UA127144C2 - Сферичний оптоелектронний сенсор - Google Patents

Abstract

Винахід належить до сфери аналітичного приладобудування і може бути застосований при розробці малогабаритних інфрачервоних газоаналізаторів. Сферичний оптоелектронний сенсор містить кювету у вигляді інтегруючої сфери, внутрішня поверхня якої дифузно розсіює світло, щонайменше два активні елементи, які здатні випромінювати в максимумах на довжинах хвиль узгоджених з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу, та активний елемент фотоприймача. Кювета складається з двох півсфер, кожна з яких містить отвори, через які проходить аналізований газ. Активні елементи випромінювання, які розміщені на світлорозсіюючому екрані, знаходяться під однаковими або різними кутами відносно до однієї його сторони, а щонайменше один активний елемент фотоприймача розміщений на його протилежній стороні. Запропонований сферичний оптоелектронний сенсор дозволяє вимірювати концентрації аналізованих газів із заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні температур, підвищити надійність вимірювань та розширити область його використання.

Description

Винахід належить до сфери аналітичного приладобудування і може бути застосований при розробці малогабаритних інфрачервоних газоаналізаторів для виміру концентрацій найбільш поширених забруднювачів атмосфери газів, які є в складі відпрацьованих газів транспортних засобів, промислових підприємств, енергетичних установок та виділяються при неповному згорянні 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, економічність і надійність спектроабсорбційних приладів аналізу сполук газових сумішей, 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 не

Зо повного 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 (2Ї, 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 не повного їх використання, нерівномірність заповнення вимірювальної кювети аналізованим газом та низька температурна стабільність вимірювань за рахунок рознесення в просторі джерела випромінювання і детектора.

Відомий газоаналізатор |З), який вибраний у якості найближчого аналога, що містить оптично зв'язані джерело випромінювання, кювету у вигляді інтегруючої сфери, світлофільтр та приймач випромінювання, внутрішнє покриття кювети виконано із м'ятої алюмінієвої фольги, що дифузно розсіює світло, а перед джерелом випромінювання встановлено світлорозсіюючий екран у вигляді багатокутної правильної піраміди вершиною до джерела випромінювання, площа основи якої у два рази більша за площу поперечного перерізу світлового потоку на оптичному вході кювети. Технічним результатом даного газоаналізатора є підвищення надійності газового аналізу, а також його чутливості та точності.

Недоліками даного газоаналізатора є взаємне розміщення джерела випромінювання, приймача випромінювання і світлорозсіюючого екрану, яке приводить до нерівномірності розсіювання випромінювання у різних частинах сфери та разом із наявністю чотирьох отворів бо на корпусі кювети не дозволяє в повній мірі використати світловий потік і одержати рівномірний розподіл аналізованого газу всередині кювети, що зменшує чутливість й точність вимірів.

Недоліком даного газоаналізатора є також низька температурна стабільність за рахунок рознесення в просторі джерела і приймача випромінювання.

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

Поставлена задача вирішується тим, що сферичний оптоелектронний сенсор містить кювету у вигляді інтегруючої сфери, внутрішня поверхня якої дифузно розсіює світло, щонайменше два активні елементи, які здатні випромінювати в максимумах на довжинах хвиль узгоджених з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу, та активний елемент фотоприймача, кювета складається з двох півсфер, кожна з яких містить дрібні отвори, через які проходить аналізований газ, активні елементи випромінювання, які розміщені на світлорозсіюючому екрані, знаходяться під однаковими або різними кутами відносно до однієї його сторони, а щонайменше один активний елемент фотоприймача розміщений на його протилежній стороні.

Виготовлення інтегруючої сферичної кювети з двох півсфер дозволяє технологічно простіше й точніше одержати сферичні поверхні однакового радіуса кривизни та однорідну поверхню з однаковими нерівномірностями, які дифузно розсіюють світловий потік.

Наявність на корпусі кювети декількох отворів меншого діаметру, ніж присутні у прототипі, які розміщені у певних сферичних сегментах, дозволяє отримати однорідний розподіл аналізованого газу всередині кювети та зменшити час повної продувки кювети повітрям або інертним газом після проведення вимірювань, що значно зменшує витрати інертного газу й збільшує швидкодію сенсора. Крім того, поверхня кювети між отворами також дифузно відбиває світловий потік, що приводить до збільшення освітленості всередині сфери.

Розміщення щонайменше двох активних елементів (АЕ) випромінювання під однаковими кутами або різними кутами відносно до однієї із сторін світлорозсіюючого екрана дозволяє отримати рівномірний світловий потік по всій поверхні інтегруючої сферичної кювети у залежності від її розмірів, що дає можливість повністю використати його для вимірювання

Зо концентрації аналізуючого газу.

