НЕДИСПЕРСИОННЫЙ МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ИНФРАКРАСНЫЙ ГАЗОВЫЙ АНАЛИЗАТОР Российский патент 2002 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для определения концентраций многокомпонентных газов, и может быть использовано для измерения концентраций газов в атмосфере, производственных помещениях и т.п.

Известен газоанализатор, содержащий оптически связанные источник излучения, спектральный модулятор, оптические фильтры для выделения длин волн рабочего и опорного излучения, газовую кювету, фокусирующую систему, блок приемника излучения, блок синхронизации и блок управления и обработки сигналов (SU, 1674621, G 01 N 21/61, опубл.20.02.95).

Недостатком вышеуказанного газоанализатора является использование в конструкции прибора оптико-механического модулятора, что снижает точность определения концентраций компонент исследуемого газа вследствие вибраций оптических элементов и приводит к ухудшению надежности и жесткости конструкции.

Известен оптический абсорбционный газоанализатор, содержащий газовую кювету, оптические фильтры, фотоприемники, блок обработки сигналов, 2 источника электромагнитного излучения с первой рабочей длиной волны λ₁ из области поглощения и второй опорной длиной волны λ₂ из области прозрачности анализируемого газа (опорное излучение), причем первый источник излучения расположен перед газовой кюветой по ходу своего излучения, а второй установлен вне газовой кюветы за фотоприемниками, введены оптические фильтры, пропускающие излучение с длинами волн λ₁ и λ₂, Р, попарно установленные с двух противоположных сторон 2 фотоприемников, выходы которых через усилитель соединены с блоком обработки сигналов, содержащим аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор и устройство для индикации, при этом выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом микропроцессора (RU, 2109269, G 01 N 21/61, опубл. 20.04.98).

Недостатками этого газоанализатора являются сложность настройки, снижение точности измерений вследствие температурной зависимости интенсивности излучения и длин волн двух несвязанных источников излучения, а также принципиальная невозможность многокомпонентного анализа газов в силу использования достаточно узкополосных инфракрасных (ИК) светодиодов.

В основу технического решения положена задача создания недисперсионного многоканального ИК газового анализатора, в котором путем преобразования ИК излучения от светодиодов накачки с помощью фотолюминесцентных преобразователей и нанесения интерференционных фильтров на фотолюминесцентные преобразователи выполняют многоканальное устройство и вследствие использования непосредственно в составе источника излучения дополнительного фотоприемника, регистрирующего интенсивность излучения λ₀ светодиодов накачки и сравнение их интенсивности по определенному алгоритму, учитывают влияние изменения интенсивности накачки фотолюминесцентной структуры, а также за счет увеличения чувствительности фотоприемника и энергоотдачи светодиода при их установке на холодильниках Пельтье и увеличения стабильности параметров источника, а именно интенсивности и положения максимумов спектров инфракрасного излучения фотолюминесцентных преобразователей /1/, при их термостабилизации повышают точность определения концентрации составляющих многокомпонентного газа и таким образом достигают расширения области применения при повышении точности определения концентрации составляющих многокомпонентных газов.

Вышеуказанная цель достигается за счет того, что в недисперсионном многоканальном ИК газовом анализаторе, содержащем источник электромагнитного излучения с наличием опорной и рабочей длин волн, интерференционные фильтры для выделения вышеуказанных длин волн, расположенную по ходу излучения источника газовую кювету с фокусирующими линзами на входе и выходе, основной фотоприемник, установленный за кюветой, для приема излучения опорной и рабочей длин волн от источника, выход которого через усилитель соединен с блоком обработки сигналов, содержащим аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор и устройство для индикации, при этом выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом микропроцессора. При этом источник смонтирован на термоэлектрическом холодильнике Пельтье и выполнен как светодиодная матрица, содержащая светодиоды для создания излучения накачки, возбуждающего фотолюминесцентные преобразователи, и интерференционные фильтры для выделения опорной и рабочих длин волн излучения, причем в состав светодиодной матрицы дополнительно включен фотоприемник для регистрации излучения накачки, светодиоды подключены к генератору импульсов тока накачки светодиодной матрицы, синхронизированных микропроцессором, а холодильник Пельтье подключен к дополнительно установленному блоку термостабилизации. При этом основной фотоприемник фоторезистивного типа смонтирован на дополнительном термоэлектрическом холодильнике Пельтье.

