RU2339020C1 - Инфракрасный датчик, в частности co2-датчик - Google Patents
Инфракрасный датчик, в частности co2-датчик Download PDFInfo
- Publication number
- RU2339020C1 RU2339020C1 RU2007100222/28A RU2007100222A RU2339020C1 RU 2339020 C1 RU2339020 C1 RU 2339020C1 RU 2007100222/28 A RU2007100222/28 A RU 2007100222/28A RU 2007100222 A RU2007100222 A RU 2007100222A RU 2339020 C1 RU2339020 C1 RU 2339020C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- filter
- sensor
- passband
- detector
- filters
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 35
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 3
- 229910004261 CaF 2 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 23
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 11
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 2
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 238000001745 non-dispersive infrared spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 206010002091 Anaesthesia Diseases 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000037005 anaesthesia Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000029058 respiratory gaseous exchange Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 1
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
- G01N21/3518—Devices using gas filter correlation techniques; Devices using gas pressure modulation techniques
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/30—Measuring the intensity of spectral lines directly on the spectrum itself
- G01J3/36—Investigating two or more bands of a spectrum by separate detectors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
- G01J2003/1213—Filters in general, e.g. dichroic, band
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/314—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry with comparison of measurements at specific and non-specific wavelengths
- G01N2021/3166—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry with comparison of measurements at specific and non-specific wavelengths using separate detectors and filters
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
- G01N2021/3531—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis without instrumental source, i.e. radiometric
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/314—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry with comparison of measurements at specific and non-specific wavelengths
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
Изобретение предназначено для измерения концентрации CO2 в воздухе. Инфракрасный датчик (ИК-датчик) (1) содержит сборный фильтр (6), позади которого расположен сборный детектор (7), и вычислительное устройство (8), связанное со сборным детектором (7). Сборный фильтр (6) содержит первый фильтр (9) и второй фильтр (10), выполненные в виде полосовых фильтров и имеющие соответственные полосы пропускания, из которых первый фильтр (9) пропускает установленную ИК-полосу, а второй фильтр (10) ее не пропускает. Сборный детектор включает два детектора (14, 15), из которых каждому сопоставлен фильтр (9, 10). Полоса пропускания одного фильтра (10) лежит внутри полосы пропускания другого фильтра (9), а вычислительное устройство (8) формирует рассогласование сигналов (S1, S2) детекторов (14, 15) и нормирует рассогласование на сигнал (S1) детектора (14). Техническим результатом является упрощение конструкции ИК-датчика вышеупомянутого типа. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.
Description
Изобретение относится к инфракрасному датчику (ИК-датчику), в частности к CO2-датчику со сборным фильтром, позади которого расположен сборный детектор и вычислительное устройство, связанное со сборным детектором, причем сборный фильтр имеет первый и второй фильтры, выполненные в виде полосовых фильтров с определенной полосой пропускания частот, из которых первый фильтр попускает предварительную ИК-полосу, а второй ее не пропускает, а сборный детектор имеет два детектора, каждому из которых в соответствие поставлен свой фильтр.
Описание изобретения приведено ниже для ИК-датчика с ИК-абсорбирующими газами. Оно может найти применение также при решении других задач, дополнительные пояснения о чем будут приведены ниже.
В патенте US 5081998 А раскрывается устройство подобного датчика, выполненного в виде датчика газов. Здесь применяется ИК-источник излучения, который через сборный фильтр дает нагрузку на все четыре детектора. Сборный фильтр имеет два фильтра с различными характеристиками пропускания. Первый фильтр имеет полосу пропускания для ИК-излучения, которое абсорбируется посредством СО2. По этой причине фильтр имеет краткое название «CO2-фильтр». Расположенные сзади него детекторы обозначаются как CO2-детекторы.
Другой фильтр имеет иную полосу пропускания, которая служит для определения опорной величины. Детекторы, расположенные позади этого опорного фильтра, обозначаются как опорные детекторы. Между ИК-источником и обоими фильтрами расположен третий фильтр, являющийся «фильтром естественной плотности», затеняющий соответственно наполовину первый и второй фильтры. В соответствии с этим один из двух CO2-детекторов и один из опорных детекторов получают только ИК-излучение, которое достижимо как посредством «фильтра естественной плотности», так и посредством CO2-фильтра или опорного фильтра. В вычислительном устройстве определяется рассогласование выходных сигналов обоих CO2-детекторов и рассогласование обоих опорных детекторов. Оба полученных рассогласования затем делятся друг на друга. Подобный CO2-датчик используется, например, для определения CO2 в дыхании пациента, что повышает надежность контроля за пациентом во время получения им наркоза.
