Багатоканальний газоаналізатор

Багатоканальний газоаналізатор, що містить джерело випромінювання, робочу кювету і параболічне дзеркало, у фокусі якого розташований фотоприймач, які розміщені на одній оптичній осі, причому вихід фотоприймача через підсилювач з'єднаний з блоком обробки електричних сигналів, 3 вища, використання порівняльної кювети, яка наповнена еталонним газом і не дозволяє врахувати нерівномірність забруднення вікон вимірювальних кювет, що разом приводить до обмеженої надійності вимірювань, звуження діапазону використання газового аналізатора та зменшення точності визначення концентрації газів. Відомий недесперсійний багатоканальний інфрачервоний газовий аналізатор [3], у якому визначення концентрації газів у газовій суміші здійснюють шляхом реєстрації оптичного випромінювання, що пройшло через газову суміш, опорної й робочої довжин хвиль та за їх змінами визначають концентрацію газу. Джерело випромінювання, газова кювета з фокусуючими лінзами на вході й виході та фотоприймач для реєстрації випромінювання опорної й робочої довжин хвиль розташовані на одній оптичній осі. Джерело випромінювання у вигляді світлодіодної матриці, яка крім світлодіодів містить ще й інтерференційні фільтри для виділення опорної й робочої довжин хвиль випромінювання, змонтоване на термоелектричному холодильнику Пельтьє, який 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 блока, так як використовуються кілька інтерференційних фільтрів на різні смуги частот пропускання, наявність двох фотоприймачів і холодильників Пельтьє, що приводить до обмеженої надійності в роботі, збільшення похибки вимірювання концентрації газу при збільшенні неселективних втрат світлового потоку, пов'язаних із забрудненням оптичних елементів в процесі експлуатації газового аналізатора та його споживаної потужності. Відомий вимірювач концентрації газів [4] вибраний в якості прототипу, в якому визначення концентрації газів у газовій суміші здійснюють шляхом реєстрації оптичного випромінювання, що пройшло через газову суміш, двома вимірювальними і двома опорними каналами, кожен з яких містить світлофільтри на відповідні довжини хвиль та фотоприймачі. Фільтри всіх чотирьох каналів жорстко зв'язані з вимірювальним вікном і розміщені в його площині. Виходи чотирьох фотоприймачів і керуючий вхід джерела світла з'єднані з АЦП та мікропроцесором. Отримані дані з АЦП використовуються для вимірювання концентрації аналізованого газу за допомогою мікропроцесора. Технічним результатом вимірювача концентрації газу є підвищення надійності і точності вимірювань за рахунок відмови від механічних обертаючих частин та врахування забрудненості вимірювального вікна. Недоліком даного вимірювача концентрації газу є складність способу вимірювання, так як використовуються чотири світлофільтри на різні смуги частот пропускання і чотири фотоприймачі, що приводить до обмеженої надійності в його роботі та збільшення похибки при вимірюванні концентрацій газу з заданою точністю і чутливістю в широ 53269 4 кому діапазоні температур за рахунок неузгодженості спектра джерела випромінювання і спектральної чутливості фотоприймача по відношенню до спектра поглинання досліджуваного газу під дією температури оточуючого середовища. Завданням корисної моделі є розробка такого багатоканального газоаналізатора, який дозволяє визначити концентрацію газів з заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні температур з врахуванням неселективних втрат світлового потоку, пов'язаних із забрудненням оптичних елементів у процесі експлуатації та підвищення надійності. Поставлене завдання вирішується тим, що багатоканальний газоаналізатор в якому джерело випромінювання, робоча кювета і параболічне дзеркало у фокусі якого розташований фотоприймач розміщені на одній оптичній осі, вихід фотоприймача через підсилювач з'єднаний з блоком обробки електричних сигналів в який входять аналогово-цифровий перетворювач, мікропроцесор і пристрій для індикації, джерело випромінювання містить n≥2 активних елементів з р-n-переходами, які випромінюють в максимумах на довжинах хвиль, узгоджених з довжиною хвилі в максимумі смугивласного поглинання