροή του ΜΣ με φυσική μεταφορά.
Σε συνθήκες όπου τα είδη ενδιαφέροντος βρίσκονται σε αναγκαστική κίνηση πριν εισέλθουν στον αισθητήρα 44, όπως σε γραμμές εξάτμισης οχημάτων ή σκαφών, ή καυσαέρια σε καπνοδόχους, η γραμμή που μεταφέρει το είδος μπορεί να χρησιμεύσει ως θάλαμος αισθητήρα 3. Σε αυτήν την περίπτωση, η ροή του ΜΣ είναι η πραγματική ροή του μεταφερόμενου ρευστού στην εν λόγω γραμμή εξάτμισης ή στοίβα. Σε μια άλλη διαμόρφωση, η αναγκαστική κίνηση των ειδών μέτρησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ενός ρυθμού ροής μέσω του αισθητήρα 44, λόγω της αρχής Bernoulli. Σε μια τέτοια πραγματοποίηση, μια διαμόρφωση με βάση την αρχή του Bernoulli τοποθετείται στην εν λόγω γραμμή εξάτμισης / καπνοδόχο δημιουργώντας μια διαφορά πίεσης μεταξύ της εισόδου 6 και της εξόδου 8 του αισθητήρα 44 και κατά συνέπεια ένα ρυθμό ροής μέσω του θαλάμου μέτρησης 3.
Με χρήση φωτός πολλαπλών μηκών κύματος και φασματικό διαχωρισμό, τα διάφορα απορροφητικά είδη και τα είδη ρύπων μπορούν να ανιχνευθούν και να διαχωριστούν χρησιμοποιώντας μεθόδους φασματικής ανάμιξης. Το οπτικοακουστικό σήμα Sx είναι ανάλογο με την ενέργεια διέγερσης της πηγής λέιζερ, την τιμή απορρόφησης του είδους του ΜΣ και τη συγκέντρωση αυτών των ειδών:
όπου Si είναι το οπτικοακουστικό σήμα της πηγής λέιζερ με μήκος κύματος λ, Ιλείναιη οπτική ενέργεια της πηγής λέιζερ με μήκος κύματος λ, μχ<i>η απορρόφηση του αερίου ή των σωματιδίων i στο μήκος κύματος λ και Ci η συγκέντρωση του i-th αέριου ή σωματιδιακού ρύπου του ΜΣ. Επομένως, σχηματίζεται ένα σύστημα εξισώσεων η άγνωστων το οποίο μπορεί εύκολα να λυθεί αναλυτικά για να προσδιοριστεί η συγκέντρωση των η ρύπων αερίων ή σωματιδίων του ΜΣ, αρκεί να υπάρχουν η μήκη κύματος.
Οι δίοδοι λέιζερ και οι λυχνίες LED διατίθενται σε πολλά μήκη κύματος, καλύπτοντας το εύρος από το υπεριώδες, το ορατό και το NIR (~ 300 nm έως ~ 1500 nm). Τα διαφορετικά μήκη κύματος θα διεγείρουν διαφορετικά αέρια όπως Ν02 (350 nm - 600 nm), αιθάλη διαφορετικών ιδιοτήτων, κυρίως στο ορατό και NIR φάσμα, C02 (~ 1400 nm), S02 (~ 300-320 nm). Τα διάφορα απορροφητικά, αέρια και σωματίδια, μπορούν αργότερα να διαχωριστούν χρησιμοποιώντας τις προαναφερθείσες μεθόδους φασματικής ανάμιξης. Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, ο αισθητήρας 44 μπορεί να ανιχνεύει και να παρακολουθεί σε πραγματικό χρόνο πολλαπλά αέρια και σωματιδιακά είδη που προκαλούν οπτική απορρόφηση, ταυτόχρονα.
Όταν διατίθεται μόνο περιορισμένος αριθμός μηκών κύματος, κατάλληλα φίλτρα μπορούν εναλλακτικά να χρησιμοποιηθούν για την απομάκρυνση ορισμένων αερίων ή σωματιδίων από τον ΜΣ και την εξαγωγή πληροφοριών σχετικά με τους διαφορετικούς ρύπους με απλές μεθόδους αφαίρεσης. Μια τέτοια εφαρμογή παρουσιάζεται στο Σχ. 5.
Με χρήση κατάλληλου ηλεκτρονικού κυκλώματος που είναι ενσωματωμένο στον αισθητήρα 44, είναι δυνατή η οδήγηση των διόδων λέιζερ 21, 22, η ενίσχυση του εντοπισμένου οπτικοακουστικού σήματος, η ψηφιοποίηση και η απόκτηση των οπτικών καθώς και των οπτικοακουστικών σημάτων, η επεξεργασία τους και τη μετάδοσή τους σε ένα σημείο συλλογής και αποθήκευσης δεδομένων . Για να επιτευχθεί αυτό, μπορούν να χρησιμοποιηθούν μικροεπεξεργαστές, π.χ. Arduino, πεδία με προγραμματιζόμενες συστοιχίες πυλών (FPGA), αναλογικοί προς ψηφιακοί μετατροπείς (ADC), λειτουργικοί ενισχυτές και ενισχυτές σύνθετης αντίστασης, Bluetooth ή άλλες τεχνολογίες μετάδοσης.
Μια ευρεία ποικιλία εφαρμογών του παρόντος συστήματος ανίχνευσης περιλαμβάνει κυρίως τον αισθητήρα που ανιχνεύει και παρακολουθεί αέριους ή σωματιδιακούς ρύπους από την καύση, συμπεριλαμβανομένων κινητήρων, λεβήτων, καυστήρων και άλλων διατάξεων καύσης. Σε τέτοιες εφαρμογές, μπορεί να παρέχει αξιολόγηση σε πραγματικό χρόνο της συγκέντρωσης ρύπων στην εξάτμιση αυτοκινήτων, πλοίων, αεροπλάνων και σταθερών κινητήρων και συσκευών καύσης. Μία συγκεκριμένη εφαρμογή ενός τέτοιου αισθητήρα στην εξάτμιση του κινητήρα θα ήταν να λειτουργεί ως αισθητήρας αξιολόγησης του οχήματος ή μόνιμος αισθητήρας μέτρησης του οχήματος που αναφέρεται στο εξής ως OBD και OΒΜ αντίστοιχα. Ειδικότερα για τέτοιες εφαρμογές, η γνώση της συγκέντρωσης και της κατανομής μεγέθους των σωματιδίων στον ΜΣ σημαίνει ότι ο αισθητήρας μπορεί να διαμορφωθεί ως αισθητήρας αριθμού σωματιδίων που αναφέρεται στη συνέχεια ως ΡΝ.