Другой пример применения газовых датчиков, в частности CO2-датчиков, раскрывается в патенте US 6369716 В1. Здесь CO2-датчик служит для определения содержания CO2 (углекислого газа) в некотором объеме помещения, чтобы обеспечить тем самым возможность управления климатом в помещении.
Концентрация CO2 в некотором объеме помещения должна составлять от 800 до 1200 промилле, т.к. при более высоком значении возникает утомляемость человека. Естественная концентрация в застроенных жилых районах составляет около 400 промилле. С помощью CO2-датчика можно определить, сколько свежего воздуха должно подводиться, чтобы достичь желаемой концентрации CO2. Аналогичные рассуждения относятся также и к другим газам, у которых не должна превышаться определенная концентрация, например к СО (моноксид углерода).
Рассматриваемое здесь изобретение раскрывается ниже на примере измерения концентрации CO2. Оно может найти применение также для измерения концентрации других газов.
Способ измерения концентрации CO2 в воздухе основывается на применении датчиков, базирующихся на газовых фазах, у которых применяется недиспергирующая инфракрасная спектроскопия (NDIR). При таком способе определения концентрации CO2 исходят из того, что CO2 абсорбирует инфракрасное излучение, т.е. процент ИК-излучения в определенном, узко ограниченном диапазоне длин волн, представляет собой величину, которую можно применять для определения концентрации CO2.
Недостатком подобного рода датчиков является их относительно большое потребление мощности. Система, раскрытая в патенте US 5081998 А, требует источник излучения, который при длительном применении делает указанную систему непригодной для батарейного питания. Кроме того, подобный ИК-источник, как правило, требует определенного времени разогрева, что не всегда позволяет проведение измерения без определенной подготовки.
В основе изобретения лежит задача упрощения применения ИК-датчика.
Указанная задача в отношении газового датчика рассматриваемого вида решена благодаря тому, что полоса пропускания одного фильтра расположена внутри полосы пропускания другого фильтра, а вычислительное устройство определяет рассогласование сигналов детекторов и нормирует его на сигнал детектора.
Благодаря такому решению возникает ситуация, при которой может оцениваться существенно больше ИК-излучения. То есть ИК-излучение не разделяется на два отдельных диапазона, причем каждый детектор регистрирует только один диапазон. Более того, один детектор регистрирует теперь ИК-излучение с заданным спектральным диапазоном, который включает, например, и спектр абсорбции исследуемых газов, здесь CO2. Другой детектор регистрирует ИК-спектр из поддиапазона, который уже не включает спектр абсорбции исследуемого газа. Тем самым существенно возрастает чувствительность датчика, т.е. для питания датчика ИК-излучения предъявляются теперь более низкие требования. Благодаря тому, что появляется рассогласование между выходными сигналами детекторов, исключается сигнал помехи, например фоновый шум или подобный ему. Нормирование этого рассогласования на выходной сигнал детектора позволяет компенсировать колебания интенсивности ИК-излучения. Можно также применять более двух датчиков с соответственно большим количеством фильтров, при этом отдельные диапазоны пропускания соответственно накладываются друг на друга. С помощью рассматриваемого датчика можно получать также другую информацию, например, о температуре, перемещениях в пространстве, количестве людей в помещении и т.п. Так как при этом можно регистрировать существенно больше излучений, можно сократить потребление мощности, что в свою очередь позволит использовать для питания батарею. Это расширяет возможности монтажа и применения датчика. Датчик может передавать свои сигналы без применения проводов.
Преимущественно, полоса пропускания первого фильтра больше, чем полоса пропускания второго фильтра. В соответствии с этим первый фильтр дополнительно к спектральной области, которую пропускает второй фильтр, включает также спектральный диапазон, в котором абсорбируется ИК-излучение.
Преимущественно, оба фильтра имеют общую предельную длины волны. Это упрощает оценку. При этом можно достаточно просто формировать рассогласование между выходными сигналами детекторов, не производя дополнительных вычислений. Под предельными длинами волн следует понимать длины, которые определяют полосу пропускания. Они обозначаются как «начальная длина волны» и «конечная длина волны».
Преимущественно, оба фильтра имеют одинаковую начальную длину волны. «Начальная длина волны» представляет собой длину волны, начиная с которой фильтр пропускает излучение. «Одинаковая» начальная длина волны не является идентичной в математическом толковании. Допуски в пределах 5% являются здесь приемлемыми. Подобные допуски, впрочем, оказывают влияние на результаты измерения. Это влияние, однако, можно считать допустимым.
