UA128068U

UA128068U - OPTOELECTRONIC SENSOR

Info

Publication number: UA128068U
Application number: UAU201804226U
Authority: UA
Inventors: Василь Миколайович Кабацій; Богдан Ярославович Хом'як; Ігор Миколайович Шкирта; Наталія Степанівна Ліба
Original assignee: Мукачівський Державний Університет
Priority date: 2018-04-17
Filing date: 2018-04-17
Publication date: 2018-08-27

Abstract

Оптоелектронний датчик містить кювету у вигляді інтегруючої сфери, внутрішня поверхня якої дифузно розсіює світло, щонайменше два активні елементи, які здатні випромінювати в максимумах на довжині хвилі, узгодженій з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу та фотоприймача. Фотоприймач розміщений всередині кювети на одній із сторін світлорозсіюючого екрана таким чином, що може приймати тільки дифузно розсіяне світло, а його активний елемент знаходиться в безпосередньому контакті з оптичним покриттям із наперед заданим показником заломлення.The optoelectronic sensor contains a cuvette in the form of an integrating sphere, the inner surface of which diffuses light diffusely, at least two active elements that are capable of radiating at maxima at wavelength consistent with the maximum intrinsic absorption band of the analyzed gas and the analyzer. The photodetector is placed inside the cuvette on one side of the light-scattering screen in such a way that it can receive only diffuse scattered light, and its active element is in direct contact with the optical coating with a predetermined refractive index.

Description

Корисна модель належить до сфери аналітичного приладобудування і може бути застосована 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 згоранні палива у печі або каміні та на початковій стадії пожежі.The useful model belongs to the field of analytical instrumentation and can be used in the development of small-sized infrared gas analyzers for measuring the concentrations of the most common atmospheric pollutants of gases that are part of the exhaust gases of vehicles, industrial enterprises, power plants and are released during incomplete combustion of fuel in a furnace or fireplace and in the initial stage of the fire.

Наявність вузьких селективних смуг поглинання різної інтенсивності в середній інфрачервоній 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.The presence of narrow selective absorption bands of different intensities in the mid-infrared region of the spectrum, characteristic of methane, carbon monoxide and dioxide, sulfur and nitrogen oxides, allows choosing optimal conditions for measuring their concentrations, as well as developing an optoelectronic element base and gas analysis devices with high selective capabilities. The use of semiconductor sources and detectors of IR radiation in the range of 2.5-5.0 μm of the spectrum, which work at room temperatures, allows to significantly increase the sensitivity, selectivity, speed of operation, economy and reliability of spectroabsorption devices for the analysis of compounds of gas mixtures, to significantly reduce the dimensions and material consumption .

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.A known infrared gas sensor (|, which contains an infrared emitter, an infrared detector and a measuring cuvette. The optical axes of the emitter and detector are in the same direction. Infrared radiation is deflected by a spherical or parabolic surface by 90 degrees in the form of a parallel light beam in the direction of the optical axis of the detector and is focused on the detector by means of an additional spherical or parabolic surface at the foci of which the emitter and detector are located. All surfaces in contact with the radiation are coated with a layer of infrared reflective material. The technical result of the infrared gas sensor is to create a compact sensor that is suitable for installation on the printed circuit board.

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 повного використання світлового потоку при вимірюванні концентрації аналізованого газу, що приводить до зменшення чутливості та точності вимірів. Недоліком даного датчика є такожThe disadvantages of this infrared gas sensor are low reliability caused by the uncertainty of the actual length of the optical path in the cuvette due to the reflection of the light flux from the spherical or parabolic surfaces and side walls of the measuring cuvette and the mutual location of the emitter and detector, the placement of holes on the surface of the measuring cuvette, which increases the unevenness of filling analyzed gas and incomplete use of the light flux when measuring the concentration of the analyzed gas, which leads to a decrease in the sensitivity and accuracy of the measurements. The disadvantage of this sensor is also

Зо низька температурна стабільність за рахунок рознесення в просторі випромінювача і детектора.Low temperature stability due to the spatial separation of the emitter and detector.

Відомий пристрій для оптичного аналізу газів (2), що містить принаймні 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.A known device for the optical analysis of gases (2) containing at least three concave mirrors with a spherical surface, which are arranged to rotate symmetrically about a central axis in a measuring chamber. The light beam from the radiation source is directed to the mirror surface of the measuring chamber in such a way that its reflected beam is focused in the center of the second surface of the mirror and, defocused, refocuses on the other mirror surface and enters the radiation detector through the output hole. The technical result of this device is the creation of a compact device with a small volume of the measuring chamber, a short time of its purging and an increased length of the path of optical absorption.

