UA137281U

UA137281U - MICROELECTRONIC OPTICAL GAS CONCENTRATION METER WITH FREQUENCY OUTPUT

Info

Publication number: UA137281U
Application number: UAU201903956U
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: 2019-04-15
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2019-10-10

Abstract

Мікроелектронний оптичний вимірювач концентрації газу з частотним виходом складається з когерентного джерела оптичного випромінювання, яке оптично з'єднано через послідовно встановлену за напрямком променя кювету з фотоприймачем розсіяного потоку випромінювання. Додатково введено МДН-транзистор, три біполярні транзистори, два резистори, конденсатор, обмежувальний конденсатор та два джерела постійної напруги. 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 колектором третього біполярного транзистора, з другим виводом другого резистора, з першим виводом обмежувального конденсатора, з першим виводом другого джерела постійної напруги. Другий вивід фотоприймача розсіяного потоку випромінювання з'єднано із затвором МДН-транзистора.The microelectronic optical gas concentration meter with frequency output consists of a coherent source of optical radiation, which is optically connected through a series-mounted in the direction of the beam of the cuvette with the photodetector of the scattered radiation flux. Additionally, a MOS transistor, three bipolar transistors, two resistors, a capacitor, a limiting capacitor and two DC sources are introduced. The first DC voltage source is connected to a coherent source of optical radiation in the forward direction, which is in series optically connected, through a cuvette, to a photodetector of the scattered radiation flux, the first output of which is connected to the collector of the third bipolar transistor. with the first output of the limiting capacitor, with the first output of the second DC voltage source. The second output of the photodetector of the scattered radiation flux is connected to the gate of the MOSFET.

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, МПКє 01 М 21/00, 19831.USA Mo 4408880, MPKye 01 M 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.

Найближчим аналогом є пристрій для вимірювання концентрації газу (див. патент СРСР Мо 1716399, МПКє 201М 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.The closest analog is a device for measuring gas concentration (see USSR patent Mo 1716399, MPKye 201M 21/01, 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 оптичного вимірювача концентрації газу з частотним виходом, 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 gas concentration meter with a frequency output, in which, due to the introduction of new elements and the connections between them, the gas concentration is converted into frequency, which leads to increased sensitivity, as well as the accuracy of gas concentration measurement in the area small values, which contributes to the expansion of the field of use of the device.

Поставлена задача вирішується тим, що в мікроелектронний оптичний вимірювач концентрації газу з частотним виходом, який складається з когерентного джерела оптичногоThe problem is solved by the fact that in a microelectronic optical gas concentration meter with a frequency output, which consists of a coherent source of optical

Зо випромінювання, яке оптично з'єднано через послідовно встановлену за напрямком променя кювету з фотоприймачем розсіяного потоку випромінювання, згідно з корисною моделлю, додатково введено МДН-транзистор, три біполярні транзистори, два резистори, конденсатор, обмежувальний конденсатор 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 колектором третього біполярного транзистора, з другим виводом другого резистора, 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 першого 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, базу третього біполярного транзистора з'єднано з другим виводом конденсатора та з першим виводом другого резистора, емітер третього біполярного транзистора, перший вивід конденсатора з'єднано з виходом пристрою, з емітером другого біполярного транзистора, база якого з'єднана з колектором першого біполярного транзистора та зі стоком МДН-транзистора.From the radiation, which is optically connected through a cuvette installed in series along the direction of the beam with a diffuse radiation photodetector, according to a useful model, an MDN transistor, three bipolar transistors, two resistors, a capacitor, a limiting capacitor and two sources of constant voltage are additionally introduced, and the first source of constant voltage is 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 output of which is connected to the collector of the third bipolar transistor, to the second output of the second resistor, with the first output of the limiting capacitor, with the first output 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, with the first output of the first resistor, the second output of which is connected to the output of the MDN transistor, with emitter of the first bipolar transistor, from the second m terminal of the limiting capacitor, with the second terminal of the second source of constant voltage, which are connected to ground, the base of the third bipolar transistor is connected to the second terminal of the capacitor and to the first terminal of the second resistor, the emitter of the third bipolar transistor, the first terminal of the capacitor is connected to output of the device, with 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.

На кресленні наведено схему мікроелектронного оптичного вимірювача концентрації газу з частотним виходом.The drawing shows a diagram of a microelectronic optical gas concentration meter with a frequency output.

