UA122920C2 - Оптоелектронний сенсор - Google Patents

Abstract

Винахід належить до аналітичного приладобудування і може бути застосований при розробці стаціонарних та малогабаритних інфрачервоних газоаналізаторів для виміру концентрацій газів. Оптоелектронний сенсор містить кювету у вигляді інтегруючої сфери, внутрішня поверхня якої дифузно розсіює світло, розміщені всередині кювети світлорозсіюючий екран і активні елементи випромінювання, які здатні випромінювати в максимумах на довжинах хвиль узгоджених з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу, та фотоприймач. Cвітлорозсіюючий екран містить з обох сторін щонайменше по два активні елементи випромінювання та активний елемент фотоприймача, які знаходиться в безпосередньому контакті з оптичними покриттями. Активні елементи випромінювання, які розміщені на одній із сторін світлорозсіюючого екрана, та активний елемент фотоприймача, який розміщений із іншої його сторони, здатні активуватися одночасно та здатні працювати з однаковою або різною періодичністю та тривалістю часу. Запропонований оптоелектронний сенсор дозволяє вимірювати концентрації аналізованих газів із заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні температур з підвищеною надійністю.

Description

Винахід належить до сфери аналітичного приладобудування і може бути застосований при розробці стаціонарних та малогабаритних інфрачервоних газоаналізаторів для виміру концентрацій найбільш поширених забруднюючих атмосферу газів, які є в складі відпрацьованих газів транспортних засобів, промислових підприємств, енергетичних установок та виділяються при неповному згоранні палива у печі або каміні та на початковій стадії пожежі.

Метод інфрачервоної (ІЧ)-спектроскопії широко використовується на практиці для аналізу концентрацій у складі багатокомпонентних газових сумішей і є одними з найбільш точних і надійних. Наявність вузьких селективних смуг поглинання різної інтенсивності в середній ІЧ- області спектра, характерних для метану, окису й двоокису вуглецю, окисів сірки й азоту, дозволяє вибирати оптимальні умови виміру їх концентрацій, а також розробити оптоелектронну елементну базу й прилади газового аналізу з високими селективними можливостями. Використання напівпровідникових джерел і детекторів ІЧ-випромінювання на область спектра 2,5-5,0 мкм, які працюють при кімнатних температурах, дозволяє істотно підвищити чутливість, селективність, швидкодію і надійність багатофункціональних приладів газового аналізу та значно зменшити габарити й матеріалоємність.

Відомий інфрачервоний датчик газу (|, що містить інфрачервоний випромінювач, інфрачервоний детектор і вимірювальну кювету. Оптичні осі випромінювача й детектора перебувають в одному напрямку. Інфрачервоне випромінювання відхиляється за допомогою сферичної або параболічної поверхні на 90 градусів у вигляді паралельного світлового пучка в напрямку оптичної осі детектора й фокусується на детекторі за допомогою додаткової сферичної або параболічної поверхні, у фокусах яких знаходяться випромінювач і детектор. Усі поверхні, що контактують із випромінюванням, покриті шаром речовини, що відбиває інфрачервоне випромінювання. Технічним результатом інфрачервоного датчика газу є створення компактного датчика, який підходить для встановлення на друкованій платі.

Недоліками цього інфрачервоного датчика газу є низька надійність, викликана невизначеністю реальної довжини оптичного шляху в кюветі за рахунок відбивання світлового потоку від сферичних або параболічних поверхонь та бокових стінок вимірювальної кювети й взаємного розташування випромінювача і детектора, розміщення отворів на поверхні вимірювальної кювети, що збільшує нерівномірність заповнення аналізованим газом і неповне

Зо використання світлового потоку при вимірюванні концентрації аналізованого газу, що приводить до зменшення чутливості та точності вимірів. Недоліком даного датчика є також низька температурна стабільність за рахунок рознесення в просторі випромінювача і детектора.

Відомий пристрій для оптичного аналізу газів (2), що містить щонайменше три увігнутих дзеркала з сферичною поверхнею, які розміщені з можливістю обертатися симетрично відносно центральної осі у вимірювальній камері. Світловий промінь від джерела випромінювання направлений на дзеркальну поверхню вимірювальної камери так, що його відбитий промінь фокусується в центрі другої поверхні дзеркала і розфокусованим знову фокусується на іншій дзеркальній поверхні та через вихідний отвір попадає на детектор випромінювання. Технічним результатом даного пристрою є створення компактного пристрою із невеликим об'ємом вимірювальної камери, коротким часом її продувки та збільшеною довжиною шляху оптичного поглинання.