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.The disadvantages of this device for the optical analysis of gases are low reliability caused by the presence of rotating spherical mirror surfaces and optical elements outside the measuring chamber, a decrease in sensitivity and accuracy of measurements due to uneven scattering of light fluxes from spherical mirror surfaces and their incomplete use, uneven filling of the measuring chamber cuvettes with the analyzed gas and low temperature stability of measurements due to the spatial dispersion of the radiation source and the detector.

Відомий газоаналізатор |З), який вибраний як прототип, 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 світлорозсіювальний 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.The well-known gas analyzer |Z), which was selected as a prototype, contains an optically coupled radiation source, a cuvette in the form of an integrating sphere, a light filter and a radiation receiver, the inner coating of the cuvette is made of crushed aluminum foil, which diffusely scatters light, and in front of the source radiation, a light-scattering screen is installed in the form of a polygonal regular pyramid with the top facing the radiation source, the area of the base of which is twice as large as the cross-sectional area of the light flux at the optical entrance of the cuvette.

Технічним результатом даного газоаналізатора є підвищення надійності газового аналізу, а також його чутливості та точності.The technical result of this gas analyzer is an increase in the reliability of gas analysis, as well as its sensitivity and accuracy.

Недоліками даного газоаналізатора є взаємне розміщення джерела випромінювання, приймача випромінювання і світлорозсіювального екрану, яке приводить до нерівномірності розсіювання випромінювання у різних частинах сфери та разом із наявністю чотирьох отворів 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.The disadvantages of this gas analyzer are the mutual location of the radiation source, radiation receiver and light-scattering screen, which leads to uneven scattering of radiation in different parts of the sphere and, together with the presence of four holes on the cuvette body, does not allow to fully use the light flux and obtain an even distribution of the analyzed gas inside the cuvette , which reduces the sensitivity and accuracy of measurements.

Недоліком даного газоаналізатора є також низька температурна стабільність за рахунок рознесення в просторі джерела і приймача випромінювання.The disadvantage of this gas analyzer is also low temperature stability due to the spatial dispersion of the radiation source and receiver.

В основу корисної моделі поставлена задача створити оптоелектронний датчик, який дозволяє підвищити точність і чутливість при вимірюванні концентрації аналізованих газів.The basis of the useful model is the task of creating an optoelectronic sensor that allows to increase the accuracy and sensitivity when measuring the concentration of analyzed gases.

Поставлена задача вирішується тим, що оптоелектронний датчик 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 фотоприймача, згідно з корисною моделлю фотоприймач розміщений всередині кювети на одній із сторін світлорозсіювального екрана таким чином, що може приймати тільки дифузно розсіяне світло, а його активний елемент знаходиться в безпосередньому контакті з оптичним покриттям із наперед заданим показником заломлення.The task is solved by the fact that the optoelectronic sensor contains a cuvette in the form of an integrating sphere, the inner surface of which diffusely scatters light, at least two active elements that are capable of emitting in maxima at wavelengths consistent with the wavelength in the maximum of the intrinsic absorption band of the analyzed gas and the photodetector, according to a useful model, the photoreceptor is placed inside the cuvette on one side of the light-scattering screen in such a way that it can receive only diffusely scattered light, and its active element is in direct contact with an optical coating with a predetermined refractive index.

Відсутність отвору на корпусі інтегруючої сферичної кювети дозволяє отримати більш однорідний розподіл світлового випромінювання та збільшення освітленості всередині кювети, що збільшує величину електричних сигналів на виході фотоприймача, який знаходиться всередині кювети та підвищує співвідношення сигнал/шум.The absence of a hole on the body of the integrating spherical cuvette allows for a more uniform distribution of light radiation and an increase in illumination inside the cuvette, which increases the magnitude of electrical signals at the output of the photodetector, which is located inside the cuvette, and increases the signal/noise ratio.

Підвищення точності й чутливості вимірювань відбувається також за рахунок того, що активний елемент (АЕ) фотоприймача знаходиться в безпосередньому контакті з оптичним покриттям із наперед заданим показником заломлення, яке підвищує його спектральну чутливість.The increase in accuracy and sensitivity of measurements also occurs due to the fact that the active element (AE) of the photodetector is in direct contact with an optical coating with a predetermined refractive index, which increases its spectral sensitivity.

