Термостабільний сенсор газу

Термостабільний 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 відрізняється тим, що містить не менше двох джерел інфрачервоного випромінювання, розміщених відносно оптичної осі так, що утворюють в один момент часу незалежні і просторово розділені світлові потоки, які проходять крізь робочу кювету, джерела інфрачервоного випромінювання містять активні елементи з р-n-переходами, які мають однаковий температурний коефіцієнт забороненої зони і розміщені у просвітлюючому та фокусуючому випромінювання середовищі на основі халькогенідних склоподібних сплавів із багатокомпонент U 2 37828 1 3 37828 сті і точності виміру концентрацій газів в широкому діапазоні. Недоліком даного автоматичного інфрачервоного газоаналізатора є наявність 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 ви ході, 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 блоком термостабілізації, 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 чутли вості 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 поставлено задачу 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 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, 2n джерел інфрачервоного випромінювання розміщених відносно оптичної осі так, що утворюють в один момент часу незалежні і просторово розділені світлові потоки, які проходять крізь робочу кювету, джерела інфрачервоного випромінювання містять активні елементи з p-n-переходами, які мають однаковий температурний коефіцієнт забороненої зони і розміщені у просвітлюючому та фокусуючому випромінювання середовищі на основі халькогенідних склоподібних сплавів із багатокомпонентних систем Ge(Pb)-Sb(Bi,Ga)-S(Se), що не містять летких токсичних компонентів, спектри джерел інфрачервоного випромінювання рознесені по довжинам хвиль відносно робочої довжини хвилі оптичного фільтра так, що ширина DlP пропускання оптичного фільтра вибрана із співвідношення C DlP £ DT, n а довжини хвиль в максимумі джерел випромінювання при Т=300К задовольняють умові k lK £ lP- DlP, дe 2 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; 5 37828 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 активні елементи з р-n-переходами та однаковим температурним коефіцієнтом забороненої зони і 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. Використання 2n джерел інфрачервоного випромінювання, що утворюють в один момент часу 2n незалежних і просторово розділених потоки випромінювання, які проходять крізь робочу кювету, забезпечує багатоканальність даного сенсора і дозволяє вимірювати концентрацію аналізованого газу з високою точністю. Розміщення активних елементів з р-nпереходами у просвітлюючому та фокусуючому випромінювання середовищі на основі халькогенідних склоподібних сплавів із багатокомпонентних систем Ge(Pb)-Sb(Bi,Ga)-S(Se), які не містять летких токсичних компонентів, дозволило підвищити інтенсивність випромінювання вздовж їх оптичної осі, що привело до підвищення чутливості і точності виміру концентрацій газу. Запропоноване технічне рішення не передбачає термостабілізацію сенсора газу. На Фіг.1 наведена конструкція термостабільного сенсора газу. Термостабільний сенсор газу містить основу 1 на якій розміщені джерела 7 і 11 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 6 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 газового сенсора. 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 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 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. 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 2n джерел інфрачервоного випромінювання з відповідними довжинами хвиль. Використання джерел 7 і 11 інфрачервоного випромінювання з відповідними довжинами хвиль 7 37828 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. Активні елементи з р-n-переходами джерел 7 і 11 інфрачервоного випромінювання розміщені у просвітлюючому та фокусуючому випромінювання середовищі на основі халькогенідних склоподібних сплавів із багатокомпонентних систем Ge(Pb)Sb(Bi,Ga)-S(Se), що не містять летких токсичних компонентів. Одержані складні халькогенідні стекла прозорі в області спектру 0,50-12,5мкм, мають малий коефіцієнт поглинання в цій області, питомий опір більше 109Ом .см при Т=300К, коефіцієнт лінійного розширення від 1,2×10-5 до 3,2×10-5К-1, стійкі до агресивних середовищ, нерозчинні у воді та розбавлених кислотах. Показник заломлення змінюється в межах 2,0-2,9, а сила зчеплення для всіх вибраних стекол складає не менше 8кг/см 2. Багаторазовий цикл «плавлення-охолодження» не приводить до появи смуг поглинання в спектрах прозорості цих стекол. Оптичні покриття різної форми підвищили потужність випромінювання активних елементів з р-n-переходами у 2,5-3,0 рази та суттєво звузити діаграму направленості випромінювання вздовж оптичної осі з 180° до 60° при одночасному забезпеченні захисту напівпровідникового елемента від механічних пошкоджень і впливу оточуючого середовища. Модуляція світлового потоку забезпечується активацією джерел 7 і 11 інфрачервоного випромінювання змінним струмом величиною 200mА та частотою 100кГц. Такий режим роботи джерел 7 і 11 інфрачервоного випромінювання дозволяє за 8 безпечити швидкодію сенсора в межах 0,3-0,5с. В якості приймача 14 інфрачервоного випромінювання використовувався неселективний напівпровідниковий фоторезистор. У запропонованому термостабільному сенсорі газу використані джерела інфрачервоного випромінювання, що містять активні елементи з р-nпереходами, які одержувалися методом рідиннофазної епітаксії з твердих розчинів InGaAs із довжинами хвиль l1=3,30мкм і l2=3,44мкм та 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). Робочий струм ІP, що проходить крізь активні елементи рівний ІP=0,71М, де IМ - максимальний прямий струм, що проходить крізь активні елементи і не приводить до їх різкого нагрівання. Даний винахід дозволяє одержати термостабільний газовий сенсор 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, MПK G01N21/01, G01N21/55, 2005.03.15. 2. Патент Росії №2187093,МПK G01N21/61, 2002.08.10. 3. Патент України №80639, MПK G01N21/61, G01N21/01, 2007.10.10. 9 Комп’ютерна в ерстка А. Рябко 37828 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