Detecci
´
on de gases traza por t
´
ecnica fotoac
´
ustica
basada en un esquema de excitaci
´
on chirp lineal
Trace gases detection by photoacoustic technique based on a lineal chirp excitation scheme
Carlos G. Carre
˜
no Romano
∗
, Germ
´
an A. P
´
erez Fogwill
∗
, G. D. Santiago
∗
, M. G. Gonz
´
alez
∗†1
∗
Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ingenier
´
ıa,
Grupo de L
´
aser,
´
Optica de Materiales y Aplicaciones Electromagn
´
eticas (GLOMAE)
Paseo Col
´
on 850, C1063ACV, Buenos Aires, Argentina
†
Consejo Nacional de Investigaciones Cient
´
ıficas y T
´
ecnicas, (CONICET)
Godoy Cruz 2290, C1425FQB, Buenos Aires, Argentina
1
mggonza@fi.uba.ar
Abstract—We present a new photoacoustic gas-trace
measurement setup, based on a chirped optical chopper.
This method combines features of the resonant and pulsed
techniques. To show the advantages of this setup, we carried
out a comparison with the resonant method in samples of NO
2
contained in a one-dimensional acoustic resonator. The results
show the chirped technique allows carrying out short-term
acquisitions with good signal-to-noise ratio.
Keywords: Photoacoustic spectroscopy; trace gases; chirp.
Resumen— En este trabajo se presenta un nuevo esquema
de medici
´
on para espectroscop
´
ıa fotoac
´
ustica de gases traza
basado en un esquema de excitaci
´
on up − chirp. Esta forma
combina las ventajas de los esquemas resonante y pulsado.
Para mostrar el potencial de esta t
´
ecnica se la compar
´
o con
un esquema de excitaci
´
on resonante sobre la medici
´
on de
muestras de di
´
oxido de nitr
´
ogeno en aire contenidas en una
resonador ac
´
ustico de aluminio. Los resultados mostraron
que la t
´
ecnica chirp permite realizar mediciones de corta
duraci
´
on con muy buena relaci
´
on se
˜
nal a ruido.
Palabras clave: Espectroscop
´
ıa fotoac
´
ustica; gases traza;
chirp.
I. INTRODUCCI
´
ON
La detecci
´
on de gases traza es un tema de primordial
inter
´
es debido a la importancia que reviste en distintas
´
areas,
muchas de ellas directamente relacionadas con el cuidado
de la vida en nuestro planeta. Como ejemplo basta nombrar
los estudios ambientales referidos al cambio clim
´
atico, la
destrucci
´
on de ozono estratosf
´
erico y formaci
´
on de smog
fotoqu
´
ımico, las t
´
ecnicas de diagn
´
ostico en medicina, donde
es importante el
´
oxido de nitr
´
ogeno generado en algunos
tejidos mam
´
ıferos como mediador de respuestas fisiol
´
ogicas
y patol
´
ogicas y, en agronom
´
ıa, la medici
´
on de emanaciones
de hormonas gaseosas, como el etileno, bajo condiciones
de stress de plantas y de difusi
´
on de gases en las mismas
durante per
´
ıodos de anegamiento [1].
En lo que se refiere a estudios atmosf
´
ericos, cantidades
relativamente peque
˜
nas de ciertos gases tienen gran impacto
sobre el medio ambiente y el cambio clim
´
atico. El estudio
de la atm
´
osfera, su qu
´
ımica y los procesos de transporte e
intercambio requiere un monitoreo permanente con t
´
ecnicas
adecuadas para cada caso, ya que hay una gran variedad
de contaminantes cuyas concentraciones van desde algunos
por cientos (10
−2
) hasta partes por trill
´
on (10
−12
). Ideal-
mente estas t
´
ecnicas de detecci
´
on deber
´
ıan cumplir con
los requisitos de [1] i) alta sensibilidad para medir muy
bajas concentraciones; ii) alta selectividad para diferenciar
distintos componentes en mezclas; iii) buena resoluci
´
on
temporal para estudiar fluctuaciones, y iv) portabilidad, para
realizar mediciones in situ. La importancia de cada uno de
estos
´
ıtems var
´
ıa seg
´
un la situaci
´
on.
