ДАТЧИК С ПОЛОСОВЫМИ ФИЛЬТРАМИ Российский патент 2013 года по МПК G01N21/35 

Изобретение относится к газовому датчику, снабженному фильтрующим устройством, за которым размещено детекторное устройство, и подключенным к указанному детекторному устройству устройством оценки, причем фильтрующее устройство содержит по меньшей мере первый фильтр, а именно проверочный фильтр, выполненный в виде полосового фильтра, пропускающего первую заданную полосу, а именно проверочную полосу, и по меньшей мере один второй фильтр, а именно по меньше мере один эталонный фильтр, выполненный в виде полосового фильтра, пропускающего по меньшей мере одну вторую заданную полосу, а именно по меньшей мере одну эталонную полосу, причем указанное детекторное устройство содержит по меньшей мере один детектор, связанный по меньшей мере с одним из фильтров. Пропускные полосы эталонных фильтров распределены выше и ниже пропускной полосы проверочного фильтра. Датчик предпочтительно применять в ИК диапазоне, в частности для измерения СО₂.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Аналогичный датчик, выполненный в виде газового датчика, известен, например из патентного документа США 5081998 А. В нем предусмотрен источник ИК излучения, воздействующий через фильтрующее устройство в целом на четыре детектора. Фильтрующее устройство содержит два фильтра с различными характеристиками пропускания. Полоса пропускания первого фильтра соответствует ИК излучению, поглощаемому CO₂, в связи с чем такой фильтр называют также фильтром СО₂. Расположенные за фильтром детекторы предназначены для измерения CO₂. Другой фильтр имеет полосу пропускания, отличающуюся от вышеупомянутой, и предназначен для задания эталонной величины. Детекторы, расположенные за эталонным фильтром, называются эталонными детекторами. Между источником ИК излучения и указанными двумя фильтрами расположен третий фильтр, называемый фильтром естественной плотности и имеющий наложение с половиной первого фильтра и половиной второго фильтра. Соответственно, один из двух детекторов CO₂ и один из эталонных детекторов получают только ИК излучение, прошедшее через фильтр естественной плотности и либо через фильтр CO₂, либо через эталонный фильтр. В устройстве оценки получают разность выходных сигналов двух детекторов СО₂ и разность двух эталонных детекторов. Затем значения разностей делят друг на друга. Такой датчик CO₂ требуется, например, для измерения СО₂ в воздухе, выдыхаемом пациентом, что улучшает возможности наблюдения за пациентом при проведении анестезии.

Недостатком таких датчиков является относительно высокая потребляемая мощность. Другой недостаток - количество используемых детекторов. Для устройства, известного из патентного документа США 5081998 А, требуется источник излучения, что в случае долговременного использования делает его непригодным для работы с батарейным питанием. Кроме того, такому источнику ИК излучения обычно требуется определенное время для нагрева, что не всегда позволяет проводить необходимые измерения без этапа предварительной подготовки.

Основной задачей, решаемой данным изобретением, является упрощение использования ИК датчика, описанного в патентном документе США 2008/0283753, в котором полоса пропускания первого фильтра находится в пределах полосы пропускания второго фильтра и устройство оценки вычисляет разность сигналов детекторов и нормализует его к сигналу детектора.

Указанная конфигурация позволяет анализировать существенно больше ИК излучения. При этом ИК излучение не разделено на два отдельных диапазона, где каждый детектор выполняет измерения только в одном диапазоне. Вместо этого один детектор измеряет ИК излучение с заданным спектральным диапазоном, содержащим также, например, спектр поглощения выявляемого газа, в данном случае СО₂. Другой детектор измеряет ИК-спектр поддиапазона, не содержащего спектр поглощения выявляемого газа. Нормализация разности к выходному сигналу детектора позволяет компенсировать колебания интенсивности ИК излучения. Кроме того, можно использовать более двух датчиков с соответственно большим количеством фильтров, соответственно с наложенными друг на друга индивидуальными диапазонами пропускания. Датчик такого типа позволяет также получать другую информацию, например, относящуюся к температуре, движению в помещении, количестве людей в помещении, или другую подобную информацию. Поскольку есть возможность измерять значительно больше излучения, это позволяет снизить энергопотребление и использовать для подачи необходимой энергии также и батарею. Это, в свою очередь, дает большую свободу выбора в отношении установки по месту и использования. Сигналы датчика можно передавать по беспроводной сети.

Полоса пропускания первого фильтра предпочтительно больше полосы пропускания второго фильтра. Соответственно, первый фильтр, в дополнение к спектральному диапазону, пропускаемому вторым фильтром, содержит спектральный диапазон, в котором происходит поглощение ИК излучения.

Оба фильтра предпочтительно имеют общую длину волны отсечки. Это упрощает анализ. Разность между выходными сигналами детекторов можно легко получить без необходимости выполнения дополнительных расчетных шагов. Длины волн отсечки - это длины волн, ограничивающие пропускные полосы, то есть задающие границы полос пропускания. Их называют "нижней длиной волны" и "верхней длиной волны".

