Спосіб вимірювання концентрації газів
Номер патенту: 96668
Опубліковано: 25.11.2011
Автори: Кабацій Василь Миколайович, Мигалина Юрій Вікентійович, Блецкан Дмитро Іванович
Формула / Реферат
1. Спосіб вимірювання концентрації газів, за яким вимірювання різниці світлових потоків, які поширюються від джерела випромінювання і проходять через робочу кювету, здійснюють фотоприймачем та за їх змінами визначають концентрацію газу, який відрізняється тим, що просторово розділені світлові потоки утворюють не менше ніж двома джерелами випромінювання, що містять активні елементи з p-n-переходами, які випромінюють в максимумах на різних довжинах хвиль, в різні періоди часу, який визначається датчиком температури, причому робочий діапазон температур задають не менше ніж двома інтервалами температур, серед яких робочий інтервал температур визначають датчиком температури, при цьому довжини хвиль в максимумах випромінювання активних елементів з p-n-переходами відповідно узгоджують з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу для кожного інтервалу температур.
2. Спосіб вимірювання концентрації газів за п. 1, який відрізняється тим, що світлові потоки формують джерелами випромінювання, кожне з яких містить не менше двох активних елементів з p-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 і розміщені на одній теплопровідній основі.
3. Спосіб вимірювання концентрації газів за п. 2, який відрізняється тим, що світлові потоки формують джерелами випромінювання, кожне з яких містить різну кількість активних елементів з p-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.
4. Спосіб вимірювання концентрації газів за пп. 1-3, який відрізняється тим, що формують додатковий світловий потік джерелом випромінювання, що містить активний елемент з p-n-переходом, який випромінює в максимумі на довжині хвилі поза смугою власного поглинання аналізованого газу в робочому діапазоні температур.
5. Спосіб вимірювання концентрації газів за пп. 1-3, який відрізняється тим, що формують додаткові світлові потоки джерелами випромінювання, кожне з яких містить активний елемент з p-n-переходом, який випромінює в максимумі на довжині хвилі поза смугою власного поглинання аналізованого газу відповідно для кожного інтервалу температур.
6. Спосіб вимірювання концентрації газів за пп. 1-3, який відрізняється тим, що формують додаткові світлові потоки джерелами випромінювання, що містять активні елементи з p-n-переходами, які випромінюють в максимумах на одній довжині хвилі поза смугою власного поглинання аналізованого газу для кожного інтервалу температур.
7. Спосіб вимірювання концентрації газів за пп. 4-6, який відрізняється тим, що формують додаткові світлові потоки джерелами випромінювання, що містять не менше двох активних елементів з p-n-переходами, які розміщені на одній теплопровідній основі.
8. Спосіб вимірювання концентрації газів за п. 7, який відрізняється тим, що світлові потоки формують джерелами випромінювання, що містять різну кількість активних елементів з p-n-переходами незалежно для кожного інтервалу температур.
9. Спосіб вимірювання концентрації газів за пп. 1-8, який відрізняється тим, що світлові потоки формують джерелами випромінювання, що містять активні елементи з p-n-переходами, виготовлені з вузькозонного напівпровідникового матеріалу, активний шар яких має біполярну провідність.
10. Спосіб вимірювання концентрації газів за пп. 1-9, який відрізняється тим, що світлові потоки формують джерелами випромінювання, що містять активні елементи, які випромінюють в інфрачервоному діапазоні спектра.
11. Спосіб вимірювання концентрації газів за пп. 1-10, який відрізняється тим, що світлові потоки формують джерелами випромінювання, що містять активні елементи, які активуються електричним струмом в імпульсному режимі з однаковою або різною тривалістю часу.
12. Спосіб вимірювання концентрації газів за пп. 1-11, який відрізняється тим, що світлові потоки формують джерелами випромінювання, період роботи яких задають додатково встановленим датчиком температури, розміщеним всередині робочої кювети.
13. Спосіб вимірювання концентрації газів за пп. 1-11, який відрізняється тим, що світлові потоки формують джерелами випромінювання, період роботи яких задають додатково встановленим датчиком температури, розміщеним біля фотоприймача.
14. Спосіб вимірювання концентрації газів за пп. 1-13, який відрізняється тим, що вимірювання різниці світлових потоків на виході робочої кювети здійснюють фотоприймачем, розміщеним на одній теплопровідній основі з мікрохолодильником.