Se han desarrollado diferentes esquemas de monitoreo
novedosos que tienen su origen en el progreso de la in-
vestigaci
´
on en f
´
ısica y qu
´
ımica, en especial en materiales
y
´
optica, as
´
ı como de la electr
´
onica y computaci
´
on. En el
tema ambiental,
´
estos fundamentalmente pueden distinguirse
en el proceso de toma de muestras y en el m
´
etodo anal
´
ıtico
para determinaci
´
on de especies moleculares y medici
´
on de
concentraciones.
Respecto de la toma de muestras, la t
´
ecnica puede ser:
por extracci
´
on, monitoreo in situ o monitoreo remoto. En el
primer caso, la muestra se recoge en recipientes y es llevada
al laboratorio. Los m
´
etodos que se pueden implementar
all
´
ı son en general m
´
as sensibles que los aplicables en
campo pero no permiten el estudio en tiempo real, como
el segundo caso. En el tercer caso, el equipo, basado en
sistemas
´
opticos, es instalado lejos del lugar bajo estudio
por lo que evita la interacci
´
on del aparato con la muestra
durante el monitoreo pero por otro lado depende fuertemente
de las condiciones de retrodispersi
´
on atmosf
´
erica.
En referencia a los m
´
etodos anal
´
ıticos para detecci
´
on de
gases en general se encuentran las t
´
ecnicas espectrosc
´
opicas
que resultan muy vers
´
atiles y est
´
an principalmente basadas
en la utilizaci
´
on de l
´
aseres ya que son fuentes de luz intensas
sintonizables. En este caso, la medici
´
on de concentraci
´
on
se realiza a partir de la interacci
´
on radiaci
´
on-materia que
puede consistir en un proceso de dispersi
´
on o absorci
´
on de
la luz. Uno de los fen
´
omenos que m
´
as ventajas ofrece para
la identificaci
´
on de especies moleculares y determinaci
´
on
de su concentraci
´
on es la absorci
´
on de radiaci
´
on.
´
Esta se
produce en especial en los rangos del IR medio (2-25 µm)
y del visible a UV (700-250 nm). Diferentes sistemas de
medici
´
on est
´
an fundamentalmente basados en un esquema
simple y en la aplicaci
´
on de la ley de Beer-Lambert [2].
Una t
´
ecnica muy sensible y selectiva, que permite de-
Recibido: 16/04/18; Aceptado: 17/05/18
Revista elektron, Vol. 2, No. 1, pp. 7-11 (2018)
ISSN 2525-0159
7
tecci
´
on de gases traza in situ, est
´
a basada en efectos
t
´
ermicos provocados por absorci
´
on de radiaci
´
on. General-
mente, de acuerdo con los detectores utilizados para medir
esto, existen dos esquemas [1]. El primero de ellos corre-
sponde a espectroscop
´
ıa fotoac
´
ustica (EFA). En este caso el
detector puede ser un micr
´
ofono [2] o un diapas
´
on de cuarzo
[3] los cuales son utilizados para captar la onda ac
´
ustica que
se genera cuando parte de la energ
´
ıa absorbida se convierte
en calor. Por otro lado, est
´
a la espectroscop
´
ıa fotot
´
ermica
(EFT) donde, por ejemplo, se utiliza un determinado sistema
de detecci
´
on que permite captar el cambio de
´
ındice de
refracci
´
on producido por el calentamiento de la muestra [4].
