BG112997A - Прибор за мониторинг на газове - Google Patents

Прибор за мониторинг на газове Download PDF

Info

Publication number
BG112997A
BG112997A BG112997A BG11299719A BG112997A BG 112997 A BG112997 A BG 112997A BG 112997 A BG112997 A BG 112997A BG 11299719 A BG11299719 A BG 11299719A BG 112997 A BG112997 A BG 112997A
Authority
BG
Bulgaria
Prior art keywords
gas
microconsoles
microconsole
sensors
sensor
Prior art date
Application number
BG112997A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир СТАВРОВ
Трифонов Ставров Владимир
Original Assignee
"Амг Технолоджи" Оод
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by "Амг Технолоджи" Оод filed Critical "Амг Технолоджи" Оод
Priority to BG112997A priority Critical patent/BG112997A/bg
Priority to PCT/IB2020/056597 priority patent/WO2021053410A1/en
Publication of BG112997A publication Critical patent/BG112997A/bg

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02—Analysing fluids
    • G01N29/022—Fluid sensors based on microsensors, e.g. quartz crystal-microbalance [QCM], surface acoustic wave [SAW] devices, tuning forks, cantilevers, flexural plate wave [FPW] devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/22—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using measurement of acoustic effects
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
    • G01K13/02—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
    • G01K13/02—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow
    • G01K13/024—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow of moving gases
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02—Analysing fluids
    • G01N29/036—Analysing fluids by measuring frequency or resonance of acoustic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/222—Constructional or flow details for analysing fluids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2412—Probes using the magnetostrictive properties of the material to be examined, e.g. electromagnetic acoustic transducers [EMAT]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2418—Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2418—Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics
    • G01N29/2425—Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics optoacoustic fluid cells therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2431—Probes using other means for acoustic excitation, e.g. heat, microwaves, electron beams
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2437—Piezoelectric probes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/34—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/348—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor with frequency characteristics, e.g. single frequency signals, chirp signals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K2201/00—Application of thermometers in air-conditioning systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/021—Gases
    • G01N2291/0215—Mixtures of three or more gases, e.g. air
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/02809—Concentration of a compound, e.g. measured by a surface mass change
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/02836—Flow rate, liquid level
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/02881—Temperature
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/04—Wave modes and trajectories
    • G01N2291/042—Wave modes
    • G01N2291/0427—Flexural waves, plate waves, e.g. Lamb waves, tuning fork, cantilever
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/10—Number of transducers
    • G01N2291/105—Number of transducers two or more emitters, two or more receivers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Изобретението се отнася до прибор за определяне на физически параметри и химическия състав на газ, чрез измерване на поток от този газ и ще намери приложение в индустрията и бита, напр. в системи за климатизация и вентилация, за определяне качеството на въздух или мониторинг на други газови смеси. С помощта на прибора от изобретението може да се осъществява по-ефективен контрол на газове и да се осигурява комфорт и безопасност. Приборът (1) се състои от тяло (3), снабдено с входен и изходен елемент за осигуряване на поток от газ, в което са поместени сензори (12) за мониторинга на газа. Приборът (1) е комбиниран за едновременно определяне на физическите параметри и на химическите компоненти, от които е съставен газа, и тяхната концентрация. Сензорите (12) са снабдени с микроконзоли (13) с подбрана селективност и чувствителност. Той съдържа средства за споменатото едновременно определяне, всяко от които включва избрани микроконзоли (13) и актюиращ елемент (14, 17) към тях, разположени в обща измервателна камера (11), формирана във вътрешността на тялото (3).

