Газоаналізатор

1. 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 аналоговоцифровий перетворювач, мікропроцесор і пристрій для індикації, який відрізняється тим, що містить щонайменше два джерела випромінювання, кожному з яких відповідає заданий інтервал температур, джерела випромінювання містять щонайменше по два активних 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, при цьому робочий інтервал температур та тривалість роботи джерел випромінювання визначаються датчиком температури, а джерела випромінювання об'єднані в єдиний механічний блок, який переміщує їх в робоче положення. 2. Газоаналізатор за п. 1, який відрізняється тим, що кожне джерело випромінювання містить різну кількість активних елементів з р-n-переходами, які випромінюють в максимумах на довжині хвилі, узгодженій з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу відповідно для кожного інтервалу температур. 2 (19) 1 3 96863 4 лопровідній основі у вигляді випромінюючої лінійки або матриці. 11. Газоаналізатор за пп. 1-10, який відрізняється тим, що джерело випромінювання містить активні елементи з р-n-переходами, які активуються електричним струмом в імпульсному режимі з однаковою або різною тривалістю часу. 12. Газоаналізатор за всіма пунктами, який відрізняється тим, що містить датчик температури, який знаходиться в тепловому контакті з механічним блоком джерел випромінювання. 13. Газоаналізатор за всіма пунктами, який відрізняється тим, що містить мікрохолодильник, розміщений на одній теплопровідній основі з фотоприймачем. 14. Газоаналізатор за всіма пунктами, який відрізняється тим, що електрична модуляція фотоприймача здійснюється синхронно з формуванням світлового потоку. 15. Газоаналізатор за всіма пунктами, який відрізняється тим, що джерела випромінювання приймають робоче положення при поступальному або обертовому переміщенні механічного блока. Винахід належить до сфери аналітичного приладобудування і може бути застосований при розробці малогабаритних інфрачервоних газоаналізаторів для виміру концентрацій найбільш поширених забруднювачів атмосфери - газів, які є в складі відпрацьованих газів транспортних засобів, промислових підприємств, енергетичних установок та виділяються при неповному згоранні палива у печі або каміні і на початковій стадії пожежі. Відомий багатоканальний інтерференційний газоаналізатор [1], що містить оптично зв'язані джерело випромінювання, плоскопаралельну світлоподільну пластину, порівняльну та робочу оптичні кювети, відбивач, комутатор та датчик його положення і фотоприймач, підключені до блока зчитування та обробки інформації, об'єктив, додатково містить m1 робочих кювет, при цьому на світлоподільну пластинку нанесено покриття з можливістю формування m+2 променів, які проходять через w+1 кювет, формуючи таку ж кількість (w+1) інтерференційних картин, одна з яких є опорною і усуває обумовлені впливом зовнішніх факторів додаткові похибки, а комутатор встановлено з можливістю почергового відкриття одного з променів, які пройшли через одну з робочих кювет, і променя, який пройшов через порівняльну кювету. Технічним результатом інтерференційного газоаналізатора є розширення його функціональних можливостей та скорочення часу проведення аналізів, оскільки він містить додаткові робочі кювети, кількість яких є необмеженою, що дозволяє проводити аналіз одночасно багатьох газових проб. Недоліком багатоканального інтерференційного газоаналізатора є складність конструкції газового тракту, залежність формування інтерферометричних картин від впливу температури оточуючого середовища, використання порівняльної кювети, яка наповнена еталонним газом і не дозволяє врахувати нерівномірність забруднення вікон вимірювальних кювет, що разом приводить до обмеженої надійності вимірювань, звуження діапазону використання газового аналізатора та зменшення точності визначення концентрації газів. Відомий недесперсійний багатоканальний інфрачервоний газовий аналізатор [2], у якому визначення концентрації газів у газовій суміші здійснюють шляхом реєстрації оптичного випромінювання, що пройшло через газову суміш, опорної й робочої довжин хвиль та за їх змінами визначають концентрацію газу. Джерело випромі нювання, 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 як прототип, 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 призводить до обмеженої надійності в його роботі та збільшення похибки при вимірюванні концентрацій газу з заданою точністю і чутливістю 5 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 призводить до зміщення їх спектральних характеристик внаслідок зміни ширини забороненої зони напівпровідникового матеріалу. При підвищенні температури напівпровідникових джерел випромінювання їх спектральні характеристики зміщуються у 