UA136628U

UA136628U - MICROELECTRONIC OPTICAL-FREQUENCY GAS CONCENTRATION METER

Info

Publication number: UA136628U
Application number: UAU201902580U
Authority: UA
Inventors: Володимир Степанович Осадчук; Олександр Володимирович Осадчук; Людмила Вікторівна Крилик; Олена Олександрівна Селецька; Ярослав Олександрович Осадчук; Оксана Петрівна Червак
Original assignee: Вінницький Національний Технічний Університет
Priority date: 2019-03-18
Filing date: 2019-03-18
Publication date: 2019-08-27

Abstract

Мікроелектронний оптико-частотний вимірювач концентрації газу складається з когерентного джерела оптичного випромінювання, яке оптично з'єднано через послідовно встановлені за напрямком промені кювету, з фотоприймачем розсіяного потоку випромінювання, згідно з корисною моделлю в нього введено МДН-транзистор, два біполярні транзистори, резистор, обмежувальний конденсатор, індуктивність та два джерела постійної напруги, причому перше джерело постійної напруги під'єднано до когерентного джерела оптичного випромінювання в прямому напрямку, яке послідовно оптично з'єднано, через кювету, з фотоприймачем розсіяного потоку випромінювання, перший вивід якого з'єднаний з другим виводом індуктивності, з першим виводом обмежувального конденсатора, з першим виводом другого джерела постійної напруги, крім того, другий вивід фотоприймача розсіяного потоку випромінювання з'єднано із затвором МДН-транзистора, з першим виводом резистора, другий вивід якого з'єднаний з витоком МДН-транзистора, з емітером першого біполярного транзистора, з другим виводом обмежувального конденсатора, з другим виводом другого джерела постійної напруги, які під'єднані до заземлення, перший вивід індуктивності з'єднано з виходом пристрою, з емітером другого біполярного транзистора, база якого з'єднана з колектором першого біполярного транзистора та зі стоком МДН-транзистора.Microelectronic opto-frequency gas concentration meter consists of a coherent source of optical radiation, which is optically connected through series-directed rays of the cuvette, with a photodetector of the scattered radiation flux, according to the utility model, a MOS transistor, two bipolar limiting capacitor, inductance and two DC sources, the first DC source is connected to a coherent source of optical radiation in the forward direction, which is series optically connected, through a cuvette, to a photodetector of the scattered radiation flux, the first output of which is connected to the second terminal of the inductor, with the first terminal of the limiting capacitor, with the first terminal of the second DC voltage source, in addition, the second terminal of the photodetector of the scattered radiation is connected to the gate of the MOS transistor, with the first terminal of the resistor connected to the source. -transistor, with emitter the first bipolar transistor, with the second terminal of the limiting capacitor, with the second terminal of the second DC voltage source connected to ground, the first inductor is connected to the output of the device, to the emitter of the second bipolar transistor, the base of which is connected to the collector of the first bipolar transistor and with the drain of the MOS transistor.

Description

Корисна модель належить до області контрольно-вимірювальної техніки і може бути використана як датчик газу в пристроях автоматичного керування технологічними процесами.The useful model belongs to the field of control and measurement technology and can be used as a gas sensor in devices for automatic control of technological processes.

Відомий пристрій для вимірювання концентрації газу, що складається із джерела когерентного випромінювання, яке оптично з'єднано через послідовно встановлені світлоподільник, кювету, діафрагму та лінзу з фотоприймачем, який під'єднаний через фотопідсилювач до першого входу логарифмічного підсилювача, другий вхід якого з'єднаний з фотоприймачем опорного потоку випромінювання, а вихід з'єднаний з пристроєм відліку (патентA known device for measuring gas concentration, consisting of a source of coherent radiation, which is optically connected through a light splitter, a cuvette, a diaphragm and a lens installed in series with a photodetector, which is connected through a photoamplifier to the first input of a logarithmic amplifier, the second input of which is connected with a photoreceiver of the reference radiation flow, and the output is connected to the reference device (patent

США Мо 4408880, МПКб СО1М 21/00, 19831.USA Mo 4408880, MPKb SO1M 21/00, 19831.