Преимущественно, оба фильтра образованы посредством идущих друг за другом фильтрующих элементов, причем один фильтрующий элемент является общим для обоих фильтров и определяет предельную длину волны. Оба фильтрующих элемента расположены друг за другом в направлении излучения, т.е. между источниками ИК-излучения и детекторами. Сборный фильтр можно выполнить таким образом, что «начальная длина волны» будет определяться фильтрующим элементом, общим для обоих фильтров, и «конечная длина волны», ограничивающая полосу пропускания, определяется двумя другими фильтрующими элементами. Это не представляет сложности для определения полосы пропускания обоих фильтров со сравнительно высокой точностью.
Преимущественно, первый фильтр имеет полосу пропускания, которая на 0,3-0,7 мкм больше, чем полоса пропускания второго фильтра. Желательно, чтобы первый фильтр в принципе покрывал только относительно узкий диапазон длин волн или спектральный диапазон ИК-спектра, а именно диапазон, в котором ИК-излучение абсорбируется посредством CO2. Заданный диапазон является достаточным для этого. Опасность отрицательного влияния абсорбции посредством других газов на результаты измерения и искажения тем самым результатов, незначительна.
Предпочтительно, чтобы первый фильтр имел полосу пропускания в диапазоне 3,6-4,5 мкм, а второй фильтр - в диапазоне 3,6 - 4,0 мкм. В общем случае можно утверждать, что общий спектральный диапазон составляет примерно половину от спектрального диапазона, пропускаемого первым фильтром. В зависимости от подлежащих детектированию газов или других параметров эти спектральные диапазоны могут быть, конечно, смещены. Однако, как выяснилось, для CO2 рассматриваемые диапазоны являются оптимальными.
При наиболее предпочтительном исполнении датчик использует естественное ИК-излучение из окружающей среды. Таким образом, не требуется источник излучения, который должен получать отдельное питание и соответственно имеет определенное потребление мощности. ИК-излучение, как правило, имеется повсюду, в том числе и при отсутствии солнечного света. Каждое тело имеет определенное тепловое излучение. Так как здесь можно отказаться от источника ИК-излучения, расширяется также «диапазон измерения», т.е. можно контролировать более значительные области помещения на предмет соответствующего содержания газа. Это облегчает контроль и настройку «персонального климата помещения» или «indoor air quality». Нет необходимости подводить воздух в помещении к датчику и там пропускать его между источником ИК-излучения и детекторами с предварительно включенными фильтрами. Достаточно, если датчик установлен в помещении в месте, где он может так сказать «обозревать» контролируемый объем воздуха. В этом случае датчик может достаточно просто регистрировать усредненную концентрацию газа. Датчик определяет, таким образом, некоторое среднее значение, что, в частности, для персонального климата дает существенно лучший результат. С помощью рассматриваемого датчика можно также усовершенствовать применяемые датчики, которые работают с использованием ламп или других средств освещения. Если применяются естественное или ИК-излучение окружающего пространства, можно сократить потребление энергии средствами освещения. Это приводит к увеличению интервалов техобслуживания и увеличению срока службы.
Преимущественно, вычислительное устройство нормирует рассогласование, поступающее на сигнал первого детектора. Другими словами для нормирования применяется сигнал, который содержит CO2. Таким образом, достигается несколько большая динамика.
Преимущественно, фильтры содержат CaF2, германий или кремний. Кремний имеет преимущественно антиотражающее покрытие, что улучшает пропускание.
Описание изобретения с использованием рисунков приводится ниже на примере предпочтительных вариантов исполнения. Здесь приведены:
Фиг.1. Схематическое представление, поясняющее принцип работы рассматриваемого изобретения.
Фиг.2. Схематическое представление двух полос пропускания двух фильтров.
Фиг.3. Схематическое представление количества энергии, которое может регистрироваться детекторами.
Фиг.4. Блок-схема, поясняющая структуру датчика газа.
Фиг.5. Схематическое представление диапазона пропускания двух фильтров.
Фиг.6. Схематическое представление предварительной ступени сигнала обработки.
На фиг.1 схематически виде показан газовый датчик 1 для определения концентрации CO2 (углекислого газа) в исследуемой области 2. Под исследуемой областью следует понимать объем или фрагмент некоторого объема, в котором необходимо производить регулирование персонального климата. Солнце 3 представлено в виде естественного ИК-источника. Солнце 3 служит здесь лишь для пояснения. Газовый датчик 1 работает также при отсутствии солнечного излучения, т.к. в принципе каждое тело излучает тепло и потому имеет ИК-излучения.
