Оптичний сенсор газів

1. Оптичний сенсор газів, який складається з оптично зв'язаних джерел інфрачервоного випромінювання з довжинами хвиль випромінювання в максимумах, що співпадають з максимумом смуги власного поглинання аналізованого газу, робочої кювети з вхідним і вихідним газовим патрубком, оптичних елементів та приймача інфрачервоного випромінювання, який відрізняється тим, що робоча кювета виконана з двох частин різної довжини із спільним внутрішнім об'ємом, вхідне прозоре для випромінювання вікно з дзеркальною поверхню є спільним для обох частин робочої кювети, а параболічні дзеркальні поверхні частин робочої кювети нахилені під одним або різними кутами до вхідного вікна, вхідні патрубки, отвори яких направлені під кутом до оптичних осей джерел інфрачервоного випромінювання, розміщені на частинах різної довжини робочої кювети, а вихідний патрубок на її частині більшої довжини, джерела інфрачервоного випромінювання розташовані усередині теплопровідних кульових опор і розміщені на одній або різних осях із приймачем інфрачервоного випромінювання. 2. Оптичний сенсор газів за п. 1, який відрізняється тим, що вхідне вікно виготовлено із сапфіру. 3. Оптичний сенсор газів за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що на внутрішній стороні вхідного вікна розміщена дзеркальна параболічна поверхня. 2 (19) 1 3 89707 4 максимумах, що співпадають з максимумом смуги 15. Оптичний сенсор газів за одним з пп. 1-14, який власного поглинання аналізованого газу, та додатвідрізняється тим, що джерела та приймач викові активні елементи, випромінювання яких не промінювання в імпульсному режимі працюють поглинається аналізованим газом. синхронно з однаковим або різним інтервалом 14. Оптичний сенсор газів за одним з пп. 1-10, 13, часу. який відрізняється тим, що сенсор є двокомпонентним сенсором газів. Винахід відноситься до напівпровідникових оптико-електронних приладів, що містять кілька випромінюючих елементів, сформованих на загальній основі і може використовуватися у спектроскопії, системах спостереження, приладах аналітичної техніки при розробці малогабаритних інфрачервоних газоаналізаторів для вимірювання концентрації найбільш поширених забруднювачів атмосфери газів, а також для селективного аналізу багатокомпонентних газових сумішей, які є в складі відпрацьованих газів транспортних засобів, промислових підприємств, енергетичних установок тощо. Відомий газовий сенсор [1], що складається з джерела інфрачервоного випромінювання, циліндричної вимірювальної кювети заданого розміру, двоелементного піроелектричного приймача інфрачервоного випромінювання. Збільшення оптичного шляху, що проходить інфрачервоне випромінювання заданої довжини хвилі, відбувається за рахунок того, що вимірювальна кювета заданої довжини виконана у вигляді спіралі розміщеної вертикально вверх, а її внутрішні стінки мають світловідбиваючу поверхню. Піроелектричний фотоприймач знаходиться на виході вимірювальної кювети в центрі сенсора. За рахунок збільшення оптичного шляху, що проходить світловий потік, досягається вимірювання концентрації газу з певною точністю при малих розмірах газового сенсора. Недоліком даного газового сенсора є можливість вимірювання концентрації газу з заданою точністю і чутливістю лише в певному діапазоні концентрацій газу тому, що вимірювальна кювета має фіксовані розміри, а використання піроелектричного фотоприймача приводить до низької швидкодії сенсора. При вимірюванні концентрації газу в широкому діапазоні або концентрації різних газів у газовій суміші необхідно використовувати декілька сенсорів, що ускладнює процес вимірювання. Відомий оптичний абсорбційний газоаналізатор [2], що містить джерело електромагнітного випромінювання з довжиною хвилі з області поглинання газу, трубчату газову кювету із внутрішніми світловідбиваючими стінками та фотоприймач увімкнений до блоку