TR2023005762U5 - OPTICAL GAS SENSOR DESIGNED WITH CONVERGENT NOZZLES - Google Patents
OPTICAL GAS SENSOR DESIGNED WITH CONVERGENT NOZZLESInfo
- Publication number
- TR2023005762U5 TR2023005762U5 TR2023/005762 TR2023005762U5 TR 2023005762 U5 TR2023005762 U5 TR 2023005762U5 TR 2023/005762 TR2023/005762 TR 2023/005762 TR 2023005762 U5 TR2023005762 U5 TR 2023005762U5
- Authority
- TR
- Turkey
- Prior art keywords
- sensor
- optical path
- gas
- infrared
- radiation source
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 95
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 67
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 23
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000002775 capsule Substances 0.000 claims description 49
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 11
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 8
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 claims description 7
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 abstract description 3
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 abstract description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 5
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 5
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- -1 polishing Substances 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Abstract
Bu buluş, dağılmayan kızılötesi ile gaz konsantrasyonu ölçümü ile ilgilidir. Daha spesifik olarak, kızılötesi spektrumunda elektromanyetik radyasyon yayan bir kaynak tarafından yayılan radyasyonun gaz numunesi içeren bir odacık boyunca yol alırken, bu gaz numunesi tarafından soğurulmasının izlenerek gaz konsantrasyonunu tespit eden yakınsak nozullar ile tasarlanmış optik gaz sensörü ile ilgilidir.This invention relates to gas concentration measurement with non-dispersive infrared. More specifically, it concerns an optical gas sensor designed with converging nozzles that detects gas concentration by monitoring the absorption of radiation emitted by a source emitting electromagnetic radiation in the infrared spectrum by a gas sample as it travels through a chamber containing a gas sample.
Description
TARIFNAME YAKINSAK NOZULLAR iLE TASARLANMIS OPTIK GAZ SENSÖRÜ TEKNIK ALAN Bu bulus, dagilmayan kizilötesi ile gaz konsantrasyonu ölçümü ile ilgilidir. Daha spesifik olarak, kizilötesi spektrumunda elektromanyetik radyasyon yayan bir kaynak tarafindan yayilan radyasyonun gaz numunesi içeren bir odacik boyunca yol alirken, bu gaz numunesi tarafindan sogurulmasinin izlenerek gaz konsantrasyonunu tespit eden yakinsak nozullar ile tasarlanmis optik gaz sensörü ile ilgilidir. ÖNCEKI TEKNIK Günümüzde kizilötesi radyasyondan faydalanilarak belirli bir gazi tespit etmek ve gaz konsantrasyonunu ölçmek amaciyla tasarlanmis birçok optik gaz sensörleri bulunmaktadir. Bu gaz sensörleri amacina göre dagitici kizilötesi (DlR) gaz algilama ve dagilmayan kizilötesi (NDlR) gaz algilama olarak ikiye ayrilmaktadir. Dagitici kizilötesi gaz algilama sistemlerinde bir gazin kimligini belirlemek amaçlanmaktadir. Kizilötesi spektruma sahip bir kaynaktan yayilan radyasyon önce gaz numunesinden geçirilir ve bu radyasyon bir prizma ya da filtre yardimiyla spektruma dagitilir. Daha sonra bir algilayiciya ulasir. Bu yöntem genellikle gaz spektrometrelerinde kullanilmaktadir. Dagilmayan kizilötesi (NDlR) gaz algilama sistemlerinde ise amaç kimligi bilinen bir gazin konsantrasyonunun ölçülmesidir. Bu sistem genellikle bir kizilötesi radyasyon kaynagi, bir kizilötesi algilayici ve bir gaz numune odacigindan olusur. NDlR gaz sensörleri, hedef gazin kizilötesi (lR) radyasyonu sogurmasi prensibine bagli olarak, radyasyonda meydana gelen zayiflamayi saptar. Zayiflama derecesi, hedef gazin emilim katsayisinin, lR radyasyonun optik kaynak ile algilayici arasindaki optik yol uzunlugunun söz konusu optik yol boyunca mevcut olan hedef gazin konsantrasyonunun ve elektromanyetik radyasyonun dalga boyunun bir fonksiyonudur. 8u parametreler arasindaki iliski 8eer-Lambert yasasi ile açiklanmaktadir. Gaz numune odacigi, gaz numunesinin bulundugu kisimdir ve ayni zamanda lR radyasyon kaynagindan saçilan isinlarin yol aldigi kisim oldugundan optik yol olarak da adlandirilmaktadir. Optik yol uzunlugu artirildiginda lR radyasyon kaynagindan saçilan isinlarin, detektöre ulasmadan önce, gaz ile etkilesime girebilecegi uzunluk artirilabilmektedir. 8öylece, yapilan ölçümün hassasiyeti artmaktadir. Hassasiyeti artirmak için, uzun optik yol olusturmaya yönelik bazi tasarimlar US sensörlerinde optik yol bir tüp olarak tasarlanmistir. Kizilötesi radyasyon kaynagi ve kizilötesi algilayicilar tüpün uçlarina yerlestirilmistir. Ancak bu sensörlerin dezavantajlarindan biri oldukça büyük olmalari ve çok alan kaplamalaridir. Sensör boyutlarini küçültebilmek için daha sonra yapilan çalismalarda silindirik bir kapsül içine gömülü farkli tasarimlara sahip optik odaciklar gelistirilmistir. Daha kompakt ve sensör boyutlarini küçülmeye yönelik bazi teknik çözümler US kizilötesi radyasyon kaynagindan saçilan isinlar aynalar yardimiyla algilayici üzerine yönlendirilmektedir. 