Επιπλέον, η χρήση φωτός σε διαφορετικά μήκη κύματος συνεπάγεται τη χρήση του αισθητήρα ως αισθητήρα πολλαπλών συστατικών. Ειδικότερα, η δυνατότητα μέτρησης του CO2είναι σημαντική διότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση των πραγματικών εκπομπών CO2, ένα μέτρο που δεν είναι δυνατό σήμερα.
Σε εφαρμογές σε πλοία, η μέτρηση του SO2είναι σημαντική λόγω της ρύθμισης του θείου στα καύσιμα. Αυτό επιτυγχάνεται ξανά χρησιμοποιώντας το κατάλληλο μήκος κύματος για την πηγή φωτός. Η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, το μικρό συνολικό μέγεθος, το χαμηλό κόστος και η αυξημένη ευαισθησία σημαίνει ότι ο αισθητήρας μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για μελέτες περιβάλλοντος. Κατά κύριο λόγο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για παρακολούθηση συγκέντρωσης ρύπων σε μεμονωμένες τοποθεσίες. Σε μια τέτοια περίπτωση, ο αισθητήρας τοποθετείται στη θέση όπου απαιτούνται μετρήσεις σχετικά με τη συγκέντρωση των ρύπων. Μια τέτοια τοποθεσία μπορεί να είναι είτε στο ανοιχτό περιβάλλον (ατμόσφαιρα) είτε σε συγκεκριμένη τοποθεσία κοντά σε πηγή εκπομπών (πεδίο) ή σε κλειστή θέση για την παρακολούθηση της επαγγελματικής ή γενικής ποιότητας του αέρα εσωτερικού χώρου.
Ένα κατανεμημένο δίκτυο τέτοιων αισθητήρων για περιβαλλοντική δειγματοληψία παρέχει πληροφορίες σχετικά με την ποιότητα του αέρα του περιβάλλοντος. Ο αισθητήρας μπορεί να συνδυαστεί με τη λειτουργία μετάδοσης σήματος που θα επιτρέπει την αποθήκευση πληροφοριών σε δομές cloud. Αυτό το δίκτυο παρέχει επίσης πληροφορίες εξαιρετικής ποιότητας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μοντελοποίησεις αερολυμάτων από κλιματικά μοντέλα, τα οποία παραδοσιακά απαιτούν υποθέσεις ως προς την συγκέντρωση μάζας σωματιδίων ή τη διατομή απορρόφησης των σωματιδίων.
Τεχνητή νοημοσύνη, και meta-data εμπλέκονται περαιτέρω στο ότι μια μεγάλη ποσότητα δεδομένων θα διατεθεί χρησιμοποιώντας μια συστοιχία δικτύου σε περιφερειακό ή ακόμη και παγκόσμιο επίπεδο. Αυτά τα δεδομένα μπορούν στη συνέχεια να συλλεχθούν και να αποθηκευτούν. Μέσω αλγορίθμων τεχνητής νοημοσύνης, τα δεδομένα μπορούν να υποστούν επεξεργασία με πολύ αποτελεσματικό τρόπο και να εντοπιστούν πολύπλοκα μοτίβα. Για παράδειγμα, η πηγή ρύπανσης για απομακρυσμένες περιοχές μπορεί να προσδιοριστεί και τα αντίμετρα μπορούν να σχεδιαστούν με αυξημένη ακρίβεια. Μπορούν επίσης να αξιολογηθούν μοτίβα σχετικά με τη γήρανση των ρύπων.
Αναφερόμενα έγγραφα ευρεσιτεχνιών
US006662627B2
US007710566B2
US0081 15931Β2
US008479559B2
US008848191B2
US0081 1593 Ib2
US20090038375A1
ΕΡ0464902Α1
Άλλες παραπομπές
[1] iPCC, "Summary for Policymakers - Global warming of 1.5oC, an IPCC special report."
[2] E. Vignati, M. Karl, M. Krol, J. Wilson, P. Stier, and F. Cavalli, "Sources of uncertainties in modelling black carbon at the global scale," Atmos. Chem. Phys., vol. 10, no. 6, pp. 2595-2611, 2010.
[3] Ο. A. M. Popoola et al., "Use of networks of low cost air quality sensors to quantify air quality in urban settings," Atmos. Environ., vol. 194, no. September, pp. 58-70, 2018.
[4] B. Giechaskiel et a!., "Review of motor vehicle particulate emissions sampling and measurement: From smoke and filter mass to particle number," J. Aerosol Sci., vol. 67, pp. 48-86, 2014.
[5] T. C. Bond, T. L. Anderson, and D. Campbell, "Calibration and Intercomparison of Filter-Based Measurements of Visible Light Absorption by Aerosols," Aerosol Sci. Techno!., vol. 30, no. 6, pp. 582-600, 1999.
[6] Magee Scientific, "Advanced Measurement of Black Carbon," p. 2, 2015.
[7] A. Styloglannis, L. Prade, A. Buehler, J. Aguirre, G. Sergiadis, and V. Ntzlachristos, "Continuous wave laser diodes enable fast optoacoustic imaging," Photoacoustics, vol. 9, pp. 31-38, 2018.
[8] G. Wissmeyer, Μ. A. Pleitez, A. Rosenthal, and V. Ntziachristos, "Looking at sound: optoacoustics with all-optical ultrasound detection," Light Sci. Appl., vol. 7, no. 1, 2018.
[9] J. C. Murphy and L. C. Aamodt, "Photothermal spectroscopy using optical beam probing: Mirage effect,"J. Appl. Phys., vol. 51, no. 9, pp. 4580-4588, 1980.