Tanto en EFA como en EFT, la muestra gaseosa bajo
estudio se encuentra habitualmente confinada dentro de un
recinto que act
´
ua como un resonador ac
´
ustico y es excitada
por un l
´
aser a trav
´
es de una o m
´
as ventanas. La excitaci
´
on
puede ser efectuada de dos maneras [5]. En la primera, el haz
l
´
aser es modulado (usualmente con un obturador mec
´
anico)
a una frecuencia pr
´
oxima a la de alguna de las resonancias
ac
´
usticas del recinto. Esta forma es denominada excitaci
´
on
resonante y conduce naturalmente a la detecci
´
on sincr
´
onica
de la se
˜
nal ac
´
ustica por medio de un amplificador de tipo
lock − in, por la excelente relaci
´
on se
˜
nal a ruido asequible.
Cambios en la temperatura o composici
´
on de la muestra
ocasionan un corrimiento de las frecuencias de resonancia,
por lo cual resulta cr
´
ıtico el enganche de la frecuencia de
modulaci
´
on del haz l
´
aser con las mismas. La otra forma
de excitaci
´
on, denominada pulsada, consiste en registrar la
se
˜
nal del micr
´
ofono resuelta en tiempo luego de la excitaci
´
on
de la muestra con pulsos de luz de alta intensidad y corta
duraci
´
on. En este caso, el an
´
alisis de la se
˜
nal se puede
realizar en el dominio de las frecuencias a trav
´
es de la
transformada Fourier de la se
˜
nal temporal. As
´
ı, se evita
la sincronizaci
´
on de la frecuencia de modulaci
´
on con las
frecuencias de resonancia de la celda ya que con un solo
pulso l
´
aser se obtienen todas las frecuencias de oscilaci
´
on
de la cavidad ac
´
ustica. De esta manera los corrimientos de
frecuencia debido a cambios de temperatura o composici
´
on
dejan de ser importantes. Sin embargo, todo lo anterior es
a expensas de una menor sensibilidad debido a una menor
relaci
´
on se
˜
nal a ruido [6]. Esto
´
ultimo usualmente implica la
utilizaci
´
on de pulsos de luz de gran energ
´
ıa, lo que dificulta
la implementaci
´
on de esquemas FA compactos y portables.
En la EFA de gases traza existe un fen
´
omeno que, de
no ser tenido en cuenta, puede deteriorar fuertemente la
sensibilidad del sistema.
´
Este es el proceso de adsorci
´
on-
desorci
´
on (sorci
´
on), el cual se encuentra presente en el caso
de mol
´
eculas polares como el agua, el amon
´
ıaco o el di
´
oxido
de nitr
´
ogeno. La sorci
´
on puede producir importantes varia-
ciones en las muestras durante su an
´
alisis. Este fen
´
omeno
ha sido estudiado por varios autores, por ejemplo [7] y [8].
Los mismos han recurrido a la utilizaci
´
on de flujo del gas,
evaluando la velocidad
´
optima para minimizar la adsorci
´
on
y a la vez los ruidos generados por el movimiento del gas.
Sin embargo, existen muchos casos donde la muestra se
encuentra en cantidad reducida o el dispositivo no puede
trasladarse para realizar la medici
´
on in situ y, entonces,
no puede aplicarse esta soluci
´
on sino que la medici
´
on debe
realizarse de forma estanca. Para estos casos, trabajos como
el de la referencia [9], se usan modelos que describen
ED
LÁSER
1064 nm
532 nm
AT
OM
COMPUTADORA
CELDA FA
MIC
FD
ABR
Fig. 1. Esquema experimental. ED: espejo dicroico. AT: atenuador
´
optico.
OM: obturador mec
´
anica. MIC: micr
´
ofono. ABR: amplficador de bajo
ruido. FD: fotodiodo.
Fig. 2. Esquema de la celda FA usada para las mediciones. Este resonador
posee una entrada de gases ubicada en un nodo de presi
´
on para evitar
distorsiones ac
´
usticas. La tapas son desmontables para cambiar las ventanas
de entrada de acuerdo a la longitud de onda del l
´
aser utilizado para excitar
la muestra. En la caja met
´
alica, ubicada al lado de la entrada de gases, se
encuentra el circuito que polariza al micr
´
ofono electreto.
el proceso de sorci
´
on, de manera de poder extrapolar los
resultados de la medici
´
on.