Розміщення щонайменше одного АЕ фотоприймача всередині кювети на світлорозсіюючому екрані таким чином, що він знаходиться на протилежній, відносно до розміщення АЕ випромінювання, стороні дозволило збільшити кількість світлового потоку, який попадає на нього та співвідношення сигнал/шум при проведенні вимірювань.

Вимірювання концентрації газів в широкому діапазоні температур із заданою точністю і чутливістю у випадку неузгодженості спектра АЕ випромінювання і спектральної чутливості АЕ фотоприймача відносно до спектра поглинання аналізуючого газу під дією температури оточуючого середовища досягається за рахунок того, що вони знаходяться на одній поверхні світлорозсіюючого екрану та одночасно зазнають однакових змін, не пов'язаних з поглинанням аналізуючого газу. В процесі обробки електричних сигналів з виходу АЕ фотоприймача ці зміни взаємокомпенсуються.

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

На фіг. 1 представлена схема кювети сферичного оптоелектронного сенсора.

Сферична 1 кювета з внутрішнім дифузно розсіюючим світло покриттям містить отвори 2 подачі аналізованого газу та отвори З виходу аналізованого газу.

На фіг. 2 представлена схема світлорозсіюючого екрану.

Світлорозсіюючий 5 екран механічно закріплений до однієї з півсфер за допомогою дифузно розсіюючої світло 4 трубки та містить АЕ випромінювання АЕ 6 і АЕ 7, які здатні випромінювати в максимумах на довжинах хвиль узгоджених з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу та АЕ 8 фотоприймача.

На фіг. З представлена схема світлорозсіюючого екрану у вигляді багатокутної правильної піраміди.

Світлорозсіюючий 5 екран у вигляді багатокутної правильної піраміди на своїх гранях містить АЕ випромінювання АЕ 6 і АЕ 7, які здатні випромінювати в максимумах на довжинах хвиль узгоджених з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу,

АЕ9 ї АЕ 10, які здатних випромінювати в максимумах на довжині хвилі узгодженій з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання іншого аналізованого газу та АЕ11 ї АЕ 12, які здатні випромінювати в максимумах на одній або різних довжинах хвиль поза максимумами смуг власного поглинання аналізованих газів.

Сферичний оптоелектронний сенсор працює наступним чином. Випромінювання від АЕ 6 і

АЕ 7 потрапляє в порожнину кювети 1 у вигляді інтегруючої сфери, де відбиваючись та розсіюючись від стінок та світлорозсіюючого 5 екрану, що попереджає потрапляння прямих променів від АЕ випромінювання на АЕ 8 фотоприймача, взаємодіє або з повітрям чи газом, який не поглинає випромінювання від АЕ 6 і АЕ 7 (при калібровці АЕ 8 фотоприймача), або з газом, що аналізується (при вимірюванні його концентрації). При цьому на стінках сфери встановлюється певний рівень освітленості, що пропорційний послабленню випромінювання в аналізованому газі. Після цього випромінювання від АЕ б і АЕ 7 потрапляє на АЕ 8 фотоприймача. Сигнал на виході АЕ 8 фотоприймача пропорційний величині падаючого на нього потоку випромінювання, а зміна інтенсивності випромінювання при проходженні через аналізований газ і відповідно зміна сигналу на його виході є мірою концентрації аналізованого газу.

Як АЕ випромінювання та фотоприймача були використані напівпровідникові гетероструктури з утвореними р-п-переходами СаіпА5ЗБ/АІбЗадз5р она основі базр,

ІпАЗЗБЛПАЗОрР вна основі ІпА5 та одержані на основі твердих розчинів епітаксіальних гетероструктур ІпсСадвз/пА5 і ІпА55ОР/пА5. 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 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 і чутливості вимірювання, світлорозсіюючий екран виготовлений у вигляді правильної багатокутної піраміди, і на гранях якої розміщені АЕ випромінювання. Таке розміщення АЕ випромінювання дозволяє отримати рівномірний світловий потік по всій поверхні інтегруючої сферичної кювети у залежності від її розмірів та повного його використання для

Зо вимірювання концентрації аналізуючого газу при наявності АЕ здатних випромінювати в максимумах на однакових або різних довжинах хвиль.