Выполнение источника излучения в форме светодиодной матрицы, содержащей светодиод с фотолюминесцентными преобразователями для создания ИК излучения и интерференционными фильтрами для выделения длин волн рабочего излучения, позволяет обеспечить одновременное определение концентраций многих газовых компонент, что приводит к расширению области применения устройства. Увеличение точности определения концентрации компонент достигается за счет увеличения стабильности параметров источника при его термостабилизации,а так же за счет увеличения чувствительности фотоприемника фоторезистивного типа и энергоотдачи светодиода при их установке на холодильниках Пельтье, кроме того, использования непосредственно в составе источника излучения фотоприемника, регистрирующего интенсивность излучения светодиода накачки, учитывающего зависимость изменения интенсивности накачки фотолюминесцентной структуры, и использования этих данных при обработке измерений.

Изобретение поясняется фиг.1,2,3.

На фиг.1 показана блок-схема многоканального газоанализатора; на фиг.2 - вид источника ИК излучения сверху и в разрезе; на фиг.3 - последовательность импульсов тока, подаваемых на вход источника излучения, и соответствующая ей последовательность импульсов излучения, прошедших через кювету и зарегистрированных фотоприемником, находящимся в составе источника, и основным фотоприемником.

Недисперсионный многоканальный ИК газовый анализатор, показанный на фиг. 1, содержит микропроцессор 1, генератор импульсов тока накачки 2, источник ИК излучения в виде светодиодной матрицы 3, кювету с исследуемым газом 4, фотоприемник 5, который установлен на холодильнике Пельтье 6, контролируемом совместно с холодильником Пельтье 11 источника ИК излучения 3 блоком термостабилизации 7, предварительный усилитель 8 и аналого-цифровой преобразователь 9, а также устройство для индикации 10. Источник излучения или светодиодная матрица 3, показанная на фиг.2, содержит холодильник Пельтье 11, фотоприемник 12 для регистрации излучения накачки, светодиоды 13 для создания излучения накачки, фотолюминесцентные преобразователи 14 и интерференционные фильтры 15.

Многокомпонентный анализатор работает следующим образом.

От микропроцессора 1 на генератор импульсов тока накачки 2 светодиодной матрицы 3 поступают управляющие сигналы, определяющие параметры импульсов тока и их последовательность. Данные импульсы тока подаются на светодиодную матрицу 3, показанную на фиг.2. Светодиоды 13 модулируются короткими импульсами тока с высокой частотой следования и поджигаются последовательно друг за другом, управляемые соответствующими сигналами микропроцессора 1. Импульсы тока накачки I_i, подаваемые на светодиоды 13, и соответствующие им импульсы излучения U_λi приведены на фиг. 3 в верхней и нижней частях фигуры оответственно. В случае использования GaAs светодиода генерируется излучение накачки с длиной волны 0,9 мкм. При прохождении слоя фотолюминесцентных преобразователей 14 это узкополосное излучение преобразуется в ИК излучение с полосой пропускания 0,5-0,7 мкм, а максимальная длина волны излучения после прохождения фотолюминесцентных преобразователей может располагаться в области спектра от 2 до 5 мкм. Следующий слой источника излучения содержит интерференционные фильтры 15, предназначенные для выделения нужных длин излучения с полушириной 0,05-0,15 мкм, которые соответствуют линиям поглощения компонент многокомпонентного газа. В качестве примера приведем состав источника излучения для анализа газа с компонентами СН, СO₂, СО. Интерференционные фильтры 15, установленные на фотолюминесцентных преобразователях 14, вырезают узкие линии с длинами волн 3,3, 3,9, 4,26, 4,67 мкм, что соответствует длине волны поглощения СН, длине опорной волны, проходящей через среду без поглощения, длинам волн поглощения СO₂ и СО. Источник также содержит в своем составе фотоприемник 12, регистрирующий интенсивность излучения накачки 0,9 мкм. Импульсы ИК излучения через фокусирующую систему поступают в кювету 4 с исследуемым газом и затем регистрируются основным фотоприемником 5. Источник излучения 3 и основной фотоприемник 5 установлены на холодильниках Пельтье 6 и 11. Это позволяет повысить чувствительность основного фотоприемника 5, а также увеличить энергоотдачу светодиодов 13 и фотолюминесцентных преобразователей 14, что приводит к возрастанию точности измерений за счет увеличения амплитуды измеренных сигналов. Подключение холодильников Пельтье 6 и 11 к блоку термостабилизации 7 позволяет, с одной стороны, стабилизировать параметры излучения источника, то есть его интенсивность и положение максимума излучения, а с другой стороны, повысить чувствительность основного фотоприемника 5 фоторезистивного типа, что также позволяет повысить точность измерений. Фотоприемник 12, расположенный в источнике 3, регистрирует интенсивность излучения накачки. Сигналы с обоих фотоприемников 5 и 12 поступают на предварительный усилитель 8, далее на аналого-цифровой преобразователь 9 и на вход микропроцессора 1. Аналого-цифровой преобразователь 9 синхронизирован с генератором импульсов 2. В микропроцессоре 1 вырабатываются управляющие импульсы, а также ычисляется величина

