UA32336U

UA32336U - Optical measuring device for gas concentration

Info

Publication number: UA32336U
Application number: UAU200800391U
Authority: UA
Inventors: Volodymyr Stepanovych Osadchuk; Oleksandr Volodymyrov Osadchuk; Andrii Oleksandrovych Semenov; Kostiantyn Olehovych Koval
Original assignee: Винницкий Национальный Технический Университет
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2008-05-12

Abstract

Optical measuring device for gas concentration includes coherent source of optical radiation that is optically connected through installed in sequence in direction of ray propagation cuvette to photo-receiver of dissipated flow, two sources of permanent voltage, field and bipolar transistors, three resistors, inductivity and two capacitors. Anode of photo-receiver is connected to first output of first resistor and gate of field transistor drain of which is connected to the first output of first capacitor and first output of first resistor, with first output of second capacitor and with additional terminal of second power supply source. Drain of field transistor is connected to emitter of bipolar transistor base of which is connected to second output of first capacitor and first output of third resistor. Cathode of photo-receiver is connected to the first output of second resistor second terminal of which together with collector of bipolar transistor, second output of third resistor, second output of second capacitor and negative terminal of second direct voltage source forms common bus that in its turn is second terminal of output.

Description

Корисна модель належить до області контрольно-вимірювальної техніки і може бути використаний як давач 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 transmitter in devices for automatic control of technological processes.

Відомий пристрій для виміру концентрації газу, що складається з джерела когерентного випромінення, яке оптично зв'язано через послідовно встановлені світло подільник, кювету, діафрагму та лізу з фотоприймачем, що під'єднаний через фото підсилювач до першого входу логарифмічного підсилювача, другий вхід якого з'єднаний з фотоприймачем опорного потоку випромінення, а вихід з'єднаний з пристроєм відліку (патент США Ме4408880A known device for measuring gas concentration, consisting of a source of coherent radiation, which is optically connected through a light divider, a cuvette, a diaphragm, and a lens installed in series with a photodetector connected through a photo amplifier to the first input of a logarithmic amplifier, the second input of which is is connected to the photodetector of the reference radiation flux, and the output is connected to the reference device (US patent Me4408880

МПК 01 Ма21/00, 19831.IPC 01 Ma21/00, 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.

Найбільш близьким технічним рішенням до даної корисної моделі можна вважати пристрій для виміру концентрації газу |див. патент СРСР Ме1716399 МПКб 201 М21/01, 19891.The closest technical solution to this useful model can be considered a device for measuring gas concentration | see USSR patent Me1716399 MPKb 201 M21/01, 19891.

Пристрій складається з когерентного джерела оптичного випромінення, що оптично зв'язане через послідовно встановлені по ходу променя світло подільний елемент, кювету, діафрагму, лінзу з фотоприймачем розсіяного потоку випромінення, 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 випромінення, а керуючий вхід з'єднаний з виходом компаратора і входом фільтра нижніх частот, вихід якого з'єднано з пристроєм відліку.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 first output of the switch 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 оптичного 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.The basis of a useful model is the task of creating an optical gas concentration meter, in which, due to the introduction of new elements and connections between them, the gas concentration is converted into a frequency, which leads to an increase in sensitivity, as well as the accuracy of gas concentration measurement in the area of small values.

Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій, який складається з когерентного джерела оптичного випромінення, що оптично зв'язане через послідовно встановлену по ходу променя кювету з фотоприймачем розсіяного потоку, що має чітко визначений спектр поглинання, введено польовий та біполярний транзистори, резистори, індуктивність, ємність, що дало змогу замінити перетворення концентрації газу в кюветі у напругу у відомому пристрої на перетворення концентрації газу у частоту у запропонованому пристрої, причому, перше джерело постійної напруги під'єднано до джерела когерентного випромінення в прямому напрямі, яке знаходиться в послідовному оптичному з'єднані через кювету з фотоприймачем, анод якого з'єднаний з першим виводом першого резистора та затвором польового транзистора, стік якого з'єднано з першим виводом першої ємності та першим виводом індуктивності, утворюючи при цьому першу клему виходу, другий вивід індуктивності з'єднано з другим виводом першого резистора, з першим виводом другої ємності та з додатною клемою другого джерела живлення, витік польового транзистора з'єднано з емітером біполярного транзистора, база якого під'єднана до другого виводу першої ємності та першого виводу третього резистора, катод фотоприймача з'єднано з першим виводом другого резистора, другий вивід якого з'єднано з колектором біполярного транзистора, другим виводом третього резистора, другим виводом другої ємності та від'ємною клемою другого джерела постійної напруги, утворює загальну шину, що в свою чергу є другою клемою виходу.The task is solved by the fact that field-effect and bipolar transistors, resistors, and inductance are introduced into the device, which consists of a coherent source of optical radiation, which is optically connected through a cuvette installed in series along the beam with a photodetector of a scattered flow, which has a clearly defined absorption spectrum , capacity, which made it possible to replace the conversion of gas concentration in the cuvette into voltage in the known device with the conversion of gas concentration into frequency in the proposed device, and the first source of constant voltage is connected to the source of coherent radiation in the direct direction, which is in series optical with are connected through a cuvette with a photodetector, the anode of which is connected to the first terminal of the first resistor and the gate of the field-effect transistor, the drain of which is connected to the first terminal of the first capacitor and the first terminal of the inductor, thus forming the first output terminal, the second terminal of the inductor is connected with the second terminal of the first resistor, with the first terminal of the second capacitor and with the positive terminal of the second power source, the drain of the field-effect transistor is connected to the emitter of the bipolar transistor, the base of which is connected to the second terminal of the first capacitor and the first terminal of the third resistor, the cathode of the photodetector is connected to the first terminal of the second resistor, the second terminal which is connected to the collector of the bipolar transistor, the second terminal of the third resistor, the second terminal of the second capacitor and the negative terminal of the second source of constant voltage, forms a common bus, which in turn is the second terminal of the output.

Використання запропонованого пристрою для виміру концентрації газу суттєво підвищує чутливість і точність виміру інформативного параметру за рахунок використання ємнісного елемента коливального контуру у вигляді польового та біполярного транзисторів, в якому зміна опору фоточутливого елементу під дією оптичного опромінення, що пройшло через кювету з газом, перетворюється в зміну ємності, що викликає зміну частоти генерованих коливань, при цьому можлива лінеаризація функції перетворення шляхом вибору величини напруги живлення.The use of the proposed device for measuring the gas concentration significantly increases the sensitivity and accuracy of the measurement of the informative parameter due to the use of a capacitive element of the oscillating circuit in the form of field-effect and bipolar transistors, in which the change in the resistance of the photosensitive element under the action of optical radiation that has passed through the cuvette with gas is transformed into a change capacity, which causes a change in the frequency of the generated oscillations, while the linearization of the transformation function is possible by choosing the value of the supply voltage.

На креслені наведена схема оптичного вимірювача концентрації газу.The drawing shows the scheme of the optical gas concentration meter.

Пристрій складається з першого джерела постійної напруги 1, яке з'єднане в прямому напряму з джерелом когерентного випромінення 2, що знаходиться в послідовному оптичному з'єднані через кювету З з фотоприймачем 5, який з'єднаний з польовим транзистором 7 та першим виводом першого резистора 4 з однієї сторони, а з іншої через другий резистор 6 з біполярним транзистором 8. Третій резистор 10 та перша ємність 9 ввімкнені як подільник напруги для виставлення робочої точки за постійним струмом біполярного транзистора 8.The device consists of the first source of constant voltage 1, which is connected in the direct direction to the source of coherent radiation 2, which is in series optically connected through cuvette C with the photodetector 5, which is connected to the field-effect transistor 7 and the first terminal of the first resistor 4 on one side, and on the other through the second resistor 6 with the bipolar transistor 8. The third resistor 10 and the first capacitor 9 are included as a voltage divider to set the operating point according to the constant current of the bipolar transistor 8.

