Спосіб вимірювання концентрації газів

1. Спосіб вимірювання концентрації газів, за яким вимірювання різниці світлових потоків, які від джерела випромінювання проходять через робочу кювету, здійснюють фотоприймачем та за їх змінами визначають концентрацію газу, який відрізняється тим, що світлові потоки є просторово розділеними, їх утворюють джерелом випромінювання, що містить активні елементи з рn-переходами, які випромінюють в максимумах на довжинах хвиль, узгоджених з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу відповідно для кожного інтервалу температур, в різні періоди часу, який визначають датчиком температури, при цьому робочий діапазон температур заданий не менше ніж двома інтервалами температур, робочий інтервал температур також визначають датчиком температури. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що світлові потоки утворюють джерелом випромінювання, що містить не менше двох активних елементів з рn-переходами, розміщених на теплопровідній основі, які випромінюють в максимумах на довжині хвилі, узгодженій з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу відповідно для кожного інтервалу температур. 3. Спосіб за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що світлові потоки утворюють джерелом випромінювання, що додатково містить m активних елементів з р-n-переходами, розміщених на теплопровідній основі, які випромінюють в максимумах на 2 (19) 1 3 97017 4 11. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що світлові потоки утворюють джерелом випромінювання, період роботи якого задають додатково встановленим датчиком температури, розміщеним всередині робочої кювети. 12. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що світлові потоки утворюють джерелом випромінювання, період роботи якого корегують додатково встановленим датчиком температури, розміщеним біля фотоприймача. 13. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що вимірювання різниці світ лових потоків на виході робочої кювети здійснюють фотоприймачем, розміщеним на одній теплопровідній основі, на якій розміщують мікрохолодильник. 14. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що вимірювання різниці світлових потоків на виході робочої кювети здійснюють фотоприймачем за рахунок його електричної модуляції синхронно з формуванням світлового потоку. Винахід належить до сфери аналітичного приладобудування і може бути застосований при розробці малогабаритних інфрачервоних газоаналізаторів для виміру концентрацій найбільш поширених забруднювачів атмосфери газів, а також відпрацьованих газів транспортних засобів, промислових підприємств, енергетичних установок. 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 довгохвильову область спектра. Тому при вимірюванні концентрації газу оптоелектронним сенсором газу або газоаналізатором в широкому діапазоні температур через енергетичне 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, що яскраво ілюструє фіг. 1, де наведені відносні положення спектрів випромінювання напівпровідникового джерела та смуги власного поглинання аналізованого газу при 0 °C (а); 20 °C (б) та 40 °C (в). Температурні зміни енергетичного положення максимуму в спектрі випромінювання по відношенню до максимуму смуги поглинання CO2 неминуче приводять до зміни величини сигналу на виході фотоприймача оптоелектронного сенсора газу або газоаналізатора і відповідно приводять до зменшення точності та чутливості вимірювання концентрації газу. Відомий недесперсійний багатоканальний інфрачервоний газовий аналізатор [1], 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 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 ви промінювання 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 газоаналізатора та його споживаної потужності. Відомий вимірювач концентрації газів [2], у 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 складність способу вимірювання, так як використовуються чотири світлофільтри на різні смуги частот пропускання і чотири фотоприймачі, 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 неузгодже 5 ності спектра джерела випромінювання і спектральної чутливості фотоприймача по відношенню до спектра поглинання досліджуваного газу під дією температури оточуючого середовища. Відомий спосіб вимірювання концентрації газу [3], взятий як прототип, за яким різницю інтенсивностей пройдених потоків, які від джерела інфрачервоного випромінювання проходять через робочу кювету, вимірюють приймачем інфрачервоного випромінювання та по їх зміні визначають концентрацію газу. Джерела інфрачервоного випромінювання утворюють не менше двох незалежних потоків випромінювання з довжиною хвилі, яка узгоджена з довжиною хвилі власного поглинання газу, що аналізується, а незалежні потоки випромінювання проходять в різні інтервали часу через різні точки поперечного перерізу робочої кювети. Технічним результатом такого способу є вимірювання концентрацій газу з заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні концентрацій газу та підвищення його надійності. Недоліком даного способу вимірювання концентрацій газу є 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 аналізуючого газу під дією температури оточуючого середовища. Задачею винаходу є розробка такого способу визначення концентрації газів, який дозволяє визначити концентрацію газів з заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні температур із врахуванням неселективних втрат світлового потоку, пов'язаних із забрудненням оптичних елементів у процесі експлуатації та підвищення надійності. Поставлена задача вирішується тим, що в способі вимірювання концентрації газів, за яким вимірювання різниці світлових потоків, які від джерела випромінювання проходять через робочу кювету, здійснюється фотоприймачем та за їх змінами визначають концентрацію газу, просторово розділені світлові потоки утворюють