В исследуемой области 2 находятся молекулы CO2, которые здесь представлены как небольшие кружки. Молекулы 4 газа в определенном спектральном диапазоне абсорбируют ИК-излучение, что показано на рисунке стрелками 5. Чем больше концентрация CO2, тем меньше в определенном спектральном диапазоне энергия, которая должна регистрироваться в газовом датчике 1.
На фиг.4 схематично показана блок-схема, поясняющая структуру газового датчика 1. Газовый датчик 1 имеет сборный фильтр 6, сборный детектор 7 и вычислительное устройство 8. Прочие подробности, как например корпус, средства крепления и т.п.здесь не изображены.
Сборный фильтр имеет первый фильтр 9 и второй фильтр 10. Оба фильтра имеют различные характеристики пропускания, которые показаны на фиг.2. Первый фильтр имеет полосу пропускания F1. Второй фильтр имеет полосу пропускания F2. Обе полосы пропускания F1 и F2 начинаются у одной и той же нижней границы L, но по разному заканчиваются у верхней границы, а именно полоса пропускания F1 заканчивается у верхней границы U1, а полоса пропускания F2 заканчивается у верхней границы U2. Расстояние между верхней границей U1 первой полосы пропускания F1 и верхней границей U2 лежит в пределах 0,3-0,7 мкм, например составляет около 0,5 мкм.
В диапазоне, в котором полоса пропускания F1 первого фильтра 9 больше, чем полоса пропускания F2 второго фильтра 10, находится спектральный диапазон Х (CO2), в котором абсорбируется ИК-излучение CO2. Указанный спектральный диапазон находится в пределах 4,2 - 4, 3 мкм. В соответствии с этим верхнюю границу U1 первой полосы пропускания F1 можно расположить приблизительно около значения 4,5 мкм, верхнюю границу U2 второй полосы пропускания F2 приблизительно около значения 4,0 мкм, а нижнюю границу L, где обе полосы пропускания F1 и F2 общие, приблизительно около значения 3,6 мкм.
Это может быть реализовано достаточно простым способом. Первый фильтр 9 имеет первый фильтрующий элемент 11, который определяет верхнюю границу U1 полосы пропускания F1. Второй фильтр 10 имеет второй фильтрующий элемент 12, который определяет верхнюю границу U2 второй полосы пропускания F2. Для обоих фильтров 9, 10 совместно предусмотрен третий фильтрующий элемент 13, который определяет нижнюю границу L обеих полос пропускания F1 и F2. Третий фильтрующий элемент 13 имеет верхний предел пропускания, который лежит за пределами верхней границы U1 полосы пропускания F1 первого фильтра 9. Первый и второй фильтрующий элементы имеют нижнюю границу пропускания, которая лежит ниже нижней границы L третьего фильтрующего элемента 13.
В соответствии с этим сборный фильтр 6 пропускает в диапазоне первого фильтра 9 ИК-излучение с энергией, которая на фиг.3 обозначена как А. Эта энергия уменьшается на величину С, которая абсорбируется посредством CO2. Сборный фильтр 6 в диапазоне второго фильтра 10 позволяет пропускать энергию, которая обозначена на фиг.3 как В. Эта энергия практически постоянна, т.к. на нее не оказывает влияния CO2.
Различные значения энергии регистрируются сборным детектором 7. Сборный детектор 7 имеет первый детектор 14, который регистрирует ИК-излучение, проходящее через второй фильтр 10. Оба детектора 14, 15 могут быть выполнены в виде термоэлектрических элементов, которые известны также под названием «термоэлементов». Каждый детектор в зависимости от имеющегося ИК-излучения создает определенное напряжение или ток, т.е. некоторую электрическую величину, которая тем больше, чем больше имеющееся ИК-излучение. В соответствии с этим первый детектор 14 создает сигнал S1, а второй детектор 15 сигнал S2.
Термоэлементный датчик производится, например, фирмой PerkinElmer Optoelectronics GmbH, D-65199 Wiesbach, Германия.
Так как термоэлементный датчик производит обычно измерение температуры (т.к. выходной сигнал зависит от температуры), происходит измерение температуры вокруг датчика. Так как посредством датчика возможно измерить температуру излучения помещения, непосредственно на основе обоих этих измерений можно получать рабочую температуру, которая затем может применяться для управления температурой помещения или какого-либо другого объекта.
Отслеживая ИК-излучение, с помощью датчика можно также фиксировать движение в помещении, что затем можно применять, например, для управления вентиляцией, которая будет активироваться, например, только тогда, когда имеет место движение, указывающее на наличие в помещении людей. На основе различных данных движения возникает возможность оценки количества людей в помещении. Указанная оценка может применяться для решения задач управления, т.е. управления/изменения температуры в зависимости от количества людей в помещении.