Известно, что количество и спектральное распределение излучения зависят от температуры излучателя. Распределение излучения описывается хорошо известной формулой Планка. Кривая Планка отражает зависимость излучения от длины волны при заданной температуре излучателя. Кривая Планка имеет максимум излучения на определенной длине волны, при этом максимальное значение излучения и длина волны максимального излучения зависят от температуры.

Использование естественного источника в системах датчиков, таких как описаны, например в патентном документе США 2008/0283753, приводит к изменению энергии полос пропускания фильтров (или, другими словами, к изменению плотности интенсивности излучения) в соответствующем диапазоне длин волн.

Такая конструкция позволяет компенсировать изменения интенсивности излучения источника света, однако не имеет устойчивости, например, к изменениям температуры источника света.

Одной из задач данного изобретения является разработка технических решений, позволяющих устранить указанные недостатки известных датчиков, и создание датчика с использованием указанных решений.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В данном изобретении указанные выше недостатки устранены благодаря тому, что проверочный фильтр и указанный по меньшей мере один эталонный фильтр имеют разные длины волн отсечки, при этом отличаются и нижние и верхние длины волн. "Нижняя длина волны" является наименьшей длиной волны, на которой фильтры попускают излучение; "верхняя длина волны" является наибольшей длиной волны выше нижней длины волны, на которой фильтры перестают пропускать излучение.

Диапазоны длин волн, пропускаемых проверочным фильтром, именуются в дальнейшем "проверочная полоса", а диапазоны длин волн, пропускаемых по меньшей мере одним эталонным фильтром, именуются в дальнейшем "эталонная полоса" или "эталонные полосы".

Как уже указано, согласно изобретению нижняя проверочная длина волны отличается от нижней длины волны указанного по меньшей мере одного эталонного фильтра, при этом верхняя проверочная длина волны отличается от верхней длины волны указанного по меньшей мере одного эталонного фильтр. Преимущество состоит в том, что изменения, например спектрального распределения интенсивности входящего излучения, например в результате колебаний температуры, источника, могут быть компенсированы за счет распределения эталонной полосы или полос выше и ниже проверочной полосы. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения указанное распределение выполнено таким образом, что при изменении температуры увеличение интенсивности излучения (или плотности интенсивности или энергии) на эталонной полосе примерно равно увеличению интенсивности излучения (или плотности интенсивности или энергии) на проверочной полосе.

В одном из альтернативных или дополнительных вариантов осуществления среднее или усредненное значение плотности интенсивности излучения (или энергии) на проверочной полосе примерно равно среднему или усредненному значению плотности интенсивности излучения (или энергии) на каждой из эталонных полос

В одном из альтернативных или дополнительных вариантов осуществления плотность интенсивности излучения (или энергии) на проверочной полосе примерно равна среднему или усредненному значению плотности интенсивности излучения (или энергии) на всех комбинированных эталонных полосах (термин "полоса эталонной системы фильтров" относится к комбинированным эталонным полосам всех эталонных фильтров).

В другом альтернативном или дополнительном варианте плотность интенсивности излучения (или энергии) на проверочной полосе примерно равна среднему или усредненному значению плотности интенсивности излучения (или энергии) одной или каждой эталонной полосы.

Согласно данному изобретению, фильтры могут быть образованы последовательностью фильтрующих элементов или одиночным фильтрующим элементом, функционирующим и в качестве проверочного фильтра и в качестве по меньшей мере одного эталонного фильтра. Если два или несколько фильтров установлены в виде последовательности фильтрующих элементов, они размещены друг за другом в направлении излучения, то есть между источником или источниками излучения и детекторами.

Датчик предпочтительно работает в пределах любой длины волны излучения, при этом в качестве источника можно выбрать любой источник излучения.

Ниже описан пример датчика для определения содержания CO₂ в среде, где источником ИК излучения предпочтительно является источник света. При этом данное изобретение применимо не только для СО₂, но и для любых других веществ и любого другого источника света помимо ИК диапазона.

В другом варианте осуществления данного изобретения по меньшей мере один эталонный фильтр (далее называемый первым эталонным фильтром) имеет эталонную полосу, называемую первой эталонной полосой, с более широким диапазоном длин волн по сравнению с проверочной полосой, причем первая нижняя эталонная длина волны указанного первого эталонного фильтра находится на меньшей длине волны по сравнению с нижней проверочной длиной волны, и первая верхняя эталонная длина волны указанного первого эталонного фильтра находится на большей длине волны по сравнению с верхней проверочной длиной волны. Соответственно, имеет место наложение проверочной полосы на первую эталонную полосу.

В данном варианте центральная длина волны первой эталонной полосы (первая центральная эталонная длина волны) и центральная длина волны проверочной полосы могут быть одинаковыми или разными.

