Сенсор газу

Сенсор газу, що містить оптично зв'язані джерела інфрачервоного випромінювання з довжинами хвиль випромінювання в максимумах, що співпадають з максимумом смуги власного поглинання аналізованого газу, робочу кювету з вхідним і вихідним газовим патрубком, оптичні елементи, при 3 35410 мач увімкнений до блоку обробки і реєстрації інформації. Для збільшення шляху сві тлового потоку і виключення прямого попадання світлового потоку на фотоприймач, газова кювета виконана у вигляді спіралі Архімеда. За рахунок збільшення оптичного шля ху, що проходить світловий потік, досягається вимірювання концентрації газу з підвищеною точністю і чутливістю. Недоліком даного газового сенсора є можливість вимірювання концентрації газу із заданою точністю і чутливістю лише в певному діапазоні малих концентрацій газу тому, що вимірювальна кювета має фіксовані розміри, а довжина оптичного шля ху достатньо велика, особливо для газів з різними коефіцієнтами власного поглинання електромагнітного випромінювання. У зв'язку з цим, при вимірюванні концентрації газу в широкому діапазоні або концентрації різних газів у газовій суміші необхідно використовува ти декілька газових кювет, що приводить до ускладнення конструкції. Відомий пристрій для вимірювання концентрації газу [3], який вибраний у якості прототипу, що містить кювету із системою відбиваючих дзеркал, коліматор, об'єктив та оптичний елемент, виготовлений у виді напівпрозорого дзеркала або біпризми, що ділить оптичне випромінювання на два рівних за потужністю потоки випромінювання, які попадають на фотоприймач, пройшовши різну оптичну довжину шляху. Даний пристрій забезпечує розширення діапазону вимірювання концентрації газу при збереженні заданої точності. Недоліком даного пристрою є зменшення точності вимірювань при малих концентраціях газу через те, що сві тловий потік, який проходить меншу довжину оптичного шляху, вносить значну похибку у процес вимірювання. Це значною мірою зв'язано з тим, що на фотоприймач одночасно попадають два світлові потоки, які пройшли різний оптичний шлях і зазнали різного оптичного поглинання. У зв'язку з цим, при вимірюванні концентрації газу в широкому діапазоні або концентрації різних газів у газовій суміші необхідно використовувати декілька пристроїв, що приводить до ускладнення конструкції. Завданням корисної моделі є створення сенсора газу, який забезпечує проведення вимірювання у широкому діапазоні концентрацій газу при збереженні заданої точності та чутливості, розширити область використання при спрощенні його конструкції. Поставлена задача досягається тим, що сенсор газу містить оптично зв'язані джерела інфрачервоного випромінювання з довжинами хвиль випромінювання в максимумах, які співпадають з максимумом смуги власного поглинання аналізованого газу, робочу кювету з вхідним і вихідним газовими патрубками, оптичні елементи, приймач інфрачервоного випромінювання, робоча кювета виконана з двох частин різної довжини із спільним внутрішнім об'ємом, вхідне прозоре для випромінювання вікно з дзеркальною поверхню є спільним для обох частин робочої кювети, параболічні дзеркальні поверхні нахилені під одним або різними кутами до вхідного вікна, вхідні патрубки, отвори 4 яких направлені під кутом до оптичних осей джерел інфрачервоного випромінювання, розміщені на частинах робочої кювети різної довжини, а вихідний патрубок на її більшій частині, джерела інфрачервоного випромінювання знаходяться усередині теплопровідних кульових опор і розміщені на одній або різних осях із приймачем інфрачервоного випромінювання. Використання двох джерел інфрачервоного випромінювання з довжинами хвиль випромінювання в максимумах, що співпадають з максимумом смуги власного поглинання аналізованого газу, розміщених на одній або різних осях із приймачем випромінювання та імпульсний режим їх роботи в один або різні моменти часу разом із робочою кюветою, яка виконана з двох частин різної довжини із спільним внутрішнім об'ємом забезпечують вимірювання концентрації газів в широкому діапазоні із заданою точністю і чутливістю. Вхідне вікно із нанесеною дзеркальною поверхнею, параболічні дзеркала, що нахилені під одним