Оба сигнала S1, S2 поступают на вход вычислительного устройства 8. При этом оба сигнала содержат определенную долю помех. При этом следует исходить из того, что помехи для обоих детекторов 14, 15 в основном одинаковы. В соответствии с этим имеем следующее
Причем представляет собой электрический параметр, например ток или напряжение, которое содержит информацию об ИК-излучении, - опорная величина, на которую не оказывает влияния ИК-излучение. У In стоит индекс n «noise», т.е. шум. Если необходимо получить рассогласование между S1 и S2, для чего служит формирователь рассогласования 16, то получаем величину
где отсутствует составляющая шума.
Здесь рассогласование S1-S2 нормируется на выходной сигнал 81 первого детектора 14. При этом получается сигнал S3.
Этот выходной сигнал S3 снова находится под воздействием параметра In. Указанный параметр можно, однако, не учитывать. Получается достаточно надежное выражение концентрации CO2 в исследуемой области 2.
На фиг.5 показаны различные области пропускания F1, F2 обоих фильтров 9, 10, из которых хорошо видно различие между обоими диапазонами пропускания.
На фиг.6 показано рассогласование обоих диапазонов пропускания F1, F2 и обозначен спектр абсорбции 17 для CO2.
Датчик газа может достаточно надежно определить концентрацию CO2 в диапазоне от 300 до приблизительно 1500 промилле.
Если необходимо определять наличие других газов, например азота, угарного газа, кислорода или СО, необходимо соответствующим образом изменить полосы пропускания. В каждом случае необходимо обеспечить наложение полос пропускания друг на друга, чтобы обеспечить, по возможности, достаточно большой выход энергии к детекторам 14, 15.
Можно установить перед датчиком также коллектор, т.е устройство, собирающее или фокусирующее ИК-излучение, например коллиматор. Это улучшает работу датчика.
Можно применять подобный датчик также для контроля за токсичностью отработанных газов. Для этой цели датчик вставляют в трубу или в систему выпуска. В частности, в устройствах нагрева можно управлять процессом сгорания с помощью выходных сигналов датчика (или нескольких датчиков).
Claims (4)
1. ИК-датчик, в частности СО2-датчик со сборным фильтром, позади которого расположен сборный детектор и вычислительное устройство, связанное со сборным детектором, причем сборный фильтр содержит первый фильтр и второй фильтр, выполненные в виде полосовых фильтров и имеющие соответственные полосы пропускания, из которых первый фильтр пропускает установленную ИК-полосу, а второй фильтр ее не пропускает, а сборный детектор содержит два детектора, каждому из которых поставлен в соответствие фильтр, причем полоса пропускания второго фильтра лежит внутри полосы пропускания первого фильтра, а вычислительное устройство определяет рассогласование сигналов детекторов, отличающийся тем, что оба фильтра (9, 10) образованы идущими друг за другом фильтрующими элементами (11, 13; 12, 13), причем фильтрующий элемент (13) является общим для обоих фильтров (9, 10) и определяет общую нижнюю границу (L) полосы пропускания, а вычислительное устройство (8) нормирует рассогласование сигналов (S1, S2) на сигнал детектора (14).
2. ИК-датчик по п.1, отличающийся тем, что первый фильтр (9) имеет полосу пропускания в диапазоне 3,6-4,5 мкм, а второй фильтр (10) имеет полосу пропускания (F2) в диапазоне 3,6-4,0 мкм.
3. ИК-датчик по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что он использует естественное ИК-излучение из окружающего пространства.