Чтобы исключить температурную зависимость, относительные изменения интенсивности в проверочной и эталонной полосах должны быть равны при изменении температуры.

При использовании возбуждаемых или естественных источников излучения имеется нелинейная зависимость относительного изменения интенсивности от длин волн в пределах соответствующих полос. Поэтому для повышения устойчивости к температурному дрейфу можно предусмотреть несогласованную центральную длину волны.

В данном примере эталонный фильтр или фильтры имеют пропускную полосу, которая предпочтительно на от 0,2 до 1 мкм больше полосы пропускания проверочного фильтра. Желательно, чтобы проверочный фильтр пропускал в основном только относительно узкий диапазон длин волн или спектральный диапазон спектра излучения, например диапазон, в котором СО₂ поглощает ИК излучение. Указанный диапазон является для этого достаточным. Опасность того, что поглощение другими газами негативно скажется на результате измерения и приведет к его искажению, остается незначительной.

Предпочтительно, чтобы полоса пропускания первого эталонного фильтра находилась в диапазоне от 4 до 4,5 мкм, а полоса пропускания проверочного фильтра находилась в диапазоне от 4,1 до 4,4 мкм. Разумеется, что указанные спектральные диапазоны могут быть изменены в зависимости от измеряемых газов или других величин.

В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения система содержит первый и второй эталонные фильтры соответственно с первой и второй эталонными полосами (вместе составляющими комбинированные эталонные полосы), причем первая и вторая эталонные полосы не наложены друг на друга, то есть не имеют общих длин волн. Это может являться преимуществом при наличии в окружающей среде других газов или других веществ помимо интересующих газа или газов, имеющих полосы поглощения, близкие к проверочной полосе, что может повлиять на измерения, поскольку трудно избежать наложения на эталонную полосу таких полос "загрязнения". Если обеспечить, что не более одной эталонной полосы испытывает влияние такой "загрязняющей" полосы поглощения, это позволит установить, что по меньшей мере другая полоса остается не затронутой.

В одной из предпочтительных модификаций данного варианта имеет место наложение по меньшей мере либо первой, либо второй эталонной полосы на проверочную полосу, то есть первая верхняя эталонная длина волны находится на большей длине волны по сравнению с нижней проверочной длиной волны и/или вторая нижняя эталонная длина волны находится на меньшей длине волны по сравнению с верхней проверочной длиной волны, но на большей длине волны по сравнению с первой верхней эталонной длиной волны, в результате чего первая и вторая эталонные полосы расположены, без наложения, по сторонам проверочной полосы.

В другой предпочтительной модификации данного варианта первая верхняя эталонная длина волны находится на меньшей длине волны по сравнению с нижней проверочной длиной волны, при этом вторая нижняя эталонная длина волны находится на большей длине волны по сравнению с верхней проверочной длиной волны, в результате чего первая и вторая эталонные полосы расположены по сторонам проверочной полосы.

В альтернативном варианте осуществления имеет место наложение между первой и второй эталонными полосами, имеющими по меньшей мере одну общую длину волны.

В особенно предпочтительной конфигурации датчик использует естественное излучение окружающей среды, такое как ИК излучение. Таким образом, нет необходимости в источнике излучения, нуждающемся в отдельном источнике питания и, соответственно, требующем подачи определенной мощности. В общем случае ИК излучение имеется везде даже при отсутствии солнечного света. В принципе, любое тело испускает определенное количество теплового излучения. Поскольку в этом случае можно обойтись без источников ИК излучения, расширяется и "диапазон измерений", то есть появляется возможность проверки помещений относительно большой площади на содержание определенного газа. Это облегчает мониторинг и установление "индивидуального микроклимата" или качества воздуха в помещении. Нет необходимости сначала подавать воздух в помещении к датчику, чтобы воздух проходил между источником ИК излучения и детекторами с расположенными перед ними фильтрами.

Достаточно расположить датчик в определенной точке помещения, в которой датчик способен фактически "исследовать" объем проверяемого воздуха. В этом случае газовый датчик может простым способом фактически измерять усредненную, концентрацию газа. То есть, датчик определяет среднее значение, которое, в частности, для индивидуального микроклимата помещения, представляет собой значительно лучший результат измерения. Разумеется, что можно также использовать указанный датчик при улучшении устройства датчиков, работающих с лампами или другими осветительными средствами. При использовании естественного ИК излучения или ИК излучения окружающей среды энергию осветительных средств можно уменьшить. Это позволит реже проводить обслуживание и увеличить срок службы.

Предпочтительно фильтры содержат CaF₂, германий или кремний. Там, где это уместно, фильтр и любые другие части детекторного устройства предпочтительно снабдить антибликовым покрытием для улучшения пропускания.

Ниже изобретение описано на примере одного из предпочтительных вариантов осуществления и со ссылками на сопроводительные чертежи.

ЧЕРТЕЖИ

Фиг.1 - схематичное изображение, поясняющее принцип работы данного изобретения.