Description

ПРИБОР ЗА МОНИТОРИНГ НА ГАЗОВЕ
Област на техниката
Това изобретение се отнася до прибор за определяне на физически параметри и химическия състав на газ, чрез измерване на поток от този газ и ще намери приложение в индустрията и бита, напр. в системи за климатизация и вентилация, за определяне качеството на въздух или мониторинг на други газови смеси. С помощта на прибора от изобретението може да се осъществява по-ефективен контрол на газове и да се осигурява комфорт и безопасност.
Ниво на техниката
При мониторинг на качеството на въздух или изобщо газове се определят както физически параметри, такива като: налягане, поток, температура, вискозитет, топлопроводност, прахови частици и др., така и състав и концентрации на отделни компоненти на газа. Обичайно, всеки отделен параметър на газа се измерва с отделен специализиран сензор, притежаващ висока селективност. Така, една система за измервания или мониторинг, съдържа поне толкова различни сензори, колкото е броят на определяните параметри. От състоянието на техниката са известни разнообразни варианти на специализирани сензори, като само патентите за микросензори през последните десет години, са стотици. При това, индивидуалните сензори използват различни принципи на работа и, съответно, различни чувствителни (сензорни) елементи. Освен използването на разнообразни конструкции на споменатите сензорни елементи, тези обстоятелства водят до използването на различни технически средства за детектиране и обработка на сензорните сигнали, което усложнява калибровката и измерването на множество величини, необходими за получаване на коректни резултати. Затова е естествен стремежът да се използва минимален брой принципи на измерване, за предпочитане, един-единствен.
Конкретно за сензорите за измерване на физическите параметри и химическия състав на въздух или газ, е необходимо подаване на поток от газа. За целта се използват различни допълнителни елементи за възпроизводимо формиране и транспорт на потока до сензорите. За предпочитане е да се използват минимални потоци, което изисква малки по размер сензорни елементи с висока чувствителност.
Освен това, всеки от специализираните сензори е монтиран в корпус, и така, поради наличието на множество такива корпуси, се налага да бъде осигурен допълнителен обем за тях, а отделните сензори измерват съответния параметър в различни пространствени области (точки на измерване). Ето защо трябва да бъдат прилагани мерки за хомогенизиране на измерваните потоци или да се използват допълнителни пресмятания за отчитане на пространствените корелации между отделните измерени сигнали. Затова, специалистите в областта предпочитат използването на сензорни системи, които автоматично да съгласуват сензорните сигнали, а всички параметри да се измерват в една достатъчно малка пространствена област.
Отделно от това, определянето на химическия състав на газа, който може да съдържа голям брой компоненти с вариращи концентрации, е особено голямо предизвикателство. Съществуват разнообразни химически сензори, които осигуряват желана и/или необходима селективност и чувствителност, които обаче са бавни или се насищат при • · · · · · · · * :2 : ·:: ··: : ··:
···· ·· ·· ····· продължителна работа. Такива сензори са за еднократна употреба или е необходимо да бъдат периодично регенерирани. Това усложнява и оскъпява тяхното използване за мониторинг.
Освен това, използването на специализирани сензори изисква да бъде предварително известен химическият състав на газовете. На практика, използването на специализирани сензори води или до несигурност, че всички компоненти ще бъдат регистрирани и измерени, или до ненужно оскъпяване на съответните системи, когато предварително са включени сензори за вещества, които не се съдържат в изследвания газ.
Затова, въпреки, че съществуват множество алтернативни сензорни методи за определяне на химическия състав на газ, единствено оптичната спектроскопия в избран диапазон на дължината на вълната осигурява достатъчно високи селективност, чувствителност и точност. Този метод обаче, е относително сложен, скъп и неподходящ за непрекъснат мониторинг.
В практиката като специализирани сензори за мониторинг на газове са известни микроконзолни сензори, които работят в статичен режим - техните еластични елементи се огъват или усукват в резултат от взаимодействието с измервания газ, при което се генерира апериодичен сензорен сигнал с променяща се амплитуда. Също така, известни са и микроконзолни сензори, които работят в (динамичен) режим на осцилация, при което техните еластични елементи се огъват или усукват периодично в зависимост от мода на трептене, като при това генерират периодични сензорни сигнали. Параметрите на споменатото трептене, като: фаза, амплитуда, резонансна честота и/или качествен фактор, наричан Q-фактор, се променят в резултат от взаимодействието на еластичните елементи с газовия поток. Затова, микроконзолните сензори са сред потенциалните кандидати за универален сензорен подход за едновременно определяне на множество физически и химически параметри на газове.
От нивото на техниката са известни отделни микроконзолни сензори, които са използвани за измерване на различни параметри на газ. Такива са разкрити, напр.: в патент за прибор за определяне на точка на оросяване № US6,126,311; в патент прибор за за измерване на температура US 7,928,343 В2; прибори за детектиране наличието на избрани вещества са разкрити в: патент ЕР2032976АI, заявка за патент WO2004083802A2, заявка за патент US2006/0191320А1, патент US 8,481,335 В2 и др.
Въпреки много голямата си чувствителност и бързодействие (обичайно, <1сек) за измерване на избран параметър или компонент на състава на газ, съществен недостатък на един микроконзолен сензор е явлението дрейф на сензорния сигнал, свързано със зависимостта на стойността на споменатия сигнал от множество параметри, като: температура, влага, налягане, електромагнитни полета, насищане на сензорния елемент и т.н. Всичко това води до затруднения, ограничава и оскъпява измерването и мониторинга на важни параметри на въздуха или газове със съществуващите в момента специализирани микроконзолни сензори. Това се отнася вкл. за приборите разкрити в по-горе цитираните патенти и заявки за патенти, които детектират и измерват единединствен параметър или са компенсирани за един-единствен неизмерван (фонов) параметър на въздух или газ.
Ето защо е за предпочитане броят на сензорните сигнали да е равен или по-голям от броя на параметрите, които определят поведението на една микроконзола, а отделните сигнали да са получени от сензори с различна селективност към всеки от параметрите.
Също така, от нивото на техниката са известни микроконзолни сензори, които се използват като микрофони за регистрация на акустични вълни, предизвикани напр. от .: · · . ·. ·' .!.-.
• · «··· *· · • з........ ···:
• · · · · ·· • ·· · · · ·· · · · · · селективно поглъщане на светлина. Примери за такива сензори са акусто-оптичните сензори разкрити, напр. в патенти: US5,753,797 и US5,933,245, както и заявки за патенти: US2015/0101395А1 и US2018/0164215А1. Приборите, описани в тези документи, са предназначени само за определяне на химическия състав на газове, но в документите няма разкритие как сензорните сигнали разграничават влиянието на другите (напр., физически) параметри на газовете.
Затова, въпреки наличието на споменатите сензори, все още има необходимост от създаването на: сензори за определяне на различни физически и химически параметри, използващи един общ принцип на работа и еднакви сензорни елементи, като всеки сензор трябва да е способен да реагира селективно на един от множество параметри. Необходимо е сензорите да са достатъчно миниатюрни, бързи (време за реакция 1 10сек), разположени в една и съща малка пространствена област, за осигуряване както на пространствена кохерентност и корелация на сигналите в една система, така и на използване на минимални по обем газови потоци. За предпочитане е сензорите да са с блокова конструкция, позволяваща бърза и лесна конфигурация и пре-конфигурация, в зависимост от конкретното приложение, и да съдържат в конструкцията си функционални елементи, осигуряващи транспорта на газовия поток и обработката на сензорните сигнали, без необходимост от регенерация.
Кратко описание на изобретението
Настоящото изобретение се отнася до прибор за мониторинг на газ, който се състои от тяло, снабдено с входен и изходен елементи за осигуряване на поток от газ. В тялото са поместени сензори за мониторинга на газа. Приборът от изобретението е комбиниран, а сензорите са снабдени с микроконзоли, е подбрана селективност и чувствителност. Приборът съдържа средства за едновременно определяне на физическите параметри и химическите компоненти, от които е съставен газа, и тяхната концентрация. Всяко от тези средства включва избрани микроконзоли и актюиращ елемент към тях, разположени в обща измервателна камера, формирана във вътрешността на тялото, По избор, в сензорите могат да бъдат формирани микрофлуидни елементи за модифициране на потока.
В един вариант на прибора от изобретението, общият брой на микроконзолите е равен или по-голям от броя на едновременно определяните параметри и компоненти, и микроконзолите са с вградени пиезорезистори, свързани в един или повече еднакви или различни диференциални измервателни мостове.
В друго изпълнение на изобретението, броят на сензорите в прибора съответства на броя на групите от параметри, химическите компоненти на газа и концентрациите им, които се определят, а тялото на прибора от настоящото изобретение е разглобяемо.
В друг вариант на прибора от изобретението, актюиращите елементи за активиране на микроконзолите са поне два, като най-малко един актюиращ елемент е предназначен за определяне на физическите параметри на газа и е избран от електротермичен, пиезоакустичен, електромагнитен елемент, а другият актюиращ елемент е инфрачервен сноп за определяне на химическите компоненти и тяхната концентрация в газа.
В допълнително изпълнение, средствата за определяне на химическите компоненти и тяхната концентрация в газа се състоят от една или повече микроконзоли и актюиращ елемент инфрачервен сноп, състоящ се от един или повече монохроматични под-снопове с дължини на вълната Хк, съответстващи на линиите на поглъщане на всеки от компонентите Ak на газа. Интензитетът на всеки под-сноп е модулиран с честота, равна на резонансната честота на една от споменатите микроконзоли, предназначени за едновременно определяне на съответните компоненти Ak. В друг вариант, монохроматичните снопове са комутирани един-по-един в актюиращия елемент инфрачервен сноп, а микроконзолата е само една.
В друго изпълнение, в средствата за определяне на физическите параметри на газа актюиращият елемент за активиране на микроконзолите е електротермичен и е оформен като нагряващи се метални пътечки върху микроконзолите; или актюиращият елемент е пиезоакустичен резонатор. В допълнителен вариант, към металните пътечки е установен поне един постоянен магнит. В допълнение към този вариант, микроконзолите с метални пътечки са поне една двойка и са разположени взаимно ортогонално, а установеният към тях постоянен магнит е разположен под ъгъл а спрямо една от споменатите микроконзоли, за осигуряване на предварително зададено съотношение на сензорните сигнали от двете избрани ортогонални микроконзоли.
В следващо изпълнение, средствата за едновременно определяне на физическите параметри на газа съдържат микроконзоли и поне два актюиращи елемента, избрани от: електротермичен актюатор нагряващи се метални пътечки, пиезо-акустичен резонатор и метални пътечки заедно с постоянен магнит.
Кратко описание на фигурите
Фиг. 1 показва надлъжен страничен разрез на едно изпълнение на прибор от настоящото изобретение;
Фиг. 2а е поглед отгоре на активен носач;
Фиг. 26 представя поглед отгоре на дистанционна вложка;
Фиг. 2в показва страничен вид на редуващи се активен носач и дистанционни вложки със съединител за галванично свързване;
Фиг За показва поглед отгоре на обичаен сензор с плътно тяло и една микроконзола с два вградени пиезорезистора;
Фиг 36 показва поглед отгоре на сензор с плътно тяло и четири микроконзоли, пиезорезисторите на които са свързани в измервателен мост;
Фиг. Зв показва надлъжен страничен разрез на сензор е плътно тяло и поне една микроконзола;
Фиг 4а показва поглед отгоре на сензор с тяло, имащо формата на рамка, и съдържащ една микроконзола;
Фиг 46 показва поглед отгоре на сензор с тяло, имащо формата на рамка, и съдържащ две микроконзоли с резистори, свързани в пълен мост;
Фиг. 4в показва надлъжен страничен разрез на сензор с вграден микрофлуиден елемент;
На фиг. 5 е даден друг разрез на микрофлуидния елемент на сензор монтиран на носач;
На Фиг. 6 е показан надлъжен страничен разрез на прибор от изобретението с четири микроконзолни сензора с електротермично актюиране;
На Фиг. 7 е показан надлъжен страничен разрез на прибор от изобретението с един микроконзолен сензор с електротермично актюиране;