15. Спосіб вимірювання концентрації газів за пп. 1-14, який відрізняється тим, що вимірювання різниці світлових потоків на виході робочої кювети здійснюють фотоприймачем за рахунок його електричної модуляції синхронно з формуванням світлового потоку.
Текст
1. Спосіб вимірювання концентрації газів, за яким вимірювання різниці світлових потоків, які поширюються від джерела випромінювання і проходять через робочу кювету, здійснюють фотоприймачем та за їх змінами визначають концентрацію газу, який відрізняється тим, що просторово розділені світлові потоки утворюють не менше ніж двома джерелами випромінювання, що містять активні елементи з p-n-переходами, які випромінюють в максимумах на різних довжинах хвиль, в різні періоди часу, який визначається датчиком температури, причому робочий діапазон температур задають не менше ніж двома інтервалами температур, серед яких робочий інтервал температур визначають датчиком температури, при цьому довжини хвиль в максимумах випромінювання активних елементів з p-n-переходами відповідно узгоджують з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу для кожного інтервалу температур. 2. Спосіб вимірювання концентрації газів за п. 1, який відрізняється тим, що світлові потоки формують джерелами випромінювання, кожне з яких містить не менше двох активних елементів з p-nпереходами, які випромінюють в максимумах на довжині хвилі, узгодженій з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу відповідно для кожного інтервалу температур і розміщені на одній теплопровідній основі. 2 (19) 1 3 96668 4 вузькозонного напівпровідникового матеріалу, активний шар яких має біполярну провідність. 10. Спосіб вимірювання концентрації газів за пп. 19, який відрізняється тим, що світлові потоки формують джерелами випромінювання, що містять активні елементи, які випромінюють в інфрачервоному діапазоні спектра. 11. Спосіб вимірювання концентрації газів за пп. 110, який відрізняється тим, що світлові потоки формують джерелами випромінювання, що містять активні елементи, які активуються електричним струмом в імпульсному режимі з однаковою або різною тривалістю часу. 12. Спосіб вимірювання концентрації газів за пп. 111, який відрізняється тим, що світлові потоки формують джерелами випромінювання, період роботи яких задають додатково встановленим датчиком температури, розміщеним всередині робочої кювети. 13. Спосіб вимірювання концентрації газів за пп. 111, який відрізняється тим, що світлові потоки формують джерелами випромінювання, період роботи яких задають додатково встановленим датчиком температури, розміщеним біля фотоприймача. 14. Спосіб вимірювання концентрації газів за пп. 113, який відрізняється тим, що вимірювання різниці світлових потоків на виході робочої кювети здійснюють фотоприймачем, розміщеним на одній теплопровідній основі з мікрохолодильником. 15. Спосіб вимірювання концентрації газів за пп. 114, 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 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, 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, наприклад С02, 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 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 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 вимірюван 5 ня 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 збільшенню 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 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 формують 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 аналізованого 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 вимірювання різниці світлових потоків, які від джерела випромінювання проходять через робочу кювету, здійснюється фотоприймачем та за їх змінами визначають концентрацію газу, при цьому просторово розділені світлові потоки утворюють не менше ніж двома джерелами випромінювання, що містять активні елементи з p-n-переходами, які випромінюють в максимумах на різних довжинах хвиль в різні періоди часу, який визначається датчиком температури; робочий діапазон температур заданий не менше ніж двома інтервалами темпе 96668 6 ратур, серед яких робочий інтервал температур визначається датчиком температури, довжини хвиль в максимумах випромінювання активних елементів з p-n-переходами джерел випромінювання відповідно узгоджені з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу для кожного інтервалу температур. Вимірювання концентрацій газу з заданою точністю і чутливістю в широкому діапазоні температур досягається за рахунок того, що світлові потоки формуються не менше ніж двома джерелами випромінювання, що містять активні елементи з pn-переходами, які випромінюють в максимумах на довжинах хвиль, узгоджених з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання газу, для відповідних інтервалів температур. Датчик температури в залежності від температури оточуючого середовища на даний момент визначає робочий інтервал температур не менше двох заданих інтервалів температур. Діапазон робочих температур задається кількома інтервалами температур для одержання кращого узгодження температурних зміщень спектральних характеристик джерел випромінювання по відношенню до спектральної чутливості фотоприймача і смуги власного поглинання аналізованого газу внаслідок зміни температури оточуючого середовища. 