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 призводять до зміни величини сигналу на виході фотоприймача газоаналізатора і відповідно призводять до зменшення точності та чутливості вимірювання концентрації газу. Задачею винаходу є розробка такого 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 задача вирішується тим, що газоаналізато, 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, додатково містить щонайменше два джерела випромінювання, кожному з яких відповідає заданий інтервал температур, джерела випромінювання містять щонайменше по два активних 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, 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 максиму 96863 6 мом 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 спектральних характеристик джерел випромінювання по відношенню до спектральної чутливості фотоприймача і смуги власного поглинання аналізованого 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 вимірюванні 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-nпереходами на теплопровідній основі дозволяє краще узгодити їх температурні характеристики. Відсутність температурної стабілізації активних елементів з р-n-переходами спрощує конструкцію джерела випромінювання та збільшує надійність газоаналізатора. На кресленні наведена функціональна схема роботи газоаналізатора. Джерела 2 і 3 випромінювання об'єднані в єдиний механічний 1 блок, який переміщує їх в робоче положення. Джерело випромінювання містить активні елементи з р-n-переходами і 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 аналоговоцифровий 9 перетворювач, мікропроцесор 10 і пристрій 11 для індикації. Активні 2.1 і 3.1 елементи з р-n-переходами джерел 2 і 3 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. Газоаналізатор працює наступним чином: 7 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-переходом, 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. При прокачуванні через робочу 4 кювету повітря або "нульового газу" джерело 2 випромінювання формує світловий потік, що не зазнає поглинання в повітрі або "нульовому газі" 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. 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" джерело 3 випромінювання формує світловий потік, який не зазнає поглинання в повітрі або "нульовому газі" і використовується для утворення іншого опорного 96863 8 каналу. Величина електричного сигналу з виходу фотоприймача 6 записується 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/lnAs і InAsSbP/lnAs. Неперервний ряд твердих розчинів дозволяє одержати активні елементи з р-n-переходами, спектр випромінювання яких перекриває область 2,5-5,0 мкм. Температурний коефіцієнт зміни ширини забороненої 4 зони твердих розчинів рівний 3,3 × 10~ еВ/град. [5]. За п. 2 формули винаходу, для підвищення точності, чутливості і надійності газоаналізатора в широкому діапазоні температур, джерела випромінювання містять різну кількість активних елементів з р-n-переходами, які випромінюють в максимумах на довжині хвилі, узгодженій з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу відповідно для кожного інтервалу температур. При зміні температури оточуючого середовища, потужність випромінювання активних елементів з р-n-переходами на різних довжинах хвиль змінюється по різному, тому для деяких робочих інтервалів температур кількість активних елементів з р-n-переходами може бути зменшена без втрати заданої точності і чутливості при вимірюванні концентрації аналізованого газу. За п. 3 формули винаходу для підвищення точності, чутливості і надійності газоаналізатора в широкому діапазоні температур, джерела випромінювання додатково містять активні елементи з р-n-переходами, які випромінюють в максимумах на довжинах хвиль поза смугою власного поглинання аналізованого газу відповідно для кожного інтервалу температур. Використання додаткових активних елементів з р-n-переходами дозволяє краще узгодити температурні залежності спектрів випромінювання активних елементів по відношенню до спектральноїчутливості фотоприймача в кожному інтервалі температур під дією температури оточуючого середовища. Крім того, сформовані відповідні світлові потоки займають різні 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. За п. 4 формули винаходу, для підвищення точності і чутливості газоаналізатора в широкому діапазоні температур, джерела випромінювання додатково містять не менше двох активних елементів з р-n-переходами, які випромінюють в максимумах на довжинах хвиль поза смугою власного поглинання аналізованого газу відповідно для ко 9 жного інтервалу температур. Збільшення кількості випромінюючих активних елементів з р-nпереходами приводить до збільшення потужності світлового потоку джерел випромінювання, що дозволяє