Недоліками даного пристрою для оптичного аналізу газів є низька надійність, викликана наявністю сферичних дзеркальних поверхонь, що обертаються, та оптичних елементів поза вимірювальною камерою, зменшення чутливості й точності вимірів за рахунок нерівномірності розсіювання світлових потоків від сферичних дзеркальних поверхонь і неповного їх використання, нерівномірність заповнення вимірювальної кювети аналізованим газом та низька температурна стабільність вимірювань за рахунок рознесення в просторі джерела випромінювання і детектора.

Відомий газоаналізатор І|ЗЇ, що вибраний як прототип, який містить кювету у вигляді інтегруючої сфери, джерела випромінювання, які розміщені всередині кювети так, що їх випромінювання направлене в протилежну сторону по відношенню до приймача випромінювання, який знаходиться на корпусі інтегруючої сфери. Технічним результатом даного газоаналізатора є підвищення чутливості, точності та швидкодії газоаналізатора при вимірюванні концентрації різних газів, а також температурна стабілізація його роботи.

Недоліками даного газоаналізатора є взаємне розміщення джерела випромінювання, приймача випромінювання і світлорозсіюючого екрана, яке приводить до нерівномірності розсіювання випромінювання у різних частинах сфери та разом із наявністю додаткового отвору на корпусі кювети, у якому розміщений приймач випромінювання не дозволяє в повній мірі використати світловий потік і одержати рівномірний його розподіл всередині кювети, що бо зменшує чутливість й точність вимірів. Недоліком даного газоаналізатора є також низька температурна стабільність за рахунок рознесення в просторі джерел і приймача випромінювання.

В основу винаходу поставлена задача створити оптоелектронний сенсор, який дозволяє вимірювати концентрації аналізованих газів із заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні температур та підвищити його надійність.

Поставлена задача вирішується тим, що оптоелектронний сенсор містить кювету у вигляді інтегруючої сфери, внутрішня поверхня якої дифузно розсіює світло, розміщені всередині кювети світлорозсіюючий екран і активні елементи випромінювання, які здатні випромінювати в максимумах на довжинах хвиль узгоджених з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу та фотоприймач, світлорозсіюючий екран містить з обох сторін щонайменше по два активні елементи випромінювання та активний елемент фотоприймача, які знаходиться в безпосередньому контакті з оптичними покриттями із наперед заданим показником заломлення, причому активні елементи випромінювання, які розміщені на одній із сторін світлорозсіюючого екрана та активний елемент фотоприймача, який розміщений із іншої його сторони активуються одночасно та здатні працювати з однаковою або різною періодичністю та тривалістю часу.

Використання щонайменше по два активних елементи (АЕ) випромінювання, які знаходяться із різних сторін на світлорозсіюючому екрані, дозволяє отримати в різні моменти часу незалежні світлові потоки по всій поверхні інтегруючої сферичної кювети, що приводить до підвищення освітленості всередині кювети та забезпечення заданої точності й чутливості при вимірюванні концентрації аналізуючого газу.

Розміщення фотоприймачів всередині кювети дозволило збільшити кількість світлового потоку, який попадає на них, а їх розташування на світлорозсіюючому екрані таким чином, що вони знаходяться з різних сторін по відношенню до відповідних АЕ випромінювання забезпечило підвищення співвідношення сигнал/шум при проведенні вимірювань.

Вимірювання концентрації аналізованих газів із заданою точністю і чутливістю відбувається також за рахунок того, що активні елементи (АЕ) випромінювання та АЕ фотоприймача знаходиться в безпосередньому контакті з оптичним покриттям із наперед заданим показником заломлення, що суттєво підвищує випромінювальну здатність АЕ та спектральну чутливість АЕ

Зо фотоприймача. Крім цього, використання оптичного покриття забезпечує герметизацію АЕ, що підвищує надійність роботи оптоелектронного сенсора з різними аналізованими газами.

Вимірювання концентрації газів в широкому діапазоні температур із заданою точністю і чутливістю у випадку неузгодженості спектра АЕ випромінювання і спектральної чутливості фотоприймача по відношенню до спектра поглинання аналізуючого газу під дією температури оточуючого середовища досягається за рахунок отого, що вони знаходяться на світлорозсіюючому екрані та одночасно зазнають однакових змін, не пов'язаних з поглинанням аналізуючого газу. В процесі обробки електричних сигналів з виходу фотоприймача ці зміни взаємокомпенсуються. Здатність АЕ працювати з однаковою або різною періодичністю та тривалістю часу забезпечує покращений температурний режим їх роботи. Крім цього, така робота АЕ дозволяє підвищити надійність та енергоефективність оптоелектронного сенсора, що особливо вважливо при його використанні як виносного датчика в польових умовах або переносних багатофункціональних приладах газового аналізу.

