Термостабільний газовий сенсор

Термостабільний газовий сенсор, що складається з оптично зв'язаних джерел інфрачервоного випромінювання, робочої кювети з вхідним і вихідним газовими патрубками, приймача інфрачервоного випромінювання і оптичного фільтра, робоча довжина хвилі в максимумі пропускання якого співпадає з відповідною довжиною хвилі селективної смуги поглинання аналізованого газу, розміщених у фокусі параболічного дзеркала, який відрізняється тим, що містить 2n джерел інфрачервоного випромінювання, розміщених з приймачем інфрачервоного випромінювання на одній підкладці відносно оптичної осі так, що утворюють в один момент часу 2n незалежних і просторово розділених потоки випромінювання, які проходять крізь робочу кювету, активні елементи джерел інфрачервоного випромінювання утворені з вузькозонного напівпровідникового матеріалу, активний шар яких містить біполярну провідність, і мають однаковий температурний коефіцієнт забороненої зони, спектри джерел випромінювання рознесені по довжинах хвиль відносно робочої довжини хвилі оптичного фільтра так, що ширина Dlp пропускання оптичного фільтра вибрана із співвідношення Корисна модель відноситься до напівпровідникових оптико-електронних приладів, що містять кілька випромінюючих елементів, сформованих на загальній основі і може бути застосований при розробці малогабаритних інфрачервоних газоаналізаторів для виміру концентрацій найбільш поширених забруднювачів атмосфери газів (CO, CO2, СН4, NО), які є в складі відпрацьованих газів транспортних засобів, промислових підприємств, енергетичних установок та в системах пожежної сигналізації. Відомий автоматичний інфрачервоний газоаналізатор [1], в якому джерело і приймач інфрачервоного випромінювання з інтерференційним фільтром розташовані в одному корпусі з вихідним і вхідним прозорими вікнами - відповідно навпроти джерела і приймача інфрачервоного випромінювання, в корпусі також вмонтовано електропідігрівач з'єднаний з термодатчиком, що установлений на корпусі. Технічним результатом автоматичного інфрачервоного газоаналізатора є підвищення чутливості і точності виміру концентрацій газів в широкому діапазоні. Недоліком даного автоматичного інфрачервоного газоаналізатора є наявність механічного обтюратора, який зменшує його надійність і разом із електропідігрівачем, з'єднаного з термодатчиком, ускладнюють конструкцію газоаналізатора та зменшення чутливості і точності виміру концентрацій Dl £ C DT , n а довжини хвиль в максимумі джерел випромінювання при Т=300 К задовольняють умові (13) 36584 (11) UA (19) довжинами хвиль; k - номер джерела випромінювання, k =1, 2, 3, 4, ... n з різними довжинами хвиль; C - температурний коефіцієнт зміщення спектра джерела випромінювання; DT - інтервал зміни температури навколишнього середовища; lK - довжина хвилі в максимумі джерела випромінювання; lp - робоча довжина хвилі в максимумі пропускання оптичного фільтра; Dlp - ширина спектра пропускання оптичного фільтра. U k lK £ lp - Dlp , де 2 n - кількість джерел випромінювання з різними 3 36584 газів в широкому діапазоні температур при неузгодженості спектра джерела інфрачервоного випромінювання і спектральної чутливості приймача інфрачервоного випромінювання по відношенню до спектра поглинання аналізованого газу під дією температури оточуючого середовища. Відомий недесперсійний багатоканальний інфрачервоний газовий аналізатор [2], що містить джерело електромагнітного випромінювання з наявністю опорної й робочої довжин хвиль, інтерференційні фільтри для виділення вищевказаних довжин хвиль, розташовану по ходу випромінювання джерела газову кювету з фокусуючими лінзами на вході й ви ході, основний фотоприймач, розміщений за кюветою, для прийому випромінювання опорної й робочої довжин хвиль від джерела, джерело змонтоване на термоелектричному холодильнику Пельтьє й виконане як світлодіодна матриця, причому до складу світлодіодної матриці додатково включений фотоприймач, а холодильник