обробки і реєстрації інформації. Для збільшення шляху світлового потоку і виключення прямого попадання світлового потоку на фотоприймач, газова кювета виконана у вигляді спіралі Архімеда. За рахунок збільшення оптичного шляху, що проходить світловий потік, досягається вимірювання концентрації газу з підвищеною точністю і чутливістю. Недоліком даного газового сенсора є можливість вимірювання концентрації газу із заданою точністю і чутливістю лише в певному діапазоні малих концентрацій газу тому, що вимірювальна кювета має фіксовані розміри, а довжина оптичного шляху достатньо велика, особливо для газів з різними коефіцієнтами власного поглинання електромагнітного випромінювання. У зв'язку з цим, при вимірюванні концентрації газу в широкому діапазоні або концентрації різних газів у газовій суміші необхідно використовувати декілька газових кювет, що приводить до ускладнення конструкції. Відомий пристрій для вимірювання концентрації газу [3], який вибраний у якості прототипу, що містить кювету із системою відбиваючих дзеркал, коліматор, об'єктив та оптичний елемент, виготовлений у виді напівпрозорого дзеркала або біпризми, що ділить оптичне випромінювання на два рівних за потужністю потоки випромінювання, які попадають на фотоприймач, пройшовши різну оптичну довжину шляху. Даний пристрій забезпечує розширення діапазону вимірювання концентрації газу при збереженні заданої точності. Недоліком даного пристрою є зменшення точності вимірювань при малих концентраціях газу через те, що світловий потік, який проходить меншу довжину оптичного шляху, вносить значну похибку у процес вимірювання. Це значною мірою зв'язано з тим, що на фотоприймач одночасно попадають два світлові потоки, які пройшли різний оптичний шлях і зазнали різного оптичного поглинання. У зв'язку з цим, при вимірюванні концентрації газу в широкому діапазоні або концентрації різних газів у газовій суміші необхідно використовувати декілька пристроїв, що приводить до ускладнення конструкції. Однак, для ряду приладів аналітичної техніки необхідно використовувати такі оптичні сенсори газів, які здатні формувати декілька, однакових за рівнем розподілу енергії всередині світлового пучка, рознесених у просторі в один або різні моменти часу, незалежних потоків випромінювання. Завданням винаходу є створення оптичного сенсора газів, який забезпечує проведення вимірювання у широкому діапазоні концентрації газів при збереженні заданої точності та чутливості, розширити область використання при спрощенні його конструкції. Поставлена задача досягається тим, що оптичний сенсор газів містить оптично зв'язані джерела інфрачервоного випромінювання з довжинами хвиль випромінювання в максимумах, які співпадають з максимумом смуги власного поглинання аналізованого газу, робочу кювету з вхідним і вихідним газовими патрубками, оптичні елементи, приймач інфрачервоного випромінювання, робоча кювета виконана з двох частин різної довжини із спільним внутрішнім об'ємом, вхідне прозоре для 5 89707 6 випромінювання вікно з дзеркальною поверхню є воного випромінювання з довжиною хвилі в макспільним для обох частин робочої кювети, парасимумі, що співпадає з максимумом смуги власноболічні дзеркальні поверхні нахилені під одним го поглинання аналізованого газу. Джерела 4 і 8 або різними кутами до вхідного вікна, вхідні патруінфрачервоного випромінювання мають однакову бки, отвори яких направлені під кутом до оптичних потужність випромінювання, однаковий темпераосей джерел інфрачервоного випромінювання, турний зсув максимуму в спектрі випромінювання і розміщені на частинах робочої кювети різної доврозміщені на одній або різних осях із фотоприймажини, а вихідний патрубок на її більшій частині, чем 14 так, що утворюють однакові незалежні роджерела інфрачервоного випромінювання знахобочі потоки випромінювання. Мікропроцесорний 15 дяться усередині теплопровідних