Приведені вище нові ознаки дозволяють створити оптоелектронний сенсор, який вимірює концентрацію аналізованих газів із заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні температур та підвищити його надійність.

На кресленні представлена функціональна схема оптоелектронного сенсора.

Сферична 1 кювета з внутрішнім дифузно розсіюючим світло покриттям містить отвори 2 подачі аналізованого газу та отвори З виходу аналізованого газу. Світлорозсіюючий 5 екран механічно закріплений до дифузно розсіюючої світло 4 трубки. З обох сторін світлорозсіюючого 5 екрана розміщені АЕ випромінювання, які здатні випромінювати в максимумах на довжинах хвиль узгоджених з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу

АЕ 6 ї АЕ 8, АЕ фотоприймача 7 та АЕ 9 і АЕ 11, АЕ фотоприймача 10 відповідно. Активні елементи випромінювання АЕ 6 і АЕ 8 та АЕ фотоприймача 10 активуються одночасно. В інший момент часу одночасно активуються АЕ випромінювання АЕ 9 і АЕ 11 та АЕ фотоприймача 7.

Оптоелектронний сенсор працює наступним чином.

В початковий момент часу активуються АЕ випромінювання, наприклад АЕ б і АЕ 8 та АЕ фотоприймача 10. Утворений АЕ 6 і АЕ 8 світловий потік потрапляє в порожнину кювети 1 у вигляді інтегруючої сфери, де, відбиваючись та розсіюючись від стінок та світлорозсіюючого 5 екрана, що попереджає потрапляння прямих променів від АЕ випромінювання на АЕ 60 фотоприймача 10, взаємодіє або з повітрям чи газом, який не поглинає випромінювання від АЕ

6 і АЕ 8 (при калібровці АЕ фотоприймача 10), або з газом, що аналізується (при вимірюванні його концентрації). При цьому на стінках сфери встановлюється певний рівень освітленості, який не змінюється при проведенні калібрування АЕ фотоприймача 10 або пропорційний послабленню випромінювання в аналізованому газі при проведенні вимірювання. Після цього, випромінювання від АЕ б і АЕ 8 потрапляє на АЕ фотоприймача 10. Сигнал на виході АЕ фотоприймача 10 пропорційний величині падаючого на нього світлового потоку, а зміна інтенсивності випромінювання при проходженні через аналізований газ і відповідно зміна сигналу на його виході є мірою концентрації аналізованого газу Сі.

В наступний момент часу активуються АЕ випромінювання АЕ 9 і АЕ 11 та АЕ фотоприймача 7. Утворений АЕ 9 і АЕ 11 світловий потік потрапляє в порожнину кювети 1 у вигляді інтегруючої сфери, де, відбиваючись та розсіюючись від стінок та світлорозсіюючого 5 екрана, що попереджає потрапляння прямих променів від АЕ випромінювання на АЕ фотоприймача 7, взаємодіє або з повітрям чи газом, який не поглинає випромінювання від АЕ 9 і АЕ 11 (при калібровці АЕ фотоприймача 7), або з газом, що аналізується (при вимірюванні його концентрації). При цьому на стінках сфери встановлюється певний рівень освітленості, який не змінюється при проведенні калібрування АЕ фотоприймача 7 або пропорційний послабленню випромінювання в аналізованому газі при проведенні вимірювання. Після цього випромінювання від АЕ 9 ії АЕ 11 потрапляє на АЕ фотоприймача 7. Сигнал на виході АЕ фотоприймача 7 пропорційний величині падаючого на нього світлового потоку, а зміна інтенсивності випромінювання при проходженні через аналізований газ і відповідно зміна сигналу на його виході є мірою концентрації аналізованого газу С».

Кінцевий результат виміряної концентрації аналізованого газу визначається за формулою

С-1/2(СтівС»).