Крім цього, вимірювання концентрації газів із заданою точністю і чутливістю у випадку неузгодженості спектра АЄЕ випромінювання по відношенню до спектра поглинання аналізуючого газу під дією температури оточуючого середовища досягається за рахунок того, що АЕ знаходяться на одній поверхні світлорозсіювального екрану та одночасно зазнають однакових змін, не пов'язаних з поглинанням аналізованих газів. В процесі обробки електричних сигналів з виходу АЕ фотоприймача ці зміни взаємокомпенсуються.In addition, the measurement of gas concentration with a given accuracy and sensitivity in case of inconsistency of the AEE radiation spectrum in relation to the absorption spectrum of the analyzing gas under the influence of the temperature of the surrounding medium is achieved due to the fact that the AEEs are located on the same surface of the light-scattering screen and simultaneously undergo the same changes, not associated with the absorption of analyzed gases. In the process of processing electrical signals from the AE output of the photoreceiver, these changes are mutually compensated.

Приведені вище нові ознаки дозволяють підвищити точність і чутливість оптоелектронного датчика при вимірюванні концентрації аналізованих газів.The above new features make it possible to increase the accuracy and sensitivity of the optoelectronic sensor when measuring the concentration of the analyzed gases.

На кресленні представлена схема оптоелектронного датчика.The drawing shows the scheme of the optoelectronic sensor.

Зо Сферична 1 кювета з внутрішнім дифузно розсіюючим світло покриттям містить отвір 2 подачі аналізованого газу та отвір З виходу аналізованого газу. Світлорозсіювальний 5 екран механічно закріплений до корпусу сферичної 1 кювети за допомогою дифузно розсіюючої світло трубки 4 та містить фотоприймач 8 з оптичним покриттям 9. Активні елементи АЕ 6 і АЕ 7 здатні випромінювати в максимумах на довжині хвилі, узгодженій з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу.Z Spherical cuvette 1 with an internal diffuse light-scattering coating contains an opening 2 for the supply of the analyzed gas and an opening C for the exit of the analyzed gas. The light-scattering screen 5 is mechanically fixed to the body of the spherical cuvette 1 with the help of a diffusely light-scattering tube 4 and contains a photoreceptor 8 with an optical coating 9. Active elements AE 6 and AE 7 are capable of emitting in maxima at a wavelength consistent with the wavelength in the maximum of their own absorption band analyzed gas.

Оптоелектронний датчик працює наступним чином.The optoelectronic sensor works as follows.

Випромінювання від АЕ б і АЕ 7 потрапляє в порожнину кювети 1 у вигляді інтегруючої сфери, де відбиваючись та розсіюючись від стінок та світлорозсіювального 5 екрану, що попереджає потрапляння прямих променів від АЕ випромінювання на фотоприймач 8, проходить через повітря або нейтральний газ не поглинаючись. Встановлюється певний рівень освітленості кювети та відбувається калібровка фотоприймача 8.The radiation from AE b and AE 7 enters the cavity of cuvette 1 in the form of an integrating sphere, where, reflecting and scattering from the walls and the light-scattering screen 5, which prevents direct rays from AE radiation from hitting the photoreceptor 8, it passes through air or neutral gas without being absorbed. A certain level of illumination of the cuvette is set and calibration of the photodetector 8 takes place.

В наступний момент часу, випромінювання від АЕ 6 ії АЕ 7 потрапляє в порожнину кювети 1 у вигляді інтегруючої сфери, де відбиваючись та розсіюючись від стінок та світлорозсіювального 5 екрану проходить через аналізований газ і встановлюється інший рівень освітленості кювети, що пропорційний послабленню випромінювання в аналізованому газі. Після цього випромінювання від АЕ 6 і АЕ 7 потрапляє на фотоприймач 8. Сигнал на виході фотоприймача 8 пропорційний величині падаючого на нього потоку випромінювання. Зміна інтенсивностей випромінювання при проходженні через повітря або нейтральний газ та аналізований газ і відповідно зміна електричних сигналів з виходу фотоприймача 8 є мірою концентрації аналізованого газу.At the next time, the radiation from AE 6 and AE 7 enters the cavity of cuvette 1 in the form of an integrating sphere, where, reflecting and scattering from the walls and the light-scattering screen 5, it passes through the analyzed gas and another level of illumination of the cuvette is established, which is proportional to the attenuation of radiation in the analyzed gas . After that, the radiation from AE 6 and AE 7 falls on the photodetector 8. The signal at the output of the photodetector 8 is proportional to the amount of radiation falling on it. The change in radiation intensities when passing through air or neutral gas and the analyzed gas and, accordingly, the change in electrical signals from the output of the photodetector 8 is a measure of the concentration of the analyzed gas.