8u tasarimlarda algilayiciya ulasan isik yogunlugunu artirmak için dogrusal yayilim yapan kizilötesi radyasyon kaynaklari tercih edilmelidir. lR akkor lamba gibi 3600 yayilim yapan radyasyon kaynaklari kullanildiginda, isin kontrolü zorlasabilmektedir çünkü izlenmesi beklenen yol dogrultusu disinda ilerleyen lR isinlar rastgele yansimalar sonucu daha fazla enerji kaybina ugrayacaktir. Bunun yaninda tasarimlarda isinlari odaklamak amaciyla kullanilan aynalar sensör maliyetini artirmaktadir. Benzer sekilde optik yolu uzatmak amaciyla yapilan diger çalismalar US 9.297,758 bir kapsül içinde gömülü bulunan optik yol tasarimlari yapilmistir. Bu patentlerde optik yolu uzatabilmek ve kizilötesi radyasyon kaynagindan saçilan isinlari dedektöre yönlendirmek amaciyla daha karmasik tasarimlar yapilmistir. Bu sekilde tasarlanmis optik yol tasarimlari optik yolu uzattigindan sensör hassasiyetini artirmaktadir. Bu tasarimlardaki silindirik kapsül içinde bulunan optik yol tasarimlari üretimde zorluklar çikarabilmektedir. Karmasik tasarim ve kapsül küçüklügü üretimin oldukça hassas sekilde yapilmasi gerekliligini artirdigi için, üretim maliyetini de artirmaktadir. Bunun yaninda, NDlR sensör kapsülü tasarimlarinda yüzeyin yansiticiligi oldukça önemlidir. Bu yüzden kapsül üretimi gerçeklestirildikten sonra kapsül malzemesine bagli olarak, parlatma, kaplama vb. islemlerin uygulanmasi gerekmektedir. Özellikle kaplama islemi gerektiren tasarimlarda, optik yol bu sekilde silindirik bir kapsül içine gömülü olarak tasarlandiginda, kaplamanin tüm yüzeylerde esit olmamasi, bazi yüzeylerin pürüzlü olmasi gibi sorunlarla karsilasilabilmektedir. Yukarida bahsi geçen ve mevcut NDlR gaz sensörü için yapilmis optik yol ya da gaz odacigi olarak adlandirilan bu tasarimlarda göz ardi edilen bir diger nokta gaz giris-çikis deliklerinin geometrik seklinin, büyüklügünün ve sayisinin gaz akisina etkileridir. Gaz giris-çikis deliklerinin toplam yüzey alani arttikça kapsül disina kaçan lR isin miktari da artmaktadir. Ancak toplam delik yüzey alaninin küçük olmasi da hedef gazin sensör kapsülüne daha yavas difüze olmasina neden olmaktadir. Bu iki durum da ölçümdeki hassasiyeti, ölçüm hizini ve algilayiciya ulasan isik yogunlugunu etkileyen faktörlerdir. BULUSUN AÇIKLAMASI Mevcut bulus, NDlR gaz algilama için sabit, kompakt ve uzun bir optik yol olusturmaktadir. Bu bulus ile uzun bir optik yol saglanirken, üretim için oldukça basit bir yapi sunulmaktadir. Kizilötesi radyasyon kaynagindan saçilan isinlarin yönlendirilmesi ve dedektör üzerine odaklanmasi için, asiferik kenarlara ve yansitici yüzeylere sahip bir optik yol tasarimi gerçeklestirilmistir. Bulusta maliyeti yükseltmemesi için aynalardan yararlanilmamistir. Ancak yansiticiligi artirmak amaciyla altin kaplama tercih edilmistir. Ayna kullanilmadan kizilötesi radyasyon kaynagindan saçilan isinlarin yönlendirilmesi ve dedektör üzerine odaklanmasi için parabolik yansitici/odaklayici duvarlar tasarima uygun sekilde eklenmistir. Sensör kapsülü üretim sonrasi kaplama islemine maruz kalacagindan, kaplama islemini kolaylastirmak amaciyla optik yol gövdesi ve sensör kapsülü kapagi olacak sekilde iki parça seklinde tasarlanmistir. Optik yolun silindirik bir kapsül içine gömülü olmamasi kaplama islemini kolaylastirirken, yüzeylerin esit seviyede kaplanabilirligini artirmaktadir. Bu sayede yansiticilik her yüzeyde yaklasik olarak esit olacaktir. NDlR gaz sensörlerinde ölçümü etkileyen bir diger husus gaz hareketidir. Bu gaz ölçüm sistemlerinde, gazin difüzyon ile kapsül içine dolmasi ve bu sekilde konsantrasyonunun belirlenmesi gerekir. Dogru ve hizli konsantrasyon ölçümü için difüzyonun hizli gerçeklesmesi de önemli bir noktadir. Difüzyon hizi artiginda, dis ortam ile kapsül içindeki gaz konsantrasyonu hizli bir sekilde esitlenecek ve dengeye ulasacaktir. Difüzyonun gerçeklesmesi için sensör kapsülü üzerinde gaz giris-çikis delikleri bulunmasi gerekmektedir. Önceki tasarimlarda çogunlukla silindirik delik tercih edilmistir. Ancak delik yüzey alanlarinin büyüklügü, kapsül disina kaçan foton miktarini da degistirmektedir. Delik yüzey alanlari büyütüldügünde difüzyon hizi artarken, foton kaybi da artmaktadir. Bu durum algilayiciya ulasan isik yogunlugunun azalmasina ve buna bagli olarak ölçüm hassasiyetinin azalmasina sebep olmaktadir. Mevcut bulusta hem difüzyon hizini kolayca artirmak, hem de foton kaybi miktarini minimize etmek amaciyla gaz giris-çikis delikleri yakinsak nozul tipinde tasarlanmistir. Yakinsak nozullar geometrik yapilari sayesinde (disardan içeriye dogru daralan) kapsül içi ile dis ortam arasindaki basinç farkini yüksek tutarak gazin difüzyon hizini artirmaktadir. Böylece dis ortam ile kapsül içindeki gaz konsantrasyonu daha hizli esitlenecek, sensörün dogru konsantrasyon ölçüm süresi kisalacaktir. Ayni zamanda sensör kapsülü disina kaçan isin miktari da minimum seviyede tutulabilecektir. Böylece kizilötesi algilayiciya ulasan isik yogunlugu da artacaktir. Tasarimda optik yol geometrisinin ve gaz giris-çikis noktalarinin konumlarinin sabitlenmesi amaciyla optik yol gövdesi ile sensör kapsülü kapagi, bir birlesim noktasina sahiptir. Optik sensör kapsülü gaz difüzyon hizini artirirken enerji kaybini minimum seviyede tutmak için yakinsal nozul geometrisine sahip gaz giris-çikis delik takimina sahiptir. Yansiticiligi artirmak amaciyla altin kaplama islemine tabi tutulan sensör kapsülü ile lR radyasyon kaynagindan saçilan isinlarin optik oda içerisinde yansimalar yaparken daha az enerji kaybina ugramasi saglanmaktadir. Böylece uzun bir optik yol sunulurken, algilayiciya ulasan isik yogunlugu da algilayicinin dogru ve hassas ölçüm alabilmesi için yeterli seviyede tutulmaktadir. Kizilötesi radyasyon kaynagindan saçilan isinlari yönlendirmek ve algilayici üzerine odaklayabilmek için parabolik yansitici/odaklayici duvarlar kullanilmistir. Böylece tasarimda ayna kullanimi gerekliligi kalmamis ve daha ekonomik bir tasarim elde edilmistir. Elektronik kart üzerindeki algilayici ve kizilötesi radyasyon kaynagi konumu önemli oldugundan hem onlarin konumlarinin sabit tutulmasi hem de elektronik kart ile sensör kapsülü montajinin kolaylasmasi amaciyla optik yol tabaninda iki adet elektronik kart sabitleme ayagi bulunmaktadir. Birçok gaz ölçüm sistemine uyarlanabilirligini kolaylastirmak amaciyla elektronik kart üzerine kizilötesi radyasyon kaynagi ve kizilötesi algilayici çikislarini gösteren 7 adet pin yerlestirilmistir. Basvuru konusu bulusta, yansitma orani yüksek yüzeyler elde etmek için