Фиг.2А-Е - схематичное изображение полос пропускания двух или трех фильтров.

Фиг.3 - схематичное изображение кривой Планка и полосы с непостоянной интенсивностью излучения.

Фиг.4 - схематичное изображение количества энергии, измеряемого детекторами.

Фиг.5A-D - блок-схемы, поясняющие различные варианты осуществления структуры газового датчика.

Фиг.6А-В - температурные соотношения, относящиеся к конструктивным параметрам заявляемого датчика.

Фиг.1 представляет собой схематичное изображение газового датчика (1) для определения, например содержания CO₂ (содержания углекислого газа) в области (3) проведения измерений, при этом указанный датчик (1) содержит детекторную часть (2). Область проведения измерений может представлять собой, например, помещение или часть помещения, где требуется управление индивидуальным микроклиматом. Символ (4) в виде солнца означает источник излучения, например естественный источник ИК излучения, пассивные источники или любой из имеющихся активных источников (солнечный свет, лазер, светодиоды, управляемые тепловые источники или другой источник). Символ (4) в виде солнца использован исключительно для упрощения чтения чертежа. Газовый датчик (1) работает и при отсутствии солнечного света, поскольку в принципе по существу любое тело излучает тепло и является, таким образом, источником ИК излучения.

В данном примере в области (2) проведения измерений присутствует большое количество молекул CO₂, представленных на чертеже в виде небольших кружков. Как показано стрелками (5), молекулы (4) газа поглощают ИК излучение определенного спектрального диапазона. Чем выше концентрация CO₂, тем меньшую энергию в конкретном спектральном диапазоне может измерить газовый датчик (1).

Фиг.5А представляет собой схематичное изображение блок-схемы, поясняющей структуру простой детекторной части (2) газового датчика (1). Детекторная часть (2) содержит фильтрующее устройство (6), детекторное устройство (7) и устройство (8) оценки. Другие компоненты, например корпус, крепежные средства и прочие аналогичные компоненты, на чертеже не показаны.

Изображенное фильтрующее устройство содержит первый эталонный фильтр (10) и проверочный фильтр (9), причем указанные два фильтра (9) и (10) имеют различные пропускные характеристики - один из вариантов представлен на фиг.2А. Первый эталонный фильтр (10) пропускает волны с длиной в пределах первой эталонной полосы ЭП1, при этом проверочный фильтр (10) пропускает волны с длиной в пределах проверочной полосы ПП. В варианте с фиг.2В первая эталонная полоса ЭП1 шире проверочной полосы ПП, при этом имеет место наложение проверочной полосы ПП на первую эталонную полосу ЭП1 таким образом, что первая эталонная полоса ЭП1 содержит те же длины волн, что и проверочная полоса ПП. Соответственно, первая нижняя эталонная длина волны НЭДВ1 находится на меньшей длине волны по сравнению с нижней проверочной длиной волны НПДВ, при этом первая верхняя эталонная длина волны ВЭДВ1 находится на большей длине волны по сравнению с верхней проверочной длиной волны ВПДВ. Первая эталонная полоса ЭП1 содержит первую центральную эталонную длину волны ЦЭДВ1, при этом проверочная полоса содержит центральную проверочную длину волны ЦПДВ. Как показано на чертеже, две указанные полосы имеют общую центральную длину волны ЦЭДВ1 и ЦПДВ.

На фиг.2В представлен вариант, схожий с вариантом с фиг.2А, но с различными центральными длинами волн ЦЭДВ и ЦЭДВ1. Чтобы исключить температурную зависимость, относительное изменение интенсивности в проверочной и эталонной полосах должно быть равным при изменении температуры. При использовании возбуждаемых или естественных источников излучения имеется нелинейная зависимость относительного изменения интенсивности от длин волн в пределах соответствующих полос. Поэтому, для повышения устойчивости к температурному дрейфу, можно предусмотреть несогласованную центральную длину волны.

Фиг.3 иллюстрирует ситуацию с источником излучения, имеющим спектральное распределение в виде обычной кривой Планка с максимумом излучения на длине волны λ_max и постоянным уменьшением излучения по мере увеличения длины волны выше λ_max. Соответственно, при использовании полосы Δλ между двумя длинами волн λ1 и λ2 излучение R1 на нижней длине волны λ1 будет больше излучения R2 на верхней длине волны λ2.

Таким образом, для обеспечения одинаковых средних (или усредненных) значений излучения предусмотрены несогласованные центральные длины волн, дающие различные диапазоны длин волн эталонной полосы или полос соответственно ниже и выше проверочной полосы с тем, чтобы указанные различные диапазоны компенсировали изменение интенсивности излучения.