Пельтьє підключений до додатково встановленого блоку термостабілізації. Технічним результатом недесперсійного багатоканального інфрачервоного газового аналізатора є підвищення точності визначення концентрації складових багатокомпонентного газу. Недоліком даного недесперсійного багатоканального інфрачервоного газового аналізатора є складність конструкції оптичного блоку, так як використовуються декілька світлофільтрів на різні смуги частот пропускання, наявність двох фотоприймачів та холодильників Пельтьє з додатково встановленим блоком термостабілізації, що приводить до пониження надійності в роботі та зменшення чутливості і точності виміру концентрацій газів в широкому діапазоні температур при неузгодженості спектра джерела інфрачервоного випромінювання і спектральної чутливості приймача інфрачервоного випромінювання по відношенню до спектра поглинання аналізованого газу під дією температури оточуючого середовища. Відомий інфрачервоний газоаналізатор [3], що вибраний в якості прототипу, в якому джерело і приймач інфрачервоного випромінювання з інтерференційним фільтром розташовані в напівсферичних дзеркалах і з'єднані з електричною схемою, джерело інфрачервоного випромінювання містить не менше двох випромінюючих діодів з довжинами хвиль випромінювання в максимумах, що співпадають з максимумом смуги поглинання аналізованого газу і розміщені на одній підкладці відносно оптичної осі джерела інфрачервоного випромінювання так, що утворюють два однакові потоки випромінювання, а робочі кювети мають різну довжину. Технічним результатом інфрачервоного газоаналізатора є підвищення чутли вості і точності виміру в широкому діапазоні концентрацій газів у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, зв'язаних з забрудненням вікон кювети з часом. Недоліком даного інфрачервоного газоаналізатора є використання декілька робочих кювет і напівсферичних дзеркал, які ускладнюють оптичний блок газоаналізатора та зменшення чутливості 4 і точності виміру концентрацій газів в широкому діапазоні температур при неузгодженості спектра джерела інфрачервоного випромінювання і спектральної чутливості приймача інфрачервоного випромінювання по відношенню до спектра поглинання аналізованого газу під дією температури оточуючого середовища, внаслідок недостатньої його температурної стабілізації. В основу корисної моделі поставлено задачу підвищення чутливості і точності виміру концентрацій газів в широкому діапазоні температур при неузгодженості спектрів джерел інфрачервоного випромінювання і спектральної чутливості приймача інфрачервоного випромінювання по відношенню до спектра поглинання аналізованого газу та спрощення конструкції. Поставлена задача вирішується тим, що термостабільний газовий сенсор складається з оптично зв'язаних джерел інфрачервоного випромінювання, робочої кювети з вхідним і вихідним газовими патрубками, приймача інфрачервоного випромінювання і оптичного фільтра, робоча довжина хвилі в максимумі пропускання якого співпадає з відповідною довжиною хвилі селективної смуги поглинання аналізованого газу, розміщених у фокусі параболічного дзеркала, 2n джерел інфрачервоного випромінювання розміщених з приймачем інфрачервоного випромінювання на одній підкладці відносно оптичної осі так, що утворюють в один момент часу 2n незалежних і просторово розділених потоки випромінювання, які проходять крізь робочу кювету, активні елементи джерел інфрачервоного випромінювання утворені з вузькозонного напівпровідникового матеріалу активний шар яких містить біполярну провідність і мають однаковий температурний коефіцієнт забороненої зони, спектри джерел випромінювання рознесені по довжинам хвиль відносно робочої довжини хвилі оптичного фільтра так, що ширина Δλр пропускання оптичного фільтра вибрана із співвідношення Dl £ C DT , n а довжини хвиль в максимумі джерел випромінювання при Т=300К задовольняють умові lK £ lp k Dlp , де 2 n - кількість джерел випромінювання з різними