ГАЗОВЫЙ ДАТЧИК, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ ПОЛОСОВЫЕ ФИЛЬТРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ИСТОЧНИКА
GAS SENSOR USING BAND-PASS FILTERS TO MEASURE SOURCE TEMPERATURE

2
Изобретение относится к датчику с фильтровальным устройством, на выходе которого установлено детекторное устройство, и аналитическим устройством, соединенным с детекторным устройством, причем фильтровальное устройство имеет по меньшей мере первый фильтр, предварительный фильтр, устроенный как полосовой фильтр и пропускающий первую заданную полосу, предварительную полосу, и по меньшей мере один второй фильтр, контрольный фильтр или контрольные фильтры, устроенный или устроенные как полосовой фильтр или полосовые фильтры, пропускающий или пропускающие вторую заданную полосу или полосы, контрольную полосу или полосы, причем детекторное устройство имеет по меньшей мере один детектор, подключенный по меньшей мере к одному из фильтров. В датчике использованы полосовые фильтры для измерения температуры излучающего источника. Использование датчика предпочтительно в ИК-диапазоне и предпочтительно для обнаружения CO.
Уровень техники
2
2
2
2
2
2
2
2
Аналогичный датчик, устроенный в виде газового датчика, известен, например, из документа США 5081998 А. В нем использован источник инфракрасного (ИК) излучения, воздействующий, в целом, на четыре детектора через фильтровальное устройство. Фильтровальное устройство имеет два фильтра с различными пропускными характеристиками. Первый фильтр имеет пропускную полосу для ИК-излучения, поглощаемого СО. Этот фильтр, таким образом, известен как «СО фильтр». Детекторы, расположенные после него, служат для обнаружения СО. Другой фильтр имеет пропускную полосу отличную от вышеупомянутой, которая служит для определения контрольного количества. Детекторы, расположенные вслед за контрольным фильтром, имеют название контрольных детекторов. Между ИК- источником и двумя фильтрами расположен третий фильтр, названный фильтром естественной плотности, он перекрывает половину первого фильтра и половину второго фильтра. Соответственно, на один из двух детекторов CO и один из контрольных детекторов поступает только ИК-излучение, прошедшее через фильтр естественной плотности и либо через фильтр СО, либо через контрольный фильтр. Аналитическое устройство служит для определения разности между значениями выходных сигналов двух детекторов СО и двух контрольных детекторов, после чего производит деление этих двух разностей друг на друга. Такой датчик CO требуется, например, для определения СО в воздухе, выдыхаемом пациентом, что обеспечивает улучшенное наблюдение за пациентом во время анестезии.
Недостатком таких датчиков является то, что они имеют относительно высокую потребляемую мощность, другой недостаток - количество необходимых детекторов. В устройстве, известном из документа США 5081998, использован источник излучения, непригодный для длительной работы на аккумуляторных батареях. Кроме того, такой ИК-источник, как правило, требует определенного периода нагрева, из-за чего не всегда возможно выполнение требуемых измерений без этапа предварительной подготовки.
Задачей, лежащей в основе изобретения, является упрощение эксплуатации ИК-датчика, который описан в документе США 2008/0283753, в котором пропускная полоса первого фильтра расположена в пределах пропускной полосы второго фильтра, а аналитическое устройство определяет значение разности между сигналами детекторов с нормализацией ее до уровня сигнала детектора.
2
Эта конфигурация значительно улучшает анализ инфракрасного излучения. ИК-излучение, таким образом, не разделено на два отдельных диапазона, так что каждый детектор обнаруживает только один диапазон. Вместо этого, детектор обнаруживает ИК-излучение с заданным спектральным диапазоном, в который также входит, например, спектр поглощения определяемого газа, в данном случае CO. Другой детектор обнаруживает ИК-спектр поддиапазона, в который не включен спектр поглощения определяемого газа. Чувствительность датчика, таким образом, значительно увеличена, то есть достаточно присутствия относительно небольшого по величине ИК-излучения для срабатывания датчика. За счет формирования разности между значениями выходных сигналов детекторов устранен сигнал помехи, например фоновый шум и ему аналогичные сигналы помех. Нормализация разности до уровня выходного сигнала детектора обеспечивает компенсацию колебаний интенсивности ИК-излучения. Кроме того, предусмотрен вариант использования более двух датчиков с соответственно большим количеством фильтров с соответствующим перекрытием индивидуальных диапазонов пропускания. Такой датчик обеспечивает получение дополнительной информации, например, о температуре, движении в помещении, количестве людей в помещении и другой информации подобного рода. Поскольку возможности обнаружения излучения значительно увеличены, энергопотребление может быть уменьшено, так что предусмотрена возможность запитывания необходимой мощностью от аккумуляторной батареи. Это, в свою очередь, обеспечивает повышение свободы монтажа и расширение возможностей использования. Предусмотрена передача датчиком своих сигналов по беспроводной сети.
