Surface acoustic waves application for gas leakage detection

• Autorzy: Pasternak Mateusz , Jasek Krzysztof , Grabka Michał

Identyfikatory

DOI

10.29354/diag/116078

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie akustycznych fal powierzchniowych do detekcji wycieku gazów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Surface Acoustic Waves (SAW) are by their nature very sensitive to changes in physical propagation conditions. This statement relates primarily to the properties of the substrate, i.e. the surface on which these waves propagate, but under certain conditions it also refers to the parameters of the gaseous environment directly in contact with the substrate. The influence of this environment on SAW parameters can be used to detect specific gases that are present in this environment and change its density. The basic research problem was to determine the dependence of the resonant frequency and attenuation of waves in a resonator with SAW on the parameters and concentrations of specific gases in the gaseous environment in which the resonator works. The secondary objective was to determine whether this dependence is strong enough to be used for the construction of sensors and whether it is possible to identify gases present in the environment based on such measurements. Two-port resonators from SAW and measuring stand of our own design were used for the research. The analyses conducted and laboratory measurements confirmed the existence of the abovedescribed dependence. It was found that it increases with the increase of the difference between the molar mass of the gas being tested and the average molecular mass of the gaseous environment. This fact makes the proposed method suitable for detection of gases of relatively low or high molar masses. In air it is possible to detect hydrogen, helium, krypton, xenon and vapour of volatile compounds with sufficiently high molar masses.

PL

Akustyczne fale powierzchniowe (AFP) są ze swej natury bardzo czułe na zmiany fizycznych warunków propagacji. Stwierdzenie to dotyczy przede wszystkim własności ich podłoża tj. powierzchni, po której te fale się propagują, jednak w pewnych warunkach odnosi się ono także do parametrów otoczenia gazowego bezpośrednio stykającego się z tym podłożem. Wpływ tego otoczenia na parametry AFP można wykorzystać do detekcji specyficznych gazów znajdujących się w tymże otoczeniu i zmieniających jego gęstość. Podstawowym problemem badawczym było określenie zależności częstotliwości rezonansowej i tłumienia fal w rezonatorze z AFP od parametrów i stężeń określonych gazów znajdujących się w otoczeniu gazowym, w którym tenże rezonator pracuje. Ustalono też czy zależność ta jest dostatecznie silna aby dało ją się wykorzystać do budowy czujników oraz czy możliwa jest na podstawie takich pomiarów identyfikacja gazów obecnych w otoczeniu. Do badań wykorzystano dwuportowe rezonatory z AFP oraz własnej konstrukcji stanowisko pomiarowe. Stwierdzono, że wymieniona zależność rośnie w miarę wzrostu różnicy masy molowej oznaczanego gazu od przeciętnej masy cząsteczkowej otoczenia gazowego. Fakt ten powoduje, że proponowana metoda nadaje się w do detekcji gazów o stosunkowo niskich lub wysokich masach molowych. W powietrzu można w ten sposób wykrywać wodór, hel, krypton, ksenon oraz pary lotnych związków o odpowiednio wysokiej masie molowej.

Słowa kluczowe

EN

surface acoustic waves; gas detection; diagnostic of sealing

PL

akustyczne fale powierzchniowe; detekcja gazów; diagnostyka uszczelnień

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Diagnostyki Technicznej
• Czasopismo: Diagnostyka
• Rocznik: 2020
• Tom: Vol. 21, No. 1
• Strony: 35--39
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys.

Twórcy

autor

Pasternak Mateusz

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Elektroniki

autor

Jasek Krzysztof

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Nowych Technologii i Chemii

autor

Grabka Michał

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Nowych Technologii i Chemii

Bibliografia

• 1. Jasek K, Pasternak M. The Influence of External Pressure on Resonant Frequency of SAW Resonator. Acta Physica Polonica A. 2015; 127(6):1601-1604. https://doi.org/10.12693/APhysPolA.127.160
• 2. Jasek K, Neffe S, Pasternak M. SAW sensor for mercury vapour detection. Acta Physica Polonica A. 2012; 122(5):825:827
• 3. Urbańczyk M. Sensory gazu z akustyczną falą powierzchniową. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2011.
• 4. Mujahid A, Dickert FL. Surface acoustic wave (SAW) for chemical sensing applications of recognition layers. Sensors. 2017;17(2):2716 https://doi.org/10.3390/s17122716
• 5. Zhu J, Popovics JS, Schubert F. Leaky Rayleigh and Scholte waves at the fluid-solid interface. J. Acoust. Soc.Am.2004;116(4). https://doi.org/10.1121/1.1791718.
• 6. Cheeke JDN. Fundamentals and Applications of Ultrasonic Waves. CRC Press 2002.
• 7. Mozhaev V, Weihnacht M. Subsonic leaky Rayleigh waves at liquid-solid interfaces, Ultrasonics. 2002;40(1- 8):927-933. https://doi.org/10.1016/S0041-624X(02)00233-0.
• 8. Borman VD, Krylov SY, Kharitonov AM. Transport phenomena at a gas-solid interface due to propagation of surface sound. Zh. Eksp. Teor. Fiz., Sov. Phys. JETP 1987;92:1668-1683.
• 9. Chu KW. Transport induced by a surface acoustic wave along a slab. The European Physical Journal - Applied Physics. 2002;18(1):51-56. https://doi.org/10.1051/epjap:2002026.
• 10. Aleksandrov OE, Seleznev VD. Acoustic gas slip induced by surface waves. Journ. of Statist. Phys. 1995; 78:161-167.
• 11. Pasternak M. Applicability of different SAW oscillators’ topologies for high frequency gas sensors construction. Acta Physica Polonica B. 2010; 118(6):1232-1234.
• 12. Filipiak J, Solarz L, Steczko G. Surface acoustic wave vibration sensor electronic system. Acta Physica Polonica A. 201l; 120(4):598-603.
• 13. Soluch W. SAW Synchronous Multimode Resonator with Gold Electrodes on Quartz. IEEE Trans. on Ultras. Ferroel. and Freq. Control, 2008;55(6):1391-1393, https://doi.org/10.1109/TUFFC.2008.803.
• 14. Jasek K, Miluski W, Pasternak M. A new system for acoustoelectronic gas sensors analysis. Acta Physica Polonica A. 2014;124(3):445:447. https://doi.org/10.12693/APhysPolA.124.445.
• 15. Grabka M, Jasek K, Pasternak M, Miluski W. Stanowisko do badania sensorów z akustyczną falą powierzchniową. Aparatura Badawcza i Dydaktyczna. 2015; 20(4): 251-258.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).