Термостабільний оптичний сенсор газу

Термостабільний оптичний сенсор газу, що складається з оптично зв'язаних джерел інфрачервоного випромінювання, робочої кювети з вхідним і вихідним газовими патрубками, приймача інфрачервоного випромінювання і оптичного фільтра, робоча довжина хвилі в максимумі пропускання якого співпадає з відповідною довжиною хвилі селективної смуги поглинання аналізованого газу, розміщених у фокусі параболічного дзеркала, який відрізняє ться тим, що містить n³2 джерел інфрачервоного випромінювання, розміщених з приймачем інфрачервоного випромінювання на одній підкладці, кожне із джерел інфрачервоного випромінювання містить не менше двох активних елементів з р-n-переходами на одну відповідну довжину хвилі випромінювання з однаковими температурними коефіцієнтами забороненої зони, спектри випромінювання активних елементів з р-nпереходами рознесені по довжинах хвиль відносно робочої довжини хвилі оптичного фільтра так, що ширина Dlp пропускання вибрана із співвідношення Корисна модель відноситься до напівпровідникових оптико-електронних приладів, що містять кілька випромінюючих елементів, сформованих на загальній основі і може бути застосований при розробці малогабаритних інфрачервоних газоаналізаторів для виміру концентрацій найбільш поширених забруднювачів атмосфери газів (CO, CO2, СН4, NO), які є в складі відпрацьованих газів транспортних засобів, промислових підприємств, енергетичних установок та в системах пожежної сигналізації. Відомий автоматичний інфрачервоний газоаналізатор [1], в якому джерело і приймач інфрачервоного випромінювання з інтерференційним фільтром розташовані в одному корпусі з вихідним і вхідним прозорими вікнами відповідно навпроти джерела і приймача інфрачервоного випромінювання, в корпусі також вмонтовано електропідігрівач з'єднаний з термодатчиком, що установлений на корпусі. Технічним результатом автоматичного інфрачервоного газоаналізатора є підвищення чутливості і точності виміру концентрацій газів в широкому діапазоні. Недоліком даного автоматичного інфрачервоного газоаналізатора є наявність Dlp £ оптичного фільтра C DT , n а довжини хвиль в максимумі джерел випромінювання при Т=30К задовольняють умові k lk £ lp - Dl p 2 для парної кількості джерел випромінювання, (13) 36583 (19) UA (11) випромінювання, де n - кількість джерел випромінювання з різними довжинами хвиль; k - номер джерела випромінювання, k=1, 2, 3, 4, ......n з різними довжинами хвиль; С - температурний коефіцієнт зміщення спектра джерела випромінювання; DT - інтервал зміни температури навколишнього середовища; l k - довжина хвилі в максимумі джерела випромінювання; lp - робоча довжина хвилі в максимумі пропускання оптичного фільтра; Dlp - ширина спектра пропускання оптичного фільтра. U k +1 lk £ lp + Dlp - для непарної кількості джерел 2 3 36583 механічного обтюратора, який зменшує його надійність і разом із електропідігрівачем, з'єднаного з термодатчиком, ускладнюють конструкцію газоаналізатора та зменшення чутливості і точності виміру концентрацій газів в широкому діапазоні температур при неузгодженості спектра джерела інфрачервоного випромінювання і спектральної чутливості приймача інфрачервоного випромінювання по відношенню до спектра поглинання аналізованого газу під дією температури оточуючого середовища. Відомий недесперсійний багатоканальний інфрачервоний газовий аналізатор [2], що містить джерело електромагнітного випромінювання з наявністю опорної й робочої довжин хвиль, інтерференційні фільтри для виділення вищевказаних довжин хвиль, розташовану по ходу випромінювання джерела газову кювету з фокусуючими лінзами на вході й виході, основний фотоприймач, розміщений за кюветою, для прийому випромінювання опорної й робочої довжин хвиль від джерела, джерело змонтоване на термоелектричному холодильнику Пельтьє й виконане як світлодіодна матриця, причому до складу світлодіодної матриці додатково включений фотоприймач, а