Мікроелектронний оптичний вимірювач концентрації газу з частотним виходом складається з когерентного джерела оптичного випромінювання 2, яке оптично з'єднано через послідовно встановлену за напрямком променя кювету З з фотоприймачем розсіяного потоку випромінювання 4, введено МДН-транзистор б, перший 7, другий 8 та третій 10 біполярні транзистори, перший 5 та другий 11 резистори, конденсатор 9, обмежувальний конденсатор 12, перше 1 і друге 13 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 колектором третього біполярного транзистора 10, з другим виводом другого резистора 11, з першим виводом обмежувального конденсатора 12, з першим виводом другого джерела постійної напруги 13, крім того, другий бо вивід фотоприймача розсіяного потоку випромінювання 4 з'єднано із затвором МДН-The microelectronic optical gas concentration meter with a frequency output consists of a coherent source of optical radiation 2, which is optically connected through a cuvette C installed in series in the direction of the beam with a photodetector of the scattered radiation flow 4, an MDN transistor b, the first 7, the second 8 and the third 10 are inserted bipolar transistors, the first 5 and the second 11 resistors, the capacitor 9, the limiting capacitor 12, the first 1 and the second 13 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 serially optically connected, through the cuvette 3, to the diffused radiation flux photoreceptor 4, the first terminal of which is connected to the collector of the third bipolar transistor 10, to the second terminal of the second resistor 11, to the first terminal of the limiting capacitor 12, to the first terminal of the second constant voltage source 13, except moreover, the second output of the photodetector of the scattered radiation flow 4 is connected nano with MDN shutter

транзистора 6, з першим виводом першого резистора 5, другий вивід якого з'єднаний з витокомtransistor 6, with the first terminal of the first resistor 5, the second terminal of which is connected to the drain

МДН-транзистора 6, з емітером першого біполярного транзистора 7, з другим виводом обмежувального конденсатора 12, з другим виводом другого джерела постійної напруги 13, які під'єднані до заземлення, базу третього біполярного транзистора 10 з'єднано з другим виводом конденсатора 9 та з першим виводом другого резистора 11, емітер третього біполярного транзистора 10, перший вивід конденсатора 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.MDN transistor 6, with the emitter of the first bipolar transistor 7, with the second terminal of the limiting capacitor 12, with the second terminal of the second constant voltage source 13, which are connected to the ground, the base of the third bipolar transistor 10 is connected to the second terminal of the capacitor 9 and with the first output of the second resistor 11, the emitter of the third bipolar transistor 10, the first output of the capacitor 9 is connected to the output of the device, to 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 оптичний вимірювач концентрації газу з частотним виходом працює таким чином.The microelectronic optical gas concentration meter with frequency output 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 13 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 і повним опором з індуктивним характером на електродах емітер-колектор третього біполярного транзистора 10. Величина повного опору з індуктивним характером визначається другим резистором 11 та конденсатором 9. Фотоприймач розсіяного потоку випромінювання 4 та перший 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 13 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 emitter electrodes of the first 7 and emitter of the second 8 bipolar transistors and a total resistance with an inductive nature on the emitter-collector electrodes of the third bipolar transistor 10. The value of the total resistance with inductive character is determined by the second resistor 11 and the capacitor 9. The photodetector of the scattered radiation flow 4 and the first resistor 5 form a voltage divider. MDN transistor 6 provides power to the first 7 and second 8 bipolar transistors.

Обмежувальний конденсатор 12 запобігає проходженню змінного струму через друге джерело постійної напруги 13. 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 12 prevents the passage of alternating current through the second source of constant voltage 13. 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 Koo) Microelectronic optical gas concentration meter with frequency output, which consists of a coherent source of optical radiation, which is optically connected through a cuvette installed in series along the direction of the beam with a photodetector of the scattered radiation flux, which is distinguished by the fact that an MdDN transistor is additionally introduced , three bipolar transistors, two resistors, a capacitor, a limiting capacitor and two sources of constant voltage, and the first source of constant voltage is 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 terminal of which is connected to the collector of the third bipolar transistor, to the second terminal of the second resistor, to the first terminal of the limiting capacitor, to 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 MDN-tran gate resistor, with the first terminal of the first resistor, the second terminal of which is connected to the drain 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 base of the third bipolar of the transistor is connected to the second terminal of the capacitor and to the first terminal of the second resistor, the emitter of the third bipolar transistor, the first terminal of the capacitor 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.

And Kikhiz Taz and Gaz: ; - Vysh and yk UT | и sefran janiyaei 4 Ro he she CYU ASU ke me I Kya i t--k vi