En este trabajo presentamos un esquema FA que combina
las ventajas de las excitaciones resonante y pulsada. Este
se basa en que un haz l
´
aser es modulado en amplitud
pero su frecuencia es incrementada linealmente durante
una ventana de tiempo. Esta t
´
ecnica es conocida como
up − chirp. Los valores de duraci
´
on y frecuencias iniciales
y finales del barrido son escogidos de manera de minimizar
los problemas antes mencionados: relaci
´
on se
˜
nal a ruido,
cambio de la frecuencia resonancia y sorci
´
on de la muestra.
Para comprobar esto implementamos una sistema FA para
medici
´
on de trazas de NO
2
en aire que utiliza un obturador
mec
´
anico que permite la medici
´
on con un esquema reso-
nante y con el esquema up − chirp.
II. SISTEMA FOTOAC
´
USTICO
En la Fig. 1 se muestra el esquema experimental imple-
mentado. C
´
omo fuente de luz se utiliz
´
o un l
´
aser Nd:YAG
continuo con generador de segunda arm
´
onica. Para remover
las componentes de luz no deseadas pertenencientes a lon-
gitud de onda de 1064 nm se us
´
o un espejo dicroico y
la potencia media de luz fue ajustada con un atenuador
´
optico. La modulaci
´
on en amplitud y en frecuencia del
l
´
aser se consigui
´
o con un obturador mec
´
anico controlado
por computadora realizado en nuestro laboratorio. El haz
modulado fue dirigido a una celda FA conteniendo la
muestra absorbente. Un micr
´
ofono electreto (Knowles EK-
3132), junto con un amplificador de bajo ruido (Tektronix
AM-502), fueron los encargados de captar la se
˜
nal ac
´
ustica
generada. Para relevar la intensidad y variaci
´
on temporal
Revista elektron, Vol. 2, No. 1, pp. 7-11 (2018)
ISSN 2525-0159
8
http://elektron.fi.uba.ar
del haz l
´
aser se us
´
o un fotodiodo calibrado (BPW-34). Las
se
˜
nales provenientes del micr
´
ofono y del fotodiodo fueron
digitalizadas por una placa de sonido est
´
andard con entrada
de l
´
ınea y frecuencia de muestreo de 44.1 kHz.
Las muestras gaseosas se armaron con un l
´
ınea de vac
´
ıo
que permiti
´
o la realizaci
´
on de mezclas de NO
2
con aire seco.
Las concentraciones del gas absorbente usadas estuvieron en
el rango entre 100 y 1000 ppm. Se escogi
´
o NO
2
ya que su
cuantifici
´
on presenta gran inter
´
es debido a que es un agente
contaminante urbano producido principalmente por motores
que genera varios problemas de salud respiratorios as
´
ı como
tambi
´
en lluvia
´
acida [1]. Adem
´
as, como se detall
´
o en la
introducci
´
on, el NO
2
es una mol
´
ecula polar que tiene una
importante sorci
´
on con el material de la celda FA usada para
las mediciones.