Для розширення області використання та вимірювання концентрації різних аналізованих газів із заданою точністю і чутливістю, сферичний оптоелектронний сенсор додатково містить щонайменше два АЕ здатних випромінювати в максимумах на довжині хвилі узгодженій з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання іншого аналізованого газу. Наприклад, випромінюючі АЕ, що випромінюють у максимумах з довжинами хвиль А-3,32 мкм, які співпадають з довжиною хвилі у максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу СН. та випромінюють у максимумах з довжинами хвиль А-4,27 мкм, які співпадають з довжиною хвилі у максимумі смуги власного поглинання іншого аналізованого газу СО».

Для підвищення точності, чутливості та надійності вимірювань в широкому діапазоні температур, сферичний оптоелектронний сенсор додатково містить щонайменше два 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 того, таке використання випромінюючих АЕ зумовлене також особливістю вимірювання концентрацій аналізованих газів із суттєво різною поглинаючою світлове випромінювання здатністю. Опорний канал утворюють АЕ, що випромінюють у максимумах з довжинами хвиль л-3,80 мкм, яка не співпадає з довжинами хвиль селективних смуг власного поглинання аналізованих газів.

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

Для розширення області використання, активні елементи випромінювання та фотоприймача здатні працювати з однаковою або різною періодичністю та тривалістю часу. Така робота АЕ особливо вважлива при використанні сферичного оптоелектронного сенсора в якості виносного датчика в польових умовах або переносних багатофункціональних приладах газового аналізу.

Крім того, робота АЕ з однаковою або різною періодичністю та тривалістю часу дозволяє підвищити його енергоефективність.

Для підвищення точності, чутливості та надійності вимірювань в широкому діапазоні температур та концентрацій аналізованих газів, внутрішня поверхня кювети знаходиться у механічному контакті з додатково розміщеною тонкою сферичною поверхнею, яка дифузно розсіює світло. Наявність такої сферичної поверхні дозволяє швидко, способом її заміни, відновити внутрішню поверхню сферичної кювети у випадку її забруднення з часом або збільшенню неселективних втрат випромінювання, що дозволить уникнути збільшення похибки вимірювань в широкому діапазоні концентрацій аналізованих газів та підвищити надійність сенсора.

Запропонований сферичний оптоелектронний сенсор дозволяє вимірювати концентрації аналізованих газів із заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні температур, підвищити надійність вимірювань та розширити область його використання.

Джерела інформації: 1. Патент ОЕ 10200908, 5013/42, 501М21/3504, Опуб. 2003.07.31. 2. Патент УМО 0293141, 501М 21/03, Опуб. 2002.11.21 3. Патент України Ме81703, (501 М21/59, 501 М21/61, Опуб. 2008.01.25.

Claims (7)

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Сферичний оптоелектронний сенсор, що містить кювету у вигляді інтегруючої сфери, внутрішня поверхня якої дифузно розсіює світло, щонайменше два активні елементи, які здатні випромінювати в максимумах на довжинах хвиль, узгоджених з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу, та активний елемент фотоприймача, який відрізняється тим, що кювета складається з двох півсфер, кожна з яких містить дрібні отвори, через які проходить аналізований газ, активні елементи випромінювання, які розміщені на світлорозсіюючому екрані, знаходяться під однаковими або різними кутами відносно однієї його сторони, а щонайменше один активний елемент фотоприймача розміщений на його протилежній стороні. Зо

2. Сферичний оптоелектронний сенсор за п. 1, який відрізняється тим, що світлорозсіюючий екран виготовлений у вигляді правильної багатокутної піраміди.

3. Сферичний оптоелектронний сенсор за будь-яким із пп. 1, 2, який відрізняється тим, що додатково містить щонайменше два активні елементи, здатні випромінювати в максимумах на довжині хвилі, узгодженій з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання іншого аналізованого газу.

4. Сферичний оптоелектронний сенсор за будь-яким із пп. 1-3, який відрізняється тим, що додатково містить щонайменше два активні елементи, здатні випромінювати в максимумах на одній або різних довжинах хвиль поза максимумами смуг власного поглинання аналізованих газів.

5. Сферичний оптоелектронний сенсор за будь-яким із пп. 1-4, який відрізняється тим, що містить щонайменше два активні елементи, які мають різну спектральну чутливість.

6. Сферичний оптоелектронний сенсор за будь-яким із пп. 1-5, який відрізняється тим, що активні елементи здатні працювати з однаковою або різною періодичністю та тривалістю часу.

7. Сферичний оптоелектронний сенсор за будь-яким із попередніх пунктів, який відрізняється тим, що внутрішня поверхня кювети знаходиться у механічному контакті з додатково розміщеною тонкою сферичною поверхнею, яка дифузно розсіює світло.