або різними кутами до вхідного вікна і розміщені в різних частинах робочої кювети дозволяють збільшити оптичний шлях випромінювання, спростити конструкцію сенсора газів та розширити область його використання. Пропускання газу через вхідні патрубки, отвори яких розміщені під кутом до оптичних осей джерел інфрачервоного випромінювання і розміщення вихідного патрубка на більшій частині робочої кювети дозволяють одержати рівномірний розподіл газу по всьому внутрішньому об'єму робочої кювети та забезпечити зменшення часу необхідного для повної заміни внутрішнього об'єму іншим газом та його кількості. Кульові опори, всередині яких розміщені джерела випромінювання, виготовлені із теплопровідного матеріалу і одночасно відіграють роль теплового радіатора та елементів настройки оптичної частини сенсора, що значно спрощує його конструкцію. На кресленні наведена функціональна схема сенсора газу. Сенсор газу містить робочу 1 кювету, виконану з двох частин різної довжини із спільним внутрішнім об'ємом до якої герметично прикріплене вхідне 6 вікно із дзеркальною 7 пластинкою. Параболічні 3 і 11 дзеркальні поверхні нахилені під одним або різними кутами до вхідного 6 вікна і знаходяться в різних частинах робочої 1 кювети. Вхідні 2 і 12 патрубки, отвори яких направлені під кутом до оптичних осей джерел 4 і 8 випромінювання, розміщені на різних частинах робочої 1 кювети, а вихідний 10 патрубок на її більшій частині. Кульові 5 і 9 опори, всередині яких розміщені джерела 4 і 8 інфрачервоного випромінювання, виготовлені із теплопровідного матеріалу і забезпечують настройку оптичної частини сенсора. На основі 13 сенсора розміщені кульові 5 і 9 опори, джерела 4 і 8 випромінювання та фотоприймач 14 випромінювання. Мікропроцесорний 15 блок почергово активізує джерела 4 і 8 інфрачервоного випромінювання з довжиною хвилі в максимумі, що співпадає з максимумом смуги власного поглинання аналізованого газу. Джерела 4 і 8 інфрачервоного випро 5 35410 мінювання мають однакову потужність випромінювання, однаковий температурний зсув максимуму в спектрі випромінювання і розміщені на одній або різних осях із фотоприймачем 14 так, що утворюють однакові незалежні робочі потоки випромінювання. Мікропроцесорний 15 блок виконаний як окремий зовнішній блок або разом із сенсором. Сенсор газу працює наступним чином: Аналізуючий газ прокачується одночасно через вхідні 2 і 12 патрубки робочої 1 кювети. В перший момент часу, джерело 4 інфрачервоного випромінювання активується мікропроцесорним 15 блоком та формує світловий потік, що проходить через аналізуючий газ, де частково поглинається та за допомогою параболічної 5 дзеркальної поверхні спрямовується на дзеркальну 7 пластину, параболічну 11 дзеркальну поверхню та приймач 14 інфрачервоного випромінювання. На виході приймача 14 інфрачервоного випромінювання утворюється електричний сигнал, який пропорційний величині поглинутого потоку, що проходить в обох частинах робочої 1 кювети. Мікропроцесорний 15 блок записує величину сигналу в свою пам'ять для послідуючої обробки. В наступний момент часу, джерело 8 інфрачервоного випромінювання активується мікропроцесорним 15 блоком та формує світловий потік, що проходить через аналізуючий газ, де частково поглинається та за допомогою параболічної 11 дзеркальної поверхні спрямовується на приймач 14 інфрачервоного випромінювання. На виході приймача 14 інфрачервоного випромінювання утворюється електричний сигнал, який пропорційний величині поглинутого потоку, що проходить в меншій частині робочої 1 кювети. Мікропроцесорний 15 блок записує величину сигналу в свою пам'ять для послідуючої обробки. В третій момент часу, джерела 4 і 8 інфрачервоного випромінювання одночасно активуються мікропроцесорним 15 блоком та формують світлові потоки, що проходять через аналізуючий газ, де частково поглинаються та за допомогою відповідних дзеркальних 3, 7 і 11 поверхонь спрямовується на приймач 14 інфрачервоного випромінювання. На виході приймача 14 інфрачервоного випромінювання утворюється електричний сигнал, який пропорційний величині поглинутого потоку, що проходить в обох частинах робочої 1 кювети від обох джерел 4 і 8 інфрачервоного