Como resonador FA se recurri
´
o al uso de una celda
unidimensional con filtros de cuarto de onda en sus extremos
[10], [11]. En la Fig. 2 se muestra un esquema de la misma
que fue construida por el Centro de Investigaciones en
L
´
aseres y Aplicaciones de CITEDEF. El material usado para
su implementaci
´
on fue aluminio para el cuerpo y cuarzo
para las ventanas que permiten la entrada del haz l
´
aser al
resonador. La palabra unidimensional denota que el di
´
ametro
del resonador es mucho menor que la longitud de onda
escogida para que resuene. En cuanto a los filtros, son dos
cavidades amortiguadoras o buf fers contiguas al resonador
que se utilizan con los siguientes prop
´
ositos [6]: a) la alta
impedancia ac
´
ustica de las ventanas es transformada a un
valor m
´
as bajo, permitiendo que el resonador se asemeje
a uno abierto; b) la integral de solapamiento de un modo
longitudinal es distinta de cero; c) los efectos ac
´
usticos de
la entrada y salida del gas, localizados en la transici
´
on entre
el resonador y los buffers, son minimizados;y d) la se
˜
nal
inducida por el calentamiento de las ventanas que alcanza
el micr
´
ofono es fuertemente reducida.
El dise
˜
no de este tipo de celdas es realizado a partir del
modo ac
´
ustico escogido para que resuene. Luego, para cierta
temperatura y gas se calcula la longitud de onda. Entonces
el largo del resonador y los buffers quedan definidos. Por
´
ultimo, la relaci
´
on entre los di
´
ametros se escoge para
producir la deseada desadaptaci
´
on entre un medio y otro,
consiguiendo, de esta manera, la mayor reflexi
´
on posible
por parte de la se
˜
nal proveniente de las ventanas. Para NO
2
en aire seco a temperatura ambiente la primera frecuencia
de resonancia de la celda se encuentra aproximadamente en
1980 Hz.
III. UP-CHIRP
La variaci
´
on de la intensidad de luz del haz l
´
aser generada
por el obturador mec
´
anico se puede expresar como:
I(t) = SC(φ(t)) (1)
donde φ es la funci
´
on que representa como cambia la fase de
la se
˜
nal y SC es la funci
´
on onda cuadrada. De esta manera,
la frecuencia instant
´
anea es:
f(t) =
1
2π
dφ(t)
dt
(2)
Basado en las ecuaciones anteriores, la variaci
´
on de la
frecuencia en funci
´
on del tiempo se puede expresar como:
10
−4
10
−3
10
−2
10
−1
10
0
10
1
−0.6
−0.4
−0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Señal fotodiodo (V)
Tiempo (s)
Fig. 3. Se
˜
nal medida por el fotodiodo para un barrido en frecuencia con
par
´
ametros f
0
=1920 Hz, f
1
=2030 Hz, T =15 s.
0 5 10 15
1700
1750
1800
1850
1900
1950
2000
2050
2100
2150
2200
Tiempo (s)
Frecuencia (Hz)
Fig. 4. Espectrograma de se
˜
nal medida por el fotodiodo para un barrido
en frecuencia con par
´
ametros f
0
=1920 Hz, f
1
=2030 Hz, T =15 s. La
intensidad de la trama es proporcional al contenido de energ
´
ıa de la se
˜
nal
en la frecuencia y el tiempo indicados.
c(t) =
df(t)
dt
(3)
En el caso de chirp lineal la funci
´
on f(t) var
´
ıa lineal-
mente con el tiempo,
f(t) = f
0
+ kt = f
0
+
f
1
− f
0
T
t (4)
donde k es la tasa de cambio de la frecuencia o chirpyness,
f
0
y f
1
las frecuencias inicial y final del barrido, respecti-
vamente, y T el tiempo que se toma para barrer desde f
0
hasta f
1
. Por lo tanto, para un chirp lineal, φ(t) toma la
siguiente forma:
φ(t) = φ
0
+ 2π
f
0
t +
k
2
t
2
(5)
donde φ
0
es la fase inicial.
Los ensayos con el obturador mec
´
anico usado en este
trabajo mostraron que, debido al momento de inercia del
mismo y al torque del motor, para obtener un barrido lineal
Revista elektron, Vol. 2, No. 1, pp. 7-11 (2018)
ISSN 2525-0159
9
http://elektron.fi.uba.ar
1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
1’
20’
30’
40’
60’
Amplitud señal FA (mV)
Frecuencia (Hz)
Fig. 5. Amplitud de la se
˜
nal FA en funci
´
on de la frecuencia para distintos
tiempos tomando como inicio el momento en que se carg
´
o la celda con
lcon 600 ppm de NO
2
en aire.