забезпечити необхідну точність і чутливість при вимірюванні концентрації газів. Розміщення випромінюючих активних елементів з р-nпереходами на теплопровідній основі дозволяє краще узгодити їх температурні характеристики. За п. 5 формули винаходу, для підвищення точності і чутливості газоаналізатора в широкому діапазоні температур, джерела випромінювання містять різну кількість активних елементів з р-nпереходами, які випромінюють в максимумах на довжинах хвиль поза смугою власного поглинання аналізованого газу відповідно для кожного інтервалу температур. За п. 6 формули винаходу, для підвищення надійності та розширення області використання газоаналізатора, джерела випромінювання містять різну кількість активних елементів з р-nпереходами, які випромінюють в максимумах на довжині хвилі, узгодженій з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу, та які випромінюють в максимумах на довжинах хвиль поза смугою власного поглинання аналізованого газу відповідно для кожного інтервалу температур. За п. 7 формули винаходу, для підвищення надійності та розширення області використання газоаналізатора, джерела випромінювання містять активні елементи з р-n-переходами, які випромінюють в максимумах на одній довжині хвилі поза смугою власного поглинання аналізованого газу для всіх інтервалів температур. За п. 8 формули винаходу, для підвищення надійності та розширення області використання газоаналізатора, джерела випромінювання містять активні елементи з р-n-переходами, утворені з вузькозонного напівпровідникового матеріалу, активний шар яких має біполярну провідність. За п. 9 формули винаходу, для підвищення надійності та розширення області використання газоаналізатора, джерела випромінювання містять активні елементи, які випромінюють в інфрачервоному діапазоні спектра. Використання таких джерел інфрачервоного випромінювання дозволить в широкому діапазоні температур проводити вимірювання концентрації газів, смуги власного поглинання яких розміщені в інфрачервоній області спектра, без ускладнення процесу вимірювань. За п. 10 формули винаходу, для підвищення надійності та розширення області використання газоаналізатора, джерела випромінювання містять активні елементи, які розміщені на теплопровідній основі у вигляді випромінюючої лінійки або матриці. За п. 11 формули винаходу, для підвищення точності і чутливості газоаналізатора в широкому діапазоні температур, джерела випромінювання містять активні елементи, які активуються електричним струмом в імпульсному режимі з однаковою або різною тривалістю часу. При переході в імпульсному режимі роботи джерел випромінювання з однаковим інтервалом часу (величина 96863 10 струму 1=200 мА, частота слідування імпульсів до 10 МГц, скважність 2) на режим роботи з різним інтервалом часу (І= 1-10А, частота слідування імпульсів до 10 Гц, тривалість імпульсу  = 100 мкс) потужність світлового потоку зростає в середньому на порядок. За п. 12 формули винаходу, для підвищення точності і чутливості газоаналізатора в широкому діапазоні температур, тривалість роботи активних елементів з р-n-переходами задається датчиком температури, який знаходиться в тепловому контакті з механічним блоком джерел випромінювання. Таке розміщення датчика температури дозволяє краще визначити температуру джерел випромінювання та їх температурні залежності по відношенню до зміни ширини смуги власного поглинання аналізованого газу для кожного інтервалу температур. За п. 13 формули винаходу, для підвищення точності і чутливості газоаналізатора в широкому діапазоні температур, вимірювання різниці світлових потоків на виході робочої кювети здійснюється фотоприймачем, який розміщений на одній теплопровідній основі з мікрохолодильником (наприклад з елементом Пельтьє). За п. 14 формули винаходу, для підвищення точності і чутливості запропонованого способу в широкому діапазоні температур, вимірювання різниці світлових потоків на виході робочої кювети здійснюється фотоприймачем за рахунок його електричної модуляції синхронно з формуванням світлового потоку. Така електрична модуляція фотоприймача дозволяє збільшити величину співвідношення сигнал-шум на його виході. Як фотоприймач використовувався фотоопір PbSe. За п. 15 формули винаходу, для підвищення надійності та розширення області використання газоаналізатора, джерела випромінювання приймають робоче положення при поступальному або обертовому переміщенні механічного блока. Запропонований 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. G01 N21/61, Опублікований 2002.08.10. 3. Патент РФ № 2255325, кл. G01 N21/61, G01 N21/15, 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. 11 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 96863 Підписне 12 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601