Газоанализатор Советский патент 1977 года по МПК G01N21/26 

154) ГАЗОАНАЛИЗАТОР

1

Изобретение .относится к технике газового анализа и может быть использовано для определения содержания углекислого газа в газовой среде, в том числе в атмос,фере гермокабин летательных аппаратов.

Наметен газоанализатор, состоящий из расположенных в кювете с исследуемой газовой смесью источника инфракрасного излучения, фокусирующей системы, механического модулятора камертонного типа с закрепленными на нем 1Гнтерференционными 4в1льтрами с полосами пропускания, соответствуютпими полосе поглощения углекислого газа и полосе, где поглощение атмосферными газами отсутствует, приемник излучения к электронную схему выделения сигнала, подключенную ;к приемнику излучения. Механический модулятор колеблется таким образом, тго поочередно перекрьгааёт поток инфракрасной радиации рабочим и эталонньпиг фильтраvWС приемника на схему обработки сигналов поступает последовательная серия импульсов, при этом амплитуда рабочих нхшульсов пропорциональна поглошавню

инфракрасной радиации углекислым газом, а амплитуда эталонных импульсов не зависит от содержания углекислого газа. В таком устройстве необходимо применять j-j механический модулятор, что приводит к снижению надежности н ресурса непрерью,-ной работы, к повышению веса н габа- . ритов газоанализатора и уменьшению быс-t тродействия из-за низкочастотной модуляции.

10

Целью изобретения является повышеяяе долговременной н температурной стабильности анализатора.

Это достигается использстаявем в качестве источника излучения светспяО|Да на основе арсеиида индия, состоящего на двух излучающих р-п-эпемеитов, конструПчюно выполненных в едином корпусе, причем первый .элемент нелегирован,- а второй элемент содержит равные количества 4,5 - атомов донорной и акдедторжоЙ.добавки, ва|пример, цяяка и с4ры.