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 в процесі їх експлуатації. Відсутність температурної стабілізації активних елементів з р-n-переходами з використанням мікрохолодильників спрощує конструкцію джерел випромінювання та збільшує надійність даного способу. На фіг. 1 наведені відносні положення спектрів випромінювання напівпровідникового джерела та смуги власного поглинання аналізованого газу при 0°С (а); 20 °C (б) та 40 °C (в). На фіг. 2 наведена функціональна схема реалізації даного способу. Джерела 1 і 2 випромінювання, що містять активні елементи з р-n-переходами, оптично зв'язані 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, до складу якого входять аналого-цифровий 9 перетворювач, мікропроцесор 10 і пристрій 11 для індикації. Активні елементи з р-n-переходами джерел 1 і 2 випромінювання активуються за допомогою імпульсного блока 12 живлення, який в свою чергу з'єднаний з датчиком 3 температури та блоком 8 обробки сигналів Запропонований спосіб реалізується наступним чином: В початковий момент часу, датчик 3 температури разом з імпульсним блоком 12 живлення в залежності від температури оточуючого середо 7 вища визначає робочий інтервал температур із кількох заданих інтервалів температур. Кількість інтервалів температур задається в залежності від температурного діапазону роботи даного способу при вимірюванні концентрації газу та температурних залежностей випромінюючої здатності джерел випромінювання. Джерело 1 випромінювання, що містить активний елемент з p-n-переходом, який випромінює в максимумі на довжині хвилі, яка узгоджена з максимумом довжини хвилі поглинання аналізованого газу і відповідає вибраному робочому 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 здійснюється фотоприймачем 6 синхронно з формуванням світлового потоку. Електричний сигнал з виходу фотоприймача 6 подається на вхід підсилювача 7, вхід якого 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 формує світловий потік, що займає інше просторове положення в робочій 4 кюветі, який 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 моменти часу при зміні температури оточуючого середовища датчик 3 температури визначає його температуру та при необхідності за допомогою імпульсного блока 12 живлення вибирає інший робочий інтервал температур. Джерело 2 випромінювання, яке відповідає іншому вибраному робочому інтервалу температур, містить активний елемент з p-n-переходом, який випромінює в максимумі на довжині хвилі, яка узгоджена з максимумом довжини хвилі поглинання аналізованого газу у вибраному робочому 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 2 випромінювання формує світловий потік, що займає інше просторове положення в робочій 4 кюветі, який не зазнає поглинання в повітрі або "нульовому газі" і використовується для утворення опорного каналу. Величина електрично 96668 8 го 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 газу, що аналізується. Кінцевий результат вимірювання концентрації аналізуючого газу виводиться на пристрій 11 індикації. Процес вимірювання концентрації аналізованого газу для інших заданих інтервалів температур відбувається аналогічно (на фіг. 2 джерела випромінювання для інших температурних інтервалів вказані пунктиром). Активні елементи з p-n-переходами одержані на основі твердих розчинів епітаксіальних гетероструктур InGaAs/inAs 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 [4]. За п. 2 формули винаходу, для підвищення точності і чутливості запропонованого способу в широкому діапазоні температур, світлові потоки утворюються джерелами випромінювання, кожне з яких містить не менше двох 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. Як відомо, потужність світлового потоку джерел випромінювання, які містять активні елементи з р-n-переходами, зменшується при підвищенні температури оточуючого середовища. Це приводить до того, що для забезпечення заданої точності і чутливості вимірювання концентрації газу необхідно використати кілька активних елементів з р-n-переходами, випромінюючих в максимумі на одній довжині хвилі. Розміщення випромінюючих активних елементів з р-n-переходами на одній 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 утворюються