4. ИК-датчик по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что фильтры (9, 10) содержат CaF2, германий или кремний.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102004028433A DE102004028433B4 (de) | 2004-06-14 | 2004-06-14 | IR-Sensor, insbesondere CO2-Sensor |
DE102004028433.4 | 2004-06-14 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2007100222A RU2007100222A (ru) | 2008-07-20 |
RU2339020C1 true RU2339020C1 (ru) | 2008-11-20 |
Family
ID=34969745
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007100222/28A RU2339020C1 (ru) | 2004-06-14 | 2005-06-10 | Инфракрасный датчик, в частности co2-датчик |
Country Status (13)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US7635845B2 (ru) |
EP (1) | EP1759187B1 (ru) |
JP (1) | JP4671241B2 (ru) |
KR (1) | KR100887208B1 (ru) |
CN (1) | CN100541174C (ru) |
AU (1) | AU2005252746B2 (ru) |
BR (1) | BRPI0512088A (ru) |
CA (1) | CA2569164C (ru) |
DE (1) | DE102004028433B4 (ru) |
MX (1) | MXPA06014559A (ru) |
RU (1) | RU2339020C1 (ru) |
WO (1) | WO2005121751A1 (ru) |
ZA (1) | ZA200609917B (ru) |
Families Citing this family (31)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102008017521A1 (de) | 2008-04-04 | 2009-10-15 | Rheinmetall Landsysteme Gmbh | ABC-dichtes Fahrzeug mit CO2-Sensoren sowie Verfahren zur Innenraumluftgüteregelung |
WO2010118749A1 (en) * | 2009-04-17 | 2010-10-21 | Danfoss Ixa A/S | Gas sensor with filtering sight glass |
CN102460122B (zh) * | 2009-04-17 | 2014-03-12 | 丹佛斯Ixa股份有限公司 | 使用带通滤波器的传感器 |
DK2419703T3 (en) * | 2009-04-17 | 2013-05-27 | Danfoss Ixa As | Gas sensor utilizing bandpass filters to measure temperature of an emitter |
US20120298867A1 (en) * | 2009-12-09 | 2012-11-29 | Panasonic Corporation | Infrared frame detector |
CN102822662A (zh) * | 2010-02-19 | 2012-12-12 | 威易拉有限公司 | 用于校准co2浓度传感器的方法和测量装置 |
JP5573340B2 (ja) * | 2010-05-07 | 2014-08-20 | 日本電気株式会社 | ガス検知装置およびガス検知方法 |
WO2015193370A1 (en) | 2014-06-19 | 2015-12-23 | Danfoss Ixa A/S | Probe for gas sensor having purge gas protection |
KR102277347B1 (ko) | 2014-06-19 | 2021-07-14 | 단포스 아이엑스에이 에이/에스 | 가스 분할 시료 가스 유동을 가진 가스 센서용 프로브 |
CN104359852A (zh) * | 2014-11-25 | 2015-02-18 | 云南无线电有限公司 | 一种co、co2、so2三组分红外集成气体传感器 |
US11249016B2 (en) | 2015-03-02 | 2022-02-15 | Flir Systems Ab | Wavelength band based passive infrared gas imaging |
CN107407634B (zh) * | 2015-03-02 | 2020-11-06 | 前视红外系统股份公司 | 在无源光学气体成像中定量气体 |
CN107532999B (zh) * | 2015-03-02 | 2021-03-23 | 前视红外系统股份公司 | 基于波长带的无源红外气体成像 |
EP3564635A1 (en) * | 2015-05-22 | 2019-11-06 | IRnova AB | Infrared imaging detector |
GB2544040B (en) * | 2015-10-19 | 2018-03-14 | Ffe Ltd | Improvements in or relating to flame detectors and associated methods |
CA3025276C (en) | 2016-05-09 | 2021-05-25 | Infrasolid Gmbh | Measuring device and method for sensing different gases and gas concentrations |
DE102016108545B4 (de) * | 2016-05-09 | 2021-02-04 | Lnfrasolid Gmbh | NDIR-Gassensor und Verfahren zu dessen Kalibrierung |
EP3330684B1 (de) * | 2016-12-05 | 2019-08-14 | Sick Ag | Verfahren zum sicherstellen eines modulationsbereichs |
US10760804B2 (en) | 2017-11-21 | 2020-09-01 | Emerson Climate Technologies, Inc. | Humidifier control systems and methods |
WO2019204788A1 (en) | 2018-04-20 | 2019-10-24 | Emerson Climate Technologies, Inc. | Systems and methods for adjusting mitigation thresholds |
US11371726B2 (en) | 2018-04-20 | 2022-06-28 | Emerson Climate Technologies, Inc. | Particulate-matter-size-based fan control system |
US11486593B2 (en) | 2018-04-20 | 2022-11-01 | Emerson Climate Technologies, Inc. | Systems and methods with variable mitigation thresholds |
EP3781879A4 (en) | 2018-04-20 | 2022-01-19 | Emerson Climate Technologies, Inc. | SYSTEMS AND METHODS WITH VARIABLE ATTENUATION THRESHOLDS |