Полоса пропускания первого фильтра предпочтительно больше, чем полоса пропускания второго фильтра. Соответственно, первый фильтр в дополнение к наличию спектрального диапазона, пропущенного вторым фильтром, также содержит спектральный диапазон, в котором происходит поглощение ИК-излучения.
Описанные два фильтра желательно имеют общую граничную длину волны. Это упрощает анализ. Разность между значениями выходных сигналов детекторов в этом случае легко сформировать без дополнительных расчетных шагов. Граничная длина волны - это длина волны, которая определяет, то есть ограничивает, пропускную полосу. Соответственно, ее называют: «нижнее значение длины волны» или «верхнее значение длины волны».
Известно, что количество, а также спектральное распределение излучения зависят от температуры излучателя. Эта зависимость задана хорошо известным планковским распределением излучения. Учитывая температуру излучателя, кривая Планка представляет зависимость излучения от длины волны, причем кривая Планка имеет максимум излучения при определенном значении длины волны, причем максимальное значение излучения, а также длина волны максимального излучения зависят от температуры.
Использование природных источников в сенсорных системах, представленных, к примеру, в документе США 2008/0283753, приводит к изменению энергии пропускной полосы фильтра или другими словами/к изменению плотности интенсивности излучения в зависимости от диапазона длины волны. Температура такого природного источника, как правило, не известна и тем более не управляема.
Данная конструкция обеспечивает компенсацию изменений интенсивности излучения источника света, однако она не является устойчивой, например, к изменениям температуры светового источника.
Целью изобретения является предложение методов решения указанных проблем, существующих в известных датчиках, а также датчика с использованием данных решений за счет предложенного способа оценки температуры источника.
Краткое описание изобретения
Ввиду вышеизложенного, одной из задач изобретения является внедрение метода, по меньшей мере для оценки температуры излучающего источника, и использование этого метода для коррекции или настройки измерений датчика.
В предложенном изобретении проблемы решены за счет того, что предварительный фильтр и контрольный фильтр или фильтры имеют разную граничную длину волны. «Нижнее значение длины волны» является самым низким значением длины волны, начиная с которого посредством фильтров обеспечено прохождение излучения, а «верхнее значение длины волны» является самым большим значением длины волны выше нижнего значения длины волны, при котором фильтрами обеспечено прекращение прохождения излучения.
Диапазоны значений длин волн пропускания предварительным фильтром или фильтрами далее в тексте названы «предварительной полосой или предварительными полосами», а диапазоны значений длин волн пропускания контрольным фильтром или фильтрами далее в тексте названы «контрольной полосой или контрольными полосами».
Как было указано, предварительное нижнее значение длины волны в соответствии с изобретением отличается от контрольного нижнего значения длины волны или волн, а предварительное верхнее значение длины волны отличается от контрольного верхнего значения длины волны или волн. Это предпочтительно, поскольку изменения, в частности, в спектральном распределении интенсивности входящего излучения, например, в результате колебаний температуры источника скомпенсированы за счет распределения контрольной полосы за пределы обеих границ предварительной полосы. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения это распределение представлено таким образом, что изменение температуры, увеличение интенсивности излучения или плотности интенсивности или энергии контрольной полосы приблизительно равно увеличению интенсивности излучения или плотности интенсивности или энергии предварительной полосы.
В одном из альтернативных или дополнительных вариантов среднее значение плотности интенсивности излучения или энергии предварительной полосы приблизительно равно среднему значению плотности интенсивности излучения или энергии контрольной полосы.
В одном из альтернативных или дополнительных вариантов плотность интенсивности излучения или энергии предварительной полосы приблизительно равна среднему значению плотности интенсивности излучения или энергии всех объединенных контрольных полос, при этом фильтровальной системой контрольных полос являются комбинированные полосы всех контрольных фильтров.
В другом альтернативном или дополнительном варианте плотность интенсивности излучения или энергии предварительной полосы приблизительно равна среднему значению плотности интенсивности излучения или энергии одной или каждой контрольной полосы.