Claims (25)
- ΑΞΙΩΣΕΙΣ 1. Διάταξη μέτρησης ενός μετρητικού στόχου (ΣΜ) αποτελούμενη από πηγές φωτός (21, 22), μέσα μέτρησης (44) με ένα θάλαμο (3) και ανιχνευτές (5), όπου παράγεται ένα σήμα εντός του θαλάμου (3) ως αποτέλεσμα διέγερσης φωτός, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι τα ανωτέρα μέσα μέτρησης αποτελούνται από έναν αισθητήρα οπτικής απορρόφησης με μεγάλη ευαισθησία (44), ο θάλαμος του οποίου (3) περιλαμβάνει αγωγούς διέλευσης (70) της ροής ενός ρευστού που αποτελεί ένα μετρητικό στόχο (ΣΜ) και συγκεντρώνει την ενέργεια που παράγεται ως αποτέλεσμα της διέγερσης με στόχο την ανίχνευση, όπου η ανωτέρω διέγερση παράγεται εντός ενός όγκου διέγερσης (4), που σχηματίζεται στην τομή μιάς δέσμης φωτός (19) η οποία δημιουργείται από τις ανωτέρω πηγές φωτός (21) διαμορφωμένης έντασης και τη ροή του ανωτέρω μετρητικού στόχου (ΣΜ) στο σημείο όπου διασταυρώνονται μεταξύ τους, όπου ο πρώτος και ο δεύτερος άξονας της διαδρομής ροής και της δέσμης (ων) φωτός αντίστοιχα αποσυντίθενται, από το οποίο η ροή των ειδών και η δέσμη προσπίπτοντος φωτός ακολουθούν αμοιβαία διαφορετική διαδρομή εντός του ανωτέρω θαλάμου (3) ως στοιχείο μέτρησης της διάταξης, ειδικότερα με κατευθύνσεις κάθετες, όπου περαιτέρω η διέγερση παράγει ενέργεια αποτελούμενη από μία θερμική και μία ακουστική συνιστώσα, η καθεμία από αυτές μετράται από τους ανωτέρω ανιχνευτές (5), όπου επιπλέον όλα τα οπτικά και ακουστικά στοιχεία απομακρύνονται από τη ροή δείγματος, προκαλώντας αύξηση της ευαισθησίας στην ανίχνευση της ενέργειας που παράγεται από έναν μετρητικό στόχο σε απόκριση της διέγερσης αυτής από φώς διαμορφωμένης έντασης, ειδικότερα όπου επιπλέον της ανωτέρω δέσμης φωτός διαμορφωμένης έντασης, ο ανωτέρω αισθητήρας (44) εμπεριέχει πρόσθετες πηγές φωτός (22) και παρεπόμενους ανιχνευτές για την παροχή συμπληρωματικών μετρήσεων στο ανωτέρω μετρητικό στόχο (ΣΜ) μέσω οπτικής ανίχνευσης, και πιό ειδικά όπου οι ανωτέρω πρόσθετες πηγές φωτός (22) είναι πολλαπλών μηκών κύματος (λ;).
- 2. Διάταξη μέτρησης ενός μετρητικού στόχου (ΣΜ), ειδικότερα σύμφωνα με την αξίωση 1, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι αυτή περιλαμβάνει : - έναν οπποακουστικό αισθητήρα (44) με έναν θάλαμο (3) με μορφή που δημιουργεί έναν πρώτο άξονα (Χ) για τη ροή ενός μετρητικού στόχου (ΣΜ) και έναν δεύτερο άξονα (Υ) για μια δέσμη φωτός με κατάλληλα διαμορφωμένη ένταση (19), όπου οι δύο ανωτέρω άξονες (X, Υ) τοποθετούνται σε διαφορετικές γωνίες μεταξύ τους, σχηματίζοντας έτσι ένα επίπεδο (α), όπου, η ανωτέρω δέσμη φωτός (19) και η ανωτέρω ροή μετρητικού στόχου (ΣΜ) δημιουργούν έναν όγκο τομής που επιτρέπει τη διέγερση του ανωτέρω μετρητικού στόχου (ΣΜ), και όπου ο όγκος αυτός αποτελεί τον όγκο διέγερσης (4) για τον ΜΣ που βρίσκεται στη ροή του ανωτέρω μετρητικού στόχου και η διέγερση πραγματοποιείται από τη δέσμη φωτός ( 19) στο σημείο τομής τους και - όπου ο ανωτέρω θάλαμος (3) περιέχει την ενέργεια η οποία παράγεται μέσω της ανωτέρω διέγερσης έτσι ώστε να ανιχνευτεί από έναν ανιχνευτή (5), και όπου η μορφή του ανωτέρω θαλάμου (3) έχει τέτοια γεωμετρία που συγκεντρώνει και εστιάζει την ακουστική ενέργεια η οποία παράγεται στον όγκο διέγερσης (4) ως αποτέλεσμα της διέγερσης από την κατάλληλα διαμορφωμένη δέσμη φωτός σε έναν απομακρυσμένο χώρο ανίχνευσης που αντιστοιχεί σε ένα δεύτερο σημείο (F2) που βρίσκεται σε απόσταση (d) από ένα πρώτο σημείο (F1) του ανωτέρω όγκου διέγερσης (4) κατά μήκος ενός τρίτου άξονα (Ζ) που δεν ανήκει στο προαναφερόμενο επίπεδο (α), ειδικότερα όπου οι ανωτέρω άξονες είναι κάθετοι μεταξύ τους, όπου το ανωτέρω δεύτερο σημείο (F2) αποτελεί τον χώρο ανίχνευσης ήχου, όπου ένας ανιχνευτής (5) τοποθετείται για τη μέτρηση της ενέργειας που παράγεται ως απόκριση στη δέσμη φωτός με κατάλληλα διαμορφωμένη ένταση, όπου ευαίσθητα συστατικά μέρη τοποθετούνται μακριά από τη διαδρομή της ροής του μετρητικού στόχου (ΣΜ), τέτοια όπως ο ακουστικός ανιχνευτής που είναι τοποθετημένος μακριά από την εισερχόμενη ροή ρύπων του μετρητικού στόχου (ΣΜ), και όπου επιπλέον η οπτική διαδρομή είναι κάθετη προς την ανωτέρω ροή ρύπων του μετρητικού στόχου (ΣΜ) για να αποφευχθεί η επαφή ρύπων και οπτικών εξαρτημάτων.
- 3. Οπτοακουστική διάταξη σύμφωνα με την αξίωση 1 ή 2, η οποία χρακτηρίζεται από το ότι ο ακουστικός θάλαμος (3) έχει ελλειψοειδές σχήμα με τον όγκο διέγερσης (4) να τοποθετείται στην πρώτη εστία της έλλειψης που αντιστοιχεί στο ανωτέρω πρώτο σημείο (F1) και το χώρο ανίχνευσης (5) να βρίσκεται στη δεύτερη εστία της έλλειψης που αντιστοιχεί στο ανωτέρω δεύτερο σημείο (F2), ειδικότερα όπου η εκκεντρικότητα του (3) ή ο συντελεστής κλίμακας είναι με ακρίβεια σχεδιασμένοι, με σκοπό την αύξηση ευαισθησίας όπου η αναλογία των αξόνων α/β του ανωτέρω ελλειψοειδές είναι στην περιοχή περίπου από 1 ,5 έως 4, όπου (α) είναι το μήκος του μεγάλου άξονα και (β) το μήκος του μικρού άξονα, ακόμη ειδικότερα όπου ο ανωτέρω θάλαμος (3) περιλαμβάνει δύο μισά περιβλήματος (1, 2), με το καθένα να έχει μία εσοχή σε σχήμα του ανωτέρω μισού ελλειψοειδούς αμοιβαία ευθυγραμμισμένα σύμφωνα με τον ανωτέρω τρίτο άξονα (Ζ), όπου το ένα μισό ( 1 ) προβλέπει τη θέση του ακουστικού ανιχνευτή (5), ενώ το άλλο μισό (2) προβλέπει τη θέση της ανωτέρω πηγής φωτός (21, 22), τη μετάδοση της φωτεινής δέσμης (19) και τη ροή του μετρητικού στόχου (ΣΜ).