1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060
−60
−40
−20
0
20
40
60
80
100
1’
20’
30’
40’
60’
Frecuencia (Hz)
Fase señal FA (grados)
Fig. 6. Fase de la se
˜
nal FA en funci
´
on de la frecuencia para distintos
tiempos tomando como inicio el momento en que se carg
´
o la celda con
600 ppm de NO
2
en aire.
repetitivo de unos 100 Hz es necesario efectuarlo en un
lapso de unos 15 s. As
´
ı se obtiene una tasa de unos 7 Hz/s
´
Este result
´
o el menor tiempo asequible para el obturador. El
cambio de frecuencia relativamente lento permite asegurar
que la se
˜
nal ac
´
ustica dentro del resonador alcanza un virtual
r
´
egimen estacionario. En efecto, sabiendo que la frecuencia
de resonancia es 1980 Hz y que el factor de calidad de la
resonancia es Q ≈ 20, para un sistema de segundo orden se
obtiene un tiempo de establecimiento de unos 10 ms. En este
lapso la frecuencia del modulador var
´
ıa aproximadamente
0.07 Hz, valor despreciable a los efectos pr
´
acticos.
En la Fig. 3 se puede apreciar la variaci
´
on de la intensidad
del haz l
´
aser medida por el fotodiodo cuando se realiza
el barrido en frecuencia con f
0
=1920 Hz, f
1
=2030 Hz
y T =15 s. El redondeo que se ve en los flancos de la
se
˜
nal son causados por la limitaci
´
on de ancho de banda del
sistema de detecci
´
on. Asimismo, en la Fig. 4, se presenta el
espectrograma de los mismos datos donde se hace evidente
la variaci
´
on lineal de la frecuencia con el tiempo.
0 5 10 15
−150
−100
−50
0
50
100
150
200
Tiempo (s)
Señal FA (mV)
Fig. 7. Se
˜
nal FA captada por el micr
´
ofono bajo el esquema de excitaci
´
on
up − chirp lineal con par
´
ametros f
0
=1920 Hz, f
1
=2030 Hz, T =15 s
con la celda conteniendo 600 ppm de NO
2
en aire.
1800 1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Frecuencia (Hz)
Amplitud señal FA (mV)
Fig. 8. Amplitud de los espectros de varias se
˜
nales FA captadas por el
micr
´
ofono bajo el esquema de excitaci
´
on up −chirp lineal con par
´
ametros
f
0
=1920 Hz, f
1
=2030 Hz, T =15 s con la celda conteniendo 600 ppm
de NO
2
en aire.
IV. RESULTADOS
Para la medici
´
on con el esquema de excitaci
´
on reso-
nante se realiz
´
o un barrido en frecuencia en pasos de 5
Hz, alrededor de la frecuencia de resonancia, relevando el
m
´
odulo y fase de la se
˜
nal captada por el micr
´
ofono. Para
el procesamiento de los datos se implement
´
o una detecci
´
on
sincr
´
onica usando el m
´
etodo descripto en [12] que utiliza
una placa de sonido para adquirir dos se
˜
nales: la proveniente
del micr
´
ofono, previamente amplificada, y la de referencia.