холодильник Пельтьє 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 блоку, так як використовуються декілька світлофільтрів на різні смуги частот пропускання, наявність двох фотоприймачів та холодильників Пельтьє з додатково встановленим блокомтермостабілізації, що приводить до пониження надійності в роботі та зменшення чутливості і точності виміру концентрацій газів в широкому діапазоні температур при неузгодженості спектра джерела інфрачервоного випромінювання і спектральної чутливості приймача інфрачервоного випромінювання по відношенню до спектра поглинання аналізованого газу під дією температури оточуючого середовища. Відомий інфрачервоний газоаналізатор [3], що вибраний в якості прототипу, в якому джерело і приймач інфрачервоного випромінювання з інтерференційним фільтром розташовані в напівсферичних дзеркалах і з'єднані з електричною схемою, джерело інфрачервоного випромінювання містить не менше двох випромінюючих діодів з довжинами хвиль випромінювання в максимумах, що співпадають з максимумом смуги поглинання аналізованого газу і розміщені на одній підкладці відносно оптичної осі джерела інфрачервоного випромінювання так, що утворюють два однакові потоки випромінювання, а робочі кювети мають різну довжину. Технічним результатом інфрачервоного газоаналізатора є підвищення чутливості і точності 4 виміру в широкому діапазоні концентрацій газів у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, зв'язаних з забрудненням вікон кювети з часом. Недоліком даного інфрачервоного газоаналізатора є використання декілька робочих кювет і напівсферичних дзеркал, які ускладнюють оптичний блок газоаналізатора та зменшення чутливості і точності виміру концентрацій газів в широкому діапазоні температур при неузгодженості спектра джерела інфрачервоного випромінювання і спектральної чутливості приймача інфрачервоного випромінювання по відношенню до спектра поглинання аналізованого газу під дією температури оточуючого середовища, внаслідок недостатньої його температурної стабілізації. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення чутливості і точності виміру концентрацій газів в широкому діапазоні температур при неузгодженості спектрів джерел інфрачервоного випромінювання і спектральної чутливості приймача інфрачервоного випромінювання по відношенню до спектра поглинання аналізованого газу та спрощення конструкції. Поставлена задача вирішується тим, що термостабільний оптичний сенсор газу складається з оптично зв'язаних джерел інфрачервоного випромінювання, робочої кювети з вхідним і вихідним газовими патрубками, приймача інфрачервоного випромінювання і оптичного фільтра, робоча довжина хвилі в максимумі пропускання якого співпадає з відповідною довжиною хвилі селективної смуги поглинання аналізованого газу, розміщених у фокусі параболічного дзеркала, n³2 джерел інфрачервоного випромінювання розміщених з приймачем інфрачервоного випромінювання на одній підкладці, кожне із джерел інфрачервоного випромінювання містить не менше двох активних елементів з р-n-переходами на одну відповідну довжину хвилі випромінювання з однаковими температурними коефіцієнтами забороненої зони, спектри випромінювання активних елементів з р-nпереходами рознесені по довжинам хвиль відносно робочої довжини хвилі оптичного фільтра так, що ширина Dlp пропускання оптичного фільтра вибрана із співвідношення Dlp £ C DT , n а довжини хвиль в максимумі джерел випромінювання при Т=300К задовольняють умові lk £ lp k Dl p - для парної кількості джерел 2 випромінювання, l k £ lp k+1 D lp 2 для непарної кількості джерел випромінювання, де n - кількість джерел випромінювання з різними довжинами хвиль; k - номер джерела випромінювання, k=1, 2, 3, 4,. .....n з різними довжинами хвиль; 5 36583 С - температурний коефіцієнт зміщення спектра джерела випромінювання; DT інтервал зміни температури навколишнього середовища; l k - довжина хвилі в максимумі джерела випромінювання; lp - робоча довжина хвилі в максимумі пропускання оптичного фільтра; Dlp - ширина спектра пропускання оптичного фільтра. Джерела інфрачервоного випромінювання виконані таким чином, що містять не менше двох активних елементів з р-n-переходами на одну відповідну довжину хвилі випромінювання і мають однаковий температурний коефіцієнт забороненої зони та випромінюють з довжинами хвиль в максимумі, які рознесені відносно робочої довжини хвилі оптичного фільтра, робоча довжина хвилі в максимумі пропускання якого співпадає з відповідною довжиною хвилі селективної смуги поглинання аналізованого газу, відповідно в довгохвильову і короткохвильову область спектра. Зміна температури приводить до однакового зміщення спектрів джерел випромінювання в довгохвильову або короткохвильову область спектра по відношенню до робочої довжини хвилі оптичного фільтра. Така поведінка спектрів джерел випромінювання та їх розміщення на одній підкладці з приймачем інфрачервоного випромінювання, перед яким розміщений оптичний фільтр, дозволяє узгодити спектри джерел інфрачервоного випромінювання і спектральну чутливість приймача інфрачервоного випромінювання по відношенню до спектра поглинання аналізованого газу в широкому інтервалі температур оточуючого середовища, що підвищує чутливість і точність виміру концентрацій газів. Стабілізація інтенсивності потоків джерел інфрачервоного випромінювання забезпечується регулюванням прямого електричного струму, що проходить крізь активні елементи з р-nпереходами. Розміщення не менше двох активних елементів з р-n-переходами на одну відповідну довжину хвилі випромінювання у джерелах інфрачервоного випромінювання дозволяє підвищити їх випромінюючу здатність та надійність і спростити конструкцію оптичного сенсора газу. Використання n³2 джерел інфрачервоного випромінювання, що утворюють в один момент часу n³2 незалежних і просторово розділених потоки випромінювання, які проходять крізь робочу кювету, забезпечує багатоканальність даного оптичного сенсора і дозволяє вимірювати концентрацію аналізованого газу з високою точністю. Запропоноване технічне рішення не передбачає термостабілізацію оптичного сенсора газу. На Фіг.1 наведена конструкція термостабільного оптичного сенсора газу. Термостабільний оптичний сенсор газу містить основу 1 на якій розміщені джерела 7 і 11 6 інфрачервоного випромінювання, що знаходяться в кульових 8 і 12 опорах, приймач 9 інфрачервоного випромінювання перед яким розміщений оптичний 10 фільтр, робоча довжина хвилі в максимумі пропускання якого співпадає з відповідною довжиною хвилі селективної смуги поглинання аналізованого газу та робочу 2 кювету. Кульові 8 і 12 опори виготовлені із теплопровідного матеріалу і забезпечують настройку оптичної частини сенсора. Вхідний 5 і вихідний 13 газові патрубки виготовлені за допомогою пресформ разом із з'єднувальними 4 і 14 смугами. На Фіг.2 вказано розміщення спектрів 15 і 17 джерел 7 і 11 інфрачервоного випромінювання відповідно та спектральне 16 положення оптичного 10 фільтра. Спектр 15 джерела 7 інфрачервоного випромінювання має максимум довжини хвилі випромінювання зміщений у короткохвильову область спектра відносно робочої довжини хвилі оптичного 10 фільтра, а спектр 17 джерела 11 інфрачервоного випромінювання має максимум довжини хвилі випромінювання зміщений у довгохвильову область спектру. На Фіг.3 наведений вид зверху робочої кювети термостабільного оптичного сенсора газу. Робоча 2 кювета складається з прозорого до випромінювання вхідного 3 вікна, параболічної 6 дзеркальної поверхні (Фіг.1), бокових напівсферичних 18 і 19 поверхонь, з'єднаних між собою за допомогою смуг 4 і 14 з вхідним 5 і вихідним 13 газовими патрубками. Термостабільний оптичний сенсор газу працює наступним чином: Аналізований газ прокачується крізь вхідний 5 газовий патрубок з'єднувальної 4 смуги робочої 2 кювети. Джерела 7 і 11 інфрачервоного випромінювання одночасно активуються