аналізованого газу відповідно для кожного з n≥2 заданих інтервалів температур, тривалість роботи активних елементів з р-n-переходами для кожного інтервалу температур визначається датчиком температури. Вимірювання концентрацій газу з заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні температур досягається за рахунок того, що світлові потоки формуються джерелом випромінювання, що містить активні елементи з р-n-переходами, які випромінюють в максимумах на довжинах хвиль, узгоджених з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу, відповідно для кожного інтервалу температур. Робочий діапазон температур газоаналізатора утворений не менше двома інтервалами температур, які забезпечують краще узгодження температурних зміщень спектральних характеристик джерел випромінювання по відношенню до спектральної чутливості фотоприймача і смуги власного поглинання аналізуючого газу під дією температури оточуючого середовища. Датчик температури, в залежності від температури оточуючого середовища, в процесі вимірювання концентрації аналізованого газу, визначає робочий інтервал температур, із заданих інтервалів температур. Величина поглинання інтенсивності просторово розділених світлових потоків, які проходять через робочу кювету, вимірюється фотоприймачем незалежно в різні періоди часу, що дозволяє забезпечити задану точність і чутливість у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, пов'язаних з забрудненням оптичних елементів з часом. Відсутність температурної стабілізації активних елементів з р-n-переходами спрощує конструкцію джерела випромінювання та збільшує надійність багатоканального газоаналізатора. На фіг. 1 наведена функціональна схема роботи багатоканального газоаналізатора. 5 Джерело 1 випромінювання, що містить активні 2 і 3 елементи з р-n-переходами, оптично зв'язане з фотоприймачем 6 через прозорі для світлових потоків вікна робочої 4 кювети. Фотоприймач 6 розташований у фокусі параболічного 5 дзеркала за робочою 4 кюветою, вихід якого через підсилювач 7 з'єднаний з блоком 8 обробки сигналів в який входять аналогово-цифровий 9 перетворювач, мікропроцесор 10 і пристрій 11 для індикації. Активні 2 і 3 елементи з р-n-переходами активуються за допомогою імпульсного блока 12 живлення, який в свою чергу з'єднаний з датчиком 13 температури та блоком 8 обробки сигналів. Робочий діапазон температур утворений не менше двома інтервалами температур. Робочий інтервал температур визначається датчиком 13 температури із заданих інтервалів температур. Тривалість роботи активних 2 і 3 елементів з р-n-переходами для кожного інтервалу температур визначається датчиком 13 температури. Багатоканальний газоаналізатор працює наступним чином: В перший момент часу, датчик 13 температури разом з імпульсним блоком 12 живлення, в залежності від температури оточуючого середовища, визначає робочий інтервал температур із кількох заданих інтервалів температур. Кількість інтервалів температур задається в залежності від температурного діапазону роботи газоаналізатора при вимірюванні концентрації аналізованого газу та температурних залежностей випромінюючої здатності активних елементів з р-n-переходами. Джерело 1 випромінювання, що містить активний 2 елемент з р-n-переходом, який випромінює в максимумі на довжині хвилі, яка узгоджена з максимумом довжини хвилі поглинання аналізованого газу у вибраному робочому інтервалі температур, активується імпульсним блоком 12 живлення і формує світловий потік. Сформованому світловому потоку відповідає певне просторове розміщення в робочій 4 кюветі. Вимірювання величини поглинання інтенсивності світлового потоку на виході робочої 4 кювети відбувається фотоприймачем 6 синхронно з формуванням світлового потоку. Електричний сигнал з виходу фотоприймача 6 попадає на підсилювач 7 з'єднаний з блоком 8 обробки сигналів, де відбувається запис величини сигналу в пам'ять мікропроцесора 10. При прокачуванні через робочу 4 кювету повітря або "нульового газу" джерело 1 випромінювання, що містить активний 2 елемент з p-n-переходом, формує світловий потік, що не зазнає поглинання в повітрі або "нульовому газі" і використовується для утворення опорного