Інфрачервоний газоаналізатор

Інфрачервоний 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, який відрізняється 3 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 блока 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 [3] 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 використання чотирьох світлофільтрів на різні смуги частот пропускання і чотирьох фотоприймачів, 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. Зміна температури оточуючого середовища для всіх без винятку типів напівпровідникових джерел випромінювання та фотоприймачів приводить до зміщення їх спектральних характеристик внаслідок зміни ширини забороненої зони напівпровідникового матеріалу. При підвищенні температури напівпровідникових джерел випромінювання їх спектральні характеристики зміщуються у 54195 4 довгохвильову область спектра. Тому при вимірюванні концентрації газу газоаналізатором в широкому діапазоні температур із-за енергетичного зміщення максимуму в спектрі випромінювання напівпровідникового джерела має місце неузгодженість довжини хвилі у максимумі спектра випромінювання з довжиною хвилі в максимумі смуги поглинання аналізованого газу в даний момент часу [4]. Температурні зміни енергетичного положення максимуму в спектрі випромінювання по відношенню до максимуму смуги поглинання аналізованого газу неминуче приводять до зміни величини сигналу на виході фотоприймача газоаналізатора і відповідно приводять до зменшення точності та чутливості вимірювання концентрації газу. Завданням корисної моделі є розробка такого інфрачервоного 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 інфрачервоний 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, містить також щонайменше два джерела випромінювання, кожному з яких відповідає заданий інтервал температур, джерела випромінювання містять щонайменше по два активні елементи з р-n-переходами, які випромінюють в максимумах на довжинах хвиль, узгоджених з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу для відповідних інтервалів температур, додаткове джерело випромінювання містить щонайменше два активні елементи з p-n-переходами, які випромінюють в максимумах на довжині хвилі поза смугою власного поглинання аналізованого газу, робочий інтервал температур та тривалість роботи джерел випромінювання визначаються датчиком температури, джерела випромінювання об'єднані в єдиний механічний блок, який переміщує їх в робоче положення. Вимірювання концентрацій газу з заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні температур досягається за рахунок того, що діапазон температур роботи газоаналізатора заданий щонайменше двома інтервалами температур, кожному з яких відповідає певне джерело випромінювання, яке формує світлові потоки з максимумом на довжині хвилі, узгодженій з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу для даного інтервалу температур. Наявність кількох інтервалів температур та джерел випромінювання з відповідними довжинами хвиль в максимумі випромінювання забезпечує краще узгодження температурних зміщень спект 5 ральних характеристик джерел випромінювання по відношенню до спектральної чутливості фотоприймача і смуги власного поглинання аналізуючого газу під дією температури оточуючого середовища. Робочий інтервал температур визначається датчиком температури в залежності від температури оточуючого середовища при вимірюванні концентрації аналізованого газу. Збільшення кількості активних елементів з р-nпереходами, які випромінюють в максимумах на одній довжині хвилі, приводить до збільшення потужності світлового потоку, що дозволяє забезпечити необхідну точність і чутливість при вимірювання концентрації газів при підвищенні температури. Крім того, наявність просторово розділених світлових потоків, які проходять через робочу кювету дозволяє забезпечити задану точність і чутливість у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, пов'язаних з забрудненням оптичних елементів з часом. Розміщення випромінюючих активних елементів з р-n-переходами на теплопровідній основі дозволяє краще узгодити їх температурні характеристики. Сформовані додатковим джерелом випромінювання відповідні світлові потоки займають інші просторові положення в робочій кюветі, що дозволяє використати їх для створення відповідних опорних каналів без прокачування через робочу кювету повітря або "нульового газу" та врахувати неселективні втрати випромінювання, пов'язані з забрудненням оптичних елементів з часом. Відсутність температурної стабілізації активних елементів з р-n-переходами спрощує конструкцію джерела випромінювання та збільшує надійність газоаналізатора. На кресленні наведена функціональна схема роботи інфрачервоного газоаналізатора. Джерела 2, 3 і 4 випромінювання об'єднані в єдиний механічний 1 блок, який переміщує їх в робоче положення. Джерело випромінювання, що знаходиться в робочому положенні, робоча 4 кювета та параболічне 5 дзеркало розміщені на одній оптичній осі. 