кульових опор і блок виконаний як окремий зовнішній блок або розміщені на одній або різних осях із приймачем разом із сенсором. інфрачервоного випромінювання. На Фіг.2 у збільшеному вигляді наведено розВикористання двох джерел інфрачервоного міщення на основі 13 сенсора джерела 4 інфрачевипромінювання з довжинами хвиль випромінюрвоного випромінювання у кульовій 5 опорі, яка вання в максимумах, що співпадають з максимумістить дзеркальну поверхню у формі урізаного мом смуги власного поглинання аналізованого конуса або іншого концентратора випромінювання. газу, розміщених на одній або різних осях із прийНа основі 13 сенсора, аналогічно розміщено джемачем випромінювання та імпульсний режим їх рело 8 інфрачервоного випромінювання у кульовій роботи в один або різні моменти часу разом із ро9 опорі, яка містить дзеркальну поверхню у формі бочою кюветою, яка виконана з двох частин різної урізаного конуса або іншого концентратора випродовжини із спільним внутрішнім об'ємом забезпемінювання. чують вимірювання концентрації газів в широкому На Фіг.3 у збільшеному вигляді наведено роздіапазоні із заданою точністю і чутливістю. міщення на основі 13 сенсора приймача Вхідне вікно із нанесеною дзеркальною повер14інфрачервоного випромінювання, перед яким хнею, параболічні дзеркала, що нахилені під одрозміщена фокусуюча 16 лінза та інтерференційним або різними кутами до вхідного вікна і розміний 17 світлофільтр з довжиною хвилі пропускання щені в різних частинах робочої кювети дозволяють в максимумі, що співпадає з максимумом смуги збільшити оптичний шлях випромінювання, спросвласного поглинання аналізованого газу. тити конструкцію сенсора газів та розширити обНа Фіг.4 наведена функціональна схема оптиласть його використання. чного сенсора газів при розміщенні джерел 4 і 8 Пропускання газу через вхідні патрубки, отвоінфрачервоного випромінювання на одній осі із ри яких розміщені під кутом до оптичних осей джеприймачем 14 інфрачервоного випромінювання. рел інфрачервоного випромінювання і розміщення Оптичний сенсор газів працює наступним чивихідного патрубка на більшій частині робочої кюном: вети дозволяють одержати рівномірний розподіл Аналізуючий газ прокачується одночасно чегазу по всьому внутрішньому об'єму робочої кюверез вхідні 2 і 12 патрубки робочої 1 кювети. В перти та забезпечити зменшення часу необхідного ший момент часу, джерело 4 інфрачервоного видля повної заміни внутрішнього об'єму іншим гапромінювання активується мікропроцесорним 15 зом та його кількості. блоком та формує світловий потік, що проходить Кульові опори, всередині яких розміщені джечерез аналізуючий газ, де частково поглинається рела випромінювання, виготовлені із теплопровідта за допомогою параболічної 5 дзеркальної повеного матеріалу і одночасно відіграють роль теплорхні спрямовується на дзеркальну 7 пластину, вого радіатора та елементів настройки оптичної параболічну 11 дзеркальну поверхню та приймач частини сенсора, що значно спрощує його конс14 інфрачервоного випромінювання. На виході трукцію. приймача 14 інфрачервоного випромінювання На Фіг.1 наведена функціональна схема оптиутворюється електричний сигнал, який пропорційчного сенсора газів. ний величині поглинутого потоку, що проходить в Оптичний сенсор газів містить робочу 1 кювеобох частинах робочої 1 кювети. Мікропроцесорту, виконану з двох частин різної довжини із спільний 15 блок записує величину сигналу в свою паним внутрішнім об'ємом до якої герметично прикм'ять для послідуючої обробки. ріплене вхідне 6 вікно із дзеркальною 7 В наступний момент часу, джерело 8 інфрачепластинкою. Параболічні 3 і 11 дзеркальні поверхрвоного випромінювання активується мікропроцені нахилені під одним або різними кутами до вхідсорним 15 блоком та формує світловий потік, що ного 6 вікна і знаходяться в різних частинах робопроходить через аналізуючий газ, де частково погчої 1 