sensör kapsülüne altin kaplama islemi uygulanmistir. Ayni yansiticilik orani daha ekonomik malzeme ya da kaplama türleriyle de elde edilebilir. Sekillerin Açiklamasi Sekil 1. Tasarlanmis optik gaz sensörünün iç detayini gösteren sematik görünümü Sekil 2. Optik gaz sensörünün üst kapagi çikarilmis üst görünümü Sekil 3. Yan kesit görünümü Sekil 4. Optik gaz sensörünün demonte görünümü Sekil 5. Optik gaz sensörünün üst kapagi çikarilmis perspektif görünümü Sekil 6. Optik gaz sensörünün üst kapagi ve elektronik karti çikarilmis perspektif görünümü Sekil 7. Optik gaz sensörünün elektronik karti çikarilmis demonte görünümü Sekil 8. Optik gaz sensörünün monte perspektif görünümü Sekil 9. Optik gaz sensörüne ait elektronik kartin alt görünümü Referans Listesi 1 Sensör kapsülü kapagi 3 Kizilötesi algilayici 3a Kizilötesi algilayici referans kanali 3b Kizilötesi algilayici ölçüm (aktif) kanali 4 Çevresel yol 6 Optik yol gövdesi 7 Küçük parabolik yansitici/odaklayici duvar 8 Büyük parabolik yansitici/odaklayici duvar 9 Parabolik yansitici/odaklayici duvar Optik yol 10a Ana çevresel optik yol 1% Radyal optik yol 11 Elektronik kart sabitleme ayaklari 12 Kizilötesi algilayici yuvasi 13 Kapsül kapagi sabitleme yuvasi 14 Optik yol gövdesi sabitleme çikintisi Elektronik kart pinleri 16 Kizilötesi radyasyon kaynagi yuvasi 17 Kizilötesi algilayici sabitleme duvari 18 Kizilötesi algilayici baglanti noktalari 19 Elektronik kart Iç çevresel duvar 21 Elektronik kart sabitleme yuvasi 22 Optik yol gövdesi/elektronik kart sabitleme delikleri 23 Kizilötesi radyasyon kaynagi baglanti noktalari BU LUSUN DETAYLI AÇIKLAMASI Bu detayli açiklamada, bulus konusu yakinsak nozullar ile tasarlanmis optik gaz sensörü tercih edilen alternatifleri, sadece konunun daha iyi anlasilmasina yönelik olarak ve hiçbir sinirlayici etki olusturmayacak sekilde açiklanmaktadir. Basvuru konusu bulusun tasariminda termofil algilayici ve lR akkor lamba kullanilmaktadir. Yanit süresi, hassasiyet vb. performans kriterlerini daha da iyilestirmek için farkli radyasyon kaynaklari ve algilayicilar kullanilabilir. Sensör kapsülü kapagi; Optik yolu ve elektronik karti çevreleyerek yansitici duvarlariyla, isinlarin yansimalarla algilayici dogrultusunda ilerlemesini saglar. Kizilötesi radyasyon kaynagi; Kizilötesi bantta ölçüm için gerekli dalga boyunda radyasyon yayilimi yapar. Kizilötesi algilayici; Üzerine düsen radyasyon yogunluguna bagli olarak elektriksel çikti üretir. Kizilötesi algilayici referans kanali; Ölçülen gaza duyarli olmayan algilayici elemanidir. Kizilötesi algilayici ölçüm (aktif) kanali; Ölçülen gaza duyarli olarak ölçüm alan algilayici elemanidir. Çevresel yol; Kizilötesi radyasyon kaynagindan saçilan isinlarin yol aldigi ve gaz numunesi bulunduran çevresel yoldur. Gaz giris-çikis delik takimi; Gaz difüzyonunun yakinsak nozul geometrisinden faydalanilarak hizli gerçeklesmesini saglarken kapsül disina kaçan isinlardan kaynaklanan enerji kaybini minimum seviyede tutacak sekilde tasarlanmis delik takimidir. Optik yol gövdesi; Kizilötesi algilayiciyi içine alarak konumunu sabitleyen iç silindirik duvardir. Küçük parabolik yansitici/odaklayici duvar; Üzerine düsen isinlari gelis açisina bagli olarak algilayiciya ya da karsisindaki parabolik odaklayici üzerine yönlendirecek sekilde tasarlanmis duvar. Büyük parabolik yansitici/odaklayici duvar; Gelen isinlari algilayici kanallari üzerine odaklayacak sekilde tasarlanmis parabolik odaklayici duvar. Parabolik yansitici/odaklayici duvar; Radyasyon kaynagindan ters tarafa saçilan isinlari ana yola yansitacak sekilde tasarlanmis parabolik duvar. Optik yol; Radyasyon kaynagindan saçilan isinlarin algilayiciya ulasmasini saglayacak sekilde tasarlanmis uzun optik yoldur. Ana çevresel optik yol; Radyasyon kaynagindan saçilan isinlarin, parabolik odaklayiciya ulasmasini saglayacak sekilde tasarlanmis optik yol kismidir. Radyal optik yol; Parabolik odaklayiciya ulasan isinlarin, yansiyarak algilayiciya ulasmasini saglayacak sekilde tasarlanmis optik yol kismidir. Elektronik kart sabitleme ayaklari; Optik yol ile PCB kartinin birleserek birbirine sabitlenmesini saglayan ayak çiftidir. Kizilötesi algilayici yuvasi; Algilayicinin rahatça yerlestirilebilecegi ve PCB baglantilarinin yapilabilecegi sekilde tasarlanmis iç odaciktir. Kapsül kapagi sabitleme yuvasi; Optik yol geometrisinin sabit kalmasini saglayacak sekilde, optik yol ile kapsül kapaginin dogru pozisyonda kolayca birlesmesini saglamak amaciyla tasarlanmis birlesim noktasidir. Optik yol gövdesi sabitleme çikintisi; Kapsül kapagi ile optik yol geometrisinin sabit tutulmasi için iki parçanin dogru pozisyonda birlesmesini saglamak amaciyla optik yolda bulunan girintiye kolayca yerlesecek sekilde tasarlanmis çikinti. Elektronik kart pinleri; Sensörün okuma devresine baglanmasini saglamak için kullanilan baglanti pinleridir. Kizilötesi radyasyon kaynagi yuvasi; Arkasinda bulunan parabolik yansitici/odaklayici duvarin odak noktasina merkezli, kaynagin konumunu belirten ve optik kapsül içine yerlesmesini saglayan yuva. Kizilötesi algilayici sabitleme duvari; Algilayicinin optik kapsül içine yerleserek parabolik odaklayiciya göre dogru pozisyonda konumlanmasini saglayan yuva. Kizilötesi algilayici baglanti noktalari; Algilayicinin pozisyonuna göre konumlandirilmis elektronik kart baglanti noktalaridir. Elektronik kart; Algilayici ve radyasyon kaynagi pozisyonlara uygun olarak tasarlanmis PCB kartidir. Iç çevresel duvar; Optik yansimalar ve kizilötesi algilayiciyi çevresel yoldan ayirmak için tasarlanmis duvardir. Elektronik kart sabitleme yuvasi; Elektronik kartin ve üzerindeki kizilötesi radyasyon kaynagi ile kizilötesi algilayicinin optik yol gövdesine dogru pozisyonda sabitlenmesini saglayan yuvadir. Optik yol gövdesi sabitleme delikleri; Elektronik kart ile optik