довжинами хвиль; k - номер джерела випромінювання, k=1, 2, 3, 4… n з різними довжинами хвиль; С - температурний коефіцієнт зміщення спектра джерела випромінювання; ΔT - інтервал зміни температури навколишнього середовища; λK - довжина хвилі в максимумі джерела випромінювання; λр - робоча довжина хвилі в максимумі пропускання оптичного фільтра; Δλp - ширина спектра пропускання оптичного фільтра. Джерела інфрачервоного випромінювання виконані таким чином, що містять активні елементи утворені з вузькозонного напівпровідникового матеріалу активний шар яких має біполярну провід 5 36584 ність і випромінюють з довжинами хвиль в максимумі, які рознесені відносно робочої довжини хвилі оптичного фільтра, робоча довжина хвилі в максимумі пропускання якого співпадає з відповідною довжиною хвилі селективної смуги поглинання аналізованого газу, відповідно в довго хвильову і короткохвильову область спектра та мають однаковий температурний коефіцієнт забороненої зони. Зміна температури приводить до однакового зміщення спектрів джерел випромінювання в довгохвильову або короткохвильову область спектра по відношенню до робочої довжини хвилі оптичного фільтра. Така поведінка спектрів джерел випромінювання та їх розміщення на одній підкладці з приймачем інфрачервоного випромінювання, перед яким розміщений оптичний фільтр, дозволяє узгодити спектри джерел інфрачервоного випромінювання і спектральну чутливість приймача інфрачервоного випромінювання по відношенню до спектра поглинання аналізованого газу в широкому інтервалі температур оточуючого середовища, що підвищує чутливість і точність виміру концентрацій газів. Стабілізація інтенсивності потоків джерел інфрачервоного випромінювання забезпечується регулюванням прямого електричного струму, що проходить крізь активні елементи. Використання 2n джерел інфрачервоного випромінювання, що утворюють в один момент часу 2n незалежних і просторово розділених потоки випромінювання, які проходять крізь робочу кювету, забезпечує багатоканальність даного сенсора і дозволяє вимірювати концентрацію аналізованого газу з високою точністю. Запропоноване технічне рішення не передбачає термостабілізацію газового сенсора. На Фіг.1 наведена конструкція термостабільного газового сенсора. Газовий сенсор містить основу 1 на якій розміщені джерела 7 і 11 інфрачервоного випромінювання, що знаходяться в кульових 8 і 12 опорах, приймач 9 інфрачервоного випромінювання перед яким розміщений оптичний 10 фільтр, робоча довжина хвилі в максимумі пропускання якого співпадає з відповідною довжиною хвилі селективної смуги поглинання аналізованого газу та робочу 2 кювету. Кульові 8 і 12 опори виготовлені із теплопровідного матеріалу і забезпечують настройку оптичної частини сенсора. Вхідний 5 і вихідний 13 газові патрубки виготовлені за допомогою пресформ разом із з'єднувальними 4 і 14 смугами. На Фіг.2 вказано розміщення спектрів 15 і 17 джерел 7 і 11 інфрачервоного випромінювання відповідно та спектральне 16 положення оптичного 10 фільтра. Спектр 15 джерела 7 інфрачервоного випромінювання має максимум довжини хвилі випромінювання зміщений у короткохвильову область спектра відносно робочої довжини хвилі оптичного 10 фільтра, а спектр 17 джерела 11 інфрачервоного випромінювання має максимум довжини хвилі випромінювання зміщений у довгохвильову область спектру. На Фіг.3 наведений вид зверху робочої кювети термостабільного газового сенсора. 