Газоаналізатор

1. Газоаналізатор, що містить оптично зв'язані джерело випромінювання, кювету у вигляді інтегруючої сфери, приймач випромінювання, який відрізняється тим, що джерело випромінювання, яке містить не менше двох кристалів з р-n переходами, довжина хвилі випромінювання яких узго C2 2 (19) 1 3 розміщенням джерела та приймача випромінювання, що приводить до нерівномірного світлового потоку випромінювання, а також можливі випадки коли не все випромінювання після відбиття від стінок кювети може потрапити на приймач. Наявність двох отворів на дзеркальній поверхні напівеліпсоїда збільшує нерівномірність розсіювання і приводить до не повного використання потоку випромінювання, що зменшує чутливість та точність вимірів концентрації газу. Недоліком даного газоаналізатора є також низька температурна стабільність його роботи та швидкодія. Відомий газоаналізатор, вибраний за прототип, містить оптично зв'язані джерело випромінювання, кювету у вигляді інтегруючої сфери, внутрішнє покриття якої виконано із матеріалу, що розсіює світло, світлофільтр та приймач випромінювання перед яким встановлено світлорозсіюючий екран [3]. Недоліком даного газоаналізатора є взаємне розміщення джерела і приймача випромінювання, які разом з світлорозсіюючим екраном приводять до нерівномірності розсіювання випромінювання у сфері та не дозволяють у повній мірі використати потік випромінювання при вимірювання концентрації газу, що приводить до зменшення чутливості і точності газоаналізатора. Недоліком даного газоаналізатора є також низька температурна стабільність його роботи та швидкодія. Задача винаходу - підвищення чутливості, точності та швидкодії газоаналізатора при вимірюванні концентрації різних газів, а також температурна стабілізація його роботи. Поставлена задача досягається тим, що згідно винаходу, газоаналізатор, що містить оптично зв'язані джерело випромінювання, кювету у вигляді інтегруючої сфери, приймач випромінювання, джерело випромінювання, яке містить не менше двох кристалів з р-n переходами, довжина хвилі випромінювання яких узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, що аналізується, розміщене всередині кювети так, що його випромінювання направлене в протилежну сторону по відношенню до приймача випромінювання, а внутрішня поверхня кювети та задня стінка джерела випромінювання покриті однаковим світлорозсіюючим матеріалом, джерело випромінювання містить додатково не менше двох кристалів з р-n переходами, які випромінюють з довжиною хвилі на якій відсутнє поглинання газу, що аналізується і утворюють опорний канал, джерело випромінювання містить кристали з р-n переходами які випромінюють довжину хвилі яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу з великим коефіцієнтом поглинання і знаходяться навпроти фотоприймача, джерело випромінювання містить кристали з р-n переходами які випромінюють довжину хвилі яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу з великим коефіцієнтом поглинання і утворюють опорний канал при вимірюванні концентрації газу з малим коефіцієнтом поглинання, а при вимірюванні концентрації газу з великим коефіцієнтом поглинання, опорний 81704 4 канал утворюють кристали з р-n переходами, що випромінюють довжину хвилі, яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу з малим коефіцієнтом поглинання. У порівнянні з прототипом технічне рішення, що замовляється, за рахунок розміщення джерела випромінювання, яке містить кристали з р-n переходами всередині кювети та покриттям його задньої стінки і внутрішньої поверхні кювети однаковим світлорозсіюючим матеріалом, разом із зменшенням кількості отворів на поверхні сфери, приводить до утворення рівномірного розсіювання, забезпечує більшу інтенсивність освітленості та повне використання потоку випромінювання, що підвищує чутливість та точність вимірювань. Наявність кристалів з р-n переходами, які випромінюють з довжиною хвилі на якій відсутнє поглинання газу, що аналізується, дозволяє використати їх для утворення опорного каналу, а розміщення їх на одній підкладці із кристалами, довжина хвилі випромінювання яких узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, що аналізується, підвищить температурну стабільність роботи газоаналізатора. Утворення опорного каналу дозволить також зменшити кількість калібровок приймача випромінювання (при прокачуванні кювети повітрям чи газом, який не поглинає випромінювання в межах робочого спектрального діапазону джерела випромінювання), що підвищить швидкодію вимірювань. Проведені нами експерименти показали, що для одержання мінімальної похибки вимірювань, прокачувати кювету повітрям чи газом, який не поглинає випромінювання в межах робочого спектрального діапазону джерела випромінювання необхідно в десятикратному об'ємі від об'єму кювети. Використання джерела випромінювання (в запропонованому газоаналізаторі при вимірюванні концентрації різних газів), що містить кристали з рn переходами які випромінюють довжину хвилі яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу з великим коефіцієнтом поглинання, знаходяться навпроти приймача випромінювання і можуть утворювати опорний канал при вимірюванні концентрації газу з малим коефіцієнтом поглинання (при вимірюванні концентрації газу з великим коефіцієнтом поглинання, опорний канал утворюють кристали з р-n переходами які випромінюють довжину хвилі яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу з малим коефіцієнтом поглинання) також дозволить підвищити температурну стабільність