- 4. Διάταξη σύμφωνα με μία από τις προηγούμενες αξιώσεις, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι η δέσμη φωτός (19) δημιουργείται από πολλαπλές διαμορφωμένες πηγές φωτός (21, 22) σε διαφορετικά μήκη κύματος (λi), κυρίως δίοδοι λέιζερ (LD) ή LED, ως χαμηλού κόστους και συμπαγείς φωτεινές πηγές αντίστοιχα, όπου οι ανωτέρω δίοδοι λέιζερ και τα LEDs διαμορφώνονται με πολύ υψηλούς ρυθμούς επανάληψης (κύκλοι λειτουργίας), επιτρέποντας τη βελτίωση του λόγου σήματος ως προς το θόρυβο (SNR) μέσω της χρήσης μέσου όρου χωρίς να αυξάνεται η διάρκεια καταγραφής, και ακόμη πιο ειδικά με χαμηλού κόστους διαμορφώσεις με τη χρήση παλμών, κυρίως διαμόρφωση σε νανοδευτερόλεπτα, ειδικότερα ημιτονειδών.
- 5. Διάταξη σύμφωνα με μία από τις προγούμενες αξιώσεις, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι πολλαπλοί οπτικοί ανιχνευτές (5) είναι τοποθετημένοι σε διαφορετικές γωνίες πάνω από το ανωτέρω επίπεδο (α) για την εκτίμηση της σκέδασης φωτός.
- 6. Διάταξη σύμφωνα με οποιαδήποτε από τις προηγούμενες αξιώσεις, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι συνδυαστές ισχύος οπτικών ινών (27) είναι ενσωματω ματωμένοι στην ανωτέρω διάταξη έτσι ώστε να συνδυάζεται η έξοδος των ανωτέρω πολλαπλών πηγών φωτός (21 , 22) σε μία οπτική ίνα (72).
- 7. Διάταξη σύμφωνα με οποιαδήποτε από τις προηγούμενες αξιώσεις 1 έως 6, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι ο ανωτέρω ανιχνευτής είναι ένα QTF (quartz tuning fork), το οποίο ανταποκρίνεται μόνο σε στενές ζώνες ακουστικών συχνοτήτων, κύρια συχνότητα και αρμονικές της, παρέχοντας έτσι έναν υψηλό παράγοντα Q, όπου το ανωτέρω QTF παρέχει υψηλή αναλογία σήματος προς θόρυβο (SNR), αυξάνοντας έτσι την ευαισθησία του ανωτέρω αισθητήρα (44) ακόμη και χρησιμοποιώντας πηγές χαμηλού φωτισμού ισχύος (21, 22).
- 8. Διάταξη σύμφωνα με οποιαδήποτε από τις προηγούμενες αξιώσεις, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι ο ανωτέρω θάλαμος (3) προβλέπεται με συμπαγή τοιχώματα υψηλής πυκνότητας (63), ειδικότερα λεπτά πλαστικά τοιχώματα υψηλής πυκνότητας (63) ή/και μεταλλικά, κατά προτίμηση με μεταλλική επένδυση του ανωτέρω πλαστικού.
- 9. Διάταξη σύμφωνα με οποιαδήποτε από τις αξιώσεις 2 έως 8, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι ο ανωτέρω θάλαμος (3) επιτρέπει τη ροή του ανωτέρω μετρητικού στόχου (ΣΜ), όπου ο ανωτέρω μετρητικός στόχος διεγείρεται από το διαμορφωμένο προσπίπτον φώς παρέχοντας μια διαμόρφωση σύμφωνα με την οποία η ενέργεια που προέρχεται από τη διέγερση του ανωτέρω μετρητικού στόχου (ΣΜ) συμπυκνώνεται προκειμένου να επιτευχθεί μια αποτελεσματική μέτρηση με υψηλή ευαισθησία, όπου η ενέργεια που παράγεται από την ανωτέρω προσπίπτουσα διέγερση φωτός στο ανωτέρω μετρητικό στόχο (ΣΜ) περιέχει μια θερμική συνιστώσα που αντιπροσωπεύει μια ελαφρά αύξηση της τοπικής θερμοκρασίας, και μια ακουστική συνιστώσα που αντιστοιχεί στην παραγωγή ενός υπερήχου κύματος το οποίο ανιχνεύεται κατά μήκος του τρίτου άξονα (Ζ) στον ανωτέρω θάλαμο (3), όπου μαζί η θερμική και η ακουστική συνιστώσα σχετίζονται με την ποσότητα της φωτεινής ενέργειας που προσπίπτει στον όγκο διέγερσης (4) και την ποσότητα των απορροφητικών ειδών (87) που υπάρχουν στο ανωτέρω μετρητικό στόχο (ΣΜ), και ειδικότερα όπου ο ήχος επαναστιάζεται σε χαμηλές συχνότητες, μεγέθους 10-200 kHz, γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα μια μεγάλη ακουστική εστιακή περιοχή, της τάξης των χιλιοστών, πράγμα που σημαίνει ότι η ευαισθησία δεν εξαρτάται από την ακριβή θέση του ακουστικού ανιχνευτή ή από εξωτερικές δονήσεις.
- 10. Διάταξη σύμφωνα με οποιαδήποτε από τις προηγούμενες αξιώσεις, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι ο ανωτέρω αισθητήρας (44, 45) είναι φορητός.
- 11. Διάταξη σύμφωνα με οποιαδήποτε από τις προηγούμενες αξιώσεις, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι ο ανωτέρω ανιχνευτής διαχωρίζεται από τη ροή του ανωτέρω μετρητικού στόχου (ΣΜ) μέσω ενός ακουστικά διαφανούς, αλλά μη διαπερατό από σωματίδια, υλικού για να τον προστατεύει από επικαθίσεις ρύπων.