A partir de esta
´
ultima se obtienen dos se
˜
nales cuasi-
ortogonales que permiten obtener el m
´
odulo y fase de la
se
˜
nal FA. Como se
˜
nal de referencia se tom
´
o la se
˜
nal de
control del obturador mec
´
anico. Se hicieron varios barridos
a distintos tiempos para relevar el fen
´
omeno de sorci
´
on que
presenta el NO
2
. Se escogi
´
o como tiempo inicial el momento
donde se carg
´
o la celda con la muestra. En las Figs. 5 y
6 se presentan los resultados obtenidos para 600 ppm de
NO
2
en aire de donde se desea remarcar que i) a partir
de los gr
´
aficos de fase se determin
´
o que la frecuencia de
Revista elektron, Vol. 2, No. 1, pp. 7-11 (2018)
ISSN 2525-0159
10
http://elektron.fi.uba.ar
resonancia medida se encontr
´
o en el entorno de 1970 Hz;
ii) cada barrido demor
´
o entre 8 y 10 minutos; iii) entre cada
barrido se observa una disminuci
´
on notable de la amplitud
debido al fen
´
omeno de sorci
´
on, incluso una hora despu
´
es de
haber cargado la celda; y iv) en el primer barrido se puede
apreciar una varici
´
on alrededor de la resonancia producto de
la fuerte sorci
´
on inicial.
Para el esquema de excitaci
´
on up − chirp se realiz
´
o un
barrido lineal en frecuencia usando los valores f
0
=1920
Hz, f
1
=2030 Hz, T =15 s. En la Fig. 7 se presenta
la primera medici
´
on captada por el micr
´
ofono un minuto
luego de cargar la celda con una muestra con la misma
concentraci
´
on de NO
2
usada en el esquema resonante. Se
puede ver un aumento notorio de la amplitud entorno a
los 7.5 segundos que, observando el espectrograma de la
Fig. 4 se corresponde con una frecuencia de 1970 Hz. Se
realizaron varias medidas cada 10 segundos. En la Fig. 8
se muestran sus transformadas de Fourier donde se observ
´
o
que las se
˜
nales son distintas de cero solo para la frecuencias
donde se realiza el barrido. Para medir la concentraci
´
on de
NO
2
se utiliz
´
o el siguiente estimador:
V
F A
=
1
f
2
− f
1
f
2
Z
f
1
S
med
(f) df (6)
donde S
med
(f) es la transformada de Fourier de la se
˜
nal FA
medida. Aplicando este estimador sobre las se
˜
nales medidas
se determin
´
o un valor promedio de 59 ± 0.2 mV. En este
caso no se observaron grandes variaciones de amplitud entre
las se
˜
nales medidas debido a lo poco que dur
´
o todo el
proceso de medici
´
on.
Tambi
´
en se realizaron varias mediciones con la celda
conteniendo
´
unicamente aire. En este caso se obtuvo un
valor promedio de 11 ± 4 µV, lo que denota que la relaci
´
on
se
˜
nal a ruido es muy buena.
V. CONCLUSIONES
En este trabajo se present
´
o una nueva t
´
ecnica de medici
´
on
para EFA de gases traza basada en el esquema de excitaci
´
on
up−chirp. Esta forma combina las ventajas de los esquemas
resonante y pulsado, o sea, mediciones de corta duraci
´
on con
muy buena relaci
´
on se
˜
nal a ruido. Para mostrar el potencial
de la t
´
ecnica se lo compar
´
o con un esquema de excitaci
´
on
resonante que solo se diferencia en la se
˜
nal de control
enviada al obturador mec
´
anico que modula la amplitud de
la fuente de luz.
Para mostrar la ventajas del sistema chirp se midieron
las se
˜
nales FA obtenidas de la irradiaci
´
on de di
´
oxido de
nitr
´
ogeno en aire seco contenido en un resonador ac
´
ustico.
Los resultados mostraron que la t
´
ecnica chirp permite
realizar mediciones r
´
apidas de forma tal de minimizar los
efectos de corrimientos de la frecuencia de resonancia por
cambios de temperatura y las variaciones en amplitud de
la se
˜
nal FA medida debido a la sorci
´
on de la muestra
por la paredes del resonador. Esto
´
ultimo permite evitar la
necesidad de complejos sistemas de circulaci
´
on de gases.
Adem
´
as, en caso de necesitar sistemas para EFA compactos
y port
´
atiles, se puede lograr reemplazando la fuente l
´
aser de
estado s
´
olido y el obturador mec
´
anico por diodos emisores
de luz (LEDs) [13].