кювети. Вхідні 2 і 12 патрубки, отвори яких линається та за допомогою параболічної 11 дзернаправлені під кутом до оптичних осей джерел 4 і кальної поверхні спрямовується на приймач 14 8 випромінювання, розміщені на різних частинах інфрачервоного випромінювання. На виході прийробочої 1 кювети, а вихідний 10 патрубок на її бімача 14 інфрачервоного випромінювання утворюльшій частині. Кульові 5 і 9 опори, всередині яких ється електричний сигнал, який пропорційний верозміщені джерела 4 і 8 інфрачервоного випроміличині поглинутого потоку, що проходить в меншій нювання, виготовлені із теплопровідного матеріачастині робочої 1 кювети. Мікропроцесорний 15 лу і забезпечують настройку оптичної частини сенблок записує величину сигналу в свою пам'ять для сора. На основі 13 сенсора розміщені кульові 5 і 9 послідуючої обробки. опори, джерела 4 і 8 випромінювання та фотопВ третій момент часу, джерела 4 і 8 інфрачерриймач 14 випромінювання. Мікропроцесорний 15 воного випромінювання одночасно активуються блок почергово активізує джерела 4 і 8 інфрачермікропроцесорним 15 блоком та формують світло 7 89707 8 ві потоки, що проходять через аналізуючий газ, де нювання змінним струмом величиною 200mA та частково поглинаються та за допомогою відповідчастотою 100кГц. Такий режим роботи джерел 4 і 8 них дзеркальних 3, 7 і 11 поверхонь спрямовуєтьінфрачервоного випромінювання разом із вхіднися на приймач 14 інфрачервоного випромінюванми 2 і 12 патрубками, розміщеними на частинах ня. На виході приймача 14 інфрачервоного робочої 1 кювети різної довжини, а вихідний 10 випромінювання утворюється електричний сигнал, патрубок на її більшій частині, дозволяє забезпеякий пропорційний величині поглинутого потоку, чити швидкодію сенсора 0,3-0,5с при значному що проходить в обох частинах робочої 1 кювети зменшенні кількості газу необхідного для повної від обох джерел 4 і 8 інфрачервоного випромінюзаміни внутрішнього об'єму сенсора. В якості вання. Мікропроцесорний 15 блок записує величиприймача 14 інфрачервоного випромінювання вину сигналу в свою пам'ять для послідуючої обробкористовувався неселективний напівпровідникоки. Використання однакових джерел 4 і 8 вий фоторезистор. інфрачервоного випромінювання дозволяє одерЗа п.2 формули винаходу, для підвищення тожати просторово розділені потоки випромінювання чності вимірювання концентрації аналізованого з рівномірним розподілом енергії всередині потоку газу вхідне вікно виготовлено із сапфіру. в один або різні моменти часу. За п.3 формули винаходу, для підвищення тоПри відсутності аналізованого газу, у всіх чності та чутливості вимірювання концентрації трьох випадках, робоча 1 кювета прокачуються аналізованого газу, на внутрішній стороні вхідного нульовим газом, внаслідок чого, сформовані дже6 вікна дзеркальна 7 пластина замінена дзеркальрелами 4 і 8 інфрачервоного випромінювання свіною параболічною поверхнею. тлові потоки не зазнають поглинання і на виході За п.4 формули винаходу, для спрощення приймача 14 інфрачервоного випромінювання конструкції та розширення області використання створюються електричні сигнали за допомогою сенсора будь-які два патрубки робочої 1 кювети яких мікропроцесорний 15 блок забезпечує корекможуть бути вхідними, а один вихідним і мають цію нуля, вирівнюючи величину сигналів при відсуоднаковий або різні діаметри отворів. тності поглинання. Мікропроцесорний 15 блок заЗа п.5 формули винаходу, для підвищення тобезпечує обробку всіх електричних сигналів з чності та чутливості вимірювання концентрації виходу приймача 14 інфрачервоного випромінюаналізованого газу, активні елементи джерел 4 і 8 вання і виділяє той електричний сигнал, що відпоінфрачервоного випромінювання виготовлені із відає концентрації газу, яка виміряна з найбільвузькозонного напівпровідникового матеріалу, шою точність із наперед заданої для даного який містить біполярну