- 12. Διάταξη αποτελούμενη από μια συστοιχία αισθητήρων όπως αυτοί ορίζονται σε οποιαδήποτε από τις προηγούμενες αξιώσεις 1 έως 11, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι η ανωτέρω συστοιχία περιλαμβάνει τουλάχιστον δύο αισθητήρες (44, 45) οι οποίοι είναι διατεταγμένοι παράλληλα μεταξύ τους, όπου ο πρώτος αισθητήρας (44) βρίσκεται σε κανονική λειτουργία και ο δεύτερος αισθητήρας (45) είναι ενσωματωμένος με τρόπο που τα απορροφητικά είδη (87) από τη ροή του ανωτέρω μετρητικού στόχου (ΣΜ) δεσμεύονται στο ανωτέρω ΣΜ για τα οποία ο ανωτέρω πρώτος αισθητήρας (44) παράγει ένα σήμα, ειδικότερα όπου ο ανωτέρω δεύτερος αισθητήρας (45) είναι εφοδιασμένος με μια συσκευή για την απομάκρυνση της αιθάλης (BC) προτού αυτή φτάσει στον όγκο διέγερσης (4), πιό ειδικότερα όπου το σήμα του ανωτέρω δεύτερου αισθητήρα (45) χρησιμοποιείται για τη βελτίωση του μετρημένου σήματος από τον ανωτέρω πρώτο αισθητήρα (44), χρησιμοποιώντας κυρίως μέσα διόρθωσης σήματος, ακόμη πιό ειδικότερα όπου οι ανωτέρω αισθητήρες (44, 45) είναι πανομοιότυποι.
- 13. Μέθοδος για την ανίχνευση οπτικής απορρόφησης υψηλής ευαισθησίας της διάταξης μέτρησης όπως ορίζεται ειδικότερα σε οποιαδήποτε από τις προηγούμενες αξιώσεις, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι ο ανωτέρω μετρητικός στόχος (ΣΜ) εισάγεται στον ανωτέρω θάλαμο (3) εισερχόμενος μέσω της εισόδου του (6) και διέρχεται μέσω των ανωτέρω αγωγών (70) οι οποίοι είναι σταθερά παράλληλοι με τον ανωτέρω μικρό άξονα (β) δημιουργώντας μια ελάχιστη αντίσταση στη ροή του ανωτέρω μετρητικού στόχου (ΣΜ), ενώ εξέρχεται μέσω της εξόδου (8), όπου ο ανωτέρω σωλήνας εισόδου (6) περιέχει ένα κατάλληλο τμήμα επιτάχυνσης (7) για τη ροή του ανωτέρω μετρητικού στόχου (ΣΜ) και ένα εξομαλυμένο χείλος (76) κατάντη του θαλάμου (3), έχοντας ένα τελικό τμήμα (77) με διάμετρο που αντιστοιχεί στη διάμετρο της ανωτέρω δέσμης φωτός (19) λίγο πρίν αυτό εισέλθει στο θάλαμο, επιτρέποντας αυτό (76) την επιτάχυνση της ροής του μετρητικού στόχου (ΣΜ) και στη συνέχεια την εστίαση της στο ανωτέρω πρώτο εστιακό σημείο της έλλειψης (Fj).
- 14. Μέθοδος σύμφωνα ειδικότερα με την προηγούμενη αξίωση 13, πιό ειδικότερα για την λειτουργία μιας διάταξης όπως ορίζεται σε μια από τι αξιώσεις 9 έως 32, για περιβαλλοντική εφαρμογή, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι η θερμική συνιστώσα της ενέργειας που παράγεται από τον ανωτέρω μετρητικό στόχο (ΣΜ) μετράται με οπτική ανίχνευση της διαβάθμισης θερμοκρασίας (VT) κατά μήκος του τρίτου άξονα (Ζ), όπου η ενέργεια που απορροφάται από τα απορροφητικά είδη (87) στον ανωτέρω μετρητικό στόχο (ΣΜ), μετά τη διέγερση τους από τη διαμορφωμένη δέσμη προσπίπτοντος φωτός (18), προκαλεί μια κλίση θερμοκρασίας (VT) κατά μήκος του ανωτέρω τρίτου άξονα ανίχνευσης (Ζ), όπου αυτή η τοπική αύξηση της θερμοκρασίας (VT) ποσοτικοποιείται μέσω των αλλαγών στο δείκτη διάθλασης του περιβάλλοντα αέρα που προκαλείται από την αλλαγή στη θερμοκρασία και είναι αποτέλεσμα της διέγερσης από το φώς, όπου μια δέσμη φωτός διαφορετικού μήκους κύματος (λ2) από αυτόν (λ1) του ανωτέρω προσπίπτοντος διαμορφωμένου φωτός (19) στοχεύει κατά μήκος του ανωτέρω τρίτου άξονα (Ζ) κοντά στον όγκο διέγερσης (4), όπου η εκτροπή της δέσμης ως αποτέλεσμα της τοπικής διαφοράς θερμοκρασίας ( VT) και της αντίστοιχης μεταβολής του δείκτη διάθλασης στην περιοχή του ΣΜ έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του φωτός που ανιχνεύεται από το στοιχείο ανίχνευσης φωτός (5) το οποίο βρίσκεται στο απέναντι τοίχωμα (63) του θαλάμου (3) κατά μήκος του άξονα της δέσμης (Υ), όπου η ανωτέρω μείωση της έντασης φωτός που ανιχνεύεται στη συνέχεια συνδέεται με την ποσότητα των ανωτέρω ειδών που απορροφούν το φώς (87) στον ανωτέρω μετρητικό στόχο (ΣΜ).
- 15. Μέθοδος σύμφωνα με την αξίωση 13 ή 14, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι η ευαισθησία του αισθητήρα αυξάνεται βελτιστοποιώντας τον όγκο διέγερσης (4) για μέγιστο λόγο σήματος προς θόρυβο (SNR), υψηλή ευαισθησία και χαμηλό όριο ανίχνευσης του αισθητήρα (44), όπου ο όγκος διέγερσης (4) ρυθμίζεται τροποποιώντας τη διατομή της ανωτέρω ροής του μετρητικού στόχου (ΣΜ), την παροχή ροής αυτού, τη διατομή της διαμορφωμένης δέσμης φωτός ( 19) και τη γωνία (α) που σχηματίζεται μεταξύ των δύο ανωτέρων αξόνων X, Υ, όπου η διατομή της ροής του ανωτέρω μετρητικού στόχου (ΣΜ) αυξάνεται με το σωστό μέγεθος της εισόδου (6) και της εξόδου (8) του αισθητήρα (44) για την ανωτέρω ροή-ΣΜ, επιπλέον όπου τα δύο ανωτέρω ανοίγματα - είσοδος (6) και έξοδος (8) - είναι διευρημένα, πράγμα που αυξάνει την παροχή ΣΜ και έχει ως αποτέλεσμα περισσότερα απορροφητικά είδη (87) ανά μονάδα χρόνου να μεταφέρονται στον ανωτέρω όγκο διέγερσης (4), κατά προτίμηση όπου η διατομή της ανωτέρω ροής-ΣΜ και η δέσμη φωτός (19) έχουν τις ίδιες διαμέτρους στο σημείο όπου διασταυρώνονται μεταξύ τους.
