UA128068U - Оптоелектронний датчик - Google Patents

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.

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.

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.

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 повного використання світлового потоку при вимірюванні концентрації аналізованого газу, що приводить до зменшення чутливості та точності вимірів. Недоліком даного датчика є також

Зо низька температурна стабільність за рахунок рознесення в просторі випромінювача і детектора.

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.

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 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.

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 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.

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

В основу корисної моделі поставлена задача створити оптоелектронний датчик, який дозволяє підвищити точність і чутливість при вимірюванні концентрації аналізованих газів.

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.

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.

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.

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.

Приведені вище нові ознаки дозволяють підвищити точність і чутливість оптоелектронного датчика при вимірюванні концентрації аналізованих газів.

На кресленні представлена схема оптоелектронного датчика.

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.

Оптоелектронний датчик працює наступним чином.

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.

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.

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.

Як АЄЕ випромінювання та АЄЕ фотоприймача були використані напівпровідникові гетероструктури з утвореними р-п-переходами СаіІпА55Б/АІЗадзЗр она основі базр,

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)

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.

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.

Запропонований оптоелектронний датчик дозволяє підвищити точність і чутливість при вимірюванні концентрації аналізованих газів.

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.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ

   Оптоелектронний датчик, що 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, який відрізняється тим, що 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.

   З м я й Є | я З "и п ж Деоннн , ТЕ Кк й Мк х З Ще а й . шо «і шк. ша ше , я я «й Я 8 Ку РА се г ч Щи В Е к ї і сн Я З у я і ! Е, в аи т | Ки я З в | Ку Ше з "арт тов