провідність. Напівпровіднисенсора. кові активні елементи з p-n-переходами, виготовПроведення вимірювань у широкому діапазоні лені на основі твердих розчинів InGaAs/lnAs та концентрацій газів при збереженні заданої точносInAsSbP/lnAs. ті та чутливості досягається вибором співвідноЗа п.6 формули винаходу, для підвищення тошення довжин частин робочої 1 кювети в залежчності та чутливості вимірювання концентрації ності від поглинаючої здатності аналізованого основних забруднювачів атмосферу газів, джерегазу, рівномірністю проходження газу через всю ла 4 і 8 випромінювання генерують випромінюванробочу 1 кювету завдяки вхідним 2 і 12 патрубкам, ня в інфрачервоному діапазоні спектра на довжиотвори яких спрямовані під кутом до оптичних нах хвиль 2,5-5,0мкм. Вибором хімічного складу осей джерел 4 і 8 інфрачервоного випромінювантвердих розчинів InGaAs/lnAs та InAsSbP/lnAs узня, повним використанням світлових потоків ствогоджується довжина хвилі у максимумі спектра рених джерелами 4 і 8 інфрачервоного випромівипромінювання активних елементів з відповідною нювання та режимом їх роботи. У випадку довжиною селективної смуги поглинання аналізозбільшення неселективних втрат випромінювання, ваного газу (довжини хвиль 2,7мкм, 3,32мкм, зв'язаних із забрудненням вікна 6 робочої 1 кюве4,27мкм, 4,67мкм, що відповідають селективним ти з часом та при неузгодженості спектрів джерел смугам поглинання парів води, метану (СH4), вуг4 і 8 інфрачервоного випромінювання і спектральлекислого газу (СО2), окису вуглецю (CО) відповіної чутливості приймача 14 інфрачервоного видно). промінювання по відношенню до спектра власного За п.7 формули винаходу, для підвищення топоглинання аналізованого газу під дією темперачності та чутливості вимірювання концентрації тури оточуючого середовища, збереження заданої аналізованого газу, джерела 4 і 8 інфрачервоного точності та чутливості досягається за рахунок того, випромінювання містять більше двох випромінюющо аналізований газ прокачується одночасно чечих активних елементів. Збільшення кількості вирез кожну із частин робочої 1 кювети в яких сфорпромінюючих активних елементів на одну довжину мовані джерелами 4 і 8 потоки інфрачервоного хвилі випромінювання збільшує інтенсивність світвипромінювання зазнають однакових змін не зв'ялового потоку джерел 4 і 8 інфрачервоного випрозаних з поглинанням аналізованого газу. В процесі мінювання в 1,5 рази. обробки електричних сигналів мікропроцесорним За п.8 формули винаходу (Фіг.2), для підви15 блоком ці зміни взаємокомпенсуються. Мікропщення точності та чутливості вимірювання конценроцесорний 15 блок дозволяє в певній мірі автотрації аналізованого газу, теплопровідні кульові 5 і матизувати керування роботою оптичного сенсора 9 опори, всередині яких розміщені джерела 4 і 8 газів в залежності від функціонального призначенінфрачервоного випромінювання, містять дзерканя. льну поверхню у формі урізаного конуса або іншоМодуляція світлового потоку забезпечується го концентратора випромінювання. Така внутрішня активацією джерел 4 і 8 інфрачервоного випроміповерхня кульових 5 і 9 опор звужує діаграму на 9 89707 10 правленості джерел 4 і 8 інфрачервоного випромімаксимумі =3,32мкм, яка співпадає з максимумом нювання з 60° до 40° і збільшує їх інтенсивність довжини хвилі поглинання аналізованого газу СН4 світлового потоку вздовж осі випромінювання, що у газовій суміші та випромінюючі активні елементи значно спростило налагодження оптичної частини з p-n-переходами, що випромінюють з довжиною сенсора. хвилі в максимумі =3,80мкм, яка не співпадає з За п.9 формули винаходу, для підвищення максимумами довжин хвиль поглинання аналізостабільної роботи сенсора в широкому інтервалі ваних газів у газовій суміші. Джерело 8 інфрачертемператур та розширення області його викорисвоного випромінювання містить випромінюючі актання на спільній основі 13 сенсора разом із