UA128067U - Оптоелектронний сенсор - Google Patents

Abstract

Оптоелектронний сенсор містить кювету у вигляді інтегруючої сфери, внутрішня поверхня якої дифузно розсіює світло, щонайменше два активні елементи, які здатні випромінювати в максимумах на довжині хвилі, узгодженій з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу, та активний елемент фотоприймача. При цьому активні елементи випромінювання знаходяться на світлорозсіюючому екрані під однаковими або різними кутами по відношенню до його основи, а щонайменше два активні елементи здатні випромінювати в максимумах на довжині хвилі поза максимумами смуг власного поглинання аналізованих газів.

Description

Корисна модель належить до сфери аналітичного приладобудування і може бути застосована 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 не повному згоранні палива у печі або каміні та на початковій стадії пожежі.

Наявність вузьких селективних смуг поглинання різної інтенсивності в середній інфрачервоній області спектра, характерних для метану, окису й двоокису вуглецю, окисів сірки й азоту, дозволяє вибирати оптимальні умови виміру їх концентрацій, а також розробити оптоелектронну елементну базу й прилади газового аналізу з високими селективними можливостями. Використання напівпровідникових джерел і детекторів ІЧ-випромінювання на області спектра 2,5-5,0 мкм, які працюють при кімнатних температурах, дозволяє істотно підвищити чутливість, селективність, швидкодію, економічність і надійність спектроабсорбційних приладів аналізу сполук газових сумішей, значно зменшити габарити й матеріалоємність.

Відомий інфрачервоний датчик газу (1Ї, що містить інфрачервоний випромінювач, інфрачервоний детектор і вимірювальну кювету. Оптичні осі випромінювача й детектора перебувають в одному напрямку. Інфрачервоне випромінювання відхиляється за допомогою сферичної або параболічної поверхні на 90 градусів у вигляді паралельного світлового пучка в напрямку оптичної осі детектора й фокусується на детекторі за допомогою додаткової сферичної або параболічної поверхні, у фокусах яких знаходяться випромінювач і детектор. Усі поверхні, що контактують із випромінюванням, покриті шаром речовини, що відбиває інфрачервоне випромінювання. Технічним результатом інфрачервоного датчика газу є створення компактного датчика, який підходить для встановлення на друкованій платі.

Недоліками цього інфрачервоного датчика газу є низька надійність, викликана невизначеністю реальної довжини оптичного шляху в кюветі за рахунок відбивання світлового потоку від сферичних або параболічних поверхонь та бокових стінок вимірювальної кювети й взаємного розташування випромінювача і детектора, розміщення отворів на поверхні вимірювальної кювети, що збільшує нерівномірність заповнення аналізованим газом і не повного використання світлового потоку при вимірюванні концентрації аналізованого газу, що приводить до зменшення чутливості та точності вимірів. Недоліком даного датчика є також

Зо низька температурна стабільність за рахунок рознесення в просторі випромінювача і детектора.

Відомий пристрій для оптичного аналізу газів (2), що містить принаймні три увігнутих дзеркала з сферичною поверхнею, які розміщені з можливістю обертатися симетрично відносно центральної осі у вимірювальній камері. Світловий промінь від джерела випромінювання направлений на дзеркальну поверхню вимірювальної камери так, що його відбитий промінь фокусується в центрі другої поверхні дзеркала і розфокусованим знову фокусується на іншій дзеркальній поверхні та через вихідний отвір потрапляє на детектор випромінювання.

Технічним результатом даного пристрою є створення компактного пристрою із невеликим об'ємом вимірювальної камери, коротким часом її продувки та збільшеною довжиною шляху оптичного поглинання.

Недоліками даного пристрою для оптичного аналізу газів є низька надійність, викликана наявністю сферичних дзеркальних поверхонь, що обертаються, та оптичних елементів поза вимірювальною камерою, зменшення чутливості й точності вимірів за рахунок нерівномірності розсіювання світлових потоків від сферичних дзеркальних поверхонь і не повного їх використання, нерівномірність заповнення вимірювальної кювети аналізованим газом та низька температурна стабільність вимірювань за рахунок рознесення в просторі джерела випромінювання і детектора.