На фиг.2С показан другой вариант, в котором в системе предусмотрен второй эталонный фильтр со второй эталонной полосой ЭП2, расположенной между второй нижней эталонной длиной волны НЭДВ2 и второй верхней эталонной длиной волны ВЭДВ2. При этом в показанном варианте имеет место лишь частичное наложение проверочной полосы ПП на первую и вторую эталонные полосы ЭП1 и ЭП2, так что нижняя проверочная длина волны НПДВ находится между первой нижней эталонной длиной волны НЭДВ1 и первой верхней эталонной длиной волны ВЭДВ1. Верхняя проверочная длина волны ВПДВ находится между второй нижней эталонной длиной волны НЭДВ2 и второй верхней эталонной длиной волны ВЭДВ2. В показанном варианте первая верхняя эталонная длина волны ВЭДВ1 больше второй нижней эталонной длины волны НЭДВ2, однако в других вариантах первая и вторая эталонные полосы ЭП1 и ЭП2 могут и не пересекаться, то есть первая верхняя эталонная длина волны ВЭДВ1 будет меньше или равна второй нижней эталонной длине волны НЭДВ2.

На фиг.2D показан альтернативный вариант с двумя эталонными фильтрами (10) и (20), в котором ни одна из эталонных полос ЭП1 и ЭП2 не имеет по меньшей мере существенного наложения с проверочной полосой ПП, и эталонные полосы ЭП1 и ЭП2 находятся с двух сторон от проверочной полосы ПП в том смысле, что первая верхняя эталонная длина волны ВЭДВ1 не больше нижней проверочной длины волны НПДВ и факультативно может иметь то же значение, а вторая нижняя эталонная длина волны НЭДВ2 не меньше верхней проверочной длины волны ВПДВ и факультативно может иметь то же значение. Как показано на чертеже, две эталонные полосы ЭП1 и ЭП2 имеют по существу одинаковый спектральный диапазон пропускания, при этом на фиг.2Е показано, что возможен и другой вариант, в котором две эталонные полосы ЭП1 и ЭП2 могут иметь значительно отличающиеся спектральные диапазоны пропускания.

Взаимное расположение и размеры полос зависят от ряда факторов, таких как допуски краев фильтров, ширина проверочной полосы пропускания, распределение линий поглощения проверочной полосы, а также любых других газов, потенциально приводящих к перекрестной чувствительности.

В примере, когда датчик (1) используют в качестве датчика CO₂, CO₂ поглощает ИК излучение в спектральном диапазоне A (CO₂), занимающем область примерно от 4,2 до 4,3 мкм. Соответственно предпочтительно, чтобы проверочная полоса ПП имела нижнюю проверочную длину волны НПДВ около 4,0 мкм и верхнюю проверочную длину волны ВПДВ около 4,5 мкм, или даже, чтобы проверочная полоса имела более узкий диапазон от 4,1 до 4,4 мкм, или была выбрана любая другая полоса, покрывающая спектральный диапазон CO₂. В этом случае предпочтительно, чтобы эталонные начальные и верхние длины волн имели значения примерно на 0,5 мкм выше или ниже значений соответственно нижней проверочной длины волны НПДВ и верхней проверочной длины волны ВПДВ.

На фиг.4 показана первая эталонная полоса ЭП1 и проверочная полоса ПП первого варианта осуществления изобретения с фиг.1, причем энергия проверочной полосы, не имеющая уменьшения, обозначена буквой А. Указанная энергия уменьшается на величину С, поглощенную, например, CO₂. Каждая из двух областей первой эталонной полосы ЭП1, находящихся по обеим сторонам проверочной полосы, имеет энергию, обозначенную буквами В. Указанная энергия по существу постоянна, поскольку на нее не оказывает влияния, например СО₂.

Термоэлектрический датчик можно приобрести, например, у компании PerkinElmer Optoelectronics GmbH, D-65199 Висбаден, Германия.

На фиг.5А показан один упрощенный вариант конструкции фильтрующего устройства (6), в котором проверочный фильтр (9) содержит два фильтрующих элемента (11) и (12), причем первый проверочный фильтрующий элемент (11) ограничивает верхнюю проверочную длину волны ВПДВ и имеет нижнюю длину волны, которая меньше нижней проверочной длины волны НПДВ. Второй проверочный фильтрующий элемент (12) ограничивает нижнюю проверочную длину волны НПДВ и имеет верхнюю длину волны, которая существенно больше верхней проверочной длины волны ВПДВ. Аналогичным образом первый эталонный фильтр (10) содержит два фильтрующих элемента (13) и (14), ограничивающих соответственно первую верхнюю эталонную длину волны ВЭДВ1 и первую нижнюю эталонную длину волны НЭДВ1. В зависимости от количества фильтров типа (9) и (10) в системе, в фильтрующем устройстве (6) можно предусмотреть любое количество фильтрующих элементов (11), (12), (13) и (14) указанной конструкции. Некоторые фильтрующие элементы в данном и в любом другом варианте осуществления изобретения могут быть общими по меньшей мере для двух фильтров, имеющих одинаковые конечную и/или нижнюю длину волны, пример чего показан на фиг.5В, где два "верхних" фильтрующих элемента (11) и (13) представляют собой один общий фильтрующий элемент.