На Фиг. 8a е показан прибор от изобретението, съдържащ два микроконзолни сензора е актюиращ елемент пиезоакустичен резонатор;
На Фиг. 86 е показан поглед отгоре на активен носач с монтиран пиезоакустичен резонатор;
Фиг. 86 е поглед отгоре на дистанционна вложка с отвор за разполагане на пиезоакустичен резонатор;
Фиг. 9а е изглед на микроконзола е метална пътечка в надлъжно магнитно поле;
Фиг. 96 показва микроконзола е метална пътечка в напречно магнитно поле;
На Фиг. 10а е показан надлъжен страничен разрез на прибор с два микроконзолни сензора и актюиращ елемент постоянен магнит;
Фиг. 106 е поглед отгоре на дистанционна вложка с варианти на отвори за разполагане на постоянни магнити;
Фиг. 1 Ов представя поглед отгоре на дистанционна вложка с отвори за разполагане на постоянни магнити под ъгъл;
На Фиг. 11 е показан надлъжен разрез на прибор от изобретението, съдържащ три микроконзолни сензора и два актюиращи елемента: пиезоакустичен резонатор и постоянен магнит.
Описание на изобретението
Приборите за мониторинг на газове от настоящото изобретение са предназначени за едновременно определяне на физически параметри на газове и на техния химически състав, както и на концентрацията на отделните компоненти. За целта в приборите от настоящото изобретение се използват микросензори, съдържащи микроконзоли.
Използването на микроконзолни сензори в това изобретение има за резултат обстоятелството, че определянето на някои физически параметри с прибора от изобретението, напр. температура, скорост на потока и подобни, може да бъде осъществено директно от сигналите, осигурявани от микроконзолите на сензорите, и които сигнали са следствие от въздействието на тези параметри върху споменатите микроконзоли.
За определянето на друга група физически параметри или химически състав на газа, е необходимо микроконзолите на сензорите да бъдат активирани, напр. чрез статично или динамично огъване или усукване от актюиращ елемент.
В приборите от настоящото изобретение по-специално, се използват микроконзолни сензори, като от гледна точка на необходимите функции, всеки прибор е снабден с два отделни вида средства за мониторинг на газа: средства за определяне на физически параметри и средства за определяне на химическия състав и концентрации на отделните компоненти на газа. Посочените средства съдържат елементи на микроконзолни сензори и актюиращи елементи, чрез оптималното комбиниране на които се осъществяват двете допълващи се функции на прибора.
Тъй като един сензорен сигнал, когато е използван микроконзолен сензор, не притежва абсолютно пълна селективност към един избран параметър на газа (тъй като сензорът откликва едновременно на множество параметри на газа), е необходимо да бъдат измерени едновременно достатъчно множество независими сензорни сигнали и стойностите на всички параметри, вкл. стойността на избрания параметър, да се определят чрез пресмятане. Броят и видът на споменатото достатъчно множество сигнали от един прибор варира за всяко конкретно приложение и се определя от предварителната информация за естеството на газа и от нивото на шумовете, което е прието за приемливо.
За удобство, приборът за мониторинг на газ във всяко едно специфично приложение, може да бъде разглеждан като суперпозиция на множество сензори за обичайни приложения в конкретна област, всеки сензор е снабден с достатъчно сензорни сигнали за самостоятелно определяне с желана точност на фиксиран брой и вид параметри на газа.
В този смисъл приборите от настоящото изобретение са комбинирани. Това е пояснено в детайли по-нататък в примерите, които следват, и които са предназначени да илюстрират изобретението, без да го ограничават.
В настоящото разкритие термините „сензор“ и „микросензор“ са използвани взаимозаменяемо.
Пример 1: Прибор с множество микроконзоли и актюация с инфрачервен сноп
Това изобретение се отнася до прибор 1 за определяне на параметрите и мониторинг на поток от газ 2, както е показано на Фиг.1, представляваща напречен страничен разрез на прибора 1. След измерването, потокът 2‘ на газа се отвежда от прибора 1, който е изграден от тяло 3, снабдено с входен елемент 4 и изходен елемент 4‘, изолираща входна връзка 5 и/или изходна връзка 5‘. С помощта на връзките 5 и/или 5‘ и допълнително външно устройство, като напр. помпа или вентилатор (не показани на фигурата), се осигурява контролируемо преминаване на поток от газа 2 през прибора 1.
В Пример 1, тялото 3 съдържа три плоски активни носача 6.i (i = 1, 2, 3), всеки с оформени един или множество отвори 7.i, Освен това, тялото 3 съдържа и четири дистанционни вложки 8.j (j = 1, 2, 3, 4), които се редуват с активните носачи, всяка с оформен отвор 9.j. Отворите 7.Ϊ и 9.j могат да са както с еднаква или различна форма, така и с еднакъв или различен размер. Размерът на всеки от носачите и вложките е в диапазона от бмм до 20мм, за предпочитане от 10мм до 15мм, в този пример 12мм. Дебелината на носача е от 0.2мм до около 5мм, за предпочитане от 0.5мм до 1.5мм, в този пример е 1.0мм. Входно/изходните елементи (4,4‘) и плоските елементи 6.i и 8.j са свързани разглобяемо, образувайки тялото 3, напр. с винтове и гайки 10 с подходяща дължина или по друг известен на специалистите начин. Споменатите елементи: 4, 4‘, както и отворите 7.i и 9.j, заедно формират кухина - обща измервателна камера 11 с променливо напречно сечение, чиито странични стени са непропускливи за газа. Потокът на газа 2 преминава през камерата 11, като скоростта и налягането на потока могат да бъдат варирани по нейната дължина, с което могат да бъде постигната локална промяна на режима на преминаване на газа (напр., ламинарен-неламинарен, хомогенен-нехомогенен, стационареннестационарен) и съответно, да бъде локално модифицирана чувствителността и селективността на сензорите.
Средствата за определяне на физическите параметри и химическия състав на газа 2 включват елементи на микросензори 12, като в Пример 1, най-предпочитани са един или множество пиезорезистивни микроконзолни сензори 12.m (m = 1, 2), монтирани на активните носачи 6.i. Всеки от споменатите сензори 12 съдържа една или повече микроконзоли 13.
: 7.’ :
« · · · · · · • · · · ·· ·· ·····
В настоящия пример, показан на Фиг. 1, споменатите средства за определяне на физическите параметри включват микроконзоли 13.р разположени на два сензора 12.1 и 12.2, монтирани на носачите 6.1 и 6.3. Когато е необходимо микроконзолите 13.р да се активират, средствата включват и актюиращ елемент 14, монтиран на носача 6.2, като елементът е разположен в специфичен отвор 15 на вложката 8.3. Тъй като отворът 15 е свързан с отвора 9.3, актюиращият елемент 14 също може да е разположен в общата измервателна камера 11. В този пример актюиращият елемент 14 може да бъде избран от който и да е от. електротермичен, пиезоакустичен и др., например електротермичен, както подробно е пояснено по-нататък в това описание.
Отделно, средствата за определяне на химическия състав на газа 2 в Пример 1 включват: входно/изходни елементи 16 и 16‘, инфрачервен (ИЧ) актюиращ елемент, представляващ ИЧ сноп 17 и една или повече микроконзоли 13.к на сензора 12.1. Оптически прозрачните входно/изходни елементи 16 и 16‘ осигуряват преминаването през камерата 11 на ИЧ снопа 17, осигуряван от външно устройство, непоказано на фигурата. Обичайно, интензитетът на снопа 17 е модулиран с честота у? и осигурява актюиране на избрани микроконзоли 13.к, когато са изпълнени определени условия, пояснени понататък в примера.
Поглед отгоре на един вариант на активен носач 6.i, е показан на Фиг. 2а. Той е плосък, с квадратна форма, и с оформена периферия в долната част, която осигурява множество галванично изолирани контакти изводи (пера) 18. Единственият отвор 7.i е оформен в геометричния център на носача, като около него е разположена площадка 19 за монтиране на сензор 12.т или актюиращ елемент 14 с електрическо захранване и/или управление, като площадката, обичайно за областта, е метализирана. Изводите на сензора 12 са съединени с контактните площадки 20 за жично свързване, които на свой ред са свързани галванично с контактните пера 18, разположени на периферията на носача 6.1. Чрез тях, всеки сензорен сигнал е еднозначно отнасян към съответната микроконзола 13.р/13.к, която го генерира, и всички получени сензорни сигнали се подават към съответно устройство за тяхната обработка, както е обичайно за областта.
В четирите ъгъла на носача са разположени отвори 21, които се използват за сглобяване на сензорния прибор 1.
Когато величината, която се определя със сензора 12 е свързана с вектора на потока на газа 2, като: пренос на вещество или топлина, прахови частици и др. подобни, за предпочитане е сензорът да бъде разположен спрямо отвора 7.i с припокриване. Когато определяната величина е скаларна или изотропна, като: температура, статично налягане и подобни, за предпочитане е сензорът да бъде разположен без припокриване на отвора 1л. На Фиг. 26 е показан поглед отгоре на един вариант на дистанционна вложка 8.j (j = 1,2), която също е с квадратна форма, като в нейния геометричния център е оформен отвор 9.j. Размерът на отворът 9.j може да варира, като е избран така, че да побира непланарните елементи на монтиран сензор 12 или актюиращ елемент 14, върху съседен активен носач 6.i. Споменатите елементи обичайно са разположени в област с размери от около 1мм до около 5 мм, за предпочитане от 1.5мм до 4.0мм, в примера 3.5мм. Дебелината на вложките 8.j превишава височината на споменатите непланарни елементи и може да варира в диапазона от около 0.2мм до 2мм, за предпочитане, от 0.5мм до 1мм, например 0.8мм.
По избор, концентрично на отвора 9.j, е оформен допълнителен монтажен елемент 22, като пръстен от проводящ метален слой, уплътнение от еластичен материал или подобен’ В четирите ъгъла на вложката 8.j са оформени съосно отвори 23, за предпочитане, идентични с отворите 21 на активния носач 6.Ϊ, които служат за сглобяване на тялото 3.
На Фиг. 2в е показан страничен разрез на вариант на активен носач 6.i и две дистанционни вложки 8.j. Сензорните сигнали се предават посредством електрически съединител 24, контактните пера 24.1 на който осигуряват галванична връзка между съответните пера 18 на носача 6.i и гъвкавия многопроводен кабел 24.2. Така, електрическите сигнали от сензора 12 се подават към външната система за обработка, непоказана на фигурите.
За специалистите в областта е ясно, че на активен носач 6.i, на който отворите 7.i са повече от един, могат да бъдат монтирани, съответно, повече от един сензори 12.т. При това, размерите и формата на отворите 9.j на съседна дистанционна вложка 8.j са такива, че побират всички непланарни елементи на сензорите. Затова, както този пример, така и следващите примери, не ограничават броя на сензорите 12.ш, монтирани на един носач 6.i.
Поглед отгоре на обичаен пиезорезистивен едноконзолен сензор 12.т, използван в този пример за изпълнение на изобретението, е показан схематично на Фиг. За. Микроконзолният сензор 12.т се състои от плътно кораво тяло 25 с правоъгълна форма и една тънка еластична микроконзола 13, която може да бъде използвана както за мониторинг на физическите параметри, така и за определяне на химическите компоненти и тяхната концентрация в газа 2. Микроконзолата 13 е е дебелина от около 0.5мкм до около Юмкм, за предпочитане от 1.5мкм до 6.0 мкм, например 4мкм. В нейния фиксиран край са вградени сензорни елементи пиезорезистори 26, които променят стойността на съпротивлението си в зависимост от огъването на микроконзолата 13. Обичайно, пиезорезисторите 26 са свързани посредством проводящи пътечки 27 в диференциална мостова схема, по избор - заедно с други сензорни или пасивни елементи 26Също по избор, на повърхността на микроконзолата 13 може да бъде разположена допълнителна метална пътечка 28, която е формирана заедно е проводящите пътечки 27 или отделно от тях. Пътечката 28 може да бъде използвана с различно предназначение, като например, осъществяване на галванична връзка с избрана локална област на микроконзолата 13.
Захранването и изводите на моста, както и металната пътечка 28, са галванично свързани посредством допълнителни проводници (непоказани на фигурата) с контактните площадки 20.
Поглед отгоре на друго изпълнение на този вариант на изобретението, когато е използван микроконзолен сензор с плътно правоъгълно тяло 25 и четири микроконзоли 13.1 - 13.N (N=4) с вариращи размери, е показан на Фиг. 36. Във всяка микроконзола е вграден по един пиезорезистор 26, а пиезорезисторите са свързани в мостова схема чрез проводящи пътечки 27. По избор, на избрани микроконзоли може да бъде допълнително оформена метална пътечка 28.
Когато е необходимо, броят на микроконзолите може да е по-голям от четири, а измервателните мостове могат да бъдат повече от един, като начинът им на свързване може да е избран да бъде еднакъв или различен. Съответно, носачът 6.i е снабден е контактни площадки 20, чиито брой осигурява независимо свързване на споменатите диференциални мостове и метални пътечки.