yol gövdesinin birbirine sabitlemesini saglayan, elektronik kart üzerinde bulunan delik çiftidir. Kizilötesi radyasyon kaynagi baglanti noktalari; Kizilötesi radyasyon kaynaginin pozisyonuna göre konumlandirilmis elektronik kart baglanti noktalaridir. Bulus sabit geometriye sahip NDlR gaz sensörü olup; kizilötesi algilayici (3), kizilötesi radyasyon kaynagi (2), elektronik kart (19) optik yol gövdesi (6) ve sensör kapsülü kapagindan (1) olusmaktadir. Elektronik kart (19) üzerinde; kizilötesi radyasyon kaynagi (2) ile kizilötesi algilayici (3) baglantilari bulunmaktadir. Kizilötesi algilayici baglanti noktalari (18) elektronik kart üzerinde (19) kizilötesi algilayici yuvasina (12) uygun sekilde, kizilötesi radyasyon kaynagi baglanti noktalari (23) kizilötesi radyasyon kaynagi yuvasina (16) uygun sekilde konumlandirilmistir. Ayrica sensörün bir elektronik okuma devresine baglanarak kolayca çalistirilabilmesi için kizilötesi radyasyon kaynagi (2) ve kizilötesi algilayici (3) çikislarinin tanimlandigi 7 adet elektronik kart pinleri (15) elektronik kart (19) üzerinde bulunmaktadir. Optik yol gövdesi (6) üzerinde, kizilötesi radyasyon kaynagi (2) ile kizilötesi algilayici (3) konumlari sabittir. Kizilötesi radyasyon kaynagi (2) konumu, kizilötesi radyasyon kaynagi yuvasi (16) ile, kizilötesi algilayici (3) konumu, kizilötesi algilayici yuvasi (12) ile optik yol gövdesi (6) içerisinde sabitlenmistir. Kizilötesi algilayici (3), iç çevresel duvar (20) ile çevresel yoldan (4) ayrilmistir. Kizilötesi algilayici yuvasi (12) kisminda, kizilötesi algilayici sabitleme duvari da (17) bulunmaktadir. Kizilötesi algilayicinin (3) ön yüzü kizilötesi algilayici sabitleme duvarina (17) yerlestirilerek, kizilötesi algilayicinin (3) dogru sekilde konumlandirilmasini saglamaktadir. Ayni zamanda iç çevresel duvar (20), kizilötesi radyasyon kaynagindan (2) saçilan isinlar için yansitici duvar görevi de görmektedir. Optik yol gövdesinin (6) alt kisminda elektronik kart (19) ile optik yol gövdesinin (6) birbirine sabitlenmesi için 2 adet elektronik kart sabitleme ayagi (11) bulunmaktadir. Elektronik kart sabitleme ayaklari (11), elektronik kart (19) üzerinde bulunan optik yol gövdesi sabitleme delikleri (22) içine yerlestirilerek iki parçanin birbirine sabitlenmesini saglamaktadir. Sensör kapsülü kapagi (1), optik yol gövdesi (6) ile elektronik karti (19) içine alarak etrafini saran bir yapiya sahiptir. Sensör kapsülü kapagi (1) üzerinde sensör kapsülü içine gaz giris ve çikisinin gerçeklesmesi için tasarlanmis gaz giris-çikis delik takimi (5) bulunmaktadir. Gaz giris-çikis delik takimi (5) yakinsak nozul (disardan içeriye dogru daralan) geometrisine sahiptir. Bu geometrik yapi sayesinde gaz difüzyon hizinin arttirilmasi saglanirken, kapsül disina kaçan isin miktari minimum seviyede tutulmaktadir. Optik yol gövdesinin (6) pozisyonunu sensör kapsülü kapagi (1) içinde, gaz giris-çikis delik takiminin (5) pozisyonlarina göre sabitlemek için sensör kapsülü kapaginin iç kismina optik yol gövdesi sabitleme çikintisi (14) eklenmistir. Ayni sekilde bu çikintinin yerlesecegi sensör kapsülü kapagi sabitleme yuvasi (13) optik yol gövdesi (6) üzerinde bulunmaktadir. Elektronik kart (19) üzerinde de elektronik kart sabitleme yuvasi (21) bulunmaktadir. Elektronik kart sabitleme yuvasi (21) sayesinde elektronik kartin (19) optik yol gövdesine (6) dogru pozisyonda, kizilötesi algilayici (3) ile kizilötesi radyasyon kaynaginin (2) konumlarinin sabitlenerek, yerlestirilmesini saglamaktadir. Monte sensör kapsülü içerisinde, kizilötesi radyasyon kaynagi (2) 3600 isima yapabilen bir radyasyon kaynagidir. Bu yüzden rasgele saçilimlari önlemek ve kizilötesi algilayiciya (3) iletilen isima oranini arttirmak amaciyla kizilötesi radyasyon kaynagi yuvasinin (16) arkasina parabolik yansitici/odaklayici duvar (9) yerlestirilmistir. Kizilötesi radyasyon kaynagi yuvasi (16), parabolik yansitici/odaklayici duvarin (9) odak noktasina merkezlenmistir. Böylece kizilötesi radyasyon kaynaginin (2) merkezi de ayni noktaya sabitlenmistir. Kizilötesi radyasyon kaynagindan (2) saçilan isinlar optik yolu (10) takip ederek, ilk etapta genel optik yol (10a) boyunca ilerler. Genel optik yolun (10a) sonunda büyük parabolik yansitici/odaklayici duvar (8) bulunmaktadir. Büyük parabolik yansitici/odaklayici duvar (8) parabolik odaklayici gibi davranmaktadir. Büyük parabolik yansitici/odaklayici duvara (8) ulasan isinlarin büyük çogunlugu, bu yüzeyden yansiyarak radyal optik yol (1%) boyunca ilerler ve kizilötesi algilayici kanallari (3a,3b) üzerine odaklanir. Kizilötesi radyasyon kaynagindan (2) saçilan isinlarin bir miktari ise büyük parabolik yansitici/odaklayici duvardan (8) yansiyarak küçük parabolik yansitici/odaklayici duvar (7) üzerine yönlendirilmektedir. Küçük parabolik yansitici/odaklayici duvar (7) bu isinlarin da kizilötesi algilayici (3) üzerine yönlendirilmesini saglamaktadir. Kizilötesi algilayici (3), referans kanali (3a) ve ölçüm kanali (3b) olmak üzere iki kanala sahiptir. Referans kanali (3a) ölçülen gaza duyarli olmayan kizilötesi algilayici (3a) kanalidir. Referans kanali (3a), ölçüm kanali (3b) ile es zamanli ölçüm alarak, çevresel faktörlerden kaynakli yanlis ölçüm alinmasini önlemektedir. Ölçüm kanali (3b) ölçülen gaza duyarli olan kizilötesi algilayici kanalidir. Kizilötesi radyasyon kaynagindan (2) saçilan isinlar, çevresel yol (4) içerisinde hedef gaz bulunmasi durumunda, gaz molekülleri ile etkileserek emilime ugrar. Bu olay sonucunda kizilötesi algilayicinin (3) ölçüm kanalina (3b) ulasan radyasyon yogunlugunda degisim meydana gelir. Hedef gaz varligina bagli olarak radyasyon yogunlugunda meydana gelen bu degisime göre kizilötesi algilayici (3) bir elektrik sinyali üretir. Böylece ortamdaki hedef gazin konsantrasyonu ölçülür. TR TR DESCRIPTION OPTICAL