Датчик гелия: японское плетение против утечек

Обнаружение утечек гелия — задача не из легких. Этот газ не имеет цвета, запаха и вкуса, а главное — он инертен, что делает его неуловимым для традиционных химических сенсоров. Однако своевременное выявление утечек гелия имеет огромное значение, поскольку его избыток в замкнутом пространстве способен вытеснять кислород, создавая угрозу для дыхания.

Исследователи из Нанкинского университета представили инновационное решение — акустический датчик, использующий звуковые волны для определения наличия гелия. Разработка черпает вдохновение в традиционной японской технике плетения из бамбука «Кагомэ-бики». В результате было создано устройство с треугольной структурой, состоящее из девяти цилиндров, объединенных в три подтреугольника с общими вершинами. Микрофоны, расположенные в угловых цилиндрах, фиксируют акустические сигналы, а небольшие трубки между элементами обеспечивают заполнение устройства воздухом.

Генераторы звука, установленные под угловыми цилиндрами, испускают звуковые волны, которые концентрируются в вершинах структуры. Скорость распространения звука зависит от свойств среды. В более плотных средах звук движется быстрее. Каждый объект обладает собственной резонансной частотой — естественной скоростью вибрации. При подаче энергии на этой частоте амплитуда колебаний значительно возрастает.

При заполнении устройства гелием изменяется плотность газовой среды. Звуковые волны, проходящие через него, внезапно меняют свою скорость и перестают вызывать резонансные колебания в цилиндрах. Это приводит к резкому изменению амплитуды, которое фиксируется микрофонами. По сдвигу частоты исследователи определяют концентрацию гелия в помещении.

Отличительное преимущество нового датчика заключается в его стабильной относительной чувствительности, не зависящей от внешних условий, таких как температура и влажность. Это позволяет использовать его при экстремально низких температурах, что является проблемой для многих традиционных газовых сенсоров, работающих с чувствительными материалами. Треугольная конструкция устройства также позволяет определять местоположение утечки в двухмерном пространстве, анализируя, какой из углов первым демонстрирует сдвиг частоты.

Команда разработчиков планирует расширить возможности системы для локализации утечек в трехмерном пространстве и создать портативную версию устройства.