На фиг.5С показан аналогичный датчик с дополнительным эталонным фильтром, вторым эталонным фильтром (20), причем в каждом фильтре имеется одиночный фильтрующий элемент (21, 22, 23) с заданной характеристикой полосы пропускания как для верхней, так и для нижней длин волн, соответственно проверочный фильтр (21) ограничивает нижнюю проверочную длину волны НПДВ и верхнюю проверочную длину волны ВПДВ. Первый эталонный фильтр (22) ограничивает первую верхнюю эталонную длину волны ВЭДВ1 и первую нижнюю эталонную длину волны НЭДВ1, при этом второй эталонный фильтр (23) ограничивает вторую верхнюю эталонную длину волны ВЭДВ2 и вторую нижнюю эталонную длину волны НЭДВ2. В проиллюстрированном варианте осуществления указанные два фильтрующих устройства (22, 23) соединены с одним и тем же детектором (16), чего на самом деле могло бы не быть, если математически складывать их сигналы после получения, например двумя отдельными Термоэлементами.

На фиг.5D показан вариант осуществления изобретения, схожий с вариантом с фиг.5С, с той лишь разницей, что ко второму эталонному фильтру (20) подключен третий детектор (24).

Следует отметить, что данным изобретением предусмотрены любые сочетания, перестановки, количества и варианты расположения фильтрующих элементов (11, 12, 13, 14), как, например, показано на фиг.5А-D.

В общем случае датчик можно использовать также для проведения измерений в отношении более чем одного газа, для чего, известным специалистам образом, требуется просто обеспечить необходимое количество датчиков, детекторов или аналогичных устройств.

Затем разные энергии измеряют посредством детекторного устройства (7). Детекторное устройство (7) содержит первый детектор (15), замеряющий например ИК излучение, проходящее через проверочный фильтр (9), и второй детектор (16), замеряющий,, например ИК излучение, проходящее через первый эталонный фильтр (10). Оба детектора (15) и (16) могут представлять собой термоэлектрические элементы, называемые также "термоэлементами", пироэлектрические ИК детекторы или любые другие виды известных детекторов. В зависимости от, например, действующего ИК излучения, каждый детектор вырабатывает напряжение или ток, то есть электрический параметр, величина которого тем больше, чем сильнее падающее ИК излучение. Первый детектор (15) вырабатывает сигнал S1, а второй детектор (16) вырабатывает, соответственно, сигнал S2.

Поскольку в термоэлектрическом датчике обычно происходит измерение температуры (поскольку выходной сигнал меняется в зависимости от температуры), этим уже обеспечено измерение температуры вокруг указанного датчика. Так как можно предусмотреть измерение посредством указанного датчика и температуры излучения в помещении, то на основе одновременного проведения указанных двух измерений можно сразу получить рабочую температуру, используемую затем для контроля температуры в помещении или в других целях.

Использование ИК излучения позволяет также осуществлять контроль за движением в помещении непосредственно с помощью датчика, который в этом случае можно использовать, например, для управления системой вентиляции, активируемой, например, только в случае обнаружения движения, то есть нахождения кого-либо в помещении. Кроме того, на основе различных измерений движения можно подсчитать количество людей в комнате - данный подсчет применим и в целях управления, предусматривающих, что температура в помещении или вентиляция управляются/изменяются в зависимости от количества людей в помещении.

Основной заявляемый датчик, например с фиг.5А, работает по двум сигналам S1, S2, поступающим в устройство (8) оценки. Соответственно, это дает:

$$S1=a\left(I_{{}_{C{O}_{2}n}}^{}\right)$$

S2=а(I_этn),

где $$I_{C{O}_2}$$ представляет собой электрический параметр, например силу тока или напряжение, содержащий информацию, относящуюся к поглощению ИК излучения, а I_эт является эталонной величиной при отсутствии поглощения ИК излучения. При получении разности между S1 и S2 ("рабочий эталон", представляющий собой часть эталонной полосы, не содержащую проверочный диапазон), для чего предусмотрен изображенный схематически формирователь (17) разности, полученное значение разности соответствует:

$$S1-S2=a\left(I_{C{O}_2}-I_{эт}\right)$$

Указанную разность S1-S2 нормализуют к выходному сигналу S1 первого детектора (15) с получением сигнала S3.

$$S3=\frac{S1}{рабочийЭталон=\left(S2-S1\right)}=\frac{a\left(I_{C{O}_2}\right)}{a\left(I_{эт}\right)}$$ ,

Заявляемый датчик можно использовать для проведения измерений в отношений любых видов газов, таких как, например азот, оксиды азота, кислород или СО, причем помимо измерения газов, заявляемый датчик можно использовать и для измерения проверяемого вещества в других формах, таких как жидкость и твердое тело. При изменении проверяемого вещества с CO₂ на другое, следует соответствующим образом сместить полосу, например для H₂O полоса поглощения составляет около 2,7 мкм.