В настоящото изобретение, общият брой на микроконзолите 13.р и 13.к в прибора 1, е по-голям или равен на броя на параметрите на газа 2, които се желае да бъдат едновременно определяни.
Поглед отстрани на надлъжен разрез на сензорите от Фиг. За и Фиг. 36, е показан на Фиг.
• · · ·*1** : 9.· . : :.· ’·a • · * · ♦· · • · · · · · ·· ····♦
Зв. Когато сензор 12.m е с така показаната конструкция, микроконзола 13 може да бъде експонирана на потока 2 на измервания газ, без ограничения на ориентацията, което е показано схематично на Фиг. Зв с двете срещуположни стрелки. Допълнително, разположението на микроконзола 13 спрямо отвора 7.Ϊ, вкл. нейния наклон, може да бъде варирано, така че да се оптимизират нейната селективност и/или чувствителност.
В най-предпочитания вариант на изпълнение на изобретението, тялото 25 на микроконзолния сензор 12.т е с формата на правоъгълна рамка, както е показано на Фиг. 4а, поглед отгоре.
В едно изпълнение на този вариант, микроконзолният сензор 12.т се състои от кораво тяло 25 с оформен правоъгълен отвор 29 в горната му повърхност, в който е разположена една тънка еластична микроконзола 13. Размерите и дебелината са подобни на предишното изпълнение, като по идентичен начин са вградени сензорни елементи пиезорезистори 26. По избор, върху микроконзола 13, може да бъде разположена допълнителна метална пътечка 28.
Поглед отгоре на друго изпълнение на прибора 1 от Пример 1, е показан на Фиг. 46. Микроконзолният сензор 12.т с тяло 25 съдържа две микроконзоли 13.1 и 13.2 с различна дължина, разположени в отвор 29, във всяка микроконзола 13 са вградени по два отделни пиезорезистора 26, а пиезорезисторите са свързани в диференциален мост с проводящи пътечки 27, като е осигурена и обща допълнителна метална пътечка 28. По избор, броят на микроконзолите и броят на пиезорезисторите във всяка от тях може да бъде вариран, както и начинът на свързване на пиезорезисторите 26 в измервателни диференциални мостове.
Всяка от така описаните микроконзоли 13 в сензорите 12.т, може да бъде използвана за получаване на сензорен сигнал, който е с повишена селективност към един физически параметър на газа 2, като: температура, поток, наличие на прахови частици, вискозитет, топлопроводност, и др. подобни или към компонент, характеризиращ химическия състав на газа.
За постигане на селективност на сензорните сигнали от различни параметри на газа 2 в настоящото изобретение, за всяка микроконзола 13 могат да бъдат варирани: формата на тялото 25 където тя е разположена, формата, броят и/или размерите на самата микроконзола, разположението на вградените пиезорезистори 26 и/или начинът им на свързване в мост с проводящите пътечки 27, морфологията и/или свойствата на адитивни и/или субтрактивни локални структури на всяка от двете повърхности на микроконзолата, разположението на микроконзолата 13 в отвора 29, както и да бъдат използвани и други подходи за осигуряване на селективност и чувствителност на индивидуална микроконзола 13, в отклик на специфичен параметър на потока 2.
Съответно, носачът 6.i е снабден с контактни площадки 20, чиито брой осигурява независимо измерване на достатъчен брой сензорни сигнали.
Поглед отстрани на надлъжен разрез на подобен сензор, е показан на Фиг. 4в. При това, на задната повърхност на тялото 25 на микроконзолния сензор 12.т е разположен допълнителен отвор 30, който в дълбочина на тялото е свързан с отвора 29. Така, неочаквано и непланирано се оказа, че когато тялото 25 е с формата на рамка, в сензора 12.m може да бъде формиран допълнителен микрофлуиден елемент 30, който обичайно е с трапецовидно или правоъгълно сечение, както е показано на фиг. 5. Когато елементът 30 е формиран от монокристален силиций с ориентация (100), формата, както е известно на специалистите в областта, обичайно е пресечена четиристенна пирамида.
• · · ♦ ·« ·· * «··* · ··
110 . - ..........
• · · · · ·· ···· ·· · · ·····
Посредством вариране на размерите на микрофлуидния елемент 30, могат да бъдат съгласувани размерите на отвора 9.j на дистанционна вложка 8.j и отвора 7.i на активен носач 6.Ϊ, с отвора 29, в който са разположени микроконзоли 13. Този вариант на изпълнение на изобретението е за предпочитане, когато се желае да бъде определен един или няколко параметри на газа зависещи векторно от потока 2, когато е необходимо да бъде реализирано специфично разпределение на споменатия поток, или когато това води до постигане на подобрена специфична чувствителност и/или селективност. Микрофлуиден елемент 30, освен за съгласуване на размерите, може да бъде използван за допълнителна промяна на скоростта и налягането на газа в областта на избрана микроконзола 13. Когато се желае, разположението на избрана микроконзола 13 в отвора 29, може да бъде варирано, така че да се оптимизират споменатите селективност и/или чувствителност, особено, когато потокът 2 е нехомогенен.
За предпочитане е чрез промяна на ориентацията на активния носач 6.Ϊ, съответният микроконзолен сензор 12.т да бъде ориентиран спрямо потока на измервания газ 2, както е показано със стрелка на фиг. 4в - от долната към горната страна на сензора.
Поради анизотропните свойства на монокристалния материал силиций, микроконзоли 13 с вградени пиезорезистори 26, могат да бъдат ориентирани само в направлението, показано на Фиг. За, Фиг. 36, Фиг. 4а и Фиг. 46 или перпендикулярно на него.
Сензорите 12 могат да работят в статичен режим, като еластични микроконзоли 13 се огъват или усукват в резултат от взаимодействието с потока 2 на газа, при което се генерират множество апериодични сензорни сигнали с променяща се амплитуда. Тези сензорни сигнали могат да бъдат използвани за допълнително усилване или компенсиране на отклика на избрани сензори 12.ш в прибора 1, с което се подобрява тяхната селективност и чувствителност.
Също така, сензорите 12 могат да бъдат активирани да работят в динамичен режим, когато еластичните микроконзоли 13 осцилират в модове на огъване или усукване, при което се генерират множество периодични сензорни сигнали.
Независимо от предназначението, когато множество микроконзоли 13, чиито пиезорезистори 26 са свързани в диференциален мост се огъват синфазно, мостът остава балансиран и нивото на сензорния сигнал е равно на „нула“, обичайно, равно на нивото на фоновия шум. При резонанс на една микроконзола 13, се променят нейните амплитуда и фаза на осцилация и затова в динамичен режим, само при резонанс на микроконзола, сензорният сигнал от моста е различен от „нула“.
За определяне на химическия състав на газа 2 с комбинирания прибор 1 от изобретението, през камерата 11 се пропуска инфрачервения актюиращ елемент - ИЧ сноп 17 през двата оптически прозрачни елемента: входящ 16 и изходящ 16‘. Снопът 17 може да бъде съставен от един или множество монохроматични под-снопове 17.к. Всеки под-сноп 17.к е с дължина на вълната Хк, която съответства на линия на поглъщане на определен компонент Ак от газа 2, като: азот, водни пари, кислород, въглероден диоксид, различни органични или неорганични компоненти и подобни.
При преминаване на един монохроматичен ИЧ под-сноп 17.к с дължина на вълната Хк през обема 11 между оптичните елементи 16 и 16‘, част от под-снопа 17.к се поглъща, когато в газа се съдържа компонент Ак, който има линия на поглъщане, идентична с дължина на вълната Хк. Това води до локално повишаване на температурата и налягането, а при модулиране интензитета на под-снопа 17.к с честота^, в газа се генерира акустично трептение със същата честота. Когато споменатата честотаfi съответства на резонансната честота/^ на една избрана микроконзола 13 .к, нейната амплитуда на осцилация е усилена ί 11·* · · * *··· * · *··· « * ♦· · ,· · ···· ·· ·· ····· и се генерира сензорен сигнал. Така, усилена амплитуда на сигнала от една микроконзола 13 .к, е индикация за присъствието в обема на камерата 11 на компонент Ак, чиято линия на поглъщане е равна на дължината на вълната Хк на под-сноп 17.к с модулиран интензитет е честота fi = fCk. Във всички случаи, амплитудата на осцилация на една микроконзола е мярка за концентрацията на веществото Ак, което поглъща селективно светлина е дължина на вълната Хк.
Така, неочаквано се оказа, че за предпочитане е повърхностите на споменатите микроконзоли 13.к да са пасивирани, за да не взимодействат с компонентите на газа Ак при измерване. В описания вариант за изпълнение на изобретението, функцията на прибора 1 за определяне на химически състав и концентрация на компоненти може да бъде осигурена от средства, включващи ИЧ сноп 17 и микроконзоли 13 .к, които реагират на акустичните вълни в газа 2, без да взаимодействат е отделните му компоненти. Това позволява непрекъсната работа на прибора 1, без регенерация, което е решаващо практическо предимство.
Друго предимство на изобретението е, че микроконзолите 13 са разположени изцяло в обема на общата камера 11, при което автоматично се осигурява пространствена кохерентност на множеството сензорни сигнали, а разглобяемото тяло 3 изпълнява функцията на корпус, защитаващ крехките микроконзоли 13 при работа.
Изненадващо предимство на приборите от настоящото изобретение е и създадената възможност селективността и чувствителността на всяка една използвана в прибора микроконзола 13 към един избран параметър, да може да бъде подходящо подбрана посредством избора и съгласуването на различни характеристики - нейни и на елементите на прибора 1, като: разположение на активния носач 6 в тялото 3; брой, форма и размери на отворите 7 в носача 6; форма и размер на отвора 9 на дистанционната вложка 8; форма и размери на тялото 25 на сензора 12 и размери на отвора 29; форма и размери на микрофлуидния елемент 30; форма, размери, ориентация и разположение на микроконзолата 13 спрямо измервания поток газ; цялостна или локална промяна на свойствата на всяка от повърхностите на микроконзолата, вкл. на морфологията й; избор на броя, разположението и начина на свързване на вградените пиезорезистори 26 и/или на спомагателните резистори 26 ‘ в диференциален измервателен мост; избор на режима на преминаване на газа през локалната околност на разполагане на микроконзолата 13; избор на режима на работа (статичен или динамичен) и мода на осцилация в динамичен режим на микроконзолата 13; наличие на допълнителни функционални елементи: нагреватели, контактни пътечки, електроди за измерване на токове и др. подобни.
Наличието на разнообразни подходи за вариране на селективността и чувствителността на един микроконзолен сензор 12 чрез модифициране на неговата конструкция и разположение в прибора 1, позволява с такъв прибор 1 да бъдат получени достатъчно множество независими сензорни сигнали, необходими за точно определяне на физически параметри и химически състав и концентрации на газове.
Пример 2-Прибор с инфрачервена и електротермична актюация на микроконзоли В друг предпочитан вариант на изпълнение на това изобретение, показан на Фиг. 6, приборът 1 за определяне на параметрите и мониторинг на поток от газ 2, съдържа четири активни носача 6.i, всеки с монтиран сензор 12.1 -12.4, както и оптични елементи 16 и 16‘ за преминаване на ИЧ сноп 17 през измервателната камера 11.
За разлика от прибора 1, описан в пример 1, снопът 17 е съставен от множество • 12· · . · .·· · · ·’· « · · · · , · · • ••е »» ·· »···♦ монохроматични под-снопове 17.к, всеки с отделна модулация на интензитета, и снопът 17 е формиран с използване на влакнеста оптика и смесител на индивидуалните подснопове 17.к. Това изпълнение дава възможност с прибора 1 да се определят едновременно компоненти Ак, от които е съставен газа 2. За целта, броят на използваните монохроматични под-снопове трябва да бъде не по-малък от броя на компонентите на газа 2, и за всеки един от тях да е осигурена микроконзола 13.к. Така, броят на микроконзолите 13.к, които са едновременно в резонанс, е индикация за броя на компонентите Ак на газа, а съответните амплитуди - за концентрацията им. За предпочитане, микроконзолите 13.к в един сензорен прибор 1 са избрани с различни резонансни честоти fCk.
Както и във варианта, описан в Пример 1, средствата за определяне на физическите параметри на газа 2 включват поне толкова на брой микроконзоли 13 .р, колкото е броят на едновременно определяните параметри. Върху микроконзолите 13.р са разположени допълнителните метални пътечки 28, които в настоящия пример изпълняват функцията на актюиращ елемент 14 за огъване или усукване на споменатите микроконзоли. Металните пътечки 28, подробно показани на Фиг. За, Фиг. 36, Фиг. 4а и Фиг. 46, в случая са оформени така, че да се нагряват при протичане на електрически ток. Дебелината на нагряващите се метални пътечки 28 е между 0.1 и 5мкм, за предпочитане от 0.2 до 1 мкм, в зависимост от състава им. За предпочитане, материалът на тези елементи се избира с възможно най-голям коефициент на линейно температурно разширение, като: алуминий (АГ), мед (Си), злато (Аи) и др. В този пример, металът е алуминий с дебелина 0.8мкм. Обичайно, ширината на елементите е между 4 мкм и 30 мкм, за предпочитане, между бмкм и 15мкм, в случая 12мкм. За предпочитане, нагряващите се метални пътечки 28 са формирани едновременно с някои от останалите елементи за електрическа връзка 27. По подобен начин, металните пътечки 28 в пример 1 също могат да бъдат използвани като нагреватели.