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo fue apoyado por los subsidios de la Universi-
dad de Buenos Aires (UBACyT 20020160100052BA) y de
la ANPCyT (PICT 2016-2204). Tambi
´
en queremos agrade-
cer al Centro de Investigaciones en L
´
aseres y Aplicaciones
de CITEDEF por habernos prestado la celda fotac
´
ustica
utilizada en las experiencias.
REFERENCIAS
[1] A. Peuriot, G. Santiago, and V. Slezak, Modelado, m
´
etodos de
adquisici
´
on y procesamiento en la espectroscop
´
ıa fotoac
´
ustica en
gases, ser. L
´
aseres: Desarrollos y Aplicaciones. Tomo 2., L. Azcarate,
P. Diodati, E. Quel, and V. Slezak, Eds. Buenos Aires, Argentina:
UNSAMedita, 2007.
[2] M. Sigrist, Air monitoring by laser photoacoustic spectroscopy, ser.
Air Monitoring by Spectroscopic Techniques. New York, USA: John
Wiley, 1994.
[3] A. Kosterev and F. Tittel, “Ammonia detection by use of quartz-
enhanced photoacoustic spectroscopy with a near-ir telecommunica-
tion diode laser,” Appl. Opt., vol. 43, pp. 6213–6217, 2004.
[4] S. Bialkowski, Photothermal Spectroscopy Methods for Chemical
Analysis. New York, USA: John Wiley, 1996.
[5] A. Miklos, P. Hess, and Z. Bozoki, “Application of acoustic resonators
in photoacoustic trace gas analysis and metrology,” Rev. Sci. Instrum.,
vol. 72, pp. 1937–1955, 2001.
[6] M. G. Gonzalez, “An
´
alisis y desarrollo de nuevas t
´
ecnicas de de-
tecci
´
on optoac
´
usticas,” Ph.D. dissertation, Univ. de Buenos Aires,
Buenos Aires, Argentina, Mar. 2008.
[7] A. Schmohl, A. Miklos, and P. Hess, “Effects of adsorption-desorption
processes in the response time and accuracy of photoacoustic detec-
tion of ammonia,” Appl. Opt., vol. 40, pp. 2571–2578, 2001.
[8] J. Henningsen and N. Melander, “Sensitive measurement of adsorp-
tion dynamics with nonresonant gas phase photoacoustics,” Appl.
Opt., vol. 36, pp. 7037–7045, 1997.
[9] A. Peuriot, G. Santiago, V. Slezak, and M. G. Gonzalez, “Study of
a spherical resonator applied to photoacoustic spectroscopy,” Anales
AFA, vol. 19, pp. 59–62, 2007.
[10] P. Repond and M. Sigrist, “Photoacoustic spectroscopy on trace gases
with continuously tunable co2 laser,” Appl. Opt., vol. 35, pp. 4065–
4085, 1996.
[11] F. Bijnen, J. Reuss, and F.Harren, “Geometrical optimization of a
longitudinal resonant photoacoustic cell for sensitive and fast trace
gas detection,” Rev. Sci. Instrum., vol. 67, pp. 2914–2923, 1996.
[12] M. G. Gonzalez, G. Santiago, V. Slezak, and A. Peuriot, “Simple
synchronic detection at audio frequencies through a pc sound card,”
Rev. Sci. Instrum., vol. 78, p. 055108, 2007.
[13] R. Bernhardt, G. Santiago, V. Slezak, A. Peuriot, and M. G. Gonzalez,
“Differential, led-excited, resonant no 2 photoacoustic system,” Sens.
Actuator B-Chem., vol. 150, pp. 513–516, 2010.
Revista elektron, Vol. 2, No. 1, pp. 7-11 (2018)
ISSN 2525-0159
11
http://elektron.fi.uba.ar