роботи та швидкодію газоаналізатора. Запропоновані рішення збільшать чутливість і точність вимірювань, температурну стабільність та швидкодію газоаналізатора. Вони дозволять використовувати газоаналізатор для різних задач аналітичного приладобудування та вимірювальної техніки. На Фіг.1 представлена схема газоаналізатора. Газоаналізатор містить кювету 1 у вигляді інтегруючої сфери, джерело 2 випромінювання в якому розміщені кристали 3 з р-n переходами, довжина хвилі випромінювання яких узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, що аналі 5 зується, кристали 4 з р-n переходами, які випромінюють з довжиною хвилі на якій відсутнє поглинання газу, що аналізується, приймач 5 випромінювання. На Фіг.2 представлена схема газоаналізатора джерело 2 випромінювання якого містить кристали 6 з р-n переходами, які випромінюють довжину хвилі, яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу з великим коефіцієнтом поглинання. Газоаналізатор працює наступним чином. Випромінювання від джерела 2 випромінювання потрапляє в порожнину кювети 1 у вигляді інтегруючої сфери, де відбиваючись та розсіюючись від внутрішньої поверхні кювети 1 та задньої стінки джерела 2 випромінювання взаємодіє з повітрям чи газом, який не поглинає випромінювання від джерела 2 випромінювання (при калібровці приймача 5 випромінювання), або з газом, що аналізується (при вимірюванні його концентрації). Джерело 2 випромінювання містить не менше двох кристалів 3 з р-n переходами, довжина хвилі випромінювання яких узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, що аналізується і розміщене всередині кювети 1 так, що випромінювання направлене в протилежну сторону по відношенню до приймача 5 випромінювання. При цьому у кюветі 1 встановлюється певний рівень освітленості, що пропорційний послабленню випромінювання в газі, що аналізується. Після цього випромінювання потрапляє на чутливу площадку приймача 5 випромінювання. Сигнал на виході приймача 5 випромінювання пропорційний величині падаючого на нього потоку випромінювання, а зміна інтенсивності випромінювання при проходженні через газ, що аналізується і відповідно зміна сигналу на виході приймача 5 випромінювання є мірою концентрації газу, що аналізується. Для підвищення температурної стабільності та швидкодії роботи газоаналізатора, джерело 2 випромінювання містить додатково не менше двох кристалів 4 з р-n переходами, які випромінюють з довжиною хвилі на якій відсутнє поглинання газу, що аналізується і утворюють опорний канал. Кристали 3 з р-n переходами, довжина хвилі випромінювання яких узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, що аналізується і кристали 4 з р-n переходами, які випромінюють з довжиною хвилі на якій відсутнє поглинання газу розміщені на одній підкладці відносно оптичної осі джерела 2 випромінювання так, що утворюють однакові потоки випромінювання направлені в протилежну сторону по відношенню до приймача 5 випромінювання та мають однаковий температурний коефіцієнт ширини забороненої зони. Почергове включення живлення кристалів 3 та 4 з р-n пере 81704 6 ходами та подальша обробка сигналів з приймача 5 випромінювання дозволяє стабілізувати "нуль" газоаналізатора. При вимірюванні концентрації суміші газів з різними коефіцієнтами поглинаючої здатності (наприклад СН4 та СО2 або СО), джерело 2 випромінювання містить кристали 6 з р-n переходами, які випромінюють довжину хвилі, яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу з великим коефіцієнтом поглинання. За рахунок різної поглинаючої здатності газів, випромінювання повинно пройти різний оптичний шлях для різних газів, що і зумовило розмістити кристали 6 з р-n переходами навпроти приймача 5 випромінювання Фіг.2. Розміщення кристалів 3, 4 та 6 з р-n переходами на одній підкладці підвищує температурну стабільність газоаналізатора. Почергове включення живлення кристалів 3, 4 та 6 з р-n переходами і подальша обробка сигналів з приймача 5 випромінювання дозволяє стабілізувати «нуль» газоаналізатора та проводити вимірювання різних компонент суміші газів. Якщо проводити вимірювання не суміші газів, а окремо різні гази з різними коефіцієнтами поглинаючої здатності, то кристали 6 з р-n переходами, які випромінюють довжину хвилі, яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу з великим коефіцієнтом поглинання утворюють опорний канал при вимірюванні концентрації газу з малим коефіцієнтом поглинання, а при вимірюванні концентрації газу з великим коефіцієнтом поглинання, опорний канал утворюють кристали 3 з р-n переходами, що випромінюють довжину хвилі, яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу з малим коефіцієнтом поглинання. Приклад Враховуючи різницю в коефіцієнтах поглинання для газів СO2 (l=4,27мкм) і СН4 (l=3,32мкм) нами була використана газова кювета діаметром 80мм. Опорний канал утворюють кристали з р-n переходами, що випромінюють довжину хвилі l=3,80мкм. Проведені вимірювання концентрації метану (0-5об.% СН4) показали високу надійність та точність вимірювань. Мінімально виміряна концентрація СО2 в повітрі складала 50-100ppm. Швидкодію макету вдалося збільшити до 0,3-0,5с використовуючи електронну модуляцію до 10кГц. В якості приймача випромінювання використовувався фоторезистор. Джерела інформації: 1. Патент Росії №2022249 С1, кл. G01N 21/61, 1994. 2. Патент України №5043 7А, кл. G01N 21/59, 2002. 3. Патент України №50583 А, кл. G01N 21/59, 2002. 7 Комп’ютерна верстка В. Клюкін 81704 8 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