При протичане на електрически ток през една нагряваща се метална пътечка 28, съответната тънка микроконзола 13.р се огъва, поради загряването и разликата на нейния коефициент на линейно температурно разширение и коефициента на материала на металната пътечка 28.
При протичане на периодичен ток с честота fe през съответните микроконзоли 13.р, в които е интегрирана нагряваща се метална пътечка 28, те се огъват периодично със споменатата честота. Съответно, при протичане на периодичен ток е променяща се честота^, микроконзолите се огъват с честота, която е равна на моментната стойност на честотата fe на протичащия електрически ток или два пъти по-голяма. Когато токът съдържа и непериодична компонента, може да бъде елиминирана актюацията е удвоена честота. Това явление е известно на специалистите в областта и позволява микроконзолите 13.р да бъдат огъвани или усуквани по желан начин. Такова актюиране на микроконзолите се нарича електротермично (ЕТ).
Също така е известно, че тогава, когато честотата fe на импулсния ток през нагряваща се метална пътечка 28 е близка до резонансната честота fcp на една микроконзола 13.р, нейната амплитуда на огъване се увеличава е величина, която съответства на Q-фактора й. Ето защо, увеличената амплитуда на огъване на една микроконзола 13.р, изразяваща се напр., в нарушен баланс на напрежението на измервателен мост, е индикация за това, че честотата на актюиращия импулсен ток fe и резонансната честота fcp, са с близки стойности. На специалистите в областта е известно също така, че амплитудата на огъване е максимална, когато стойностите на честотите fe и fcp са равни. Ето защо, честотата fe, при която се регистрира максимална амплитуда на огъване на една микроконзола 13.р, : 1з.· . : : ·..: . : *·.: • · · · ♦ · · • · · · · · ·· · · · · · изразена напр. в максимален сигнал на балансиран в покой мост, съответства на нейната резонансна честота fcp.
При взаимодействие с газа 2, постъпващ през отворите 7.i и 9.j и микрофлуидния елемент 30, към микроконзолите 13.р, тяхното огъване и усукване се променя. Тъй като големината на промените съответства на параметрите на газа 2 по специфичен начин, тези параметри могат да бъдат определени.
В друго изпълнение на този вариант на изобретението, когато актюиращият импулсен ток fe е сума от два или повече тока с отличаващи се честоти fei, fe2 и т.н., могат едновременно да бъдат осцилирани с увеличена амплитуда микроконзоли 13.р с различни резонансни честоти. Съответно, могат да бъдат определени едновременно промените на споменатите по-горе параметри на хармонична осцилация на повече от една от микроконзолите 13.р, при тяхното взаимодействие с газа 2.
Освен това, когато електрическият ток има непериодична (вкл., постоянна) компонента, тази компонента може да бъде използвана за фина настройка на параметрите на сензорния сигнал от избрана микроконзола, като напр. настройка на напрежението на празен ход или постигане на аналогова компенсация на сигналите при определянето на два или повече различни параметри на газа 2, с две или повече микроконзоли 13.р. Затова, за предпочитане, в настоящото изобретение на всяка микроконзола 13 е разположена допълнителна метална пътечка (микронагревател) 28.
Така, в прибора 1, показан на Фиг. 6, средствата за определяне на физическите параметри, съдържат само микроконзоли 13.р с нагряваща се метална пътечка 28, които са подходящи както за статично, така и за динамично едновременно определяне на множество параметри на газа 2, чиито максимален брой е равен на броя на споменатите микроконзоли. Примери за такива параметри са: поток на вещества или топлина, температура, налягане, вискозитет, топлопроводност, влажност, наличие и концентрация на избрани химически вещества и др. подобни.
В това изпълнение повърхностите на всички микроконзоли могат да бъдат модифицирани така, че микроконзолите 13.к и 13.р да не адсорбират компоненти на газа 2.
В друго предпочитано изпълнение на същия вариант, ИЧ активиращият елемент - снопът 17 е надлъжен на тялото 3, като входно/изходните елементи 4 и 4’ са използвани и като оптичен вход/изход 16 и 16 .В този вариант, отделните микроконзоли 13.к се разполагат извън оптичния път на снопа 17. За целта се избират подходящи форма и размери на отворите 7.Ϊ и 9.j, както е обичайно за областта.
В най-предпочитаното изпълнение на този вариант, снопът 17 е формиран от множество под-снопове от тясноспектърни лазери 17.к, каквито са твърдотелните или газовите лазери, всеки с фиксирана дължина на вълната λκ и отделен модулатор, като напр., с използване на влакнеста оптика, се формира снопът 17.
Така, неочаквано бе установено, че показаният на Фиг. 6 прибор 1, съдържащ средства за определяне на химическия състав на газ 2, които включват оптически вход 16 и изход 16 за преминаване на ИЧ светлинен сноп 17, който е ИЧ актюиращ елемент и е съставен от дискретно множество монохроматични под-снопове 17.к, всеки с различна дължина на вълната λκ· и модулиран интензитет, е подходящ за едновременно детектиране на множество компоненти Ак на газ, когато броят на микроконзолите 13 .к съответства на броя на споменатите монохроматични лазерни под-снопове, амплитудите на които са модулирани с честоти fk, равни на резонансните честоти fck на съответните микроконзоли 13 .к.
Този вариант на изобретението не ограничава ориентацията и броя на микроконзолите * · ♦ » rf · ♦ • · « ·M : i4.‘ . : : . . '..j • · · ♦· · ♦ • · · · · · · · · · · · ·
13.k в равнината XY.
В един друг особено предпочитан вариант на изпълнение на настоящото изобретение, средствата за определяне на химическия състав на газ 2, включват поне два оптически прозрачни елемента - вход 16 и изход 16‘, ИЧ актюиращ елемент - ИЧ светлинен сноп 17, както е илюстрирано на примера от Фиг. 7, и една-единствена микроконзола 13.к от множеството микроконзоли 13, разположени върху един-единствен микросензор 12.1. При промяна на дължината на вълната λk на снопа 17, който е с модулиран интензитет с честота fi, при достигане на линията на поглъщане на един компонент Aj от газа, той поглъща светлината и предизвиква акустични трептения. Трептенията могат да бъдат регистрирани със споменатата единствена микроконзола 13.к, при условие, че снопът 17 е модулиран с честота fi, равна на или близка до, резонансната честота fck на споменатата единствена микроконзола.
Когато дължината на вълната λί на снопа се променя с времето, а амплитудата на снопа е модулирана с честота, равна на резонансната честота fck на избраната микроконзола 13.к, усилената амплитуда на сензорния сигнал от микроконзолата 13.к е индикация за присъствието на компонент А с линия на поглъщането, която съответства на моментната стойност на дължината на вълната λί. Така този вариант на прибора 1 е подходящ за последователно детектиране на множество компоненти At, Aj+i, ... на газа 2.
В най-предпочитаното изпълнение на това изобретение, показано на Фиг. 7, снопът 17 е монохроматичен във всеки момент време t, дължината на вълната му λ(ί) се променя с времето по известен закон λ = λ(ί), а средствата за определяне на химическия състав съдържат една-единствена микроконзолата 13.к, при което интензитетът на снопа 17 е модулиран с честота fi равна на резонансната честота fin на споменатата единствена микроконзола 13.к. По този начин, когато се променя дължината на вълната λ(ί) могат да бъдат последователно регистрирани множество компоненти Ai на газа 2.
В друго изпълнение на това изобретение, монохроматичният сноп 17 е съставен от множество под-снопове 17.к от тясноспектърни лазери, каквито са твърдотелните или газовите лазери, всеки с фиксирана дължина на вълната λί. Снопът е формиран напр. с използване на влакнеста оптика, комутатор за избор на един от лазерите и един общ модулатор на интензитета на споменатите лазери, с честота fi равна на резонансната честота fin на единствената микроконзола 13.к, предназначена за определяне на химическия състав на газа 2.
В още едно друго изпълнение на изобретението, монохроматичният сноп 17 е получен от широкоспектърен източник, напр. полупроводников лазер, и монохроматор, каквито са известни на специалистите в областта.
В описания вариант на изпълнение на изобретението, докато средствата за определяне на химическия състав на газа 2 включват само една-единствена микроконзола 13.к, то средствата за определяне на физическите параметри на газа 2 могат да включват множество микроконзоли 13.р с микронагреватели 28, поместени върху същия микросензор 12.1. Такъв прибор е подходящ за последователно детектиране на множество компоненти Ак на газове, с висока степен на времева и пространствена кохерентност на едновременно измерените сензорни сигнали за определяне на физическите параметри, необходими за точно определяне на всеки от параметрите на газа.
Пример 3 -Прибор с инфрачервена и пиезоакустична актюация на микроконзоли
В един друг вариант на изпълнение на изобретението, показан на Фиг. 8а, микро.: ·* · . ·. ” .ι :15.' . ί ’ . ’ • · · ♦ · * · • · · · · · · · · · · · · конзолните сензори 12.m са два: 12.1. и 12.2, и са монтирани на два носача 6.1 и 6.3, а дистанционните вложки са четири 8.1 - 8.4.
При това, микроконзолите от сензора 12.1 са част от средствата за мониторинг на химическия състав и за определяне на обичайни физически параметри на газ 2, например температура, налягане и подобни, а микроконзолите на сензора 12.2 са част от средствата за определяне и мониторинг на специфични физически параметри на газа 2, например вискозитет, топлинен капацитет и подобни. На носача 6.2 е монтиран пиезоакустичен (ПА) резонатор 31, който изпълнява функцията на актюиращ елемент 14 за огъване или усукване на микроконзолите 13.р за определяне на физическите параметри, а на дистанционната вложка 8.3 е оформен отвор 32 за разполагане на споменатия резонатор 31.
Всички микроконзоли 13 от сензора 12.1, необозначени на фигурата, с изключение на една избрана микроконзола 13.к, са предназначени за определяне на обичайно множество физически параметри на газа 2, докато спомената 13.к, подобно на предходния пример, е предназначена за определяне на химическите компоненти и техните концентрации в газа 2.
Останалите микроконзоли 13.р (р 7 к) от сензорите 12.1 и 12.2, могат да бъдат осцилирани, посредством акустични трептения на газа 2 в камерата 11. Трептенията са създадени от допълнителен елемент 31, напр. ПА резонатор 31 или друг прибор с подобна функция. За целта, ПА или друг резонатор 31, е монтиран на модифицирания активен носач 6.2, както е показано на Фиг. 86. Резонаторът 31 е монтиран частично над отвора 7 и при подадено подходящо напрежение, той генерира акустични вълни в обема на камерата 11. За целта, на вложката 8.3 е оформен допълнителен отвор 32, който е свързан с отвора 9 и, чиито общи размери са такива, че е побран ПА резонатора 31, без да е в контакт със стените на отвора 32. Тъй като отворът 32 е свързан с отвора 9.3 на вложката 8.3, резонаторът 31 е поместен изцяло в общата камера 11 с малък обем, което повишава ефективността на акустично трептене на газа.
Микроконзолите 13.р откликват на акустичните вълни, като се огъват или усукват, а когато вълните са с честота fa, която е близка до резонансната честота fcp на някоя микроконзола 13.р, съответната амплитуда на актюиране е увеличена. При това, няма допълнителни изисквания за пространствена ориентация на споменатите микроконзоли, които да се налагат от използването на ПА резонатор 31. Така, посредством промяна на честотата fa на генерираните акустични вълни, могат да бъдат определени промените на характеристиките на хармоничното трептене на всяка от еластичните микроконзоли 13.р, като: резонансна честота, амплитуда и фаза на трептенето, качествен фактор, които промени са в резултат от взимодействието на микроконзолата с газа 2. Съответно, могат да бъдат определени промените на споменатите характеристики при взаимодействие на микроконзолите 13.р е компонентите на газа 2, което позволява използването им за неговото точно охарактеризиране.
За специалистите в областта е ясно, че когато един ПА резонатор 31 е избран подходящо, той може да осигури акустични трептения в желан честотен диапазон. За предпочитане е дисков резонатор с минимален размер и с отвор в средата, монтиран симетрично спрямо отвора 9.j. Вкл., резонансната честота на микроконзолата 13.к предназначена за определяне на химическите компоненти и честотният диапазон на резонатора 31, могат да бъдат избрани така, че по избор резонаторът 31 да актюира или да не актюира микроконзолата 13.к с резонансна амплитуда. Също така е ясно, че когато са използвани повече от един резонатори 31, посредством едновременното им въздействие върху газа 2 в камерата 11, може да бъде ускорено сканирането по честота и/или да се повиши • 4 · *···· :16:' ·: :: ‘Ч · ··· 4» ······· ефективността на акустичното активиране.