- 16. Μέθοδος σύμφωνα με μια από τις αξιώσεις 13 έως 15, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι ο ανωτέρω μετρητικός στόχος (ΣΜ) υποβάλεται σε οπτική παρακολούθηση, όπου όταν σωματίδια ή αέρια φωτίζοντας το φώς απορροφάται και σκεδάζεται μαζί, η αιθάλη BC αναγνωρίζεται από το ότι τα οπτικοακουστικά εξαρτήματα ανίχνευσης ανταποκρίνονται μόνο στην απορρόφηση φωτός και αναγνωρίζεται η ανωτέρω αιθάλη BC, όπου η ανίχνευση φωτός στις 180° είναι ευαίσθητη τόσο στην απορρόφηση όσο και στη σκέδαση, ενώ η ανίχνευση σε άλλες γωνίες, όπως 45° ή 90°, είναι ευαίσθητη μόνο στη σκέδαση, όπου ο αισθητήρας (44) χάρη στη συγκεκριμένη γεωμετρία του συνδυάζει τόσο την οπτικοακουστική ανίχνευση όσο και την ανίχνευση του διασκορπισμένου φωτός σε διάφορες γωνίες μεταξύ 0° and 180° στερεοσκοπικά, όπου ειδικότερα για σωματίδια, αυτό επιτρέπει, επιπλέον της ανωτέρω μάζας αιθάλης, τη λήψη πληροφοριών για το μέγεθος των σωματιδίων και ενδεχομένως την ανίχνευση ύπαρξης μη ανθρακούχων συνθέσεων, όπου ειδικότερα οπτικές ίνες καθοδηγούν το φώς που διασκορπίζεται σε διαφορετικές γωνίες σε ευαίσθητους ανιχνευτές φωτός, και εκτιμώντας ότι η κατανομή γωνίας διάχυσης του φωτός εξαρτάται από την κατανομή μεγέθους των σωματιδίων που φωτίζει το φώς, και σύμφωνα με αυτό η κατανομή του μεγέθους σωματιδίου αναγνωρίζεται, δίνοντας ίδια χαρακτηριστικά κατανομής του φωτός που διαχέεται με τη μέτρηση, όπου τα χαρακτηριστικά των ρύπων αφαιρούνται από τις μετρήσεις σκέδασης έναντι απορρόφησης, επιτρέποντας έτσι το διαχωρισμό μεταξύ απορρόφησης και σκέδασης φωτός.
- 17. Μέθοδος σύμφωνα με μια από τις προηγούμενες αξιώσεις 13 έως 16, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι διατηρείται μια ήπια θετική θερμική διαβάθμιση (VT) μεταξύ της πορείας των ρύπων και των ευαίσθητων στοιχείων για την περαιτέρω προστασία με θερμική απώθηση, και έτσι για περαιτέρω αποφυγή της εναπόθεσης μολυσματικών ουσιών από τη διάχυση και τη φυσική μεταφορά.
- 18. Μέθοδος σύμφωνα με μια από τις προηγούμενες αξιώσεις της μεθόδου 13 έως 17, ειιδκότερα την αξίωση 17, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι πολλαπλοί δίοδοι λέιζερ (21, 22) διεγείρουν διάφορες ουσίες, κυρίως αέρια και σωματίδια, και από το ότι το συνολικό σήμα υποβάλλεται σε φασματικό διαχωρισμό για την ανίχνευση διαφορετικών μολυσματικών ουσιών.
- 19. Μέθοδος σύμφωνα με μια από τις προγούμενες αξιώσεις 13 έως 18, ειδικότερα την αξίωση 18, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι διάφορα απορροφητικά είδη και είδη ρύπων (87) διαχωρίζονται μέσω φασματικής ανάμιξης, όπου το οπτικοακουστικό σήμα (Sλ) είναι ανάλογο με την ενέργεια διέγερσης της πηγής λέιζερ (21), την τιμή απορρόφησης των ειδών (87) του ανωτέρω μετρητικού στόχου (ΣΜ) και τη συγκέντρωση αυτών των ειδών (87) :όπου είναι το οπτικοακουστικό σήμα της πηγής λέιζερ με μήκος κύματος λ, Ιλ είναι η οπτική ενέργεια της πηγής λέιζερ με μήκος κύματος λ, μλ<i>είναι η απορρόφηση του αερίου ή των σωματιδίων i στο μήκος κύματος λ και Ciείναι η συγκέντρωση του ί<th>αέριου ή σωματιδιακού ρύπου του ανωτέρω μετρητικού στόχου (ΣΜ), όπου σχηματίζεται ένα σύστημα εξισώσεων η άγνωστων το οποίο λύνεται αναλυτικά για να προσδιοριστεί η συγκέντρωση των η ρύπων αερίων ή σωματιδίων του ανωτέρω μετρητικού στόχου (ΣΜ), τα οποία έτσι προσδιορίζονται με η μήκη κύματος.
- 20. Μέθοδος σύμφωνα με μια από τις προηγούμενες αξιώσεις της μεθόδου 13 έως 19, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι πολλαπλά χαρακτηριστικά του δείγματος αξιολογούνται μέσω των πολλαπλών σημάτων του αισθητήρα, όπου το οπτικοακουστικό σήμα παρέχει τη συγκέντρωση μάζας ορισμένου αερίου και μολυσματικών ειδών (87), όπου επιπλέον παρακολουθείταιη σκέδαση φωτός σε διαφορετικές γωνίες και όπου στη συνέχεια υπολογίζεται η κατανομή μεγέθους των σωματιδίων, και επιπλέον όπου συστατικά του δείγματος αερίου όπως κυρίως NO2, αιθάλη BC, άλλα ανθρακούχα σωματίδια, CO2,SO2, σκόνη, τέφρα διακρίνονται μεταξύ τους, μέσω της αμοιβαίας διάκρισης απορρόφησης και σκέδασης φωτός.