джерелами випромінювання, кожне з яких 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 аналізуючого газу незалежно для кожного інтервалу температур. Зміна температури оточуючого середовища, для всіх без винятку типів напівпровідникових джерел випромінювання, приводить до різної зміни потужності їх випромінювання в залежності від вибраного спетрального діапазону. Відповідно до цього збільшення кількості випромінюючих активних елементів з р-n-переходами призводить до збільшення потужності світлового потоку джерел випромінювання, що дозволяє забезпечити необхідну точність і чутливість та підвищити надійність при вимірюванні концентрації газів. За п. 4 формули винаходу, для підвищення точності і чутливості запропонованого способу в 9 широкому діапазоні температур, вводиться додатковий світловий потік з максимумом інтенсивності на довжині хвилі, яка знаходиться поза смугою власного поглинання аналізованого газу в робочому діапазоні температур. У цьому випадку сформований світловий потік використовується для утворення опорного каналу без прокачування через робочу 4 кювету повітря або "нульового газу", що також спрощує використання способу та підвищує його надійність. За п. 5 формули винаходу, для підвищення точності і чутливості запропонованого способу в широкому діапазоні температур, вводяться додаткові світлові потоки з максимумом інтенсивності на довжинах хвиль, які знаходяться поза смугою власного поглинання аналізованого газу відповідно для кожного інтервалу температур. В цьому випадку краще узгоджуються температурні залежності спектрів випромінювання активних елементів з рn-переходами відносно спектральної чутливості фотоприймача в кожному інтервалі температур під дією температури оточуючого середовища. Крім того, сформовані джерелами випромінювання відповідні світлові потоки займають різні просторові положення в робочій 4 кюветі, що дозволяє використати їх для створення відповідних опорних каналів та врахувати неселективні втрати випромінювання, викликані забрудненням оптичних елементів у процесі їх експлуатації. За п. 6 формули винаходу, для підвищення точності і чутливості запропонованого способу в широкому діапазоні температур, вводяться додаткові світлові потоки з максимумом інтенсивності на одній довжині хвилі, яка знаходиться поза смугою власного поглинання аналізованого газу для кожного інтервалу температур. Сформовані джерелами випромінювання відповідні світлові потоки займають різні просторові положення в робочій 4 кюветі, що дозволяє забезпечити необхідну точність і чутливість вимірювання концентрації газів при збільшенні неселективних втрат випромінювання, пов'язаних із забрудненням оптичних елементів у процесі їх експлуатації та краще узгодити температурні залежності спектрів випромінювання активних елементів з р-n-переходами по відношенню до смуги власного поглинання аналізованого газу під дією температури оточуючого середовища. За п. 7 формули винаходу, для підвищення точності і чутливості запропонованого способу в широкому діапазоні температур, додаткові світлові потоки утворюються джерелами випромінювання, що містять не менше двох активних елементів з рn-переходами, які розміщені на одній теплопровідній основі. Збільшення кількості випромінюючих активних елементів з р-n-переходами приводить до збільшення потужності світлового потоку джерел випромінювання, що дозволяє забезпечити необхідну точність і чутливість при вимірюванні концентрації газів. За п. 8 формули винаходу, для підвищення надійності запропонованого способу в широкому діапазоні температур, світлові потоки утворюються джерелами випромінювання, що містять різну кількість активних елементів з р-n-переходами неза 96668 10 лежно для кожного інтервалу температур. При зниженні температури оточуючого середовища потужність випромінювання активних елементів з р-n-переходами на різних довжинах хвиль збільшується неоднаково, тому в певних робочих інтервалах температур кількість активних елементів з рn-переходами може бути зменшена без втрати заданої точності і чутливості при вимірюванні концентрації газу. За п. 9 формули винаходу, для підвищення надійності та розширення області використання запропонованого способу, світлові потоки утворюються джерелами випромінювання, що містять активні елементи, утворені з вузькозонного напівпровідникового матеріалу, активний шар яких має біполярну провідність. Використання когерентних та інших типів напівпровідникових джерел випромінювання, активний шар яких має біполярну провідність, дозволить розширити області використання запропонованого способу та підвищити його надійність. За п. 10 формули винаходу, для розширення області використання запропонованого способу, світлові потоки утворюються джерелами випромінювання, що містять