GAS SENSOR DESIGNED WITH CONVERGENT NOZZLES TECHNICAL FIELD This invention relates to gas concentration measurement by non-dispersive infrared. More specifically, it concerns an optical gas sensor designed with converging nozzles that detects gas concentration by monitoring the absorption of radiation emitted by a source emitting electromagnetic radiation in the infrared spectrum by a gas sample as it travels through a chamber containing a gas sample. BACKGROUND ART Today, there are many optical gas sensors designed to detect a particular gas and measure the gas concentration by using infrared radiation. These gas sensors are divided into two according to their purpose: dispersive infrared (DlR) gas detection and non-dispersive infrared (NDlR) gas detection. The aim of dispersive infrared gas detection systems is to determine the identity of a gas. Radiation emitted from a source with an infrared spectrum is first passed through the gas sample and this radiation is distributed into the spectrum with the help of a prism or filter. It then reaches a sensor. This method is generally used in gas spectrometers. In non-dispersive infrared (NDlR) gas detection systems, the purpose is to measure the concentration of a gas whose identity is known. This system generally consists of an infrared radiation source, an infrared sensor, and a gas sample chamber. NDlR gas sensors detect the attenuation of radiation based on the principle that the target gas absorbs infrared (IR) radiation. The degree of attenuation is a function of the absorption coefficient of the target gas, the optical path length of the IR radiation between the optical source and the detector, the concentration of the target gas present along that optical path, and the wavelength of the electromagnetic radiation. The relationship between these parameters is explained by the 8eer-Lambert law. The gas sample chamber is the part where the gas sample is located, and it is also called the optical path since it is the part where the rays scattered from the IR radiation source travel. When the optical path length is increased, the length at which the rays scattered from the IR radiation source can interact with the gas before reaching the detector can be increased. Thus, the sensitivity of the measurement increases. To increase sensitivity, some designs to create a long optical path are designed as a tube in US sensors. The infrared radiation source and infrared sensors are placed at the ends of the tube. However, one of the disadvantages of these sensors is that they are quite large and take up a lot of space. In order to reduce sensor sizes, optical chambers with different designs embedded in a cylindrical capsule were developed in subsequent studies. Some technical solutions to make the sensor more compact and reduce its size: The rays scattered from the US infrared radiation source are directed onto the sensor with the help of mirrors. In these designs, linearly emitting infrared radiation sources should be preferred to increase the light intensity reaching the sensor. When radiation sources that emit 360°, such as an lR incandescent lamp, are used, beam control may become difficult because lR beams traveling outside the expected path will lose more energy as a result of random reflections. In addition, mirrors used in designs to focus the rays increase the cost of the sensor. Similarly, other studies conducted to extend the optical path included optical path designs embedded in a US 9,297,758 capsule. In these patents, more complex designs were made in order to extend the optical path and direct the rays scattered from the infrared radiation source to the detector. Optical path designs designed in this way increase sensor sensitivity as they extend the optical path. The optical path designs in the cylindrical capsule in these designs may cause difficulties in production. Since the complex design and the small size of the capsule increase the need for very precise production, it also increases the production cost. In addition, the reflectivity of the surface is very important in NDlR sensor capsule designs. Therefore, after the capsule production is carried out, depending on the capsule material, polishing, coating, etc. procedures need to be implemented. Especially in designs that require coating, when the optical path is designed to be embedded in a cylindrical capsule, problems such as the coating not being equal on all surfaces and some surfaces being rough may be encountered. Another point ignored in these designs mentioned above, called the optical path or gas chamber made for the existing NDlR gas sensor, is the effects of the geometric shape, size and number of gas inlet-outlet holes on the gas flow. As the total surface area of the gas entry-exit holes increases, the amount of IR heat escaping outside the capsule also increases. However, the small total hole surface area causes the target gas to diffuse more slowly into the sensor capsule. These two situations are factors that affect the sensitivity in measurement, measurement speed and light intensity reaching the sensor. DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention creates a stable, compact and long optical path for NDlR gas detection. This invention provides a long optical path and a very simple structure for production. An optical path with aspherical edges and reflective surfaces was designed to direct the rays scattered from the infrared radiation source and focus them on the detector. Mirrors were not used in the invention in order not to increase the cost. However, gold plating was preferred to increase reflectivity. Parabolic reflective/focusing walls have been appropriately added to the design to direct the rays scattered from the infrared radiation source and focus them