Многоканальный инфракрасный газоанализатор с юстировкой положения диодных излучателей и приемников Российский патент 2025 года по МПК G01N21/3504 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к измерительной технике и касается газоанализатора для климатических приложений, т.е. для измерения текущей концентрации оптически активных парниковых газов в атмосфере.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен многокомпонентный инфракрасный газоанализатор (RU-222304U1, МПК G01N 21/3502 (2014.01) СПК G01N 21/3504 (2023.02)), многокомпонентность которого достигается с помощью использования широкополосного источника излучения и барабана инфракрасных фильтров, каждый из которых рассчитан для пропускания спектра в полосе поглощения одного из анализируемых газов. Недостатком данного газоанализатора являются наличие механических компонент (модулятор светового потока и барабан с ИК фильтрами) и связанную с поочередным измерением неодновременность измерения разных компонент.

Известен многокомпонентный недисперсионный инфракрасный газоанализатор (US05/479,859 1974-06-17 [1974US-05479859] IPC G01N-021/35 G01N-021/61 CPC G01N-021/35/18), в котором двухкомпонентность (в заявке описано также какие модификации следует произвести, чтобы увеличить число компонент) достигается применением, во-первых, двух газовых фильтров обеспечивающих фильтрацию спектральной полосы каждого из анализируемых газов в спектре сплошного источника (лампа накаливания), размещенными во вращающемся барабане, во-вторых, применением множественных оптических путей через оптическую кювету заполненную анализируемым газом с проецированием изображения источника света на различные фотодетекторы, использованием интерференционных фильтров и дихроичных зеркал. Расширенный диапазон концентрации анализируемых газов обеспечивается конструкцией кюветы, имеющей два пути различной длины для прохождения пучков света. Недостатком данного газоанализатора является его сложность и многокомпонентность оптической схемы, требующей достаточно сложной юстировки. Так, для двухкопонентной версии газоанализатора требуется 7 вогнутых фокусирующих зеркал, 4 плоских отклоняющих зеркала, одно дихроичное зеркало и 2 полосовых фильтра.

Наиболее близким решением, выбранным в качестве прототипа, является инфракрасный абсорбционный газоанализатор «СГОЭС» (RU-115070U1, МПК G01N 21/00 (2006.01)), содержащий отсек заполненный анализируемой газовой средой, с одной стороны которого расположены передатчик и приемник оптического излучения, а с другой стороны зеркало, т.е. единственным оптическим компонентом является зеркало, оптическая ось которого совпадает с осью отсека, заполненного газом. Недостатком данного газоанализатора является его однокомпонентность, что в свою очередь не позволяет осуществлять одновременные измерения нескольких малых газовых составляющих анализируемого газа, что важно в климатических приложениях поскольку необходимо измерять содержание парниковых газов в пересчете на сухой воздух из-за высокой концентрации и вариабельности содержания водяного пара, а для этого при измерении парниковых газов (таких как например CO2, СН4, СО) необходимо одновременное измерение содержание водяного пара, т.е. минимальное количество измеряемых компонент должно быть равно двум, при условии, что одновременно осуществляется измерение температуры и давления воздуха. Для достижения более высокой точности желательно иметь третий канал в полосе поглощения кислорода, чтобы одновременно оценивать общую концентрацию воздуха.

Объектом данного изобретения является недисперсионный инфракрасный газоанализатор, наиболее близкий по конструкции к газоанализатору СГОЭС (RU- 115070U1), сочетающий простоту конструкции и многокомпонентность, он имеет в своем составе единственный оптический компонент (сферическое зеркало) в составе двух-проходной оптической кюветы. Газоанализатор может быть выполнен как в открытом исполнении, так и содержать в своем составе закрытую газовую кювету с входным и выходным патрубками для прокачивания анализируемого газа, в том числе очищенного от частиц с помощью аэрозольного фильтра, в этом случае необходимо использование окна, прозрачного для инфракрасного излучения (например из стекла на основе материала ZnSe с многослойным диэлектрическим просветлением). Закрытый вариант предназначен для длительного применения в условиях аэрозольного загрязнения воздуха, выпадения интенсивных осадков, сочетающихся с ветром. В закрытом варианте осуществляется принудительная продувка анализируемого газа с его предварительной очисткой аэрозольным фильтром.

