Спосіб вимірювання концентрації газів

Спосіб вимірювання концентрації газів, за яким вимірювання різниці світлових потоків, які від джерела випромінювання проходять через робочу кювету, здійснюють фотоприймачем та за їх змінами визначають концентрацію газу, який відрізняється тим, що просторово розділені світлові потоки формують не менше ніж двома джерелами випромінювання в різні періоди часу, який визна 3 тричному холодильнику Пельтьє, який підключений до додатково встановленого блоку термостабілізації. Технічним результатом недисперсійного багатоканального інфрачервоного газового аналізатора є підвищення точності визначення концентрації складових багатокомпонентного газу. Недоліком даного недисперсійного 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 газоаналізатора та його споживаної потужності. Відомий вимірювач концентрації газів [2] у 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 широкому діапазоні температур за рахунок неузгодженості спектра джерела випромінювання і спектральної чутливості фотоприймача по відношенню до спектра поглинання досліджуваного газу під дією температури оточуючого середовища. Відомий спосіб вимірювання концентрації газу [3], взятий у якості прототипу, за яким різницю інтенсивностей пройдених потоків, які від джерела інфрачервоного випромінювання проходять через робочу кювету, вимірюють приймачем інфрачервоного випромінювання та по їх зміні визначають концентрацію газу. Джерела інфрачервоного випромінювання формують не менше двох незалежних потоків випромінювання з довжиною хвилі, яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, що аналізується, а незалежні потоки випромінювання проходять в різні інтервали часу через різні точки поперечного перерізу робочої кювети. Технічним результатом такого способу є вимірювання концентрацій газу з заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні концентрацій газу та підвищення його надійності. 53657 4 Недоліком даного способу вимірювання концентрацій газу є збільшення похибки при вимірюванні концентрацій газу з заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні температур за рахунок неузгодженості спектра джерела випромінювання і спектральної чутливості фотоприймача по відношенню до спектра поглинання аналізуючого газу під дією температури оточуючого середовища. Завданням корисної моделі є розробка такого способу визначення концентрації газів, який дозволяє визначити концентрацію газів з заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні температур із врахуванням неселективних втрат світлового потоку, пов'язаних із забрудненням оптичних елементів у процесі експлуатації та підвищення надійності. Поставлене завдання вирішується тим, що в способі вимірювання концентрації газів, вимірювання різниці світлових потоків, які від джерела випромінювання проходять через робочу кювету, здійснюється фотоприймачем та за їх змінами визначають концентрацію газу, просторово розділені світлові потоки формуються не менше двома джерелами випромінювання в різні періоди часу, який визначається датчиком температури, робочий діапазон температур заданий не менше двома інтервалами температур, робочий інтервал температур визначається датчиком температури, джерела випромінювання містять не менше двох активних елементів з р-n-переходами, розміщених на теплопровідній основі, які випромінюють в максимумах на довжині хвилі, узгодженій з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу, відповідно для кожного інтервалу температур, додаткове джерело випромінювання містить не менше двох активних елементів з р-nпереходами, розміщених на теплопровідній основі, які випромінюють в максимумах на довжині хвилі поза смугою власного поглинання аналізуючого газу в робочому діапазоні температур. Вимірювання концентрацій газу з заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні температур досягається за рахунок того, що світлові потоки формуються не менше двома джерелами випромінювання, що містять не менше двох активних елементів з р-n-переходами, розміщених на одній теплопровідній основі, які випромінюють в максимумах на довжині хвилі, узгодженій з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу, відповідно для кожного інтервалу температур. Робочий діапазон температур 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 аналізованого газу під дією температури оточуючого середовища. Розміщення випромінюючих активних елементів з р-nпереходами на теплопровідній основі дозволяє краще узгодити їх температурні характеристики. Датчик температури, в залежності від температури оточуючого середовища, в процесі вимірювання концентрації аналізуючого газу, визначає робочий 5 інтервал температур, із заданих інтервалів температур. Додаткове джерело випромінювання, з максимумом на довжині хвилі поза смугою власного поглинання аналізованого газу, в робочому діапазоні температур формує світловий потік, який використовується для одержання опорного каналу. У цьому випадку опорний канал створений без прокачування через робочу 4 кювету повітря або "нульового газу", що приводить до зменшення часу проведення вимірювання, спрощує користування способом та