WO2019204792A1 (en) | 2018-04-20 | 2019-10-24 | Emerson Climate Technologies, Inc. | Coordinated control of standalone and building indoor air quality devices and systems |
US11226128B2 (en) | 2018-04-20 | 2022-01-18 | Emerson Climate Technologies, Inc. | Indoor air quality and occupant monitoring systems and methods |
WO2019204791A1 (en) | 2018-04-20 | 2019-10-24 | Emerson Climate Technologies, Inc. | Hvac filter usage analysis system |
WO2019204789A1 (en) | 2018-04-20 | 2019-10-24 | Emerson Climate Technologies, Inc. | Indoor air quality sensor calibration systems and methods |
KR102026471B1 (ko) * | 2018-07-30 | 2019-09-27 | 한국수력원자력 주식회사 | 감마선 검출기 |
US12019017B2 (en) * | 2020-02-07 | 2024-06-25 | Lumileds Llc | Gas sensing with porous scattering material |
US11566519B2 (en) | 2020-03-12 | 2023-01-31 | Saudi Arabian Oil Company | Laser-based monitoring tool |
BR202021012321U2 (pt) * | 2021-06-22 | 2023-01-03 | Jose Marcos Nabhan | Sensor de co2 para descontaminação da cabine de automóveis e emissão de alerta |
Family Cites Families (29)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB930698A (en) * | 1961-03-16 | 1963-07-10 | Parsons & Co Sir Howard G | Improvements in and relating to apparatus for the analysis of substances by absorption of infra-red radiation |
FR1465853A (fr) * | 1965-02-24 | 1967-01-13 | Mine Safety Appliances Co | Procédé et dispositif pour l'analyse d'un fluide par absorption d'infra-rouge |
JPS61199657U (ru) * | 1985-06-04 | 1986-12-13 | ||
GB8515519D0 (en) | 1985-06-19 | 1985-07-24 | Graviner Ltd | Gas detection |
US4785184A (en) * | 1986-05-27 | 1988-11-15 | Spectral Sciences, Inc. | Infrared trace element detection system |
FR2637379B1 (fr) * | 1988-09-30 | 1990-12-21 | Aerospatiale | Dispositif de fixation d'un organe optique tel qu'un filtre sur un support |
CA2064892A1 (en) * | 1989-09-01 | 1991-03-02 | Daniel S. Goldberger | Shutterless optically stabilized capnograph |
US5081998A (en) * | 1989-09-01 | 1992-01-21 | Critikon, Inc. | Optically stabilized infrared energy detector |
GB9008908D0 (en) * | 1990-04-20 | 1990-06-20 | Emi Plc Thorn | Thermal detection arrangement |
US5612676A (en) * | 1991-08-14 | 1997-03-18 | Meggitt Avionics, Inc. | Dual channel multi-spectrum infrared optical fire and explosion detection system |
EP0544962B1 (fr) * | 1991-12-04 | 1997-03-05 | Bertin & Cie | Procédé et dispositif de détection optique à distance d'un gaz présent dans une zone d'espace observée |
JPH0612949U (ja) * | 1991-12-30 | 1994-02-18 | 日新電機株式会社 | ガス濃度測定装置 |
US5800360A (en) * | 1992-02-11 | 1998-09-01 | Spectrum Medical Technologies, Inc. | Apparatus and method for respiratory monitoring |
DE4319567C2 (de) * | 1993-06-08 | 1997-12-18 | Hartmann & Braun Ag | Einrichtung zum fotometrischen Nachweis von Meßgaskomponenten |
FI95322C (fi) * | 1994-03-02 | 1996-01-10 | Instrumentarium Oy | Spektroskooppinen mittausanturi väliaineiden analysointiin |
JP3078983B2 (ja) | 1994-03-30 | 2000-08-21 | 株式会社堀場製作所 | 油分濃度計 |
US5721430A (en) | 1995-04-13 | 1998-02-24 | Engelhard Sensor Technologies Inc. | Passive and active infrared analysis gas sensors and applicable multichannel detector assembles |
JPH09251109A (ja) * | 1996-03-15 | 1997-09-22 | Omron Corp | 両面多層膜基板を含む光学装置及びその製造方法、センサ装置並びに両面多層膜基板 |
US5995008A (en) * | 1997-05-07 | 1999-11-30 | Detector Electronics Corporation | Fire detection method and apparatus using overlapping spectral bands |
KR100232166B1 (ko) * | 1997-12-29 | 1999-12-01 | 구자홍 | 이산화탄소 가스 검출기 |
DE19835335C1 (de) * | 1998-08-05 | 1999-11-25 | Draeger Sicherheitstech Gmbh | Infrarotoptischer Gassensor |
EP1151276A4 (en) | 1998-12-11 | 2003-07-23 | Envirotest Systems Inc | DEVICE FOR MEASURING THE OPACITY OF THE EMISSIONS OF THE ENGINE |