где
где λ_i- длина волны рабочего излучения, λ_r- длина волны опорного излучения, λ₀- длина волны излучения накачки;
U_λi- сигнал основного фотоприемника 5, соответствующий прошедшему через кювету рабочему излучению с длиной волны λi, U_λr- сигнал основного фотоприемника 5, соответствующий прошедшему через кювету опорному излучению с длиной волны λr, U_λ0- сигнал фотоприемника 12, включенного в состав источника излучения 3, соответствующий излучению накачки светодиода 13. В соответствии с фиг.3 при определении K_r используется соответствующая ей величина U_λ0, а при определении K_i - соответствующая ей величина U_λ01. При этом обеспечивается использование области линейной зависимости интенсивности ИК излучения фотолюминесцентных преобразователей 14 от излучения накачки путем выбора диапазона тока. Далее эта величина S_i сопоставляется в микропроцессоре 1 с известными эмпирическими зависимостями S_i от концентрации измеряемого газа и определяется концентрация данной составляющей многокомпонентного газа. Определенное при этом значение концентрации высвечивается на устройстве индикации 10.

Таким образом, предлагаемый недисперсионный многоканальный ИК газовый анализатор обеспечивает высокую точность измерений концентраций всех составляющих многокомпонентного газа за счет выполнения источника излучения в форме светодиодной матрицы.

Одновременно с этим достигается значительное упрощение и надежность в эксплуатации, что позволяет использовать газовый анализатор для работы в полевых условиях. В случае определения концентрации составляющих многокомпонентного газа с компонентами СН, СO₂, СО обеспечивается точность определения концентраций составляющих до 2,5%.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для определения концентраций составляющих многокомпонентных газов. В основу технического решения положена задача создания недисперсионного многоканального инфракрасного (ИК) газового анализатора, в котором путем преобразования ИК излучения от светодиода с помощью фотолюминесцентных преобразователей и нанесения интерференционных фильтров на светодиодную матрицу выполняют многоканальное устройство, и вследствие использования непосредственно в составе источника излучения фотоприемника, регистрирующего интенсивность излучения λ₀ светодиода накачки, учитывают влияние изменения интенсивности накачки фотолюминесцентной структуры, а также за счет увеличения стабильности параметров источника при их термостабилизации повышают точность определения концентрации составляющих многокомпонентного газа. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Недисперсионный многоканальный ИК газовый анализатор, содержащий источник электромагнитного излучения с наличием опорной и рабочей длин волн, интерференционные фильтры для выделения вышеуказанных длин волн, расположенную по ходу излучения источника газовую кювету с фокусирующими линзами на входе и выходе, основной фотоприемник, установленный за кюветой, для приема излучения опорной и рабочей длин волн от источника, выход которого через усилитель соединен с блоком обработки сигналов, содержащим аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор и устройство для индикации, при этом выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом микропроцессора, отличающийся тем, что источник смонтирован на термоэлектрическом холодильнике Пельтье и выполнен как светодиодная матрица, содержащая светодиоды, по крайней мере, для создания излучения накачки, возбуждающего фотолюминесцентные преобразователи, и интерференционные фильтры для выделения опорной и рабочих длин волн излучения, причем в состав светодиодной матрицы дополнительно включен фотоприемник для регистрации излучения светодиодов накачки, светодиоды подключены к генератору импульсов тока накачки светодиодной матрицы, синхронизированных микропроцессором, а холодильник Пельтье источника подключен к дополнительно установленному блоку термостабилизации. 2. Недисперсионный многоканальный ИК газовый анализатор по п.1, отличающийся тем, что основной фотоприемник фоторезистивного типа смонтирован на дополнительном термоэлектрическом холодильнике Пельтье, который подключен к блоку термостабилизации.