Недоліком такого пристрою є низька точність та складність, за рахунок наявності фотопідсилювача і логарифмічного підсилювача, що створюють похибки зсуву нуля, зміну коефіцієнтів передачі та ускладнюють конструкцію.The disadvantage of such a device is low accuracy and complexity, due to the presence of a photoamplifier and a logarithmic amplifier, which create zero shift errors, change transmission coefficients and complicate the design.

Як найближчий аналог обрано пристрій для вимірювання концентрації газу (див. патентA device for measuring gas concentration was chosen as the closest analogue (see patent

СРСР Мо 1716399, МПКб С01М 21/01, 1989). Пристрій складається з когерентного джерела оптичного випромінювання, яке оптично з'єднано через послідовно встановлені за напрямком променя світлоподільний елемент, кювету, діафрагму, лінзу з фотоприймачем розсіяного потоку випромінювання, вихід якого підключено до входу компаратора і до першого виходу перемикача, другий вихід якого під'єднано до шини нульового потенціалу, інформаційний вхід під'єднано до виходу фотоприймача опорного потоку випромінювання, а керуючий вхід з'єднаний з виходом компаратора і входом фільтра нижніх частот, вихід якого з'єднано з пристроєм відліку.USSR Mo 1716399, MPKb S01M 01/21, 1989). The device consists of a coherent source of optical radiation, which is optically connected through a light-splitting element, a cuvette, a diaphragm, a lens with a photodetector of the scattered radiation flow, which is connected to the input of the comparator and to the first output of the switch, the second output of which is connected to the is connected to the bus of zero potential, the information input is connected to the output of the photodetector of the reference radiation flux, and the control input is connected to the output of the comparator and the input of the low-pass filter, the output of which is connected to the reference device.

Недоліком такого пристрою є низька чутливість за рахунок підсилення власних шумів напівпровідникових елементів.The disadvantage of such a device is low sensitivity due to amplification of inherent noise of semiconductor elements.

В основу корисної моделі поставлена задача створення мікроелектронного оптико- частотного вимірювача концентрації газу, в якому за рахунок введення нових елементів і зв'язків між ними відбувається перетворення концентрації газу у частоту, що приводить до підвищення чутливості, а також точності вимірювання концентрації газу в області малих значень, що сприяє розширенню галузі використання пристрою.The basis of a useful model is the task of creating a microelectronic optical frequency meter of gas concentration, in which, due to the introduction of new elements and connections between them, the gas concentration is converted into frequency, which leads to an increase in sensitivity, as well as the accuracy of gas concentration measurement in the area of small values, which contributes to the expansion of the field of use of the device.

Поставлена задача вирішується тим, що в мікроелектронний оптико-частотний вимірювач концентрації газу, який складається з когерентного джерела оптичного випромінювання, якеThe problem is solved by the fact that in a microelectronic optical-frequency gas concentration meter, which consists of a coherent source of optical radiation, which