джетивні елементи з p-n-переходами, що релами 4 і 8 та приймачем 14 інфрачервоного вивипромінюють на довжині хвилі в максимумі промінювання розміщений мікроохолоджувач. =4,27мкм, яка співпадає з максимумом довжини За п.10 формули винаходу (Фіг.3), для підвихвилі поглинання аналізованого газу СО2 у газовій щення точності та чутливості вимірювання конценсуміші та випромінюючі активні елементи з p-nтрації аналізованого газу, перед приймачем 14 переходами, що випромінюють з довжиною хвилі в інфрачервоного випромінювання розміщена фокумаксимумі =3,80мкм, яка не співпадає з максимусуюча лінза. мами довжин хвиль поглинання аналізованих газів За п.11 формули винаходу (Фіг.3), для підвиу газовій суміші. щення чутливості вимірювання концентрації аналіОпорний канал утворюють випромінюючі актизованого газу, перед приймачем 14 інфрачервоновні елементи з p-n-переходами, що випромінюють го випромінювання розміщений інтерференційний з довжиною хвилі в максимумі =3,80мкм, яка не 17 фільтр з довжиною хвилі пропускання в максиспівпадає з максимумами довжин хвиль поглинанмумі, що співпадає з максимумом смуги власного ня аналізуючих газів у газовій суміші. Випромінюпоглинання аналізованого газу. ючі активні елементи утворені з вузькозонного За п.12 формули винаходу, для підвищення напівпровідникового матеріалу на основі твердих чутливості вимірювання концентрації аналізованорозчинів InGaAs, що генерують випромінювання го газу, перед джерелами 4 і 8 інфрачервоного на довжинах хвиль 2,5-3,9мкм та InAsSbP, що гевипромінювання розміщені інтерференційні фільтнерують випромінювання на довжинах хвиль 4,2ри з довжиною хвилі пропускання в максимумі, що 5,0мкм, за планарною технологією методом рідинспівпадає з максимумом смуги власного поглинанно-фазної епітаксії із створеними в них р-лня аналізованого газу. переходами. За п.13 формули винаходу, для підвищення За п.15 формули винаходу, для спрощення точності та чутливості вимірювання концентрації конструкції та розширення області використання аналізованого газу, джерела 4 і 8 інфрачервоного сенсора, джерела 4 і 8 та приймач 14 інфрачервовипромінювання містять випромінюючі активні ного випромінювання працюють синхронно в імпуелементи з довжиною хвилі випромінювання в льсному режимі з однаковим або різним інтервамаксимумі, що співпадають з максимумом смуги лом часу. Такий режим роботи сенсора найбільш власного поглинання аналізованого газу та активні вигідний в приладах аналітичної техніки при розелементи випромінювання яких не поглинається робці малогабаритних інфрачервоних газоаналізааналізованим газом. Такі активні елементи утвоторів для виміру концентрацій найбільш поширерюють світловий потік, який використовується для них забруднювачів атмосфери газів. створення опорного каналу сенсора. Активні елеЗапропонований оптичний сенсор газів дозвоменти з p-n-переходами, які випромінюють з довляє проводити вимірювання у широкому діапазоні жиною хвилі в максимумі ( =3,80мкм), яка не співконцентрацій газів при збереженні заданої точноспадає з максимумами довжин хвиль поглинання ті та чутливості, розширити область використання аналізуючих газів виготовлені в одному технологіпри спрощенні його конструкції. чному процесі на основі твердих розчинів Джерела інформації: InGaAs/lnAs та InAsSbP/lnAs. 1. Патент WO 02/063283, МПК G01N21/61. За п.14 формули винаходу (Фіг.4), для спроОпублікований 2002.08.15. щення конструкції та розширення області викорис2. Патент РФ №2262684, МПК G01N21/61, тання сенсор є двокомпонентним сенсором газів. G01N21/03. Опублікований 2005.10.20. Джерело 4 інфрачервоного випромінювання міс3. Патент РФ №2134874, МПК G01N21/61, тить випромінюючі активні елементи з p-nОпублікований 1999.08.20. переходами. що випромінюють на довжині хвилі в 11 89707 12 13 Комп’ютерна верстка В. Мацело 89707 Підписне 14 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