Мястото на разполагане на един или множество модифицирани активни носачи 6.i с ПА резонатори 31 в прибора 1, може да бъде избрано така, че допълнително да осигурява максимална ефективност на тяхната работа.
Така показаният на Фиг. 8а прибор 1, включващ както поне един модифициран носач 6.i с монтиран ПА резонатор 31 или друг източник на акустични трептения, така и една или повече дистанционни 8.j вложки с допълнителни отвори 32 за поместване на източника 31, е подходящ за актюирането на множество, произволно ориентирани микроконзоли 13.р. Малкият обем на измервателната камера 11, осигурява повишена ефективност на акустичното прехвърляне на енергия от източника 31 към микроконзолите 13.р, както и времева и пространствена кохерентност на сензорните сигнали.
Пример 4 - Прибор с инфрачервена и електромагнитна актюация на множество микроконзоли
В друг предпочитан вариант на изпълнение на прибора 1 за мониторинг на газ от изобретението, средствата за определяне на физическите параметри, включват избрано множество микроконзоли 13.р, на които са оформени метални пътечки 28 за тяхното актюиране във външно магнитно поле В. В този пример металните пътечки заедно с източника на магнитното поле В, изпълняват функцията на актюиращия елемент 14 за активиране на микроконзолите 13.р, което е независимо от състава на газа 2. Такива микроконзоли са показани на Фиг. 9а и Фиг. 96. Магнитното поле В е създадено от напр. постоянен магнит, непоказан на фигурите. За да бъдат актюирани микроконзолите, металните пътечки 28 са оформени така, че през тях да протича ток в диапазона от 0.01мА до 10мА, за предпочитане от 0.05мА до 5мА, без съществено загряване на микроконзолите. Прието е такова актюиране на микроконзолите да се нарича електромагнитно (ЕМ).
Когато протичащият ток I(fe) е апериодичен, в т.ч. постоянен, огъването на микроконзолата е синфазно с тока и апериодично, в т.ч., постоянно. Когато протичащият ток I(fe) е периодичен с честота fe, а една микроконзола 13.р е разположена в постоянно магнитно поле (B=const), както е показано на Фиг. 9а или Фиг. 96, на нея действат периодични електромагнитни сили F(fe) с честота fe, посоката и силата на които зависят от посоката на магнитното поле В и големината на тока I(fe).
В примера, показан на Фиг. 9а, когато магнитните силови линии са ориентирани надлъжно на микроконзолата IЗ.р, се генерира Лоренцовата сила Fc(fe), перпендикулярна на повърхността на микроконзолата, която действа само на участъка, в който направлението на металната пътечка 28 е различно от направлението на магнитните силови линии. Съответно, при промяна на честотата на импулсния ток l(fe), микроконзолата може да бъде огъвана под действието на споменатата сила Fc(fe), като огъването е с увеличена амплитуда, когато честотата на тока I(fe) съвпада с резонансна честота fCk на огъване.
Алтернативно, в примера показан на Фиг. 96, когато магнитните силови линии са ориентирани напречно на микроконзолата 13.р, се генерира двойка Лоренцови сили Fc(fe), перпендикулярни на нейната повърхност, които действат на участъците, в които металната пътечка 28 е ориентирана в направление, което е различно от направлението на магнитното поле В. Такава двойка сили усуква микроконзолата 13.р около нейната надлъжна ос. Съответно, при промяна на честотата на импулсния ток I(fe),
микроконзолата 13.р се усуква периодично под действието на споменатата двойка сили Fctfe), а когато честотата fe на тока съвпада с резонансна честота fck на усукване, усукването е с увеличена амплитуда.
Така, неочаквано бе установено, че ефективността на актюиране на една микроконзола 13.р, може да бъде модулирана чрез избора на нейната ориентация спрямо магнитното поле В. Когато се цели използване на модове на огъване, най-ефективно е поле, което е ориентирано надлъжно на избраната микроконзола. Когато се цели използване на модове на усукване - най-ефективно е поле, което е ориентирано перпендикулярно (напречно) на микроконзолата 13.р.
Съответно, използването на външно магнитно поле В позволява актюиране на микроконзоли 13.р в различни модове на осцилация, когато честотата на импулсния ток I(fe) е близка до съответните резонансни честоти fck на огъване или усукване.
Друго важно предимство на сензорите 12 с ЕМ актюация е това, че една и съща амплитуда на осцилация може да бъде постигната с електрически ток I(fe), чиято стойност при ЕМ актюация, в зависимост от стойността на магнитното поле, е от 10 до над 30 пъти по-малка от тока, необходим за ЕТ актюация, което води до намаляване със 100 и повече пъти нежелано нагряване на микроконзолите 13.р и сензорите 12.
Един вариант на реализация на прибор 1 е ЕМ актюация, е показан на Фиг. 10а. Активните носачи са два, на всеки от които е монтиран по един сензор 12,m (m = 1, 2). Постоянното магнитно поле В е генерирано от един постоянен магнит 33, разположен в отвор 34, формиран в дистанционната вложка 8.3. Вид отгоре на една такава дистанционна вложка 8.j, е показан на Фиг. 106. При това ширината w на отвора 34 и дебелината d на вложката се избират така, че да съответстват на размерите на постоянния магнит 33. За предпочитане, w ~d, а постоянният магнит е избран с цилиндрична форма, диаметърът на който е приблизително равен и по-малък от споменатите размери w и d.
Отворите 34 могат да бъдат повече от един и да са ориентирани в различни направления, спрямо ориентацията на микроконзолите 13.р. Когато един отвор 34, е ориентиран спрямо две взаимно перпендикулярни микроконзоли под ъгъл а, който е различен от 0° или 90° (при което 0°< а < 90°), съответният магнит 33, може да бъде използван за едновременно актюиране на споменатите микроконзоли, за сметка на намалена сила на актюация Fk(fe). Така, неочаквано бе установено, че за всеки две ортогонални микроконзоли 13.р, напр., ориентирани по направленията X и Y, дори когато се желае тяхно осцилиране с еднакви модове или огъване в статичен режим при протичане на един и същ ток I(fe), може да бъде определен ъгъл а на разполагане на магнита 33 спрямо направлението X, както е показано схематично на Фиг. 1 Ов, така че съответните сензорни сигнали да бъдат с избрано отношение, вкл., да бъдат еднакви или различни. Това позволява напр., аналогова компенсация на амплитудите на сензорните сигнали от две или повече микроконзоли 13.р, когато те измерват селективно различни параметри на газа 2. Алтернативно и когато това е възможно, подобна компенсация може да бъде осигурена чрез промяна на големините на токовете I(fe) през металните пътечки 28.
Така, показаният на Фиг. 10а прибор 1, включващ дистанционна вложка 8.j с отвор 34 за поместване на постоянен магнит 33, е подходящ както за актюирането на множество различно ориентирани микроконзоли 13.р с метални пътечки 28, така и за постигане на желани съотношения на сензорните сигнали от тях, при многократно (>100 пъти) намалено нагряване на микроконзолите в сравнение със случая, когато е използвана ЕТ актюация. Мястото на разполагане в прибора 1 и ориентацията на една модифицирана дистанционна вложка 8.j с монтирани в нея постоянни магнити 33, може да бъде избрано така, че да осигурява желано отношение на сензорни сигнали от предварително избрани микроконзоли с ЕМ актюация.
Когато през металната пътечка 28 протича постоянен ток Ie = const, съответната микроконзола 13.р може да бъде използвана за статично измерване. Когато през метална пътечка 28 протича периодичен ток 1е с честота fe, съответната микроконзола 13.р може да бъде използвана за динамично измерване на даден параметър на газа 2. При това, енергията за актюиране на микроконзолите 13.р, може да бъде намалена повече от 100 пъти в сравнение с ЕТ актюация с подобна амплитуда.
Всички микроконзоли 13, с изключение на една избрана, напр. 13.1 от сензора 12.1, са предназначени за определяне на обичайни параметри на газа 2. Микроконзолата 13.1 може да бъде актюирана с помощта на ИЧ актюиращ елемент - монохроматичен ИЧ сноп 17, който е с модулиран интензитет, с честота ft равна или близка до нейната резонансна честота fci. Аналогично на Примери 2 и 3, когато в обема на камерата 11 се съдържа компонент Ак с линия на поглъщане, която съответства на дължината Хк на снопа 17, усилена амплитуда на осцилация на микроконзолата 13.1, е индикация за наличието на компонент Акв газа 2. Така с една микроконзола 13.1, последователно, вещество-повещество могат да бъдат определяни концентрациите на специфичните химически компоненти на газа 2, без тя да взаимодейства директно с тях. Затова, такъв сензор е подходящ за непрекъсната работа, без регенерация.
Пример 5 - Прибор с три актюиращи елемента
Един друг вариант на реализация на настоящото изобретение е показан на Фиг. 11, при който се използват два различни начина за активиране на микроконзолите 13, предназначени за определяне на физическите параметри на газа 2. Приборът 1 съдържа четири активни носача 6.1 - 6.4 и шест дистанционни вложки 8.1 - 8.6. Сензорите 12.1., 12. 2 и 12.3 са монтирани съответно на носачите 6.1., 6.3 и 6.4. На носача 6.2 е монтиран ПА резонатор 31, като е поместен в отвор 32, формиран във вложката 8.3. В отвор 34 на вложката 8.5 е монтиран постоянен магнит 33.
Когато през металните пътечки 28 на микроконзоли 13, които се желае да бъдат с ЕМ актюация, протича постоянен електрически ток, стойността на тока може да бъде избрана така, че да бъдат постигнати желаните статични стойности на сензорните сигнали на отделните избрани микроконзоли. По избор, тази настройка се извършва в присъствие или отсъствие на поток от газ 2.
Едновременно с това, в обема на камерата lie помощта на акустичния резонатор 31 се генерират акустични вълни с честота^, а при протичането и на променлив ток с честота fe през металните пътечки 28, микроконзолите 13 се разтрептяват допълнително и с тази честота.
Когато споменатите честоти fa wfe, са с близки или значително отличаващи се стойности, могат да бъдат използвани допълнителни външни елементи за хетеродинно смесване и/или фазова детекция на споменатите различни честоти, както е известно на специалистите в областта. Така може да се постигне повишена точност на анализа на сигналите, напр. за точно определяне на амплитудата, фазата и честотата на осцилация на избрана микроконзола 13. Тъй като приборът 1 съдържа два независими актюиращи елемента, между които може да бъде генерирано биене или да бъде определена фазовата разлика между акустичната вълна и ЕМ осцилацията на микроконзолата 13, характеристиките на осцилация на всяка микроконзола 13 могат да бъдат определени с
допълнително повишена точност.
За специалистите в областта е ясно, че споменатите хетеродинно смесване и/или фазова детекция е актюиращ елемент 14 могат да бъдат прилагани и към микроконзолите 13.к, които са актюирани с инфрачервен сноп 17 в примерите от 1 до 4, без ограничение.
Сензорите 12.т са многоконзолни, като всеки сензор осигурява сигнали за определяне на различни групи величини. Напр., по избор, микроконзолите на сензора 12.1 и ПА резонатор 31 могат да бъдат избрани така, че сензорните сигнали самостоятелно от този сензор да са достатъчни за определянето на едно обичайно множество физически параметри на газа 2 е желана точност, независимо от наличието на магнитно поле. Микроконзолите на сензорите 12.3 и ориентацията на постоянния магнит 33 могат да бъдат избрани така, че техните статични и/или динамични сигнали да служат за точно определяне на друго множество специфични физични параметри на газа. Накрая, една част микроконзолите 13.к на сензора 12.2 са предназначени за определяне на химическия състав на газа и приблизителната концентрация на компонентите му чрез актюиране е инфрачервен сноп 17. Останалите микроконзоли 13.р на сензора 12.2. са предназначени за определяне на специфични физически параметри, като: вискозитет, топлопроводност или др. подобни, необходими за допълнително уточняване на споменатите концентрации на компонентите на газа 2.
За специалистите в областта е ясно, че елементи от всеки от посочените варианти за изпълнение на изобретението, могат да бъдат комбинирани свободно в един сензорен прибор 1. За предпочитане е, всеки от отделните сензори 12.т да съдържа множество микроконзоли 13, чиито брой и конструкции да осигуряват определянето на специфично множество физически параметри и/или състав на газа, обичайни за дадена област на индустрията или живота. Това позволява, както бързо и лесно окомплектоване на прибора 1 за конкретно приложение, така и времева и пространствена кохерентност на достатъчен брой сензорни сигнали, необходими за точно определяне на параметрите на газа. Ключово предимство е използването на микроконзолни сензори, които не се нуждаят от регенерация и могат да работят непрекъснато.
За специалистите в областта е ясно, че за определяне параметрите на газове, всеки от описаните варианти за актюиране на микроконзоли - ЕТ, ПА и ЕМ, могат да бъдат използвани заедно с ИЧ сноп или самостоятелно в произволни комбинации.