Предлагаемый инфракрасный абсорбционный газоанализатор в открытом варианте содержит электронный блок, по меньше мере, две пары передатчик - приемник оптического излучения и сферическое зеркало. При этом излучающие и приемные поверхности кристаллов каждой пары передатчик-приемник расположены на окружности в плоскости предметов/изображений зеркала, находящейся на расстоянии равном удвоенному фокусному расстоянию зеркала, спектральная полоса поглощения каждой пары передатчик-приемник обеспечивается выбором с вето излучающих диодов и фотодиодов, таким образом, чтобы их спектральная характеристика (спектр излучения передатчика и чувствительности фотоприемника) попадала в полосу поглощения определяемого газа и не перекрывалась с полосами поглощения других газов, каждый передатчик и приемник закреплены в индивидуальном держателе, который одновременно служит котировочным устройством для точного совмещения изображения излучающей области светодиода на поверхности светочувствительной области фотодиода, поскольку имеет для этого необходимые степени свободы и фиксируется прижимным винтом.

В открытом варианте газоанализатора пластина с зеркалом крепится к пластине с фото- и светодиодами по меньшей мере тремя резьбовыми шпильками, которые позволяют осуществлять подгонку расстояния и грубую юстировку параллельности пластин.

Изображение излучающей области светодиода зеркалом проецируется на чувствительную область соответствующего фотодиода, подстройка осуществляется котировочным механизмом, число каналов предполагается не меньше трех, поскольку для точного измерения одного поглощающего газа в атмосфере необходимо одновременно измерять концентрацию водяного пара и иметь опорный канал в полосе поглощения кислорода.

Предлагаемый инфракрасный абсорбционный газоанализатор в закрытом варианте содержит корпус, электронный блок, заполняемый воздухом отсек, с одной стороны которого расположены передатчики и приемники оптического излучения, а с другой стороны - сферическое зеркало. Газоанализатор содержит по меньшей мере две пары передатчиков и приемников, при этом излучающие и приемные поверхности кристаллов каждой пары передатчик-приемник расположены на окружности в плоскости предметов/изображений зеркала, находящейся на расстоянии равном удвоенному фокусному расстоянию зеркала, спектральная полоса поглощения каждой пары передатчик-приемник обеспечивается выбором светоизлучающих диодов и фотодиодов, таким образом, чтобы их спектральная характеристика (спектр излучения передатчика и чувствительности фотоприемника) попадала в полосу поглощения определяемого газа и не перекрывалась с полосами поглощения других газов, каждый передатчик и приемник закреплены в индивидуальном держателе, который одновременно служит котировочным устройством для точного совмещения изображения излучающей области светодиода на поверхности светочувствительной области фотодиода, поскольку имеет для этого необходимые степени свободы и фиксируется прижимным винтом.

Изображение излучающей области светодиода зеркалом проецируется на чувствительную область соответствующего фотодиода, подстройка осуществляется котировочным механизмом, число каналов предполагается не меньше трех, поскольку для точного измерения одного поглощающего газа в атмосфере необходимо одновременно измерять концентрацию водяного пара и иметь опорный канал в полосе поглощения кислорода.

В закрытом варианте пластины, на которых размещены сферическое зеркало, с одной стороны и приемники и передатчики, с другой стороны являются торцевыми стенками герметичного отсека для прокачки анализируемым газов, при этом фото- и светодиоды отделены от отсека с анализируемым газом окном, прозрачным для ИК излучения (например ZnSe) и имеющим многослойное просветляющее покрытие.

Технический результат изобретения заключается в том, что достигается одновременное измерение нескольких поглощающих (парниковых) газов в воздухе, включая водяной пар, что необходимо в климатических приложениях, поскольку обычно используются относительные концентрации для сухого воздуха, а для того, чтобы осуществить пересчет к сухому воздуху необходимо одновременно измерять и содержание водяного пара. С помощью данной конструкции газоанализатора можно измерять «сухие» содержания таких газов как углекислый газ (СО₂), метан (CH₄), угарный газ (СО), окислы азота.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Сущность заявляемого изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 приведена схема одного из вариантов газоанализатора.