- 21. Μέθοδος σύμφωνα οποιαδήποτε από τις αξιώσεις 13 εως 20, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα (20) είναι ενσωματωμένο στον αισθητήρα (44) μέσω του οποίου οι δίοδοι λέιζερ (21 , 22) οδηγούνται, όπου το εντοπισμένο οπτικοακουστικό σήμα ενισχύεται, και τα οπτικά καθώς και τα οπτικοακουστικά σήματα ψηφιοποιούνται και αποκτούνται, επεξεργάζονται και μεταδίδονται σε ένα σημείο συλλογής και αποθήκευσης δεδομένων.
- 22. Χρήση μιας οπτικοακουστικής διάταξης όπως ορίζεται σε οποιαδήποτε από τις αξιώσεις 1 έως 12 για τη μέτρηση αέριων και σωματιδιακών ειδών (87) στην εξάτμιση διάφορων συστημάτων καύσης συμπεριλαμβανομένων αυτοκινήτων, πλοίων, αεροπλάνων, σταθερών κινητήρων, ειδικότερα όπου αέρια ή σωματιδιακοί ρύποι από καύση, συμπεριλαμαβανομένων κινητήρων, λεβήτων, καυστήρων, και άλλων διατάξεων καύσης ανιχνεύονται και παρακολουθούνται, πιό ειδικότερα όπου ο ανωτέρω αισθητήρας (44, 45) παρέχει αξιολόγηση σε πραγματικό χρόνο της συγκέντρωσης ρύπων στην εξάτμιση των ανωτέρω συστημάτων καύσης, σταθερών κινητήρων και συσκευών καύσης, ακόμη πιό ειδικά όπου ο ανωτέρω αισθητήρας στην εξάτμιση κινητήρα λειτουργεί ως φορητό σύστημα διάγνωσης (OBD) ή ως ενσωματωμένο σύστημα παρακολούθησης (ΟΒΜ), και ακόμη ειδικότερα όπου ο ανωτέρω αισθητήρας διαμορφώνεται ως αισθητήρας αριθμού σωματιδίων (ΡN).
- 23. Χρήση μιας οπτικοακουστικής διάταξης όπως ορίζεται σε οποιαδήποτε από τις αξιώσεις 1 έως 12, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι χρησιμοποιείται για συγκεντρώσεις ατμοσφαιρικών ρύπων, ή/και όπου χρησιμοποιείται φώς σε διαφορετικά μήκη κύματος, ή/και όπου χρησιμοποιείται ο οπτικοακουστικός αισθητήρας ως αισθητήρας πολλαπλών συστατικών, ειδικότερα στη μέτρηση του CO2για την παρακολούθηση των πραγματικών εκπομπών CO2.
- 24. Χρήση μιας οπτικοακουστικής διάταξης όπως ορίζεται σε οποιαδήποτε από τις αξιώσεις 1 έως 12, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι ο ανωτέρω αισθητήρας (44, 45) χρησιμοποιείται για μελέτες περιβάλλοντος με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, μικρό συνολικό μέγεθος, χαμηλό κόστος και αυξημένη ευαισθησία, για την παρακολούθηση συγκέντρωσης ρύπων σε μεμονωμένες τοποθεσίες, στην οποία ο αισθητήρας τοποθετείται στη θέση που απαιτούνται μετρήσεις σχετικά με τη συγκέντρωση ρύπων, είτε σε ανοιχτό περιβάλλον (ατμόσφαιρα) είτε σε συγκεκριμένη τοποθεσία κοντά σε πηγή εκπομπών (πεδίο) ή σε κλειστή θέση για την παρακολούθηση της ποιότητας του αέρα σε εργασιακούς χώρους ή γενικής ποιότητας του αέρα εσωτερικού χώρου, ειδικότερα όπου ένα κατανεμημένο δίκτυο τέτοιων αισθητήρων για περιβαλλοντική δειγματοληψία παρέχει πληροφορίες σχετικά με την ποιότητα του αέρα του περιβάλλοντος, πιό ειδικά όπου ο αισθητήρας συνδυάζεται με τη λειτουργία μετάδοσης σήματος που επιτρέπει την αποθήκευση πληροφοριών σε δομές cloud, και ακόμη ειδικότερα όπου το δίκτυο αυτό παρέχει επίσης πληροφορίες εξαιρετικής ποιότητας για μοντελοπο ιήσεις αερολυμάτων από κλιματικά μοντέλα, τα οποία απαιτούν υποθέσεις ως προς τη συγκέντρωση μάζας σωματιδίων ή τη διατομή απορρόφησης των σωματιδίων.
- 25. Χρήση μιας συστοιχίας δικτύου σε περιφερειακό ή παγκόσμιο επίπεδο ενός συστήματος οπτικοακουστικού αισθητήρα όπως ορίζεται σε οποιαδήποτε από τις αξιώσεις 1 έως 12, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι αυτά τα δεδομένα συλλέγονται και αποθηκεύονται, τα οποία στη συνέχεια επεξεργάζονται μέσω αλγορίθμων τεχνητής νοημοσύνης, όπου εντοπίζονται πολύπλοκα μοτίβα, ειδικότερα όπου η πηγή ρύπανσης για απομακρυσμένες περιοχές προσδιορίζεται και σχεδιάζονται αντίμετρα με αυξημένη ακρίβεια, ακόμη πιο ειδικά όπου αξιολογούνται μοτίβα σχετικά με τη γήρανση των ρύπων, επιτρέποντας έτσι τη διάθεση μιας μεγάλης ποσότητας δεδομένων.