В еще одном альтернативном или дополнительном варианте плотность интенсивности излучения или энергии приблизительно одинакова для каждой контрольной полосы.
Благодаря измерению среднего значения излучения двух относительно узких полос длин волн обеспечено выполнение оценки температуры излучателя по закону Планка, в частности определение, так сказать, правильной кривой Планка, и тем самым выполнение расчета температуры.
В этом заключена главная идея изобретения, в котором для оценки температуры предусмотрено образование таких полос либо совместно предварительным и контрольным фильтром или контрольными фильтрами, либо только из контрольных фильтров. Предусмотрено использование температурных измерений для компенсации температурной зависимости при измерении газов и тем самым для обеспечения более высокой точности измерения концентрации газов.
Предусмотрено выполнение предложенных фильтров из последовательности фильтрующих элементов или из одного фильтрующего элемента, работающего как в качестве предварительного фильтра, так и в качестве контрольного фильтра или фильтров. При выполнении последовательности фильтрующих элементов из двух фильтров или ряда фильтров они расположены один за другим в направлении излучения, то есть между излучающим источником или излучающими источниками и детектором.
Датчик предпочтителен для работы в любом волновом диапазоне излучения, с любым излучающим источником.
2
2
Далее описан вариант исполнения датчика для определения содержания CO в среде, где источником ИК предпочтительно является световой источник, однако изобретением предусмотрено использование любых веществ, не только CO, а также и любого светового источника, помимо светового источника в ИК-диапазоне.
В другом варианте осуществления изобретения по меньшей мере один контрольный фильтр, далее в тексте обозначенный как первый контрольный фильтр, имеет контрольную полосу, названную первой контрольной полосой, с более широким диапазоном длин волн, чем предварительный диапазон, где первое контрольное нижнее значение длины волны данного первого фильтра имеет более низкое значение длины волны, чем предварительное нижнее значение длины волны, а первое контрольное верхнее значение длины волны данного первого фильтра имеет более высокое значение длины волны, чем предварительное верхнее значение длины волны. Таким образом, предварительная полоса перекрывает первую контрольную полосу.
В данном варианте центральное значение длины волны первой контрольной полосы или первое центральное контрольное значение длины волны и центральное значение длины волны предварительной полосы могут быть как одинаковыми, так и разными. При изменении температуры относительное изменение интенсивности в предварительной и контрольной полосах должно быть равным для нейтрализации температурной зависимости.
При использовании источников излучения, как активно запитанных, так и природных, относительное изменение интенсивности нелинейно зависит от длин волн в пределах диапазонов. Поэтому предложено использовать несовпадающее значение центральной длины волны для повышения устойчивости к температурному дрейфу.
2
В данном примере контрольный фильтр или фильтры предпочтительно имеют пропускную полосу на 0,2-1 мкм шире пропускной полосы предварительного фильтра. Предпочтительно предварительный фильтр пропускает, по существу, только относительно узкий диапазон длин волн или спектральный диапазон спектра излучения, например диапазон, в котором происходит поглощение ИК-излучения CO. Указанный диапазон для этого достаточен. Риск того, что поглощение других газов будет иметь влияние на результат измерения и искажать результат незначителен.
Предпочтительно, полоса пропускания первого контрольного фильтра находится в диапазоне от 4 до 4,5 мкм, а полоса пропускания предварительного фильтра - в диапазоне от 4,1 до 4,4 мкм. В зависимости от подлежащих обнаружению газов или других материалов предусмотрено соответственное смещение указанных спектральных диапазонов.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения система содержит первый и второй контрольные фильтры соответственно с первой и второй контрольными полосами, вместе составляющими комбинированные контрольные полосы, где первая и вторая контрольные полосы не имеют пересечения, то есть у них нет общих длин волн. Это предпочтительно, если в окружающей среде присутствуют другие газы или материалы помимо названных газов или газа, имеющие полосы поглощения, близкие к предварительной полосе, которые оказывают влияние на измерения, поскольку трудно избежать перекрывания контрольной полосы такими «загрязняющими» полосами. Поскольку гарантировано, что не более одной контрольной полосы подвержено влиянию такой «загрязняющей» полосы поглощения, то обеспечено, что по меньшей мере другая полоса не подвержена этому влиянию.