Відомий газоаналізатор |З), який вибраний як прототип, що містить оптично зв'язані джерело випромінювання, кювету у вигляді інтегруючої сфери, світлофільтр та приймач випромінювання, внутрішнє покриття кювети виконано із м'ятої алюмінієвої фольги, що дифузно розсіює світло, а перед джерелом випромінювання встановлено світлорозсіюючий екран у вигляді багатокутної правильної піраміди вершиною до джерела випромінювання, площа основи якої у два рази більша за площу поперечного перерізу світлового потоку на оптичному вході кювети. Технічним результатом даного газоаналізатора є підвищення надійності газового аналізу, а також його чутливості та точності.

Недоліками даного газоаналізатора є взаємне розміщення джерела випромінювання, приймача випромінювання і світлорозсіюючого екрана, яке приводить до нерівномірності розсіювання випромінювання у різних частинах сфери та разом із наявністю чотирьох отворів на корпусі кювети не дозволяє в повній мірі використати світловий потік і одержати рівномірний розподіл аналізованого газу всередині кювети, що зменшує чутливість й точність вимірів.

Недоліком даного газоаналізатора є також низька температурна стабільність за рахунок рознесення в просторі джерела і приймача випромінювання.

В основу корисної моделі поставлена задача створити оптоелектронний сенсор, який дозволяє підвищити точність і чутливість при вимірюванні концентрації аналізованих газів.

Поставлена задача вирішується тим, що оптоелектронний сенсор містить кювету у вигляді інтегруючої сфери, внутрішня поверхня якої дифузно розсіює світло, щонайменше два активні елементи, які здатні випромінювати в максимумах на довжинах хвиль, узгоджених з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу, та активний елемент фотоприймача, згідно з корисною моделлю, активні елементи випромінювання знаходяться на світлорозсіюючому екрані під однаковими або різними кутами по відношенню до його основи, а щонайменше два активні елементи здатні випромінювати в максимумах на довжині хвилі поза максимумами смуг власного поглинання аналізованих газів.

Розміщення активних елементів (АЕ) випромінювання під однаковими кутами або різними кутами по відношенню до основи світлорозсіюючого екрана дозволяє отримати рівномірний світловий потік по всій поверхні інтегруючої сферичної кювети у залежності від її розмірів та дає можливість повністю використати його для вимірювання концентрації аналізованого газу, що дозволяє підвищити точність і чутливість при проведенні вимірювань.

Підвищення точності й чутливості вимірювань відбувається також, якщо щонайменше два

АЕ здатні випромінювати в максимумах на довжині хвилі поза максимумами смуг власного поглинання аналізованих газів. Використання таких випромінюючих АЕ дозволяє проводити вимірювання концентрації аналізованих газів без додаткового прокачування через вимірювальну кювету повітря або інертного газу та створити опорний канал. Опорний канал утворюють АЕ, що випромінюють у максимумах з довжинами хвиль А-3,80 мкм, яка не співпадає з довжинами хвиль селективних смуг власного поглинання аналізованих газів.

Відсутність отвору на корпусі інтегруючої сферичної кювети дозволяє отримати більш однорідний розподіл світлового випромінювання та збільшення освітленості всередині кювети, що дає можливість підвищити точність і чутливість при вимірюванні концентрації аналізованих газів.

Крім цього, вимірювання концентрації газів із заданою точністю і чутливістю у випадку

Зо неузгодженості спектра АЄЕ випромінювання по відношенню до спектра поглинання аналізованого газу під дією температури оточуючого середовища досягається за рахунок того, що АЕ знаходяться на одній поверхні світлорозсіюючого екрана та одночасно зазнають однакових змін, не пов'язаних з поглинанням аналізованих газів. В процесі обробки електричних сигналів з виходу АЕ фотоприймача ці зміни взаємокомпенсуються.

Приведені вище нові ознаки дозволяють підвищити точність і чутливість оптоелектронного сенсора при вимірюванні концентрації аналізованих газів.

На Фіг. 1 представлена схема оптоелектронного сенсора.

Сферична кювета 1 з внутрішнім дифузнорозсіюючим світлопокриттям містить отвори 2 подачі аналізованого газу та отвори З виходу аналізованого газу. Світлорозсіюючий екран 5 механічно закріплений до корпусу кювети за допомогою дифузнорозсіюючої світло 4 трубки та містить АЕ випромінювання АЕ 6 і АЕ 7, які здатні випромінювати в максимумах на довжинах хвиль, узгоджених з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу, АЕ 9 ї АЕ 10 (див. Фіг. 2), які здатні випромінювати в максимумах на довжині хвилі поза максимумами смуг власного поглинання аналізованих газів та АЕ 8 фотоприймача.