on the detector without using a mirror. Since the sensor capsule will be subjected to the coating process after production, it is designed in two parts: the optical path body and the sensor capsule cover, in order to facilitate the coating process. The fact that the optical path is not embedded in a cylindrical capsule simplifies the coating process and increases the even coating ability of the surfaces. In this way, reflectivity will be approximately equal on every surface. Another issue that affects measurement in NDlR gas sensors is gas movement. In these gas measurement systems, the gas must be filled into the capsule by diffusion and its concentration must be determined in this way. Fast diffusion is also an important point for accurate and fast concentration measurement. When the diffusion rate increases, the gas concentration in the external environment and the capsule will quickly equalize and reach equilibrium. In order for diffusion to occur, there must be gas inlet and outlet holes on the sensor capsule. In previous designs, cylindrical holes were mostly preferred. However, the size of the hole surface areas also changes the amount of photons escaping outside the capsule. As the hole surface areas are enlarged, the diffusion rate increases and photon loss also increases. This causes the light intensity reaching the sensor to decrease and, accordingly, the measurement sensitivity to decrease. In the present invention, the gas inlet and outlet holes are designed as a convergent nozzle type in order to easily increase the diffusion rate and minimize the amount of photon loss. Convergent nozzles, thanks to their geometric structure (narrowing from outside to inside), increase the diffusion rate of the gas by keeping the pressure difference between the inside of the capsule and the outside environment high. Thus, the gas concentration in the external environment and the capsule will equalize faster, and the correct concentration measurement time of the sensor will be shortened. At the same time, the amount of light escaping outside the sensor capsule can be kept to a minimum. Thus, the light intensity reaching the infrared sensor will increase. In the design, the optical path body and the sensor capsule cover have a junction point in order to fix the optical path geometry and the positions of the gas entry-exit points. The optical sensor capsule has a gas inlet-outlet hole set with proximal nozzle geometry to increase the gas diffusion rate while keeping energy loss to a minimum. With the sensor capsule subjected to gold plating in order to increase reflectivity, the rays scattered from the IR radiation source suffer less energy loss while reflecting in the optical chamber. Thus, while a long optical path is provided, the light intensity reaching the sensor is kept at a sufficient level for the sensor to take accurate and sensitive measurements. Parabolic reflecting/focusing walls were used to direct the rays scattered from the infrared radiation source and focus them on the sensor. Thus, there is no need to use mirrors in the design and a more economical design is achieved. Since the position of the sensor and infrared radiation source on the electronic card is important, there are two electronic card fixing feet on the optical path base in order to keep their positions constant and to facilitate the assembly of the electronic card and sensor capsule. In order to facilitate its adaptability to many gas measurement systems, 7 pins indicating the infrared radiation source and infrared sensor outputs are placed on the electronic card. In the invention subject to the application, gold plating was applied to the sensor capsule to obtain surfaces with high reflection rates. The same reflectivity rate can also be achieved with more economical materials or coating types. Explanation of Figures Figure 1. Schematic view of the designed optical gas sensor showing its internal details Figure 2. Top view of the optical gas sensor with its top cover removed Figure 3. Side section view Figure 4. Disassembled view of the optical gas sensor Figure 5. Perspective view of the optical gas sensor with its top cover removed Figure 6. Perspective view of the optical gas sensor with its top cover and electronic board removed Figure 7. Disassembled view of the optical gas sensor with its electronic board removed Figure 8. Mounted perspective view of the optical gas sensor Figure 9. Bottom view of the electronic board of the optical gas sensor Reference List 1 Sensor capsule cover 3 Infrared sensor 3a Infrared sensor reference channel 3b Infrared sensor measurement (active) channel 4 Peripheral path 6 Optical path body 7 Small parabolic reflecting/focusing wall 8 Large parabolic reflecting/focusing wall 9 Parabolic reflecting/focusing wall Optical path 10a Main peripheral optics path 1% Radial optical path 11 Electronic card fixing feet 12 Infrared sensor slot 13 Capsule cover fixing slot 14 Optical path body fixing protrusion Electronic card pins 16 Infrared radiation source slot 17 Infrared sensor fixing wall 18 Infrared sensor ports 19 Electronic board Inner peripheral wall 21 Electronic card fixing slot 22 Optical bus body/electronic card fixing holes 23 Infrared radiation source connection points DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION In this detailed description, the preferred alternatives of the optical gas sensor designed with converging nozzles, which are the subject of the invention, are presented only for a better understanding of the subject and without any It is explained in a way that does not create a limiting effect. Thermophile sensor and IR incandescent lamp are used in the design of the invention subject to the application. Response time, sensitivity, etc. Different radiation sources