6 Робоча 2 кювета складається з прозорого до випромінювання вхідного 3 вікна, параболічної 6 дзеркальної поверхні (Фіг.1), бокових напівсферичних 18 і 19 поверхонь, з'єднаних між собою за допомогою смуг 4 і 14 з вхідним 5 і вихідним 13 газовими патрубками. Термостабільний газовий сенсор працює наступним чином: Аналізований газ прокачується крізь вхідний 5 газовий патрубок з'єднувальної 4 смуги робочої 2 кювети. Джерела 7 і 11 інфрачервоного випромінювання одночасно активуються прямим електричним струмом, що проходить крізь активні елементи і формують потоки випромінювання, що проходять крізь аналізований газ, де частково поглинаються та за допомогою параболічної 6 дзеркальної поверхні спрямовуються на приймач 10 інфрачервоного випромінювання, перед яким знаходиться оптичний 9 фільтр, робоча довжина хвилі в максимумі пропускання якого співпадає з відповідною довжиною хвилі селективної смуги поглинання аналізованого газу. На виході приймача 10 інфрачервоного випромінювання утворюється електричний сигнал, який пропорційний величині поглинутого потоку, що проходить в робочій 2 кюветі. При відсутності аналізованого газу робоча 2 кювета прокачуються нульовим газом, внаслідок чого, сформовані джерелами 7 і 11 інфрачервоного випромінювання світлові потоки не зазнають поглинання і на виході приймача 10 інфрачервоного випромінювання створюється електричний сигнал за допомогою якого забезпечується корекція нуля, вирівнюючи величини сигналів джерел 7 і 11 інфрачервоного випромінювання при відсутності поглинання. Зміна температури навколишнього середовища приводить до зміщення спектрів випромінювання джерел 7 і 11 інфрачервоного випромінювання у відповідності із температурними коефіцієнтами зміни ширини забороненої зони активних елементів. Для розширення інтервалу температур ΔT газовий сенсор містить 2n джерел інфрачервоного випромінювання з відповідними довжинами хвиль. Використання джерел 7 і 11 інфрачервоного випромінювання з відповідними довжинами хвиль дозволяє одержати просторово розділені потоки випромінювання з рівномірним розподілом енергії всередині потоку в один моменти часу. Кульові 8 і 12 опори, всередині яких розміщені джерела 7 і 11 інфрачервоного випромінювання, виготовлені із теплопровідного матеріалу і одночасно відіграють роль теплового радіатора та елементів настройки оптичної частини сенсора, що значно спрощує його конструкцію. Модуляція світлового потоку забезпечується активацією джерел 7 і 11 інфрачервоного випромінювання змінним струмом величиною 200mА та частотою 100 кГц. Такий режим роботи джерел 7 і 11 інфрачервоного випромінювання дозволяє забезпечити швидкодію сенсора в 0,3-0,5с. В якості приймача 14 інфрачервоного випромінювання використовувався неселективний напівпровідниковий фоторезистор. 7 36584 У запропонованому газовому сенсорі використані джерела інфрачервоного випромінювання, що містять активні елементи з р-n-переходами, які одержувалися методом рідинно-фазної епітаксії з твердих розчинів InGaAs із довжинами хвиль λ1=3,30мкм і λ2=3,44мкм та шириною спектра випромінювання кожного із них Δλ=0,3 мкм. Температурний коефіцієнт зміни ширини забороненої зони рівний 3,3´10-4еВ/град. Оптичний фільтр використаний з робочою довжиною хвилі λр=3,37мкм (шириною смуги пропускання Δλр=0,08мкм), яка співпадає з максимумом довжини хвилі селективної смуги поглинання метану (СН4). Джерела інфрачервоного випромінювання працюють в імпульсному режимі з однаковим або різним інтервалами часу. При переході з режиму роботи джерел інфрачервоного випромінювання із однаковим інтервалом часу (величина струму І=200мА, частота слідування імпульсів до 100кГц, скважність 2) на імпульсний режим роботи з різним Комп’ютерна в ерстка Н. Лисенко 8 інтервалом часу (І=1-10А, частота слідування імпульсів до 10Гц, тривалість імпульсу t=100мкс) потужність випромінювання зростає в середньому на порядок. Даний винахід дозволяє одержати термостабільний газовий сенсор простої конструкції з підвищеною чутливістю і точністю виміру концентрацій газів в широкому діапазоні температур при неузгодженості спектрів джерел інфрачервоного випромінювання і спектральної чутливості приймача інфрачервоного випромінювання по відношенню до спектра поглинання аналізованого газу. Джерела інформації: 1. Патент України №72630, MПK G01N21/01, G01N21/55, 2005.03.15. 2. Патент Росії №2187093, МПК G01N21/61, 2002.08.10. 3. Патент України №80639, MПK G01N21/61, G01 N21/01, 2007.10.10. 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