Зо оптично з'єднано через послідовно встановлені за напрямком променя кювету, з фотоприймачем розсіяного потоку випромінювання, введено МДН-транзистор, два біполярні транзистори, резистор, обмежувальний конденсатор, індуктивність та два джерела постійної напруги, причому перше джерело постійної напруги під'єднано до когерентного джерела оптичного випромінювання в прямому напрямку, яке послідовно оптично з'єднано, через кювету, з фотоприймачем розсіяного потоку випромінювання, перший вивід якого з'єднаний з другим виводом індуктивності, з першим виводом обмежувального конденсатора, з першим виводом другого джерела постійної напруги, крім того, другий вивід фотоприймача розсіяного потоку випромінювання з'єднано із затвором МДН-транзистора, з першим виводом резистора, другий вивід якого з'єднаний з витоком МДН-транзистора, з емітером першого біполярного транзистора, з другим виводом обмежувального конденсатора, з другим виводом другого джерела постійної напруги, які під'єднані до заземлення, перший вивід індуктивності з'єднано з виходом пристрою, з емітером другого біполярного транзистора, база якого з'єднана з колектором першого біполярного транзистора та зі стоком МДН-транзистора.Zo is optically connected through a cuvette installed in series in the direction of the beam, with a photodetector of the scattered radiation flux, an MDN transistor, two bipolar transistors, a resistor, a limiting capacitor, an inductance and two sources of constant voltage are introduced, and the first source of constant voltage is connected to a coherent a source of optical radiation in the forward direction, which is serially optically connected, through a cuvette, to a photodetector of a scattered radiation flux, the first terminal of which is connected to the second terminal of the inductance, to the first terminal of the limiting capacitor, to the first terminal of the second source of constant voltage, in addition , the second output of the photodetector of the scattered radiation flux is connected to the gate of the MDN transistor, to the first output of the resistor, the second output of which is connected to the output of the MDN transistor, to the emitter of the first bipolar transistor, to the second output of the limiting capacitor, to the second output of the second source of constant voltage, which are connected to the ground that is, the first terminal of the inductance is connected to the output of the device, to the emitter of the second bipolar transistor, the base of which is connected to the collector of the first bipolar transistor and to the drain of the MDN transistor.

Суть корисної моделі пояснюють креслення, де на кресленні наведено схему мікроелектронного оптико-частотного вимірювача концентрації газу.The essence of the useful model is explained by the drawings, where the diagram of the microelectronic optical-frequency gas concentration meter is shown on the drawing.

Мікроелектронний оптико-ч-астотний вимірювач концентрації газу складається з когерентного джерела оптичного випромінювання 2, яке оптично з'єднано через послідовно встановлені за напрямком променя кювету 3, з фотоприймачем розсіяного потоку випромінювання 4, введено МДН-транзистор 6, перший 7 та другий 8 біполярні транзистори, резистор 5, обмежувальний конденсатор 10, індуктивність 9У та перше 1 і друге 11 джерела постійної напруги, причому перше джерело постійної напруги 1 під'єднано до когерентного джерела оптичного випромінювання 2 в прямому напрямку, яке послідовно оптично з'єднано, через кювету 3, з фотоприймачем розсіяного потоку випромінювання 4, перший вивід якого з'єднаний з другим виводом індуктивності 9, з першим виводом обмежувального конденсатора 10, з першим виводом другого джерела постійної напруги 11, крім того, другий вивід фотоприймача розсіяного потоку випромінювання 4 з'єднано із затвором МДН-транзистора 6, з першим виводом резистора 5, другий вивід якого з'єднаний з витоком МДН-транзистора 6, з емітером першого біполярного транзистора 7, з другим виводом обмежувального конденсатора 10, з другим виводом другого джерела постійної напруги 11, які під'єднані до заземлення, бо перший вивід індуктивності 9 з'єднано з виходом пристрою, з емітером другого біполярного транзистора 8, база якого з'єднана з колектором першого біполярного транзистора 7 та зі стоком МДН-транзистора 6.The microelectronic optical-ch-astotic gas concentration meter consists of a coherent source of optical radiation 2, which is optically connected through a cuvette 3 installed in series in the direction of the beam, with a photodetector of the scattered radiation flow 4, an MDN transistor 6 is introduced, the first 7 and the second 8 bipolar transistors, resistor 5, limiting capacitor 10, inductance 9U and first 1 and second 11 sources of constant voltage, and the first source of constant voltage 1 is connected to the coherent source of optical radiation 2 in the forward direction, which is optically connected in series, through the cuvette 3 , with the photodetector of the diffused radiation flux 4, the first terminal of which is connected to the second terminal of the inductance 9, to the first terminal of the limiting capacitor 10, to the first terminal of the second source of constant voltage 11, in addition, the second terminal of the photoreceptor of the diffused radiation flux 4 is connected to the gate of the MDN transistor 6, with the first terminal of the resistor 5, the second terminal of which is connected with the drain of the MDN transistor 6, with the emitter of the first bipolar transistor 7, with the second terminal of the limiting capacitor 10, with the second terminal of the second source of constant voltage 11, which are connected to the ground, because the first terminal of the inductance 9 is connected to the output of the device, with the emitter of the second bipolar transistor 8, the base of which is connected to the collector of the first bipolar transistor 7 and to the drain of the MDN transistor 6.