На Фіг. 2 представлена схема розміщення АЕ випромінювання на світлорозсіюючому екрані.

Оптоелектронний сенсор працює наступним чином. Випромінювання від АЕ 9 ії АЕ 10 потрапляє в порожнину кювети 1 у вигляді інтегруючої сфери, де, відбиваючись та розсіюючись від стінок та світлорозсіюючого екрана 5, що попереджає потрапляння прямих променів від АЕ випромінювання на АЕ 8 фотоприймача, проходить через повітря або аналізований газ, не поглинаючись. Встановлюється певний рівень освітленості кювети та відбувається калібровка

АЕ 8 фотоприймача.

В наступний момент часу, випромінювання від АЕ 6 ії АЕ 7 потрапляє в порожнину кювети 1 у вигляді інтегруючої сфери, де, відбиваючись та розсіюючись від стінок та світлорозсіюючого 5 екрана, проходить через аналізований газ і встановлюється інший рівень освітленості кювети, що пропорційний послабленню випромінювання в аналізованому газі. Після цього випромінювання від АЕ б і АЕ 7 потрапляє на АЕ 8 фотоприймача. Сигнал на виході АЕ 8 фотоприймача пропорційний величині падаючого на нього потоку випромінювання. Зміна інтенсивності випромінювання при проходженні через аналізований газ і відповідно зміна електричних сигналів з виходу АЕ 8 фотоприймача є мірою концентрації аналізованого газу.

У процесі обробки електричних сигналів з виходу АЕ 8 фотоприймача зміни електричних сигналів пов'язаних із випадком неузгодженості спектрів АЕ випромінювання по відношенню до спектра поглинання аналізованого газу під дією температури оточуючого середовища взаємокомпенсуються.

Як АЕ випромінювання та фотоприймач були використані напівпровідникові гетероструктури з утвореними р-п-переходами СаІпА55Б/АІсЗадавьзь на основі сСазр, ІпАзЗБ/ЛпПАбрР на основі

ІпА5 та одержані на основі твердих розчинів епітаксіальних гетероструктур Іпсадз/ІпАз і

ІпА5ЗБР/пА5. Неперервний ряд твердих розчинів дозволяє одержати АЕ з р-п-переходами, які працюють в області спектра 2,5-5,0 мкм. Внутрішня поверхня інтегруючої сфери, яка дифузно розсіює світло, одержана з використанням м'ятої алюмінієвої фольги, коефіцієнт дифузного відбивання якої становив 0,90-0,92 і визначався за допомогою каліброваного фотоприймача.

Модуляція світлового потоку забезпечується активацією АЕ змінним струмом величиною 200

ТА та частотою до 100 кГц. Мінімальна вимірювана концентрація СНа у повітрі була не менше 200-250 ррт, а мінімально зафіксована концентрація СОз5 у повітрі складала 50-100 ррт.

Запропонований оптоелектронний сенсор дозволяє підвищити точність і чутливість при вимірюванні концентрації аналізованих газів.

Джерела інформації: 1. Патент ОЕ 10200908, 50193/42, 501 М21/3504, опуб. 2003.07.31. 2. Патент УМО 0293141, Б01М 21/03, опуб. 2002.11.21. 3. Патент України Мо 81703, (301 М21/59, (501 М21/61, опуб. 2008.25.01.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Оптоелектронний сенсор, що містить кювету у вигляді інтегруючої сфери, внутрішня поверхня якої дифузно розсіює світло, щонайменше два активні елементи, які здатні випромінювати в максимумах на довжині хвилі, узгодженій з довжиною хвилі в максимумі смуги власного поглинання аналізованого газу, та активний елемент фотоприймача, який відрізняється тим, що активні елементи випромінювання знаходяться на світлорозсіюючому екрані під однаковими або різними кутами по відношенню до його основи, а щонайменше два активні елементи здатні Зо випромінювати в максимумах на довжині хвилі поза максимумами смуг власного поглинання аналізованих газів. І З л/. ше ша г лай х У» - з ГИ ж КІ Її х " | і їх і що | й й я й дорннреннняннне: ї І . АХ | У нене В, р ку І хі х г у , ки миЛьшя Й, х і. Ж щу Кк. З Щ, І й ще я во Кн застав

   Фіг. 1

   НЕ 4 ас я ГУ че,

   Фіг. 2