and sensors can be used to further improve performance criteria. Sensor capsule cover; It surrounds the optical path and the electronic card, and with its reflective walls, allows the rays to progress in the direction of the sensor through reflections. Infrared radiation source; It emits radiation at the wavelength required for measurement in the infrared band. Infrared sensor; It produces electrical output depending on the radiation intensity falling on it. Infrared sensor reference channel; It is a sensor element that is not sensitive to the measured gas. Infrared sensor measurement (active) channel; It is a sensor element that takes measurements sensitively to the measured gas. Peripheral road; It is the environmental path along which the rays scattered from the infrared radiation source travel and contains a gas sample. Gas inlet-outlet hole set; It is a hole set designed to ensure rapid gas diffusion by utilizing the convergent nozzle geometry, while keeping the energy loss resulting from the rays escaping outside the capsule to a minimum. Optical path body; It is the inner cylindrical wall that encloses the infrared sensor and fixes its position. Small parabolic reflecting/focusing wall; A wall designed to direct the rays falling on it to the sensor or to the parabolic focuser opposite it, depending on the angle of incidence. Large parabolic reflecting/focusing wall; Parabolic focusing wall designed to focus incoming rays onto sensor channels. Parabolic reflecting/focusing wall; Parabolic wall designed to reflect the rays scattered from the radiation source to the opposite side to the main road. Optical path; It is a long optical path designed to allow the rays scattered from the radiation source to reach the sensor. Main peripheral optical path; It is the optical path part designed to ensure that the rays scattered from the radiation source reach the parabolic focuser. Radial optical path; It is the optical path part designed to ensure that the rays reaching the parabolic focuser are reflected and reach the sensor. Electronic card fixing feet; It is the pair of feet that allows the optical path and the PCB board to be combined and fixed together. Infrared sensor slot; It is an inner chamber designed to allow the sensor to be placed easily and PCB connections to be made. Capsule cover fixing slot; It is the junction point designed to ensure that the optical path and the capsule cover easily meet in the correct position, ensuring that the optical path geometry remains constant. Optical path body fixing protrusion; A protrusion designed to easily fit into the recess in the optical path in order to ensure that the two parts come together in the correct position to keep the capsule cover and optical path geometry constant. Electronic card pins; These are the connection pins used to connect the sensor to the reading circuit. Infrared radiation source housing; The slot centered on the focal point of the parabolic reflector/focus wall behind it, indicating the position of the source and allowing it to be placed in the optical capsule. Infrared sensor fixing wall; The slot that allows the sensor to be placed in the optical capsule and positioned in the correct position relative to the parabolic focuser. Infrared sensor ports; These are electronic card ports positioned according to the position of the sensor. Electronic card; It is a PCB card designed to suit the sensor and radiation source positions. Inner perimeter wall; It is a wall designed to separate optical reflections and the infrared sensor from the environmental path. Electronic card fixing slot; It is the slot that allows the electronic card and the infrared radiation source and infrared sensor to be fixed to the optical path body in the correct position. Optical path body fixing holes; It is the pair of holes on the electronic card that allows the electronic card and the optical path body to be fixed together. Infrared radiation source ports; These are electronic card ports positioned according to the position of the infrared radiation source. The invention is an NDlR gas sensor with fixed geometry; It consists of infrared sensor (3), infrared radiation source (2), electronic card (19), optical path body (6) and sensor capsule cover (1). On the electronic card (19); There are connections between the infrared radiation source (2) and the infrared sensor (3). Infrared sensor ports (18) are positioned in accordance with the infrared sensor slot (12) on the electronic card (19), and infrared radiation source ports (23) are positioned in accordance with the infrared radiation source slot (16). In addition, there are 7 electronic card pins (15) on the electronic card (19), where the infrared radiation source (2) and infrared sensor (3) outputs are defined, so that the sensor can be easily operated by connecting it to an electronic reading circuit. The positions of the infrared radiation source (2) and the infrared sensor (3) are fixed on the optical path body (6). The position of the infrared radiation source (2) is fixed within the optical path body (6) by the infrared radiation source slot (16), and the position of the infrared sensor (3) is fixed within the optical path body (6) by the infrared sensor slot (12). The infrared sensor (3) is separated from the environmental path (4) by the inner environmental wall (20). There is also an infrared sensor fixing wall (17) in the infrared sensor housing (12). The front face of the infrared sensor (3) is placed on the infrared sensor fixing wall (17), ensuring the correct positioning of the infrared sensor (3). At the same time, the inner peripheral wall (20) also serves as a reflecting wall for the rays scattered from the infrared radiation source (2). There are 2 electronic card fixing feet (11) at the