Claims (12)

1. Прибор за мониторинг на газ, състоящ се от тяло, снабдено с входен и изходен елементи за осигуряване на поток от газ, при което в тялото са поместени сензори за мониторинга на газа, характеризиращ се с това, че приборът (1) е комбиниран за едновременно определяне на физическите параметри и на химическите компоненти, от които е съставен газа, и тяхната концентрация, при което сензорите (12) са снабдени с микроконзоли (13) с подбрана селективност и чувствителност, като приборът (1) съдържа средства за споменатото едновременно определяне на физическите параметри и химическите компоненти и тяхната концентрация в газа, всяко от които включва избрани микроконзоли (13) и актюиращ елемент (14, 17) към тях, разположени в обща измервателна камера (11), формирана във вътрешността на тялото (3), и по избор в сензорите (12) са оформени микрофлуидни елементи (30) за модифициране на потока на газа.
2. Прибор съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че общият брой на микроконзолите (13) е равен или по-голям от броя на едновременно определяните параметри и компоненти, и микроконзолите (13) са с вградени пиезорезистори (26), свързани в един или повече еднакви или различни диференциални измервателни мостове.
3. Прибор съгласно претенции 1 и 2, характеризиращ се с това, че броят на сензорите (12), включени в прибора (1), съответства на броя на групите от параметри, химическите компоненти на газа и концентрациите им, които се определят.
4. Прибор съгласно претенции от 1 до 3, характеризиращ се е това, че тялото (3) на прибора (1) е разглобяемо.
5. Прибор съгласно претенции от 1 до 4, характеризиращ се с това, че актюиращите елементи (14, 17) за активиране на микроконзолите (13) са поне два, като наймалко един актюиращ елемент (14) е предназначен за определяне на физическите параметри на газа и е избран от електротермичен, пиезоакустичен, електромагнитен елемент, а другият актюиращ елемент е инфрачервен сноп (17) за определяне на химическите компоненти и тяхната концентрация в газа.
6. Прибор съгласно претенция 5, характеризиращ се е това, че средствата за определяне на химическите компоненти и тяхната концентрация в газа се състоят от една или повече микроконзоли (13.к) и актюиращ елемент инфрачервен сноп (17), състоящ се от един или повече монохроматични под-снопове (17.к) с дължини на вълната Хк, съответстващи на линиите на поглъщане на всеки от компонентите Ак на газа, като интензитетът на всеки под-сноп (17.к) е модулиран с честота, равна на резонансната честота на една от споменатите микроконзоли (13.к), предназначени за едновременно определяне на съответните компоненти Ак.
7. Прибор съгласно претенция 6, характеризиращ се с това, че монохроматичните снопове (17.к) са комутирани един-по-един в актюиращия елемент инфрачервен сноп (17), а микроконзолата 13.к е само една.
8. Прибор съгласно всяка предходна претенция, характеризиращ се с това, че в средствата за определяне на физическите параметри на газа актюиращият елемент (14) за активиране на микроконзолите (13) е електротермичен и е оформен като нагряващи се метални пътечки (28) върху микроконзолите (13).
9. Прибор съгласно претенции от 1 до 7, характеризиращ се с това, че в средствата за определяне на физическите параметри на газа актюиращият елемент (14) е пиезоакуетичен резонатор (31).
10. Прибор съгласно претенции от 1 до 7, характеризиращ се с това, че средствата за определяне на физическите параметри на газа съдържат като актюиращ елемент (14) метални пътечки (28) върху микроконзолите (13) и установен към тях в тялото (3) поне един постоянен магнит (33).
11. Прибор съгласно претенция 10, характеризиращ се с това, че съдържа поне една двойка микроконзоли (13), разположени взаимно ортогонално, а установеният към тях постоянен магнит (33) е разположен под ъгъл а спрямо една от споменатите микроконзоли (13), които всички са снабдени с метални пътечки (28), за осигуряване на предварително зададено съотношение на сензорните сигнали от двете избрани ортогонални микроконзоли (13).
12. Прибор съгласно всяка една от предходните претенции, характеризиращ се с това, че средствата за едновременно определяне на физическите параметри на газа съдържат микроконзоли (13) и поне два актюиращи елемента (14), избрани от: електротермичен актюатор нагряващи се метални пътечки (28), пиезоакустичен резонатор (31) и метални пътечки (28) заедно с постоянен магнит (33).
BG112997A 2019-09-17 2019-09-17 Прибор за мониторинг на газове BG112997A (bg)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
BG112997A BG112997A (bg) 2019-09-17 2019-09-17 Прибор за мониторинг на газове
PCT/IB2020/056597 WO2021053410A1 (en) 2019-09-17 2020-07-14 Gas monitoring device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
BG112997A BG112997A (bg) 2019-09-17 2019-09-17 Прибор за мониторинг на газове