У процесі обробки електричних сигналів з виходу фотоприймача 8 зміни електричних сигналів пов'язаних із випадком неузгодженості спектрів АЕ випромінювання по відношенню до спектра поглинання аналізуючого газу під дією температури оточуючого середовища взаємокомпенсуються.In the process of processing electrical signals from the output of the photodetector 8, changes in the electrical signals associated with the case of inconsistency of the AE radiation spectra in relation to the absorption spectrum of the analyzing gas under the influence of the ambient temperature are mutually compensated.

Як АЄЕ випромінювання та АЄЕ фотоприймача були використані напівпровідникові гетероструктури з утвореними р-п-переходами СаіІпА55Б/АІЗадзЗр она основі базр,Semiconductor heterostructures with formed p-p junctions SaiIpA55B/AIZadzZr based on bazr were used as the AEE of radiation and AEE of the photoreceiver.

ІпАЗЗБЛЛПАЗОрР вна основі ІпА5 та одержані на основі твердих розчинів епітаксіальних гетероструктур ІпсСадвз/пА5 і ІпАЗ5ОР/пА5. Неперервний ряд твердих розчинів дозволяє одержати АЕ з р-п-переходами, які працюють в області спектра 2,5-5,0 мкм. Нанесення оптично 60 прозорого покриття на основі халькогенідних стекол систем (Се, РБ) - (Са, Ав, 55) - (5, Бе)IpAZZBLLPAZORP based on IpA5 and obtained on the basis of solid solutions of epitaxial heterostructures IpsSadvz/pA5 and IpAZ5OR/pA5. A continuous series of solid solutions makes it possible to obtain AE with p-p transitions that work in the 2.5-5.0 μm spectrum. Applying an optically 60 transparent coating based on chalcogenide glasses of systems (Ce, RB) - (Ca, Av, 55) - (5, Be)

дозволило підвищити ефективність роботи різних типів АЕ фотоприймачів, що здатні приймати інфрачервоне випромінювання, щонайменше в 2,0-2,5 рази відносно аналогічних фотоприймачів, у яких використовується оптичне покриття на основі полімерного компаунду та в 3,0-4,0 рази відносно фотоприймачів, в яких герметизація здійснюється із використанням металевої кришки та прозорого для випромінювання вікна.made it possible to increase the efficiency of various types of AE photodetectors capable of receiving infrared radiation by at least 2.0-2.5 times relative to similar photodetectors that use an optical coating based on a polymer compound and 3.0-4.0 times relative to photodetectors , in which sealing is carried out using a metal cover and a transparent window for radiation.

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.The inner surface of the integrating sphere, which diffusely scatters light, was obtained using crumpled aluminum foil, the coefficient of diffuse reflection of which was 0.90-0.92 and was determined using a calibrated photodetector. The modulation of the light flux is provided by the activation of the AE with an alternating current of 200 tA and a frequency of up to 100 kHz.

Мінімальна вимірювана концентрація СН». у повітрі була не менше 200-250 ррт, а мінімально зафіксована концентрація СО» у повітрі складала 50-100 ррт.The minimum measured concentration of CH". in the air was at least 200-250 ppt, and the minimum recorded concentration of CO" in the air was 50-100 ppt.

Запропонований оптоелектронний датчик дозволяє підвищити точність і чутливість при вимірюванні концентрації аналізованих газів.The proposed optoelectronic sensor allows to increase accuracy and sensitivity when measuring the concentration of analyzed gases.

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 81703, З01М 21/59, Б0О1М 21/61, Опуб. 2008.25.01.Sources of information: 1. Patent OE 10200908, 501 3/42, 501M 21/3504, Pub. 2003.07.31. 2. UMO patent 0293141, B01M 21/03, Pub. 2002.11.21. 3. Patent of Ukraine Mo 81703, Z01M 21/59, B0O1M 21/61, Pub. 2008.01.25.

Claims

USEFUL MODEL FORMULA

An optoelectronic sensor containing a cuvette in the form of an integrating sphere, the inner surface of which diffusely scatters light, at least two active elements that are capable of emitting in maxima at a wavelength consistent with the wavelength in the maximum of the intrinsic absorption band of the analyzed gas and a photodetector, which is characterized by that the photoreceptor is placed inside the cuvette on one side of the light-scattering screen in such a way that it can receive only diffusely scattered light, and its active element is in direct contact with an optical coating with a predetermined refractive index.

With me and E | I Z "y p zh Deonnn , TE Kk y Mk x Z Shche a y . sho "i shk. sha she , i i "y I 8 Ku RA se g h Shchy V E k i i sn I Z u i i i ! E, v ai t | Ky i Z v | Ku She z "art tov