Мікроелектронний оптико-частотний вимірювач концентрації газу працює таким чином.The microelectronic optical-frequency gas concentration meter works as follows.

В початковий момент часу газу не має в кюветі 3. Перше джерело постійної напруги 1 живить когерентне джерело оптичного випромінювання 2, підвищенням напруги другого джерела постійної напруги 11 до величини, коли на електродах емітер першого 7 та емітер другого 8 біполярних транзисторів виникає від'ємний опір, який приводить до виникнення електричних коливань в контурі, який утворений паралельним включенням повного опору з ємнісною складовою на електродах емітер першого 7 та емітер другого 8 біполярних транзисторів та індуктивності 9. Фотоприймач розсіяного потоку випромінювання 4 та резистор 5 утворюють дільник напруги. МДН-транзистор 6 забезпечує живлення першого 7 та другого 8 біполярних транзисторів.At the initial moment of time, there is no gas in cuvette 3. The first source of constant voltage 1 feeds the coherent source of optical radiation 2, by increasing the voltage of the second source of constant voltage 11 to the value when a negative resistance occurs on the electrodes of the emitter of the first 7 and the emitter of the second 8 bipolar transistors , which leads to the occurrence of electrical oscillations in the circuit, which is formed by the parallel inclusion of a total resistance with a capacitive component on the electrodes of the emitter of the first 7 and the emitter of the second 8 bipolar transistors and inductor 9. The photodetector of the scattered radiation flux 4 and the resistor 5 form a voltage divider. MDN transistor 6 provides power to the first 7 and second 8 bipolar transistors.

Обмежувальний конденсатор 10 запобігає проходженню змінного струму через друге джерело постійної напруги 11. При надходженні газу в кювету З на фотоприймач розсіяного потоку випромінювання 4 буде потрапляти інша кількість оптичної енергії і його опір зміниться, а отже і зміниться величина ємнісної складової повного опору на електродах першого 7 та другого 8 біполярних транзисторів, це в свою чергу, викликає зміну частоти генерованих коливань.The limiting capacitor 10 prevents the passage of alternating current through the second source of constant voltage 11. When gas enters cuvette C, a different amount of optical energy will fall on the photoreceptor of the scattered radiation flux 4 and its resistance will change, and therefore the value of the capacitive component of the total resistance at the electrodes of the first 7 will change and the second 8 bipolar transistors, this, in turn, causes a change in the frequency of the generated oscillations.

Claims

USEFUL MODEL FORMULA Microelectronic optical-frequency gas concentration meter, which consists of a coherent source of optical radiation, which is optically connected through the rays of the cuvette, which are set in series in the direction of the cuvette, with a photodetector of the scattered radiation flux, which is distinguished by the fact that an MDN transistor is inserted into it, two bipolar transistors, a resistor, a limiting capacitor, an inductor, and two sources of constant voltage, the first source of constant voltage being connected to a coherent source of optical radiation in the forward direction, which is optically connected in series, through a cuvette, to a photodetector of the scattered radiation flux, the first the terminal of which is connected to Zo by the second terminal of the inductance, with the first terminal of the limiting capacitor, with the first terminal of the second source of constant voltage, in addition, the second terminal of the photodetector of the scattered radiation flux is connected to the gate of the MDN transistor, with the first terminal of the resistor, the second terminal which is connected with the source of the MDN transistor, with the emitter of the first bipolar transistor, with the second terminal of the limiting capacitor, with the second terminal of the second source of constant voltage, which are connected to the ground, the first terminal of the inductance is connected to the output of the device, with the emitter of the second bipolar transistor, the base of which connected to the collector of the first bipolar transistor and to the drain of the MDN transistor.

Neck with ! juices and yh and pi and KM XM I 1 | her