В одной из предпочтительных версий этого варианта осуществления по меньшей мере одна из первой или второй контрольных полос перекрывает предварительную полосу, а это означает, что первое контрольное верхнее значение длины волны находится на более высоком уровне, чем предварительное нижнее значение длины волны, и/или второе контрольное нижнее значение длины волны находится на более низком уровне, чем предварительное верхнее значение длины волны, но на более высоком уровне, чем первое контрольное верхнее значение длины волны, что приводит к расположению первой и второй контрольной полос с каждой стороны предварительной полосы, но без перекрытия.
В другой предпочтительной версии этого варианта осуществления первое контрольное верхнее значение длины волны находится на более низком уровне, чем предварительное нижнее значение длины волны, а второе контрольное нижнее значение длины волны находится на более высоком уровне, чем предварительное верхнее значение длина волны, что приводит к расположению первой и второй контрольных полос с каждой стороны предварительной полосы.
В альтернативном варианте первая и вторая контрольные полосы имеют пересечение с хотя бы одной общей длиной волны.
В особенно предпочтительной конфигурации в датчике использовано природное излучение окружающей среды, такое как ИК-излучение. Поэтому нет необходимости в излучающем источнике, который требует отдельного источника питания и, соответственно, имеет определенные требования в отношении электропитания. ИК-излучение, как правило, есть везде, даже при отсутствии солнечного света. В принципе, каждое тело испускает определенное количество теплового излучения. Поскольку в данном случае возможно обойтись без источников ИК-излучения, «диапазон измерения» также расширен, иными словами возможно осуществлять проверку сравнительно больших площадей на содержание определенного газа. Таким образом, упрощены мониторинг и обеспечение «индивидуального климата в помещении» или качества воздуха в помещении. Нет необходимости сначала подавать к датчику воздух в помещении с прохождением его между источником ИК-излучения и детекторами через расположенные до них фильтры. Достаточно расположить датчик в определенной точке комнаты и, так сказать, «исследовать» объем подлежащего контролю воздуха с помощью датчика. В данном случае газовый датчик, так сказать, выявляет усредненные концентрации газа простым способом. Датчик, следовательно, определяет среднее значение, которое, в частности, для индивидуального климата помещения предоставляет существенно улучшенный результат измерения. Конечно, также предусмотрено использование датчика для улучшения технологии датчиков, которые работают с лампами или другими осветительными средствами. При использовании физического ИК-излучения или излучения окружающей среды имеется возможность снизить энергопотребление осветительных средств. Это ведет к увеличению интервалов между техническим обслуживанием, а также к увеличению срока службы.
2
Аналитическое устройство, предпочтительно, нормализует разность до уровня сигнала первого детектора. Другими словами, для нормализации использован сигнал, показывающий, например, содержание СО. Эта процедура приводит к несколько более динамичной производительности.
Способность датчика реагировать на изменения температуры источника имеет особое значение для нормализации, так как нормализация происходит только при определенной температуре, а фильтрующее устройство обычно изготовлено только для определенного температурного диапазона. Для охвата более широкого температурного диапазона предусмотрена компенсационная процедура, точно определяющая температуру излучателя. Кроме того, при использовании неприродного светового источника предусмотрено использование полученной информации для автоматического проверочного алгоритма, оценивающего, существует или нет превышение срока службы излучателя или светового источника, или близость к такому превышению.
2
Фильтры предпочтительно содержат CaF, германий или кремний. Фильтр и любые другие части сенсорного устройства, по необходимости, предпочтительно имеют антибликовое покрытие для улучшения передачи.
Далее изобретение описано со ссылкой на предпочтительный вариант исполнения в сочетании с чертежами.
На Фиг.1 и 2 показаны полосы на графике кривой Планка;
Фиг.3 - схематическое изображение, иллюстрирующее принцип работы изобретения;
Фиг.4А-Е - диаграммы пропускных полос двух или трех фильтров, вне зависимости длин волн от интенсивности излучения;
Фиг.5 - диаграмма количества энергии, которое способны обнаружить детекторы;
Фиг.6A-D - структурная блок-схема, иллюстрирующая варианты исполнения датчика.
Подробное описание системы
На Фиг.1 показана общая кривая Планка с максимумом излучения при длине λmax волны, постоянном ослабевании излучения с увеличением значений длин волн больше λmax и с полосой Δλ между двумя такими значениями длин волн, λ1 и λ2. При этом излучение R1 при меньшем значении длины λ1 волны больше, чем излучение R2 при большем значении длины λ2 волны.