bottom of the optical path body (6) to fix the electronic card (19) and the optical path body (6) to each other. The electronic card fixing feet (11) are placed into the optical path body fixing holes (22) on the electronic card (19) and ensure that the two parts are fixed to each other. The sensor capsule cover (1) has a structure that surrounds the optical path body (6) and the electronic card (19). There is a gas inlet-outlet hole set (5) on the sensor capsule cover (1) designed to allow gas entry and exit into the sensor capsule. The gas inlet-outlet hole set (5) has a convergent nozzle (narrowing from outside to inside) geometry. Thanks to this geometric structure, the gas diffusion rate is increased while the amount of heat escaping outside the capsule is kept at a minimum level. In order to fix the position of the optical path body (6) within the sensor capsule cover (1) according to the positions of the gas inlet-outlet hole set (5), an optical path body fixing protrusion (14) has been added to the interior of the sensor capsule cover. Likewise, the sensor capsule cover fixing slot (13) where this protrusion will be located is located on the optical path body (6). There is also an electronic card fixing slot (21) on the electronic card (19). Thanks to the electronic card fixing slot (21), it ensures that the electronic card (19) is placed on the optical path body (6) in the correct position, by fixing the positions of the infrared sensor (3) and the infrared radiation source (2). Inside the mounted sensor capsule, the infrared radiation source (2) is a radiation source capable of 3600 radiation. Therefore, a parabolic reflector/focusing wall (9) is placed behind the infrared radiation source housing (16) in order to prevent random scattering and to increase the rate of radiation transmitted to the infrared sensor (3). The infrared radiation source slot (16) is centered at the focal point of the parabolic reflecting/focusing wall (9). Thus, the center of the infrared radiation source (2) is fixed at the same point. The rays scattered from the infrared radiation source (2) follow the optical path (10) and initially proceed along the general optical path (10a). There is a large parabolic reflecting/focusing wall (8) at the end of the general optical path (10a). The large parabolic reflector/focusing wall (8) acts as a parabolic focuser. The majority of the rays reaching the large parabolic reflector/focus wall (8) are reflected from this surface, travel along the radial optical path (1%) and focus on the infrared sensor channels (3a, 3b). Some of the rays scattered from the infrared radiation source (2) are reflected from the large parabolic reflector/focus wall (8) and directed onto the small parabolic reflector/focus wall (7). The small parabolic reflecting/focusing wall (7) ensures that these rays are directed onto the infrared sensor (3). The infrared sensor (3) has two channels: reference channel (3a) and measurement channel (3b). The reference channel (3a) is the infrared sensor (3a) channel, which is not sensitive to the measured gas. The reference channel (3a) takes simultaneous measurements with the measurement channel (3b), preventing incorrect measurements due to environmental factors. The measurement channel (3b) is the infrared sensor channel that is sensitive to the measured gas. The rays scattered from the infrared radiation source (2) interact with the gas molecules and are absorbed if there is a target gas in the environmental path (4). As a result of this event, a change occurs in the radiation intensity reaching the measurement channel (3b) of the infrared sensor (3). According to this change in radiation intensity depending on the presence of the target gas, the infrared sensor (3) produces an electrical signal. Thus, the concentration of the target gas in the environment is measured.TR TR
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
TR2023005762U5 true TR2023005762U5 (en) | 2023-06-21 |
Family
ID=
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7488942B2 (en) | Gas sensors | |
US6124937A (en) | Method and device for combined absorption and reflectance spectroscopy | |
EP1972923B1 (en) | Optical absorption gas sensor | |
CN107991250B (en) | Measurement cell and gas analysis device | |
US8742370B2 (en) | Gas sensor | |
US9001331B2 (en) | Arrangement adapted for spectral analysis of high concentrations of gas | |
CN107345904B (en) | Method and device for detecting gas concentration based on optical absorption and interferometry | |
EP3532823B1 (en) | Gas detector system with ring reflector | |
ZA200409627B (en) | Gas sensors | |
JP5695301B2 (en) | Multipass cell and gas meter | |
KR100732708B1 (en) | Non-dispersive infrared gas sensor with sub-reflector | |
HU188795B (en) | Detecting arrangement for meassuring the intensity of radiation scattering at a given angle from a sample exposed to radiation of given angle of incidence | |
US10025077B2 (en) | Device for measuring solution concentration | |
TR2023005762U5 (en) | OPTICAL GAS SENSOR DESIGNED WITH CONVERGENT NOZZLES | |
US20180120223A1 (en) | Planar reflective ring | |
TWI344542B (en) | ||
US20230236115A1 (en) | Optical absorption spectrometer | |
KR20200103482A (en) | Multi gas sensing apparatus | |
JP3126759B2 (en) | Optical analyzer | |
KR101760031B1 (en) | Optical gas sensor with the improvement of sensitivity and reliability | |
CN111537454B (en) | Comprehensive detection method based on multiple reflection and attenuated total reflection | |
CN211122535U (en) | Fluorescence detector | |
JP7033777B2 (en) | Optical sensor chip and optical gas sensor | |
JP7180760B2 (en) | Flow cells for chromatography detectors and chromatography detectors | |
JPH04110750A (en) | Liquid flow-cell for infrared spectral photometer |