підвищує його надійність. Використання джерел випромінювання з кількома активними елементами з р-n-переходами, випромінюючих на одній довжині хвилі, забезпечує необхідну потужність випромінювання при підвищених температурах і дозволяє проводити вимірювання концентрації газів з заданою точністю і чутливістю. Величина поглинання інтенсивності просторово розділених світлових потоків, утворених в різні моменти часу, вимірюється фотоприймачем незалежно, що дозволяє також забезпечити задану точність і чутливість у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, пов'язаних з забрудненням оптичних елементів з часом. Відсутність температурної стабілізації джерел збільшує надійність даного способу. На Фіг.2 наведена функціональна схема реалізації даного способу. Джерела 1, 2 і 3 випромінювання, що містять не менше двох активних елементів з р-nпереходами, оптично зв'язані з фотоприймачем 6 через прозорі для оптичного випромінювання 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. Джерела 1, 2 і 3 випромінювання активуються за допомогою імпульсного блока 12 живлення, який в свою чергу з'єднаний з датчиком 13 температури та блоком 8 обробки сигналів. Джерела 1 і 2 випромінювання містять активні елементи з р-n-переходами, що випромінюють в максимумах на довжинах хвиль, які узгоджені з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу відповідно для кожного інтервалу температур. Джерело 3 випромінювання містить активні елементи з р-nпереходами, що випромінюють в максимумах на довжині хвилі поза смугою власного поглинання аналізованого газу в робочому діапазоні температур. Запропонований спосіб реалізується наступним чином: В перший момент часу, датчик 13 температури визначає температуру навколишнього середовища та за допомогою імпульсного блока 12 живлення вибирає робочий інтервал температур на даний момент. Джерело 1 випромінювання, яке відповідає даному інтервалу температур, активується імпульсним блоком 12 живлення і формує світловий потік з довжиною хвилі в максимумі, яка узгоджена з максимумом довжини хвилі поглинання 53657 6 аналізованого газу для даного інтервалу температур. Сформованому світловому потоку відповідає певне 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. В наступний момент часу, джерело 3 випромінювання активується імпульсним блоком 12 живлення і формує світловий потік з довжиною хвилі поза смугою власного поглинання аналізованого газу в робочому діапазоні температур, який використовується для створення опорного каналу. Величина електричного сигналу з виходу фотоприймача 6 записуються в пам'ять мікропроцесора 10. Пропорційно до ступеня ослаблення світлового потоку в робочій 4 кюветі, блоком 8 обробки сигналів створюється різниця напруг, яка в свою чергу пропорційна концентрації газу, що аналізується. Кінцевий результат вимірювання концентрації газу, що аналізується виводиться на пристрій 11 індикації. В послідуючі моменти часу, при зміні температури оточуючого середовища, датчик 13 температури визначає його температуру і при необхідності за допомогою імпульсного блока 12 живлення вибирає інший робочий інтервал температур на даний момент. Джерело 2 випромінювання, яке відповідає вибраному інтервалу температур, активується імпульсним блоком 12 живлення і формує світловий потік з довжиною хвилі в максимумі, яка узгоджена з максимумом довжини хвилі поглинання аналізованого газу для даного інтервалу температур. 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. В наступний момент часу, джерело 3 випромінювання активується імпульсним блоком 12 живлення і формує світловий потік з довжиною хвилі поза смугою власного поглинання аналізованого газу в робочому діапазоні температур. Величина електричного сигналу з виходу фотоприймача 6 записуються в пам'ять мікропроцесора 10. Пропорційно до ступеня ослаблення світлового потоку в робочій 4 кюветі, блоком 8 обробки сигналів створюється різниця напруг, яка в свою чергу пропорційна концентрації аналізованого газу. Кінцевий результат вимірювання концентрації газу, що аналізується виводиться на пристрій 11 індикації. Для іншого вибраного інтервалу температур процес вимірювання концентрації аналізованого газу відбувається аналогічно (на Фіг.1 джерело випромінювання для іншого температурного інтервалу вказане пунктиром). Активні елементи з р-n-переходами одержані на основі твердих розчинів епітаксіальних гетерос 7 53657 труктур InGaAs/lnAs и InAsSbP/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 3,3 10-4 еВ/град [4]. Запропонований спосіб вимірювання концентрації газів дозволяє визначити концентрацію газів з заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні температур, врахувати неселективні втрати світлового потоку, пов'язані з забрудненням опти Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 8 чних елементів з часом та підвищити його надійність. Джерела інформації: 1. Патент РФ №2187093, кл. G01N21/61, Опублікований 2002.08.10. 2. Патент РФ №2255325, кл. G01N21/61, G01N21/15, Опублікований 2005.06.27. 3. Патент України №88374, кл. G01N21/61, G01N21/01, Опублікований 2009.10.12. 4. 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