джерелом випромінювання, що містить активні елементи з рn-переходами, які випромінюють в максимумах на довжинах хвиль, узгоджених з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу відповідно для кожного інтервалу температур, в різні періоди часу, який визначається датчиком температури, робочий діапазон температур заданий не менше двома інтервалами температур, робочий інтервал температур визначається датчиком температури. Вимірювання концентрацій газу з заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні температур досягається за рахунок того, що світлові потоки утворюють джерелом випромінювання, що містить активні елементи з р-n-переходами, які випромінюють в максимумах на довжинах хвиль, узгоджених з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу, відповідно для кожного інтервалу температур. Робочий діапазон температур утворений не менше двома 97017 6 інтервалами температур, які забезпечують краще узгодження температурних зміщень спектральних характеристик джерел випромінювання по відношенню до спектральної чутливості фотоприймача і смуги власного поглинання аналізуючого газу під дією температури оточуючого середовища. Датчик температури, в залежності від температури оточуючого середовища, в процесі вимірювання концентрації аналізованого газу, визначає робочий інтервал температур, із заданих інтервалів температур. Величина поглинання інтенсивності просторово розділених світлових потоків, які проходять через робочу кювету, вимірюється фотоприймачем незалежно в різні періоди часу, що дозволяє забезпечити задану точність і чутливість у випадку збільшення неселективних втрат випромінювання, пов'язаних з забрудненням оптичних елементів з часом. Відсутність температурної стабілізації активних елементів з р-n-переходами спрощує конструкцію джерела випромінювання та збільшує надійність даного способу. На фіг. 2 наведена функціональна схема реалізації даного способу. Джерело 1 випромінювання, що містить активні 2 і 3 елементи з р-n-переходами, оптично зв'язане з фотоприймачем 6 через прозорі для світлових потоків вікна робочої 4 кювети. 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 і 3 елементи з р-n-переходами активуються за допомогою імпульсного блока 12 живлення, який в свою чергу з'єднаний з датчиком 13 температури та блоком 8 обробки сигналів. Робочий діапазон температур утворений не менше двома інтервалами температур. Робочий інтервал температур визначається датчиком 13 температури із заданих інтервалів температур. Тривалість роботи активних 2 і 3 елементів з р-n-переходами визначаються датчиком 13 температури. Запропонований спосіб реалізується наступним чином: В перший момент часу, датчик 13 температури разом з імпульсним блоком 12 живлення, в залежності від температури оточуючого середовища, визначає робочий інтервал температур із кількох заданих інтервалів температур. Кількість інтервалів температур задається в залежності від температурного діапазону роботи даного способу при вимірюванні концентрації аналізованого газу та температурних залежностей випромінюючої здатності активних елементів з р-n-переходами. Джерело 1 випромінювання, що містить активний 2 елемент з р-n-переходом, який випромінює в максимумі на довжині хвилі, яка узгоджена з максимумом довжини хвилі поглинання аналізованого газу у вибраному робочому інтервалі температур, активується імпульсним блоком 12 живлення і утворює світловий потік. Сформованому світловому потоку відповідає певне просторове розміщення в робочій 4 кюветі. Вимірювання величини поглинання інтенсивності світлового потоку на виході 7 робочої 4 кювети відбувається фотоприймачем 6 синхронно з утворенням 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 1 випромінювання, що містить активний 2 елемент з р-n-переходом, утворює 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 послідуючі моменти часу, при зміні температури оточуючого середовища, датчик 13 температури визначає його температуру та при необхідності за допомогою імпульсного блока 12 живлення вибирає інший робочий інтервал температур. Джерело 1 випромінювання, що містить активний 3 елемент з р-n-переходом, випромінює в максимумі на довжині хвилі, яка узгоджена з максимумом довжини хвилі поглинання аналізованого газу у вибраному іншому робочому інтервалу температур, активується імпульсним блоком 12 живлення і утворює 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 утворенням 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 1 випромінювання, що містить активний 3 елемент з р-n-переходом, утворює світловий потік, який не зазнає поглинання в повітрі або "нульовому газі" і використовується для утворення іншого опорного 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. Тем 97017 8 пературний коефіцієнт зміни ширини забороненої -4 зони твердих розчинів рівний 3,310 еВ/град [4]. За п. 2 формули винаходу, для підвищення точності і чутливості запропонованого способу в широкому діапазоні температур, світлові потоки утворюються джерелом випромінювання, що містить не менше двох активних елементів з р-nпереходами, розміщених на теплопровідній основі, які випромінюють в максимумах на довжині хвилі, узгодженій з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу, відповідно для кожного інтервалу температур. Відомо, що потужність світлового потоку джерел випромінювання, які містять активні елементи з р-nпереходами, зменшується при підвищенні температури оточуючого середовища. Збільшення кількості випромінюючих активних елементів з р-nпереходами приводить до збільшення потужності світлового потоку джерел випромінювання, що дозволяє забезпечити необхідну точність і чутливість при вимірювання концентрації газів. Розміщення випромінюючих активних елементів з р-nпереходами на теплопровідній основі дозволяє краще узгодити їх температурні характеристики. За п. 3 формули винаходу, для