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GR20200100657A GR1010249B (el) | 2020-10-29 | 2020-10-29 | Διαταξη με αισθητηρα οπτικης απορροφησης με μεγαλη ευαισθησια και μεθοδος χρησης της για περιβαλλοντικες εφαρμογες |
| US18/251,275 US20230408399A1 (en) | 2020-10-29 | 2021-10-29 | Optoacoustic Fluid Sensing Apparatus |
| CN202180084339.2A CN116685842A (zh) | 2020-10-29 | 2021-10-29 | 光学流体感测装置 |
| EP21811448.6A EP4237827A1 (en) | 2020-10-29 | 2021-10-29 | Optoacoustic fluid sensing apparatus |
| PCT/GR2021/000063 WO2022090750A1 (en) | 2020-10-29 | 2021-10-29 | Optoacoustic fluid sensing apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GR20200100657A GR1010249B (el) | 2020-10-29 | 2020-10-29 | Διαταξη με αισθητηρα οπτικης απορροφησης με μεγαλη ευαισθησια και μεθοδος χρησης της για περιβαλλοντικες εφαρμογες |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| GR20200100657A GR20200100657A (el) | 2022-05-09 |
| GR1010249B true GR1010249B (el) | 2022-06-16 |
Family
ID=75108664
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| GR20200100657A GR1010249B (el) | 2020-10-29 | 2020-10-29 | Διαταξη με αισθητηρα οπτικης απορροφησης με μεγαλη ευαισθησια και μεθοδος χρησης της για περιβαλλοντικες εφαρμογες |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20230408399A1 (el) |
| EP (1) | EP4237827A1 (el) |
| CN (1) | CN116685842A (el) |
| GR (1) | GR1010249B (el) |
| WO (1) | WO2022090750A1 (el) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| USD1073100S1 (en) | 2022-06-24 | 2025-04-29 | Precision Tool Technologies, Inc. | Foot massage tool |
| USD1071236S1 (en) | 2022-06-24 | 2025-04-15 | Precision Tool Technologies, Inc. | Foot massage tool |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1111367A2 (en) * | 1996-12-31 | 2001-06-27 | Honeywell Inc. | Photoacoustic device and process for multi-gas sensing |
| US20060263896A1 (en) * | 2005-05-18 | 2006-11-23 | Ecovu Analytics Inc. | Fluid contamination analyzer and a sample cell therefor |
| US20070085023A1 (en) * | 2003-12-11 | 2007-04-19 | Flowgene | Optical device for light detector |
| DE102006048839A1 (de) * | 2006-10-16 | 2008-04-24 | Eads Deutschland Gmbh | Photoakustische Gassensor-Vorrichtung mit mehreren Messzellen |
| US20080121018A1 (en) * | 2006-11-27 | 2008-05-29 | Nano-Proprietary, Inc. | Elliptical Photo-Acoustic Sensor |
| US20160061784A1 (en) * | 2014-09-03 | 2016-03-03 | Kalaga Venu Madhav | Optical gas sensor |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4844198A (en) * | 1988-04-07 | 1989-07-04 | Ferralli Michael W | Plane wave focusing lens |
| IT1248992B (it) | 1990-06-25 | 1995-02-11 | Cise Spa | Cella optoacustica per la misura di concentrazioni di specie chimiche in fluidi in genere |
| US6662627B2 (en) | 2001-06-22 | 2003-12-16 | Desert Research Institute | Photoacoustic instrument for measuring particles in a gas |
| US7710566B2 (en) | 2005-05-27 | 2010-05-04 | Board Of Regents Of The Nevada System Of Higher Education On Behalf Of The Desert Research Institute | Method and apparatus for photoacoustic measurements |
| DE102005030151B3 (de) | 2005-06-28 | 2006-11-02 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Photoakustischer Freifelddetektor |
| DE102007014519A1 (de) | 2007-03-27 | 2008-10-02 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Photoakustischer Detektor zur Messung von Feinstaub |
| DE102007014517B3 (de) | 2007-03-27 | 2008-08-28 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Zylindrischer photoakustischer Multipass-Detektor mit Anregung der zweiten azimutalen Resonanz |
| US8848191B2 (en) | 2012-03-14 | 2014-09-30 | Honeywell International Inc. | Photoacoustic sensor with mirror |
-
2020
- 2020-10-29 GR GR20200100657A patent/GR1010249B/el active IP Right Grant
-
2021
- 2021-10-29 EP EP21811448.6A patent/EP4237827A1/en active Pending
- 2021-10-29 WO PCT/GR2021/000063 patent/WO2022090750A1/en active Application Filing
- 2021-10-29 CN CN202180084339.2A patent/CN116685842A/zh active Pending
- 2021-10-29 US US18/251,275 patent/US20230408399A1/en active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1111367A2 (en) * | 1996-12-31 | 2001-06-27 | Honeywell Inc. | Photoacoustic device and process for multi-gas sensing |
| US20070085023A1 (en) * | 2003-12-11 | 2007-04-19 | Flowgene | Optical device for light detector |
| US20060263896A1 (en) * | 2005-05-18 | 2006-11-23 | Ecovu Analytics Inc. | Fluid contamination analyzer and a sample cell therefor |
| DE102006048839A1 (de) * | 2006-10-16 | 2008-04-24 | Eads Deutschland Gmbh | Photoakustische Gassensor-Vorrichtung mit mehreren Messzellen |
| US20080121018A1 (en) * | 2006-11-27 | 2008-05-29 | Nano-Proprietary, Inc. | Elliptical Photo-Acoustic Sensor |
| US20160061784A1 (en) * | 2014-09-03 | 2016-03-03 | Kalaga Venu Madhav | Optical gas sensor |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| XP0555462764 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116685842A (zh) | 2023-09-01 |
| EP4237827A1 (en) | 2023-09-06 |
| GR20200100657A (el) | 2022-05-09 |
| US20230408399A1 (en) | 2023-12-21 |
| WO2022090750A1 (en) | 2022-05-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7926332B2 (en) | Exhaust gas analyzer and exhaust gas analyzing method | |
| US8115931B2 (en) | Photoacoustic detector for measuring fine dust | |
| US7936460B2 (en) | Sensor unit in exhaust gas analyzer | |
| JP4673887B2 (ja) | 排ガス分析装置 | |
| Shi et al. | A mid-infrared fiber-coupled QEPAS nitric oxide sensor for real-time engine exhaust monitoring | |
| CN113272640A (zh) | 用于在使用激光诱导白炽光原理的情况下探测流动流体中的颗粒或气溶胶的颗粒传感器 | |
| US20230408399A1 (en) | Optoacoustic Fluid Sensing Apparatus | |
| CN113039427A (zh) | 多模式灰尘传感器 | |
| KR102522728B1 (ko) | 침착물 센서를 구비한 광 센서 | |
| US20220003657A1 (en) | Method for operating a particle sensor | |
| CN204439539U (zh) | 一种烟气监测仪的光学系统及检测装置 | |
| JP5038923B2 (ja) | 排ガス分析装置 | |
| JP2021515891A (ja) | レーザスポットと温度放射スポットとの共焦点配置を有する、レーザ誘起白熱法によって動作する粒子センサ | |
| JP2006343293A (ja) | 排ガス分析装置 | |
| Mulrooney et al. | Monitoring of carbon dioxide exhaust emissions using mid-infrared spectroscopy | |
| Clifford et al. | On board measurement of carbon dioxide exhaust car emissions using a mid-infrared optical based fibre | |
| Haedrich et al. | THE SCIPPER PROJECT | |
| CN109764909A (zh) | 一种排放气体流速及颗粒物成分的监测系统及方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PG | Patent granted |
Effective date: 20220707 |