Пример реализации основной части устройства газоанализатора для случая открытой конструкции, предназначенной для анализа окружающего воздуха показан на фиг. 2.

На фиг. 3 показан возможный законченный вид открытой версии газоанализатора.

На фиг. 4 схематически показана реализация закрытой версии газоанализатора, к котором имеется герметичный отсек для продувки анализируемого газа, например насосом.

На фиг. 5 показан общий вид двухканального газоанализатора, видно сферическое зеркало (F=100 мм), и платы датчиков температуры и давления.

На фиг. 6 приведен вид на двухканальный газоанализатор в сторону свето- и фотодиодов.

На фиг. 7 показано расположение свето- и фотодиодов на пластине-держателе.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Схема расположения пластин с зеркалом с одной стороны, и с приемниками и передатчиками света приведена на фиг.1 Две параллельных пластины 1 и 2, размещенных на расстоянии, примерно равном удвоенному фокусному расстоянию используемого сферического зеркала служат для закрепления зеркала 3 и для размещения фотодиодов 4 (приемников излучения) и светодиодов 5 (передатчиков излучения). Пример на фиг. 1 предполагает установку 3-х пар светодиод-фотодиод. Каждой анализируемой примеси соответствует своя пара светодиод-фотодиод, имеющая спектральный диапазон, соответствующий полосе поглощения анализируемого газа, и размещенная на противоположных сторонах окружности в плоскости перпендикулярной оптической оси сферического зеркала, образованной чувствительными и излучающими областями фото- и светодиодов соответственно. Оптическая схема организована таким образом, что плоскость изображений и плоскость предметов совпадают, что достигается размещением рабочих поверхностей кристаллов приемников и передатчиков света в плоскости удаленной от центра сферического зеркала на удвоенное фокусное расстояние этого зеркала. Таким образом, кроме спектральной селекции для отстройки от помех (сигналов, связанных с другими анализируемыми газами), осуществляется также и пространственная селекция пучков света. Для совмещения изображения светящейся области светодиода на поверхности чувствительной области соответствующего фотодиода используется простое юстировочное устройство и одновременно держатель фото- или светодиода 6, которое можно двигать вдоль поверхности пластины 2 и поворачивать вокруг фиксирующего винта 7 до получения максимального сигнала, после чего следует надежно зафиксировать винтом 7. Также имеется возможность двигать приемники и излучатели света вдоль оптической оси для точно фокусировки. На Фиг. 1 показаны только светодиод и фотодиод для одного из трех каналов вместе с пучком света 8, формируемым зеркалом 3.

Пример закрепления пластин с зеркалом с одной стороны, и с приемниками и передатчиками света реализации основной части устройства газоанализатора для случая открытой конструкции, предназначенной для анализа окружающего воздуха показан на фиг. 2. Число каналов предполагается не меньше трех, поскольку для точного измерения одного поглощающего газа в атмосфере необходимо одновременно измерять концентрацию водяного пара и иметь опорный канал в полосе поглощения кислорода для оценки общей концентрации воздуха. Также рабочий объем должен быть снабжен точными датчиками давления и температуры. Взаимное расположение пластин с зеркалом с одной стороны, и с приемниками и передатчиками света с другой стороны фиксируется параллельными резьбовыми шпильками 9 и шестью гайками 10 через три пары соответствующих отверстий в пластинах-держателях зеркала и фото- и светодиодов. Фиксация пластин-держателей на резьбовых шпильках позволяет осуществить грубую юстировку взаимного расположения зеркала и плоскости рабочих поверхностей свето- и фотодиодов.

На фиг. 3 показана схема общего вида открытой версии газоанализатора. Кожух 11 используется для защиты фото- и светодиодов и для размещения электронного блока, предполагается наличие одного или двух разъемов на этом кожухе для передачи напряжения питания для электронного блока и для обмена данными. Кожух 12 служит для закрытия механизма крепления зеркала, шпилек и гаек.