Дополнительно заявляемый датчик может содержать любые другие подходящие оптические компоненты, например сапфировое окно, действующее как дополнительный полосовой фильтр, отражатели, собирающее устройство, то есть устройство, собирающее и фокусирующее, например ИК излучение, например коллиматор, размещенный перед датчиком, а также другие аналогичные компоненты.

Кроме того, датчик такого типа можно использовать непосредственно для мониторинга отработанных газов. Для этой цели датчик устанавливают в дымоходе или выхлопной трубе. В частности, при использовании в отопительных системах с помощью выходных сигналов датчика (или множества датчиков) можно управлять процессом горения.

Изобретение не ограничивается вышеприведенным описанием и чертежами, и любые изменения в вышеприведенном описании и чертежах, в том числе относящиеся к количеству и сочетаниям фильтров, таких как проверочные фильтры (9) и эталонные фильтры (10, 20), фильтрующих элементов (21, 22, 23), детекторов (15, 16, 24) или других элементов также следует относить к данному изобретению.

При этом изобретение не ограничивается измерением параметров газов, и датчик можно применять для измерения параметров вообще веществ как части среды, где сама по себе среда не ограничивается газом и может представлять собой, например жидкость.

Один из важных аспектов настоящего изобретения связан, в частности, с изменяемыми температурными режимами работы (в частности, с температурой источника (3) света, а также газосодержащей внешней среды), которые можно менять, например по прошествии времени, просто для соответствия различным требованиям заказчика к одному и тому же продукту. Предполагается, что источник света имеет стандартную температуру Т0, однако это может измениться при изменении температуры окружающей среды и/или изменении питания, подаваемого к источнику (3) света.

Искусственный источник света будет иметь стандартную температуру Т0 источника, поскольку в общем случае при его питании будет потребляться определенная мощность, являющаяся основным фактором, влияющим на рабочую температуру. Такую определенную потребляемую мощность можно затем использовать для задания стандартной температуры Т0 источника. Фактическая рабочая температура при этом может меняться, например в связи с изменениями подаваемой энергии, вследствие старения источника света или по другой причине.

Технический замысел состоит в сдвиге (факультативно системном) центральной эталонной длины волны ЦЭДВ относительно центральной проверочной длины волны ЦПДВ, так чтобы температурная производная S3(T) по меньшей мере приближалась к минимуму около стандартной температуры Т0 источника, то есть dS3(T)/dT по меньшей мере приблизительно была минимизирована около Т0,

где d - дифференциал,

S3 - разность между сигналами S1 и S2;

Т - температура;

Т0 - стандартная температура источника.

Фиг.6А и 6В иллюстрируют ситуацию, когда R(T) представляет собой излучение, испускаемое при температуре Т для обеспечения максимальной устойчивости системы к изменениям температуры и возникающим в результате изменениям в распределении испускаемого излучения.

На фиг.6А показаны кривые испускаемого излучения при двух различных температурах Т1 и Т2. На фиг.6В показана связь двух кривых R(T1) и R(T2) в диапазоне волн, ограниченном нижней длиной волны НЭДВ эталонной системы и верхней длиной волны ВЭДВ эталонной системы.

Такой стабильности можно добиться путем сдвига центральной эталонной длины волны ЦЭДВ относительно центральной проверочной длины волны ЦПДВ. Указанный сдвиг можно получить за счет минимизации dS3(T)/dT около Т0.

Улучшение стабильности особенно важно при более низких температурах источника, например для пассивных источников при комнатной температуре или температуре дымохода (200-300 градусов Цельсия). Это объясняется тем, что чем ниже температура источника, тем выше чувствительность к изменениям температур источника. Аналогичным образом измерения газа в диапазоне малых длин волн (<3 микрометров) в большей степени зависят от изменений температуры источника по сравнению с измерениями в диапазонах более длинных волн. При этом, хотя потенциальные улучшения и будут более значительными для диапазона малых длин волн, тем не менее можно добиться улучшений для всех диапазонов температур источника и длин волн.