Індуктивність 11 з'єднана зі стоком польового транзистора 7, другим виводом першого резистора 4 і другою ємністю 12, яка підключена паралельно другому джерелу постійної напруги 13. Вихід пристрою утворений стоком польового транзистора 7 і загальною шиною.The inductance 11 is connected to the drain of the field-effect transistor 7, the second terminal of the first resistor 4 and the second capacitor 12, which is connected in parallel to the second source of constant voltage 13. The output of the device is formed by the drain of the field-effect transistor 7 and the common bus.

Оптичний вимірювач концентрації газу працює таким чином.The optical 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 випромінення 2. Підвищенням напруги другого джерела постійної напруги 13 до величини, коли на електродах першого і другого транзисторів 7 і 8 за рахунок відповідних подільників, першого резистора 4 та другого резистора 6 для транзистора 7, першої ємності 9 і третього резистора 10 для транзистора 8, виникає від'ємний опір. Це призводить до виникнення електричних коливань у контурі, утвореним паралельним включенням повного опору з ємнісним характером на електродах стоку польового транзистора 7 і колектора біполярного транзистора 8 та індуктивним опором індуктивності 11. Друга ємність 12 запобігає проходженню змінного струму через друге джерело постійної напруги 13. При потраплянні газу в кювету на фотоприймач 5 буде потрапляти інша кількість оптичної енергії і його опір змінюється, а отже величина ємнісної складової повного опору на електродах транзисторів, це в свою чергу, викликає зміну частоти генерованих коливань.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 on the electrodes of the first and second transistors 7 and 8 due to the corresponding dividers, the first resistor 4 and the second resistor 6 for the transistor 7, the first capacitor 9 and the third resistor 10 for the transistor 8, there is a negative resistance. This leads to the occurrence of electrical oscillations in the circuit formed by the parallel inclusion of a total resistance with a capacitive nature on the drain electrodes of the field-effect transistor 7 and the collector of the bipolar transistor 8 and the inductive resistance of the inductance 11. The second capacitance 12 prevents the passage of alternating current through the second source of constant voltage 13. When entering of gas in the cuvette, a different amount of optical energy will fall on the photoreceptor 5 and its resistance changes, and therefore the value of the capacitive component of the total resistance at the electrodes of the transistors, this, in turn, causes a change in the frequency of the generated oscillations.

З 4 Ї | Я рр !From 4th | I rr!

ПАСИ КТ у п ог ще Е. 2 а і. я Я, ! А і охPASI CT in general E. 2 a i. I I, ! And oh

Claims

Optical gas concentration meter, which contains a coherent source of optical radiation, which is optically connected through a cuvette installed in series along the path of the beam with a scattered flow photodetector, which is distinguished by the fact that two sources of constant voltage, field-effect and bipolar transistors, three resistors, inductance and two capacitors, and the anode of the photodetector is connected to the first terminal of the first resistor and the gate of the field-effect transistor, the drain of which is connected to the first terminal of the first capacitor and the first terminal of the inductor, thus forming the first output terminal, the second terminal of the inductor is connected to the second terminal of the first resistor, with the first terminal of the second capacitor and with the additional terminal of the second power source, the drain of the field-effect transistor is connected to the emitter of the bipolar transistor, the base of which is connected to the second terminal of the first capacitor and the first terminal of the third resistor, the cathode of the photodetector is connected with the first terminal of the second resistor, the second terminal of which is in combination with the collector of the bipolar transistor, the second terminal of the third resistor, the second terminal of the second capacitor and the negative terminal of the second constant voltage source forms a common bus, which, in turn, is the second output terminal.