На чертеже прнведвяа струкгурвйя схема газоанализатора. Источник инфракрасной радиации 1 состоит из двух излучаюи.их элементов, выполненных конструктивно в едином корпусе и образованных диффузией кадкшя в монокрис- галлы арсенкда индия электронного типа, раз личающиеся разной степенью леги зования донорной и акцепторной примеся1 га. Источник 1 установлен на входе кюветы 2 с анализируемой газовой смесью. На выходе кюветы 2 имеется приемник инфракрасной радиации 3. Электронная схема газоанализа тора включает малошумяший предусилител, 4 усилитель 5, схему переключения сигналов 6 синхронные детекторы 7 и 8 соответственно рабочего и эталонного сигналов, схему 9 коррекции и преобразования сигнала с попключенными к ней терморезистором 10 и датчиком абсолютного давления 11, блок питания 12 и регулятор напряжения 13. Импульсное питание высокой частоты подается с блока питания 12 попеременно на рабочий и эгалонный излучающие элементы источника 1, излучающего в средней инфракрасной области спектра поочередно на долинах волн АЗ 3,9 мкм и Ар 4,2 мк Излучение эталонной длины волны проходит кювету 2 без поглощения радиации газовыми компонентами анализируемой смеси, а излучение на рабочей дпине вопны поглощается углекислым газом. Мощность инфракрасного потока радиации, поступающег на приемник 3, пропорциональна пропусканию углекислого газа в анализируемой смеси при излучении рабочего элемента и пропорциональна пропусканию оптической схемы поток радиации источника 1 при излучении эталонного элемента. Сигналы, снимаемые с приемника 3, усиливаются малощумящим предусилителем 4 и усилителем 5. Разделение сигналов на рабочий и эталонный осуществляется схемой переключения сигналов 6. Эти сигналы для увеличения соо ношения сигнал/щум и преобразования импул сного сигнала в постоянное напряжение, про пор1|иональное интенсивности инфракрасного потока радиации, прощедщегчэ кювету 2, поступают в синхронные детекторы 7 и 8. Преобразование этих напряжений в выходной сиг нал, пропорциональный парциальному давлению углекислого газа, осуществляется схемой 9 коррекции и преобразования сигнала, представляющей собой операционный усилитель, в котором осуществляется вычитание рабочего напряжения йэ эталонного. На сумируквдий вход этой схемы подаются также наттряжения, пропорциональные давлению и температуре газовой смеси с соответствующих датчиков Ю и 11 для уменьшения зависимости выходного сигнала от вышеперечисленных факторов. Для увел1гчения ресурса непрорываой бесподстроечтгой работь; в схему газоанализатора введена отрицательная обратная связь по эталонному сигналу, которая включает регулятор напряжения 13, изменяющий питающее напряжение на источнике радиации 1 при изменении выходного напряжения эталонного сигнала и таким образом поддерживающим его постоянным. В сконструированном и испытанном газоанализаторе на углекислый газ используется одноканальная двухлучевая схема с электронной модуляцией вышеописанного источника радиации, излучающего в узкой полосе инфракрасного спектра дА 0,3 мкм и позволяющего производить модуляцию нецосредст енно путем переключения питания излучающих элементов источника, что исключает необходимость применения интерференционных фильтров и механического модулятора, не удовлетворяющих требованиям вибро- и ударопрочности, что особенно важно для приборов, применяемых в летательных аппаратах. Конструктивно источник инфракрасного излучения выполнен в транзисторном корпусе от маломощного триода типа IT 308. Излучающие элементы на основе арсенида индия, изготовленные в вице прямоугольников с Основанием 0,3 х 0,3, расположены на общем посеребренном медном основании на расстоянии 0,1 мм. Кристаллы компенсированного арсенида индия выращивались по методу Чохральского. Легирование арсенида индия для получения компенсированного мате риала производилось одновременным введением равных количеств цинка и серы до 5 х , что приводило к сужению запрещенной зоны. Светодиоды создавались на основе р-ц-цереходов, для этого кристаллы арсенида индия, ориентированные в напра&-. лении 11 Г, резались на плоскопаралпельные шайбы, затем проводилась диффузия акцепторной примеси - кадмия из газообразной фазы. Различие в спектрах излучения достигнуто благодаря различной степени легирования, что озволило сдв1шуть спектральный диапазон в сторону длинных волн к области поглощения углекислого газа. Эталонная излучающая структура ..Создана на основе р-пперехода.в спецИЙЛьйр нелиГированном арсениде икаия,.й: :йЗЛУчаёр на.длине волны, где поглощение иследуемым газом отсутствует. Однородный состав излучающих р-п-структур и расположение их в непосредственной близости друг от друга дало возможность создать источник с одинаковым температурным и временным уходом рабочего и эталонного излучателя f 2,15 «10 ЭР/град, что позволило применить в газоанализаторе на угле5

кислый газ одноканальную оптическую схему, отличающуюся простотой и высокой стабильностью. Использование этого источника позволило увеличить частоту модуляции до 1О КГЦ и тек5 самым пoБЫcиtь,быcтpoдeйcт вне прибора до 0,5 сек и снизить вес прибора до 1,5 кг, а энергопотребление до 4 Вт. Газоанализатор прост в обращении и не требует периодических подстроек благодаря жесткой конструкции оптической части прибора, применению (стабильных гэлементов и отрицательной обратной связи по эталонному сигналу.

Внедрение такого газоанализатора дает большой экономический эффект, особенно в объектах, где длительное присутствие человека затруднительно.

6 Формула изобретения

Газоанализатор, состоящий из источника и приемника излучения, расположе«ньгх в кювете с иccлeдye fcй газовоГ- смесью, и электронной схемы выделения сигнала, подключенной к приемнику излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения долговременной и температурной стабильност в качестве источника излучения использован светодиод на основе арсенида индия, состо ящий из двух излучающих р-п-элементов, выполненных конструктивно в едином корпусе, причем первый элемент нелегирюван, а второй элемент содержит равные количества 4,5 -г510 атомов донорной и акцепторной добавки, например, цинка и серы.