KR20000051474A (ko) * | 1999-01-22 | 2000-08-16 | 구자홍 | 광학형 가스 검출기 |
EP1169631A4 (en) * | 1999-03-17 | 2007-02-28 | Univ Virginia | PASSIVE REMOTE SENSOR FOR CHEMICAL SUBSTANCES |
JP2002005831A (ja) * | 2000-06-21 | 2002-01-09 | Horiba Ltd | 吸光分析装置 |
US6369716B1 (en) * | 2000-12-01 | 2002-04-09 | Johnson Controls Technology Company | System and method for controlling air quality in a room |
JP3471342B2 (ja) * | 2001-11-30 | 2003-12-02 | 国際技術開発株式会社 | 炎感知器 |
US20030147080A1 (en) * | 2002-02-05 | 2003-08-07 | Detector Electronics Corporation | Method & apparatus for open path gas detection |
CN1206524C (zh) * | 2002-03-14 | 2005-06-15 | 北京航空航天大学 | 无气泵式红外二氧化碳浓度分析方法及装置 |
-
2004
- 2004-06-14 DE DE102004028433A patent/DE102004028433B4/de not_active Expired - Fee Related
-
2005
- 2005-06-10 JP JP2007515776A patent/JP4671241B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 2005-06-10 CN CNB2005800195653A patent/CN100541174C/zh not_active Expired - Fee Related
- 2005-06-10 BR BRPI0512088-8A patent/BRPI0512088A/pt active Search and Examination
- 2005-06-10 WO PCT/DK2005/000381 patent/WO2005121751A1/de active Application Filing
- 2005-06-10 KR KR1020077000803A patent/KR100887208B1/ko active IP Right Grant
- 2005-06-10 US US11/629,420 patent/US7635845B2/en active Active
- 2005-06-10 CA CA2569164A patent/CA2569164C/en not_active Expired - Fee Related
- 2005-06-10 AU AU2005252746A patent/AU2005252746B2/en not_active Ceased
- 2005-06-10 RU RU2007100222/28A patent/RU2339020C1/ru active
- 2005-06-10 MX MXPA06014559A patent/MXPA06014559A/es active IP Right Grant
- 2005-06-10 EP EP05748773.8A patent/EP1759187B1/de not_active Not-in-force
-
2006
- 2006-11-28 ZA ZA200609917A patent/ZA200609917B/xx unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
AU2005252746A1 (en) | 2005-12-22 |
KR20070024724A (ko) | 2007-03-02 |
CN1969180A (zh) | 2007-05-23 |
JP2008502883A (ja) | 2008-01-31 |
CA2569164C (en) | 2011-08-23 |
CA2569164A1 (en) | 2005-12-22 |
US7635845B2 (en) | 2009-12-22 |
ZA200609917B (en) | 2009-05-27 |
AU2005252746B2 (en) | 2010-08-05 |
JP4671241B2 (ja) | 2011-04-13 |
CN100541174C (zh) | 2009-09-16 |
US20080283753A1 (en) | 2008-11-20 |
BRPI0512088A (pt) | 2008-02-06 |
DE102004028433A1 (de) | 2006-01-05 |
DE102004028433B4 (de) | 2006-08-31 |
WO2005121751A1 (de) | 2005-12-22 |
MXPA06014559A (es) | 2007-05-16 |
KR100887208B1 (ko) | 2009-03-06 |
EP1759187A1 (de) | 2007-03-07 |
EP1759187B1 (de) | 2015-03-04 |
RU2007100222A (ru) | 2008-07-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2339020C1 (ru) | Инфракрасный датчик, в частности co2-датчик | |
RU2493554C2 (ru) | Датчик с полосовыми фильтрами | |
US5130544A (en) | Optical gas analyzer | |
JP2005502895A (ja) | 信号整合フィルタリングを組み込んだ分光計 | |
RU2499235C2 (ru) | Газовый датчик, использующий полосовые фильтры для измерения температуры источника | |
CN115494019B (zh) | 一种煤田火区温度—气体远程在线检测与预警系统 | |
US5731583A (en) | Folded optical path gas analyzer with cylindrical chopper | |
JPH05500112A (ja) | シャッタレス式光学的安定化カプノグラフ | |
Jensen et al. | IR sensor especially a COsensor | |
RU84986U1 (ru) | Устройство для одновременного определения концентрации молекул со и со2 в газообразной среде | |
Ashraf et al. | Evaluation of a CO 2 sensitive thermopile with an integrated multilayered infrared absorber by using a long path length NDIR platform | |
CN214066923U (zh) | 非分散红外长光程测量池联用测量气体系统 | |
Wu et al. | Optical Filter Selection for Photoacoustic Sensors of Multicomponent Gases: Considering Cross-Interference | |
RU138366U1 (ru) | Оптический анализатор | |
KR20060088375A (ko) | 광학형 가스 검출기 | |
JPH0886435A (ja) | 燃焼診断装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20110121 |