прямим електричним струмом, що проходить крізь активні елементи з р-n-переходами і формують потоки випромінювання, які проходять крізь аналізований газ, де частково поглинаються та за допомогою параболічної 6 дзеркальної поверхні спрямовуються на приймач 10 інфрачервоного випромінювання, перед яким знаходиться оптичний 9 фільтр, робоча довжина хвилі в максимумі пропускання якого співпадає з відповідною довжиною хвилі селективної смуги поглинання аналізованого газу. На виході приймача 10 інфрачервоного випромінювання утворюється електричний сигнал, який пропорційний величині поглинутого потоку, що проходить в робочій 2 кюветі. При відсутності аналізованого газу робоча 2 кювета прокачуються нульовим газом, внаслідок чого, сформовані джерелами 7 і 11 інфрачервоного випромінювання світлові потоки не зазнають поглинання і на виході приймача 10 інфрачервоного випромінювання створюється електричний сигнал за допомогою якого забезпечується корекція нуля, вирівнюючи величини сигналів джерел 7 і 11 інфрачервоного випромінювання при відсутності поглинання. 7 36583 Зміна температури навколишнього середовища приводить до зміщення спектрів випромінювання джерел 7 і 11 інфрачервоного випромінювання у відповідності із температурними коефіцієнтами зміни ширини забороненої зони активних елементів. Для розширення інтервалу температур DT газовий сенсор містить n³2 джерел інфрачервоного випромінювання з відповідними довжинами хвиль. Використання джерел 7 і 11 інфрачервоного випромінювання з відповідними довжинами хвиль дозволяє одержати просторово розділені потоки випромінювання з рівномірним розподілом енергії всередині потоку в один моменти часу. Кульові 8 і 12 опори, всередині яких розміщені джерела 7 і 11 інфрачервоного випромінювання, виготовлені із теплопровідного матеріалу і одночасно відіграють роль теплового радіатора та елементів настройки оптичної частини сенсора, що значно спрощує його конструкцію. Модуляція світлового потоку забезпечується активацією джерел 7 і 11 інфрачервоного випромінювання змінним струмом величиною 200mA та частотою 100кГц. Такий режим роботи джерел 7 і 11 інфрачервоного випромінювання дозволяє забезпечити швидкодію сенсора в межах 0,3 - 0,5с. В якості приймача 9 інфрачервоного випромінювання використовувався неселективний напівпровідниковий фоторезистор. У запропонованому термостабільному сенсорі газу використані джерела інфрачервоного випромінювання, що містять активні елементи з рn-переходами, які одержувалися методом рідиннофазної епітаксії з твердих розчинів InGaAs із довжинами хвиль l1=3,30мкм і l2=3,44мкм та 8 шириною спектра випромінювання кожного із них Dl=0,3мкм. Температурний коефіцієнт зміни ширини забороненої зони рівний 3,3´10-4еВ/град. Оптичний фільтр використаний з робочою довжиною хвилі lp=3,37мкм (шириною смуги пропускання Dlp=0,08мкм), яка співпадає з максимумом довжини хвилі селективної смуги поглинання метану (СН4). Розміщення не менше двох активних елементів з р-n-переходами на одну відповідну довжину хвилі випромінювання у кожному із джерел інфрачервоного випромінювання підвищило їх випромінюючу здатність вздовж осі випромінювання в 1,5 рази, що дозволило підвищити чутливість і точність виміру концентрацій газів в широкому діапазоні температур. Дана корисна модель дозволяє одержати термостабільний оптичний сенсор газу простої конструкції з підвищеною чутливістю і точністю виміру концентрацій газів в широкому діапазоні температур при неузгодженості спектрів джерел інфрачервоного випромінювання і спектральної чутливості приймача інфрачервоного випромінювання по відношенню до спектра поглинання аналізованого газу. Джерела інформації: 1. Патент України №72630, МПК G01N21/01, G01N21/55, 2005.03.15. 2. Патент Росії №2187093, МПК G01N21/61, 2002.08.10. 3. Патент України №80639, МПК G01N21/61, G01N21/01, 2007.10.10. 9 Комп’ютерна в ерстка Н. Лисенко 36583 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601