каналу. Величина електричного сигналу з виходу фотоприймача 6 записується в пам'ять мікропроцесора 10. Пропорційно до ступеня ослаблення світлового потоку, блоком 8 обробки сигналів створюється різниця напруг, яка в свою чергу пропорційна концентрації аналізованого газу. Кінцевий результат вимірювання концентрації аналізованого газу виводиться на пристрій 11 індикації. В наступні моменти часу, при зміні температури оточуючого середовища, датчик 13 температури визначає його температуру та при необхідності 53269 6 за допомогою імпульсного блока 12 живлення вибирає інший робочий інтервал температур. Джерело 1 випромінювання, що містить активний 3 елемент з р-n-переходом, випромінює в максимумі на довжині хвилі, яка узгоджена з максимумом довжини хвилі поглинання аналізованого газу у вибраному іншому робочому інтервалу температур, активується імпульсним блоком 12 живлення і формує світловий потік. Сформованому світловому потоку відповідає інше просторове положення в робочій 4 кюветі. Вимірювання величини поглинання інтенсивності світлового потоку на виході робочої 4 кювети відбувається фотоприймачем 6 синхронно з формуванням світлового потоку. Електричний сигнал з виходу фотоприймача 6 попадає на підсилювач 7 з'єднаний з блоком 8 обробки сигналів, де відбувається запис величини сигналу в пам'ять мікропроцесора 10. При прокачуванні через робочу 4 кювету повітря або "нульового газу" джерело 1 випромінювання, що містить активний 3 елемент з р-n-переходом, формує світловий потік, який не зазнає поглинання в повітрі або "нульовому газі" і використовується для утворення іншого опорного каналу. Величина електричного сигналу з виходу фотоприймача 6 записується в пам'ять мікропроцесора 10. Пропорційно до ступеня ослаблення оптичного потоку в робочій 4 кюветі, блоком 8 обробки сигналів створюється різниця напруг, яка в свою чергу пропорційна концентрації аналізованого газу. Кінцевий результат вимірювання концентрації аналізованого газу виводиться на пристрій 11 індикації. Процес вимірювання концентрації аналізованого газу для інших заданих інтервалів температур відбувається аналогічно. Активні елементи з р-n-переходами одержані на основі твердих розчинів епітаксіальних гетероструктур lnGaAs/lnAs і lnAsSbP/lnAs. Неперервний ряд твердих розчинів дозволяє одержати активні елементи з р-n-переходами, спектр випромінювання яких перекриває область 2,5-5,0мкм. Температурний коефіцієнт зміни ширини забороненої зони твердих розчинів рівний 3,3x10-4еВ/град [5]. Активація активних елементів з p-n-переходами електричним струмом відбувається в імпульсному режимі з однаковою або різною тривалістю часу. При переході в імпульсному режимі роботи джерел випромінювання з однаковим інтервалом часу (величина струму l=200мА, частота слідування імпульсів до 10МГц, скважність 2) на режим роботи з різним інтервалом часу (l=1-10А, частота слідування імпульсів до 10Гц, тривалість імпульсу =100мкс) потужність світлового потоку зростає в середньому на порядок, що дозволяє підвищити точність і чутливість багатоканального газоаналізатора в широкому діапазоні температур. Запропонований багатоканальний газоаналізатор дозволяє визначити концентрацію газів з заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні температур, врахувати неселективні втрати світлового потоку, пов'язані з забрудненням оптичних елементів з часом при підвищенні його надійності. Джерела інформації. 1. Александров С.Е., Гаврилов Г.А., Капралов 7 53269 А.А., Матвеев Б.А., Сотникова Г.Ю., Ременный М.А. Моделирование характеристик оптических газовых сенсоров на основе диодных оптопар среднего ИК-диапазона спектра // Журнал технической физики. - 2009. - Т.79, № 6. - С. 112-118. 2. Патент України № 38776, кл. G01N21/41, Опублікований 2001.05.15. 3. Патент Росії № 2187093, кл. G01N21/61, Комп’ютерна верстка А. Крулевський 8 Опублікований 2002.08.10. 4. Патент РФ № 2255325, кл. G01N21/61, G01N21/15, Опублікований 2005.06.27. 5. Кабаций В.Н. Оптические сенсоры газов на основе полупроводниковых источников ИКизлучения // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2008. - № 4. - С. 30-35. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601