Изобретение относится к газовым датчикам, в частности для измерения СО в ИК диапазоне. Датчик снабжен фильтрующим устройством, за которым размещено детекторное устройство, к которому подключено устройство оценки. Фильтрующее устройство содержит по меньшей мере первый фильтр, а именно проверочный фильтр, выполненный в виде полосового фильтра, пропускающего первую заданную полосу, а именно проверочную полосу, и по меньшей мере один второй фильтр, а именно по меньшей мере один эталонный фильтр, выполненный в виде полосового фильтра, пропускающего по меньшей мере одну вторую заданную полосу, а именно по меньшей мере одну эталонную полосу (ЭП1 и ЭП2), причем указанное детекторное устройство содержит по меньшей мере один детектор, связанный по меньшей мере с одним из фильтров. Полосы пропускания эталонных фильтров распределены выше и ниже полосы пропускания проверочного фильтра. Изобретение обеспечивает упрощение использования датчика. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Газовый датчик с полосовыми фильтрами, содержащий источник света, детекторное устройство, устройство оценки и фильтрующее устройство, содержащее группу фильтров, причем:
источник света имеет стандартную температуру ТО источника;
детекторное устройство содержит по меньшей мере первый детектор и второй детектор, причем каждый из детекторов детекторного устройства связан с одним из фильтров фильтрующего устройства;
устройство оценки подключено к детекторному устройству с возможностью получения первого выходного сигнала S1 от первого детектора и второго выходного сигнала S2 от второго детектора;
фильтрующее устройство установлено между источником света и детекторным устройством и содержит по меньшей мере один проверочный фильтр, пропускающий излучение с длинами волн в пределах проверочной полосы, имеющей центральную проверочную длину волны, и эталонную систему фильтров, содержащую по меньшей мере один эталонный фильтр, причем каждый эталонный фильтр пропускает излучение с длинами волн по меньшей мере в пределах эталонной полосы, имеющей центральную эталонную длину волны, причем комбинация эталонных полос всех эталонных фильтров образует полосу эталонной системы фильтров, причем полоса эталонной системы распределена по обеим сторонам проверочной полосы,
отличающийся тем, что разность сигналов S1-S2 нормализована к выходному сигналу S1 первого детектора с получением сигнала S3, то есть S3=S1/(S2-S1), при этом по меньшей мере одна центральная эталонная длина волны смещена относительно центральной проверочной длины волны с обеспечением минимизации dS3(T)/dT около Т0,
где d - дифференциал;
S3 - разность между сигналами S1 и S2;
Т - температура;
Т0 - стандартная температура источника.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в нем обеспечено по меньшей мере частичное наложение проверочной полосы на полосы эталонной системы.

3. Датчик по п.2, отличающийся тем, что эталонная система содержит одиночный фильтр, а именно первый эталонный фильтр, имеющий первую эталонную полосу.

4. Датчик по п.3, отличающийся тем, что проверочная полоса и первая эталонная полоса имеют разную центральную длину волны.

5. Датчик по любому из пп.3-4, отличающийся тем, что все длины волн проверочной полосы присутствуют также и в первой эталонной полосе.

6. Датчик по п.1, отличающийся тем, что эталонная система содержит первый эталонный фильтр и второй эталонный фильтр, причем указанные два фильтра имеют соответственно первую эталонную полосу и вторую эталонную полосу.

7. Датчик по п.6, отличающийся тем, что проверочная полоса и первая эталонная полоса имеют общую центральную длину волны.

8. Датчик по п.6, отличающийся тем, что в нем обеспечено по меньшей мере частичное наложение проверочной полосы и на первую эталонную полосу и на вторую эталонную полосу.

9. Датчик по п.6, отличающийся тем, что проверочная полоса, первая эталонная полоса и вторая эталонная полоса не содержат общих длин волн.

10. Датчик по любому из пп.6-9, отличающийся тем, что усредненная или средняя плотность интенсивности первой эталонной полосы равна усредненной или средней плотности интенсивности второй эталонной полосы.

11. Датчик по п.10, отличающийся тем, что усредненная или средняя плотность интенсивности проверочной полосы равна усредненной или средней плотности интенсивности первой и второй эталонных полос.

12. Датчик по любому из пп.1-4, 6-9 и 11, отличающийся тем, что выполнен с возможностью содержания любого количества проверочных фильтров для проведения измерений в отношении любого количества различных газов.

13. Газовая датчиковая система с полосовыми фильтрами, содержащая:
источник света, имеющий стандартную температуру Т0 источника;
фильтрующее устройство, за которым размещено детекторное устройство, причем к указанному детекторному устройству подключено устройство оценки, при этом фильтрующее устройство содержит проверочный фильтр, пропускающий излучение с длинами волн в пределах проверочной полосы, имеющей центральную проверочную длину волны, и эталонную систему фильтров, содержащую по меньшей мере один эталонный фильтр, причем каждый эталонный фильтр пропускает излучение с длинами волн по меньшей мере в пределах эталонной полосы, имеющей центральную эталонную длину волны, причем полоса эталонной системы фильтров представляет собой комбинированную полосу всех эталонных фильтров;
причем указанное детекторное устройство содержит по меньшей мере два детектора, каждый из которых связан с фильтром, отличающаяся тем, что полоса эталонной системы распределена по обеим сторонам проверочной полосы и dS3(T)/dT по меньшей мере, по существу, образует минимум около ТО,
где d - дифференциал;
S1 - сигнал первого детектора;
S2 - сигнал второго детектора;
S3 - разность между сигналами S1 и S2;
Т - температура;
Т0 - стандартная температура источника.

14. Система по п.13, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна центральная эталонная длина волны имеет сдвиг по отношению к центральной проверочной длине волны таким образом, что dS3(T)/dT по меньшей мере, по существу, образует минимум около Т0.