активні елементи, які випромінюють в інфрачервоному діапазоні спектра. Використання джерел інфрачервоного випромінювання дозволяє проводити вимірювання в широкому діапазоні температур концентрації газів, смуги власного поглинання яких розміщені в інфрачервоній області спектра, без ускладнення процесу вимірювань. За п. 11 формули винаходу, для підвищення точності і чутливості запропонованого способу в широкому діапазоні температур, світлові потоки утворюються джерелами випромінювання, що містять активні елементи, які активуються електричним струмом в імпульсному режимі з однаковою або різною тривалістю часу. При переході від імпульсного режиму роботи джерел випромінювання з однаковим інтервалом часу (величина струму І=200 мА, частота слідування імпульсів до 10 МГц, скважність 2) до імпульсного режиму роботи з різним інтервалом часу (І=1-10А, частота слідування імпульсів до МГц, тривалість імпульсу = 100 мкс) потужність світлового потоку зростає в середньому на порядок. За п. 12 формули винаходу, для підвищення точності і чутливості запропонованого способу в широкому діапазоні температур, світлові потоки утворюються джерелами випромінювання, час роботи яких задається додатково встановленим датчиком температури, розміщеним всередині робочої кювети. Даний датчик температури вимірює температуру аналізованого газу всередині кювети та разом з блоком 8 обробки сигналів, який містить аналого-цифровий 9 перетворювач і мікропроцесор 10, враховує температурну залежність довжини хвилі в максимумі та напівширину смуги власного поглинання аналізованого газу для кожного інтервалу температур та задає період роботи відповідних джерел випромінювання. За п. 13 формули винаходу, для підвищення точності і чутливості запропонованого способу в широкому діапазоні температур, світлові потоки 11 утворюються джерелами випромінювання, період роботи яких задається додатково встановленим датчиком температури, розміщеним біля фотоприймача 6. Даний датчик температури вимірює температуру оточуючого середовища біля фотоприймача 6 і разом з блоком 8 обробки сигналів, який містить аналого-цифровий перетворювач 9 і мікропроцесор 10, враховує температурну залежність його спектральної чутливості по відношенню до смуги власного поглинання аналізованого газу і спектрів джерел випромінювання та задає період їх роботи. За п. 14 формули винаходу, для підвищення точності і чутливості запропонованого способу в широкому діапазоні температур, вимірювання різниці світлових потоків на виході робочої 4 кювети здійснюється фотоприймачем 6, розміщеним на одній теплопровідній основі з мікрохолодильником (наприклад з елементом Пельтье). Використання напівпровідникового мікрохолодильника дозволить стабілізувати зміну спектральної характеристики фотоприймача та покращити узгодження довжини хвилі у максимумі спектра джерела випромінювання з довжиною хвилі в максимумі смуги поглинання аналізованого газу при вимірюванні його концентрації в широкому інтервалі температур. 96668 12 За п. 15 формули винаходу, для підвищення точності і чутливості запропонованого способу в широкому діапазоні температур, вимірювання різниці світлових потоків на виході робочої 4 кювети відбувається фотоприймачем 6 за рахунок його електричної модуляції синхронно з формуванням світлового потоку. Така електрична модуляція фотоприймача 6 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 в процесі їх експлуатації та підвищити його надійність. Джерела інформації:. 1. Патент Росії №2187093, кл. G01N 21/61, Опублікований 2002.08.10. 2. Патент РФ № 2255325, кл. G01N 21/61, G01N21/15, Опублікований 2005.06.27. 3. Патент України № 88374, кл. G01N 21/61. G01N 21/01, 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. 13 Комп’ютерна верстка І. Скворцова 96668 Підписне 14 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
ДивитисяДодаткова інформація
Назва патенту англійськоюMethod for measurement of concentration of gases
Автори англійськоюKabatsii Vasyl Mykolaiovych, Bletskan Dmytro Ivanovych, Myhalyna Yurii Vikentiiovych
Назва патенту російськоюСпособ измерения концентрации газов
Автори російськоюКабаций Василий Николаевич, Блецкан Дмитрий Иванович, Мигалина Юрий Викентьевич
МПК / Мітки
МПК: G01N 21/01, G01N 21/61
Мітки: вимірювання, концентрації, спосіб, газів
Код посилання
<a href="https://ua.patents.su/7-96668-sposib-vimiryuvannya-koncentraci-gaziv.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб вимірювання концентрації газів</a>
Попередній патент: Упаковка для мінераловатного продукту
Наступний патент: Спосіб утилізації діоксиду вуглецю з концентрованих джерел його одержання
Випадковий патент: Пристрій для вимірювання мотивації студентів, слухачів до навчання при роботі в інтерактивному комп'ютерному середовищі