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 утворюють не менше ніж двома джерелами 3 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 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. Недоліком даного способу вимірювання концентрацій газу є збільшення похибки при вимірюванні концентрацій газу з заданою точністю і чут 53658 4 ливістю 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 утворюються не менше ніж двома джерелами випромінювання, що містять активні елементи з р-n-переходами, які випромінюють в максимумах на різних довжинах хвиль, 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-nпереходами, 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. Вимірювання концентрацій газу з заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні температур досягається за рахунок того, що світлові потоки формуються не менше ніж 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 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. 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. 5 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, з використанням мікрохолодильників, спрощує конструкцію джерел випромінювання та збільшує надійність даного способу. На Фіг.2 наведена функціональна схема реалізації даного способу. Джерела 1 і 2 випромінювання, що містять не менше двох активних елементів з р-n-переходами, оптично зв'язані 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 елементи з р-nпереходами, які розміщені на одній теплопровідній основі, випромінюють в максимумах на довжині хвилі, що узгоджена з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізуючого газу відповідно для кожного інтервалу температур, активуються за допомогою імпульсного блока 12 живлення, який в свою чергу з'єднаний з датчиком 3 температури та блоком 8 обробки сигналів. Робочий діапазон температур утворений не менше двома інтервалами температур. Робочий інтервал температур визначається датчиком 3 температури. Періоди часу роботи джерел 1 і 2 випромінювання визначаються датчиком 3 температури. Запропонований спосіб реалізується наступним чином: В перший момент часу, датчик 3 температури визначає температуру навколишнього середовища і за допомогою імпульсного блока 12 живлення вибирає робочий інтервал температур в даний момент. Кількість робочих інтервалів температур задається в залежності від температурного діапазону роботи даного способу при вимірюванні концентрації газу з заданою точністю і чутливістю та температурних залежностей випромінюючої здатності активних елементів джерел випромінювання. Активні елементи джерела 1 випромінювання, яке відповідає вибраному інтервалу температур, активуються імпульсним блоком 12 живлення і формують оптичний потік з довжиною хвилі в максимумі, яка узгоджена з максимумом довжини хвилі поглинання аналізованого газу в даному інтервалі температур. 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 робо 53658 6 чу 4 кювету повітря або "нульового газу" активні елементи джерела 1 випромінювання формують світловий потік, який не зазнає поглинання в повітрі або "нульовому газі" і використовується для створення 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 газу, що аналізується. Кінцевий результат вимірювання концентрації аналізованого газу виводиться на пристрій 11 індикації. В послідуючі моменти часу, при зміні температури оточуючого середовища, датчик 3 температури визначає його температуру і при необхідності за допомогою імпульсного блока 12 живлення вибирає інший робочий інтервал температур на даний момент. Активні елементи джерела 2 випромінювання, яке відповідає вибраному інтервалу температур, активуються імпульсним блоком 12 живлення і формують світловий потік з довжиною хвилі в максимумі, яка узгоджена з максимумом довжини хвилі поглинання аналізованого газу в даному інтервалі температур. Сформованому світловому потоку відповідає інше 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" активні елементи джерела 2 випромінювання формують світловий потік, який не зазнає поглинання в повітрі або "нульовому газі" і 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 аналізованого газу. Кінцевий результат вимірювання концентрації аналізованого газу виводиться на пристрій 11 індикації. Для інших заданих інтервалів температур процес вимірювання концентрації аналізованого газу відбувається аналогічно (на Фіг.2 джерела випромінювання для інших температурних інтервалів вказані пунктиром). Активні елементи з р-n-переходами одержані на основі твердих розчинів епітаксіальних гетероструктур InGaAs/InAs и InAsSbP/InAs. 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 10-4еВ/град [4]. Запропонований спосіб вимірювання концентрації газів дозволяє визначити концентрацію газів з заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні температур, врахувати неселективні втрати 7 53658 світлового потоку, пов'язані з забрудненням оптичних елементів з часом та підвищити його надійність. Джерела інформації: 1. Патент РФ № 2187093, кл. G01 N21/61, Опублікований 2002.08.10. 2. Патент РФ № 2255325, кл. G01N21/61, G01N21/15, Опублікований 2005.06.27. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 8 3. Патент України № 88374, кл. G01 N21/61, G01 N21/01, Опублікований 2009.10.12. 4. Кабаций В. Н. Оптические сенсоры газов на основе полупроводниковых источников ИК- излучения // 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