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 2.1, 3.1 та 4.1 елементи з р-n-переходами відповідно джерел 2, 3 і 4 випромінювання активуються за допомогою імпульсного блока 12 живлення, який в свою чергу з'єднаний з датчиком 13 температури та блоком 8 обробки сигналів. Діапазон температур роботи газоаналізатора заданий щонайменше двома інтервалами температур, один з яких, в залежності від температури оточуючого середовища, стає робочим. Датчик 13 температури визначає робочий інтервал температур та тривалість роботи відповідного джерела випромінювання. Кількість інтервалів температур задається в залежності від температурного діапазону роботи газоаналізатора та температурних залежностей випромінюючої здатності активних елементів з р-n-переходами джерел випромінювання. Джерело 4 випромінювання використовується для створення опорного 54195 6 каналу. Інфрачервоний газоаналізатор працює наступним чином: В перший момент часу, датчик 13 температури разом з імпульсним блоком 12 живлення, в залежності від температури оточуючого середовища, визначає джерело випромінювання (наприклад джерело 2 випромінювання), що відповідає даному робочому інтервалу температур і за допомогою механічного 1 блока переміщує його в робоче положення. Джерело 2 випромінювання, що містить активні 2.1 елементи з р-n-переходами, які випромінюють в максимумах на довжині хвилі, узгодженій з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу для робочого інтервалу 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. В наступний момент часу механічний 1 блок, керований імпульсним блоком 12 живлення, переводить джерело 4 випромінювання в робоче положення та активує активні 4.1 елементи з р-nпереходами, які випромінюють в максимумах на довжині хвилі поза смугою власного поглинання аналізованого газу. Сформовані світлові потоки, проходячи через робочу 4 кювету, не зазнають поглинання 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 періоди роботи газоаналізатора, датчик 13 температури визначає температуру оточуючого середовища та при необхідності разом з імпульсним блоком 12 живлення визначає інше джерело випромінювання (наприклад джерело 3 випромінювання), що відповідає робочому інтервалу температур в даний момент і за допомогою механічного 1 блока переміщує його в робоче положення. Джерело 3 випромінювання, що містить активні 3.1 елементи з р-n-переходами, які випромінюють в максимумах на довжині хвилі, узгодженій з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу для вибраного робочого інтервалу температур, активується імпульсним блоком 12 живлення і формує світловий потік. Сформованому світловому потоку відповідає інше просторове положення в робочій 4 кюветі. В наступний момент часу механічний 1 блок, керований імпульсним блоком 12 живлення, переводить джерело 4 випромінювання в робоче положення та активує активні 4.1 елементи з р-n 7 54195 переходами, які випромінюють в максимумах на довжині хвилі поза смугою власного поглинання аналізованого газу. Сформовані світлові потоки, проходячи через робочу 4 кювету, не зазнають поглинання і використовуються для утворення опорного каналу. 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. 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 InGaAs/InAs і 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 10-4 еВ/град [5]. В режимі роботи джерел випромінювання з однаковим інтервалом часу величина струму складала I=200мА при частоті слідування імпульсів до 10МГц. При переході в режим роботи з різним інтервалом часу І=1-10А, частота слідування імпу Комп’ютерна верстка А. Крулевський 8 льсів до 10Гц з тривалістю імпульсу = 100мкс потужність світлового потоку зростає в середньому на порядок. Вимірювання різниці світлових потоків на виході робочої 4 кювети здійснюється фотоприймачем 6 за рахунок його електричної модуляції синхронно з формуванням світлового потоку. Така електрична модуляція фотоприймача 6 дозволяє збільшити величину співвідношення сигнал-шум на його виході та підвищити чутливість. В якості фотоприймача використовувався фотоопір PbSe. Запропонований інфрачервоний 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. Патент України № 38776, кл. G01N21/41, Опублікований 2001.05.15. 2. Патент Росії № 2187093, кл. G01N21/61, Опублікований 2002.08.10. 3. Патент РФ № 2255325, кл. G01N21/61, G01N21/15, Опублікований 2005.06.27. 4. Александров С.Е., Гаврилов Г.А., Капралов 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. 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