Publications (1)

Publication Number Publication Date
BG112997A true BG112997A (bg) 2021-03-31

Family

ID=71728836

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
BG112997A BG112997A (bg) 2019-09-17 2019-09-17 Прибор за мониторинг на газове

Country Status (2)

Country Link
BG (1) BG112997A (bg)
WO (1) WO2021053410A1 (bg)

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PT760474E (pt) 1995-09-04 2004-10-29 Siemens Building Tech Ag Detector fotoacustico de gas e sua utilizacao
US5933245A (en) 1996-12-31 1999-08-03 Honeywell Inc. Photoacoustic device and process for multi-gas sensing
US6126311A (en) 1998-11-02 2000-10-03 Claud S. Gordon Company Dew point sensor using mems
US7288404B2 (en) * 2002-04-29 2007-10-30 Regents Of The University Of California Microcantilevers for biological and chemical assays and methods of making and using thereof
EP1604197A2 (en) 2003-03-18 2005-12-14 Cantion A/S A cantilever array chemical sensor
US7207206B2 (en) 2004-02-19 2007-04-24 Ut-Battelle, Llc Chemically-functionalized microcantilevers for detection of chemical, biological and explosive material
KR100631208B1 (ko) * 2004-07-20 2006-10-04 삼성전자주식회사 전자기유도를 이용한 바이오결합 검출장치 및 이를 이용한검출 방법
US20080011058A1 (en) * 2006-03-20 2008-01-17 The Regents Of The University Of California Piezoresistive cantilever based nanoflow and viscosity sensor for microchannels
JP5225981B2 (ja) 2006-05-10 2013-07-03 ドレクセル・ユニバーシティー 空中浮遊分析物を空気中で直接検出するための自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサー
US8481335B2 (en) 2006-11-27 2013-07-09 Drexel University Specificity and sensitivity enhancement in cantilever sensing
US7928343B2 (en) 2007-12-04 2011-04-19 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Microcantilever heater-thermometer with integrated temperature-compensated strain sensor
US9513261B2 (en) 2013-10-14 2016-12-06 Infineon Technologies Ag Photoacoustic gas sensor device and a method for analyzing gas
US10466174B2 (en) 2016-12-13 2019-11-05 Infineon Technologies Ag Gas analyzer including a radiation source comprising a black-body radiator with at least one through-hole and a collimator
DE102016124910A1 (de) * 2016-12-20 2018-06-21 Endress+Hauser Flowtec Ag Gasanalysator und Gasanalysevorrichtung

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021053410A1 (en) 2021-03-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5189914A (en) Plate-mode ultrasonic sensor
US5129262A (en) Plate-mode ultrasonic sensor
US5719324A (en) Microcantilever sensor
Wysocki et al. Influence of molecular relaxation dynamics on quartz-enhanced photoacoustic detection of CO 2 at λ= 2 μm
JP3910217B2 (ja) 化学センサ
CN101371132B (zh) 自励、自感知压电悬臂梁传感器
EP1946070B1 (en) Hydrogen sensor
US7784327B2 (en) Reduction of pressure induced temperature influence on the speed of sound in a gas
Fu et al. Small-volume highly-sensitive all-optical gas sensor using non-resonant photoacoustic spectroscopy with dual silicon cantilever optical microphones
US9164080B2 (en) System and method for sensing NO
JP7055543B2 (ja) ガスセンサおよびその動作方法
JP2007526480A (ja) 応力に基づく化学反応の静電測定
JP6042774B2 (ja) 検体センサおよび検体センシング方法
JP2749451B2 (ja) 表面弾性波構成素子からなるガスセンサ
JP2947904B2 (ja) 酸素感知方法およびその装置
BG112997A (bg) Прибор за мониторинг на газове
JP2006275999A (ja) 弾性表面波素子とその使用方法
KR20090124789A (ko) 캔틸레버 구조체의 공진특성 측정장치 및 그 측정방법
JP2007240297A (ja) 球状弾性表面波素子および球状光素子
JPH1114580A (ja) 多レベル感度回路を有するガス・センサ
RU2533692C1 (ru) Мультисенсорная акустическая решетка для аналитических приборов &#34;электронный нос&#34; и &#34;электронный язык&#34;
JP4437022B2 (ja) 生化学、医療及び食品分野における化学反応の追跡や状態分析等に使用される振動子を使用した測定方法及びバイオセンサー装置
JP5408580B2 (ja) 匂いセンシングシステム
JP6466533B2 (ja) 検体センサおよび検体センシング方法
Carron et al. Cantilever-based resonant microsensors with integrated temperature modulation for transient chemical analysis