Як АЄЕ випромінювання та АЄЕ фотоприймача були використані напівпровідникові гетероструктури з утвореними р-п-переходами СаіІпА5ЗБ/АІбалбвр она основі бар,

ІпАЗЗБЛЛПАЗОрР вна основі ІпА5 та одержані на основі твердих розчинів епітаксіальних гетероструктур ІпсСадвз/пА5 і ІпА55ОР/ЛпА5. Неперервний ряд твердих розчинів дозволяє одержати АЕ з р-п-переходами, які працюють в області спектра 2,5-5,0 мкм. Внутрішня поверхня інтегруючої сфери, яка дифузно розсіює світло, одержана з використанням м'ятої алюмінієвої фольги, коефіцієнт дифузного відбивання якої становив 0,90-0,92 і визначався за допомогою каліброваного фотоприймача. Модуляція світлового потоку забезпечується активацією АЕ випромінювання змінним струмом величиною 200 тА та частотою до 100 кГц.

Мінімальна вимірювана концентрація СН». у повітрі була не менше 200-250 ррт, а мінімально зафіксована концентрація СО» у повітрі складала 50-100 ррт.

Для підвищення точності, чутливості та надійності вимірювань в широкому діапазоні температур, оптоелектронний сенсор додатково містить АЕ, здатних випромінювати в максимумах на одній або різних довжинах хвиль поза максимумами смуг власного поглинання аналізованих газів. Використання таких додаткових випромінюючих АЕ дозволяє проводити вимірювання концентрації аналізованих газів без додаткового прокачування через вимірювальну кювету повітря або інертного газу та створити опорний канал. Крім цього, таке використання випромінюючих АЕ зумовлене також особливістю вимірювання концентрацій аналізованих газів із суттєво різною поглинаючою світлове випромінювання здатністю. Опорний канал, наприклад, утворюють АЕ, що випромінюють у максимумах з довжинами хвиль Х-3,80 мкм, яка не співпадає з довжинами хвиль селективних смуг власного поглинання аналізованих газів СНа та СО».

Для підвищення точності, чутливості та надійності вимірювань в широкому діапазоні температур, щонайменше два приймаючі випромінювання активні елементи, мають різну спектральну чутливість. Використання таких фотоприймачів дозволяє краще узгодити їх спектральні чутливості по відношенню до спектрів випромінювання АЕ і спектрів поглинання аналізованих газів у широкому діапазоні температур і умов оточуючого середовища.

Запропонований оптоелектронний сенсор дозволяє вимірювати концентрації аналізованих газів із заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні температур та підвищити його надійність.

Джерела інформації: 1. Патент ОЕ 10200908, 501 3/42, 501М 21/3504, Опуб. 2003.07.31. 2. Патент УМО 0293141, Б01М 21/03, Опуб. 2002.11.21. 3. Патент України Мо 81704, З01М 21/59, 01М 21/61, Опуб. 2008.25.01.

Claims (3)

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Оптоелектронний сенсор, що містить кювету у вигляді інтегруючої сфери, внутрішня поверхня якої дифузно розсіює світло, розміщені всередині кювети світлорозсіюючий екран і активні елементи випромінювання, які здатні випромінювати в максимумах на довжинах хвиль, узгоджених з довжиною хвилі в максимумі, смуги власного поглинання аналізованого газу, та фотоприймач, який відрізняється тим, що світлорозсіюючий екран містить з обох сторін щонайменше по два активні елементи випромінювання та активний елемент фотоприймача, які знаходяться в безпосередньому контакті з оптичними покриттями із наперед заданим показником заломлення, причому активні елементи випромінювання, які розміщені на одній із сторін світлорозсіюючого екрана, та активний елемент фотоприймача, який розміщений із іншої його сторонни, виконані з можливістю активуватися одночасно та працювати з однаковою або різною періодичністю та тривалістю часу.

2. Оптоелектронний сенсор за п. 1, який відрізняється тим, що додатково містить активні елементи, які здатні випромінювати в максимумах на одній або різних довжинах хвиль поза максимумами смуг власного поглинання аналізованих газів.

3. Оптоелектронний сенсор за будь-яким із пп. 1, 2, який відрізняється тим, що фотоприймачі мають різну спектральну чутливість.

Ко. ге х з

Я. У Я я Е Я х ся зай: Кк х МИ л - В ММ ше в шу ії що ще дво. Вей і Е. шк йо се й В т; | еВ. ЗК ов 3 : щен КК. ши Еш їх Ж ге г ж кВ ук ще щи: шишаьь г :ш Ше З і Ме . /я т. Со щі ж є не их ЩЕ зи ж й в йо 1 - а у ше а ех ж зе й Кг " ке й. па то КЕ. св ОО Ве Ме ж як в о 7 1 1 і Ще м 5 і у НК х Кей . щи ШИ у Янів фоні йо я а ; ще І е ї ж - Ку М же? я Кк й Шо і