випромінювання. Мікропроцесорний 15 блок записує величину сигналу в свою пам'ять для послідуючої обробки. Використання однакових джерел 4 і 8 інфрачервоного випромінювання дозволяє одержати просторово розділені потоки випромінювання з рівномірним розподілом енергії всередині потоку в один або різні моменти часу. При відсутності аналізованого газу, у всі х трьох випадках, робоча 1 кювета прокачуються нульовим газом, внаслідок чого, сформовані джерелами 4 і 8 інфрачервоного випромінювання світлові потоки не зазнають поглинання і на виході приймача 14 інфрачервоного випромінювання створюються електричні сигнализа допомогою яких мікропроцесорний 15 блок забезпечує корекцію нуля, вирівнюючи величину сигналів при відсу 6 тності поглинання. Мікропроцесорний 15 блок забезпечує обробку всіх електричних сигналів з виходу приймача 14 інфрачервоного випромінювання і виділяє той електричний сигнал, що відповідає концентрації газу, яка виміряна з найбільшою точність із наперед заданої для даного сенсора. Проведення вимірювань у широкому діапазоні концентрацій газів при збереженні заданої точності та чутливості досягається вибором співвідношення довжин частин робочої 1 кювети в залежності від поглинаючої здатності аналізованого газу, рівномірністю проходження газу через всю робочу 1 кювету завдяки вхідним 2 і 12 патрубкам, отвори яких спрямовані під кутом до оптичних осей джерел 4 і 8 інфрачервоного випромінювання, повним використанням світлових потоків створених джерелами 4 і 8 інфрачервоного випромінювання та режимом їх роботи. У випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, зв'язаних із забрудненням вікна 6 робочої 1 кювети з часом та при неузгодженості спектрів джерел 4 і 8 інфрачервоного випромінювання і спектральної чутливості приймача 14 інфрачервоного випромінювання по відношенню до спектра власного поглинання аналізованого газу під дією температури оточуючо го середовища, збереження заданої точності та чутливості досягається за рахунок того, що аналізований газ прокачується одночасно через кожну із частин робочої 1 кювети в яких сформовані джерелами 4 і 8 потоки інфрачервоного випромінювання зазнають однакових змін не зв'язаних з поглинанням аналізованого газу. В процесі обробки електричних сигналів мікропроцесорним 15 блоком ці зміни взаємокомпенсуються. Мікропроцесорний 15 блок дозволяє в певній мірі автоматизувати керування роботою оптичного сенсора газів в залежності від функціонального призначення. Джерела 4 і 8 випромінювання генерують випромінювання в інфрачервоному діапазоні спектра на довжинах хвиль 2,5-5,0мкм. Вибором хімічного складу твердих розчинів InGaAs/lnAs та InAsSbP/lnAs узгоджується довжина хвилі у максимумі спектра випромінювання активних елементів з відповідною довжиною селективної смуги поглинання аналізованого газу (довжини хвиль 2,7мкм, 3,32мкм, 4,27мкм, 4,67мкм, що відповідають селективним смугам поглинання парів води, метану (СН4), вуглекислого газу (СО2), окису вуглецю (CO) відповідно). Модуляція світлового потоку забезпечується активацією джерел 4 і 8 інфрачервоного випромінювання змінним струмом величиною 200mА та частотою 100кГц. Такий режим роботи джерел 4 і 8 інфрачервоного випромінювання разом із вхідними 2 і 12 патрубками, розміщеними на частинах робочої 1 кювети різної довжини, а вихідний 10 патрубок на її більшій частині, дозволяє забезпечити швидкодію сенсора 0,3-0,5с при значному зменшенні кількості газу необхідного для повної заміни внутрішнього об'єму сенсора. В якості приймача 14 інфрачервоного випромінювання використовувався неселективний напівпровідниковий фоторезистор. 7 35410 Запропонований оптичний сенсор газів дозволяє проводити вимірювання у широкому діапазоні концентрацій газів при збереженні заданої точності та чутливості, розширити область використання при спрощенні його конструкції. Джерела інформації: Комп’ютерна в ерстка C.Литв иненко 8 1. Патент WO 02/063283, МПК G01N21/61, Опублікований 2002.08.15. 2. Патент РФ №2262684, МПК G01N21/61, G01 N21/03, Опублікований 2005.10.20. 3. Патент РФ №2134874, МПК G01N21/61, Опублікований 1999.08.20. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601