підвищення точності, чутливості і надійності запропонованого способу в широкому діапазоні температур, світлові потоки утворюють джерелом випромінювання, що додатково містить m активних елементів з р-nпереходами, розміщених на теплопровідній основі, 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 спектральної чутливості фотоприймача в кожному інтервалі температур під дією температури оточуючого середовища. Крім того, сформовані відповідні світлові потоки займають різні просторові положення в робочій 4 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 запропонованого способу в широкому діапазоні температур, світлові потоки утворюють джерелом випромінювання, що містить різну кількість активних елементів з р-nпереходами відповідно для кожного інтервалу температур. При понижені температури оточуючого середовища, потужність випромінювання активних елементів з р-n-переходами на різних довжинах хвиль збільшується неоднаково, 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. 5 формули винаходу, для підвищення точності і чутливості запропонованого способу в широкому діапазоні температур, світлові потоки утворюють джерелом випромінювання, що додат 9 ково містить m активних елементів з р-nпереходами, розміщених на теплопровідній основі, які випромінюють в максимумі на довжині хвилі поза смугою власного поглинання аналізованого газу в робочому інтервалу температур. Сформовані джерелом випромінювання відповідні світлові потоки займають різні просторові положення в робочій кюветі, що дозволяє використати їх для створення відповідних опорних каналів та врахувати неселективні втрати випромінювання, пов'язані з забрудненням оптичних елементів з часом. За п. 6 формули винаходу, для підвищення точності і чутливості запропонованого способу в широкому діапазоні температур додатковий світловий потік утворюють додатковим джерелом випромінювання, що містить m активних елементів з р-n-переходами, розміщених на одній теплопровідній основі, які випромінюють в максимумі на довжині хвилі поза смугою власного поглинання аналізованого газу в робочому інтервалі температур. За п. 7 формули винаходу, для підвищення надійності та розширення області використання запропонованого способу, світлові потоки утворюють джерелом випромінювання, що містить активні елементи, утворені з вузькозонного напівпровідникового матеріалу, активний шар яких має біполярну провідність. За п. 8 формули винаходу, для розширення області використання запропонованого способу, світлові потоки утворюють джерелом випромінювання, що містить активні елементи, які випромінюють в інфрачервоному діапазоні спектра. Використання такого джерела інфрачервоного випромінювання дозволить вимірювати в широкому діапазоні температур концентрації газів, смуги власного поглинання якого розміщені в інфрачервоній області спектру, без ускладнення процесу вимірювань. За п. 9 формули винаходу, для підвищення надійності та розширення області використання запропонованого способу, світлові потоки утворюють джерелом випромінювання, що містить активні елементи з р-n-переходами, розміщених на теплопровідній основі, у вигляді випромінюючої лінійки або матриці. За п. 10 формули винаходу, для підвищення точності і чутливості запропонованого способу в широкому діапазоні температур, світлові потоки утворюються джерелом випромінювання, що містить 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 струму l=200 мА, частота слідування імпульсів до 10 МГц, скважність 2) на режим роботи з різним інтервалом часу (І=1-10 А, частота слідування імпульсів до 10 Гц, тривалість імпульсу =100 мкс) потужність світлового потоку зростає в середньому на порядок. За п. 11 формули винаходу, для підвищення точності і чутливості запропонованого способу в 97017 10 широкому діапазоні температур, світлові потоки утворюються джерелом випромінювання, тривалість роботи активних елементів якого задається додатково встановленим датчиком температури, розміщеним всередині робочої кювети. Даний датчик температури вимірює температуру аналізованого газу всередині кювети та разом з блоком обробки сигналів дозволяє врахувати температурну залежність довжини хвилі в максимумі та ширини смуги власного поглинання аналізованого газу для кожного інтервалу температур та задає період роботи відповідних активних елементів. За п. 12 формули винаходу, для підвищення точності і чутливості запропонованого способу в широкому діапазоні температур, світлові потоки утворюються джерелом випромінювання, період роботи активних елементів якого задається додатково встановленим датчиком температури, розміщеним біля фотоприймача. Даний датчик температури вимірює температуру оточуючого середовища біля фотоприймача і разом з блоком обробки сигналів дозволяє врахувати температурну залежність його спектральної чутливості по відношенню до смуги власного поглинання аналізуючого газу і спектрів джерел випромінювання та корегує період їх роботи. За п. 13 формули винаходу, для підвищення точності і чутливості запропонованого способу в широкому діапазоні температур, вимірювання різниці світлових потоків на виході робочої кювети здійснюється фотоприймачем, розміщеним 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 утворенням світлового потоку. Така електрична модуляція фотоприймача дозволяє збільшити величину співвідношення сигнал-шум на його виході. Запропонований спосіб вимірювання концентрації газів 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 та підвищити його надійність. Джерела інформації: 1. Патент Росії № 2187093, кл. G01 N21/61, Опублікований 2002.08.10. 2. Патент РФ № 2255325, кл. G01 N21/61, G01 N21/15, Опублікований 2005.06.27. 3. Патент України № 88374, кл. G01 N21/61, G01 N21/01, Опублікований 2009.10.12. 4. 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 М. Ломалова 97017 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