На фиг. 4 схематически показана реализация закрытой версии газоанализатора, к котором имеется герметичный отсек для продувки анализируемого газа, например насосом. На фиг. 4 корпус герметичного отсека для анализируемого газа 13 показан полупрозрачным, имеются патрубки для подачи и откачки анализируемого газа 14, герметизацию отсека также обеспечивает окно 15, отделяющее отсек для анализируемого газа от фото- и светодиодов, которое для данного анализатора должно быть выполнено из материала прозрачного для ближнего ПК диапазона (например, материал ZnSe) и для снижения коэффициента отражения иметь многослойной просветляющее покрытие, которое, обеспечивает меньшие потери на отражение света от окна, что в свою очередь способствует повышению чувствительности прибора вследствие увеличения соотношения сигнал/шум.

Для проверки работоспособности предлагаемого газоанализаторы был изготовлена открытая версия двухканального газоанализатора, одновременно измеряющего содержание углекислого газа и водяного пара. Использовано две пары светодиод-фотодиод, имеющие необходимые спектральные характеристики. В данном экземпляре отсутствовал третий канал для полосы кислорода, вместо этого в области измерения концентрации с помощью электронных датчиков осуществлялось измерение давления и температуры. Газоанализатор продемонстрировал линейный отклик в диапазоне концентраций 300-1000 ppm СО₂ и 2000-10000 ppm Н₂О. Для калибровки данный газоанализатор целиком помещался в герметичную камеру, продуваемую калибровочными газовыми смесями. На фиг. 5-7 показаны разные ракурсы оптической части газоанализатора. Электронная часть содержала драйверы светодиодов, синхронные детекторы и плату управления на основе контроллера семейства STM32. Таким образом, в предварительном эксперименте одновременные измерения концентрации двух газов были успешно проведены с точностью не хуже 5% от концентрации измеряемого газа.

Изобретение относится к измерительной технике. Согласно изобретению предложены инфракрасные газоанализаторы на основе открытой или закрытой оптической кюветы. Инфракрасный абсорбционный газоанализатор в открытом варианте содержит электронный блок, по меньше мере две пары передатчик-приемник оптического излучения и сферическое зеркало. При этом излучающие и приемные поверхности кристаллов каждой пары передатчик-приемник расположены на окружности в плоскости предметов/изображений зеркала, находящейся на расстоянии, равном удвоенному фокусному расстоянию зеркала, спектральная полоса поглощения каждой пары передатчик-приемник обеспечивается выбором светоизлучающих диодов и фотодиодов таким образом, чтобы их спектральная характеристика (спектр излучения передатчика и чувствительности фотоприемника) попадала в полосу поглощения определяемого газа и не перекрывалась с полосами поглощения других газов, каждый передатчик и приемник закреплены в индивидуальном держателе, который одновременно служит котировочным устройством для точного совмещения изображения излучающей области светодиода на поверхности светочувствительной области фотодиода, поскольку имеет для этого необходимые степени свободы и фиксируется прижимным винтом. Технический результат изобретения заключается в том, что достигается одновременное измерение нескольких поглощающих (парниковых) газов в воздухе, включая водяной пар, что необходимо в климатических приложениях, поскольку обычно используются относительные концентрации для сухого воздуха, а для того чтобы осуществить пересчет к сухому воздуху, необходимо одновременно измерять и содержание водяного пара. С помощью данной конструкции газоанализатора можно измерять «сухие» содержания таких газов, как углекислый газ (СО₂), метан (CH₄), угарный газ (СО), окислы азота. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Многоканальный инфракрасный абсорбционный газоанализатор, содержащий:

- электронный блок,

- передатчик и приемник оптического излучения, закрепленные на пластине,

- сферическое зеркало, закрепленное на пластине,

отличающийся тем, что

газоанализатор содержит по меньшей мере одну дополнительную пару передатчик-приемник,

пластина с зеркалом и пластина с парами передатчик-приемник жестко связаны между собой таким образом, что излучающие и приемные поверхности каждой пары передатчик-приемник расположены на окружности в плоскости предметов/изображений зеркала, находящейся на расстоянии от его осевой точки на отражающей поверхности, равном удвоенному фокусному расстоянию зеркала,

спектральные полосы поглощения и чувствительности каждой пары передатчик-приемник выбраны таким образом, чтобы полосы спектров излучения передатчика и чувствительности фотоприемника попадали в полосу спектра поглощения определяемого газа и не перекрывались с полосами спектра поглощения других газов,

каждый передатчик и приемник закреплены в индивидуальном держателе, выполненном с возможностью юстировки для точного совмещения изображения излучающей области передатчика на поверхности светочувствительной области приемника.

2. Газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что пластина с зеркалом жестко связана с пластиной с передатчиками и приемниками по меньшей мере тремя резьбовыми шпильками.

3. Газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве передатчика используют светодиод, а в качестве приемника используют фотодиод.

4. Газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что индивидуальный держатель передатчика и приемника выполнен в виде удлиненной пластины с отверстием для корпуса приемника или передатчика и прорезью для винта, что дает возможность как двигать пластину вдоль прорези, так и вращать ее вокруг удерживающего винта.

5. Газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что индивидуальный держатель передатчика и приемника снабжен прижимным винтом.

6. Газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что электронный блок размещен на пластине, на которой закреплены пары передатчик-приемник, и выполнен с возможностью подключения внешних устройств.

7. Газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что в пространство с анализируемым газом помещены точные датчики температуры и давления.

8. Многоканальный инфракрасный абсорбционный газоанализатор, содержащий:

- электронный блок,

- герметичный заполняемый анализируемым газом отсек,

с одной стороны которого расположены передатчик и приемник оптического излучения, закрепленные на пластине,

а с другой стороны - сферическое зеркало, закрепленное на пластине,

отличающийся тем, что

газоанализатор содержит по меньшей мере одну дополнительную пару передатчик-приемник,

герметичный заполняемый воздухом отсек выполнен в виде трубы с входным и выходным патрубками для прокачки анализируемого газа,

пластины, на которых размещены сферическое зеркало с одной стороны и приемники и передатчики с другой стороны, являются торцевыми стенками герметичного отсека для прокачки анализируемых газов,

при этом фото- и светодиоды отделены от отсека с анализируемым газом окном, прозрачным для ИК-излучения и имеющим многослойное просветляющее покрытие,

пластина с зеркалом и пластина с парами передатчик-приемник жестко связаны между собой таким образом, что излучающие и приемные поверхности каждой пары передатчик-приемник расположены на окружности в плоскости предметов/изображений зеркала, находящейся на расстоянии от его осевой точки на отражающей поверхности, равном удвоенному фокусному расстоянию зеркала,

спектральные полосы поглощения и чувствительности каждой пары передатчик-приемник выбраны таким образом, чтобы полосы спектров излучения передатчика и чувствительности фотоприемника попадали в полосу спектра поглощения определяемого газа и не перекрывались с полосами спектра поглощения других газов,

каждый передатчик и приемник закреплены в индивидуальном держателе в торце герметичного отсека для анализируемого газа, выполненном с возможностью юстировки для точного совмещения изображения излучающей области передатчика на поверхности светочувствительной области приемника.

9. Газоанализатор по п. 8, отличающийся тем, что в качестве передатчика используют светодиод, а в качестве приемника используют фотодиод.

10. Газоанализатор по п. 8, отличающийся тем, что индивидуальный держатель передатчика и приемника выполнен в виде удлиненной пластины с отверстием для корпуса приемника или передатчика и прорезью для винта, что дает возможность как двигать пластину вдоль прорези, так и вращать ее вокруг удерживающего винта.

11. Газоанализатор по п. 8, отличающийся тем, что индивидуальный держатель передатчика и приемника снабжен прижимным винтом.

12. Газоанализатор по п. 8, отличающийся тем, что электронный блок размещен на пластине, на которой закреплены пары передатчик-приемник, и выполнен с возможностью подключения внешних устройств.

13. Газоанализатор по п. 8, отличающийся тем, прозрачное для ИК-излучения окно, расположенное в торце герметичного заполняемого воздухом отсека со стороны передатчиков и приемников оптического излучения, имеет многослойное диэлектрическое просветление с каждой из сторон окна.

14. Газоанализатор по п. 8, отличающийся тем, что в герметичном отсеке размещены точные датчики температуры и давления.