Это приводит к проблемам использования такой полосы Δλ в измерении, так как изменение интенсивности в этой полосе возникает либо из-за простого изменения интенсивности падающего света, либо из-за изменения температуры излучателя.
На Фиг.2 показана та же кривая Планка, но так, что видны две полосы Δλ1 и Δλ2. Зная среднее излучение в этих двух полосах, возможно исходя из расчетного отношения значений сигналов этих двух полос произвести оценку температуры согласно планковскому распределению излучения при условии, что отсутствует эффект поглощения, оказывающий влияние на интенсивность излучения, поступающего на детектор.
2
На Фиг.3 показано схематическое изображение газового датчика (1) для определения, например, содержания CO или углекислого газа в контрольной зоне (3), где датчик (1) содержит детекторную часть (2). Контрольная зона представляет собой, например, помещение или часть помещения, в котором необходимо осуществлять регулирование индивидуального климата помещения. Солнечным символом (4) обозначен источник излучения, в частности естественный ИК-источник, пассивные источники или любые мыслимые активные источники, такие как солнечный свет, лазер, светодиоды, регулируемые тепловые источники и аналогичные им источники. Солнечный символ (4) представляет собой условное обозначение. Газовый датчик (1) функционирует и при отсутствии солнечного света, потому что, по существу, любое тело излучает тепло и, таким образом, генерирует ИК-лучи.
2
2
В указанном примере в контрольной зоне (2) присутствует большое количество молекул СО, которые обозначены кружками. Поглощение ИК-лучей газовыми молекулами (4) происходит в определенном спектральном диапазоне, как показано стрелками (5). Чем больше концентрация CO, тем ниже значение энергии в конкретном спектральном диапазоне, которое способен обнаружить газовый датчик (1).
На Фиг.6А показана структурная блок-схема, раскрывающая простую детекторную часть (2) газового датчика (1). Детекторная часть (2) имеет фильтровальное устройство (6), детекторное устройство (7) и аналитическое устройство (8). Другие компоненты, в частности корпус, крепежные средства и аналогичные элементы, не показаны на чертеже.
Показанное на чертеже фильтровальное устройство имеет первый контрольный фильтр (10) и предварительный фильтр (9), причем оба фильтра (9) и (10) имеют разные пропускные характеристики, а один из вариантов осуществления показан на Фиг.4А. Первый контрольный фильтр (10) обеспечивает прохождение длин волн в пределах первой контрольной полосы КП1 (RB1), а предварительный фильтр (10) обеспечивает прохождение волн в пределах предварительной полосы ПП (SB). На следующих рисунках зависимость излучения от длины волны не показана. В варианте осуществления на Фиг.4В показана первая контрольная полоса КП1 (RB1) с более широким охватом, чем у предварительной полосы ПП (SB), но при этом предварительная полоса ПП (SB) перекрывает первую контрольную полосу КП1 (RB1) таким образом, что первая контрольная полоса КП1 (RB1) содержит те же длины волн, что и предварительная полоса ПП (SB). Первое контрольное нижнее значение длины волны КНДВ1 (RLW1) поэтому находится на более низком уровне, чем предварительное нижнее значение длины волны ПНДВ (SLW), а первое контрольное верхнее значение длины волны КВДВ1 (RUW1) имеет более высокое значение, чем предварительное верхнее значение длины волны ПВДВ (SUW). Первая контрольная полоса КП1 (RB1) имеет первое центральное значение длины волны КЦДВ1 (RCW1), а предварительная полоса имеет предварительное центральное значение длины волны ПЦДВ(SCW). На чертеже показаны две полосы, имеющие общее центральное значение длины волны КЦДВ1 (RCW1)и ПЦДВ (SCW).
На Фиг.4В показан вариант, похожий на приведенный на Фиг.4А, только с различными центральными значениями длин волн КЦДВ (RCW) и КЦДВ1 (КЦДВ (RCW)1). При изменении температуры относительное изменение интенсивности в предварительной и контрольной полосах должно быть равным для устранения температурной зависимости. При использовании источников излучения, активно запитанных или природного характера, относительное изменение интенсивности нелинейно зависит от длин волн, охваченных полосами. Поэтому возможно использовать несовпадающее центральное значение длины волны для повышения устойчивости к температурному дрейфу.
На Фиг.4С показан другой вариант, в котором второй контрольный фильтр (20) введен в систему, охватывающую вторую контрольную полосу КП2 (RB2), расположенную между вторым контрольным нижним значением длины волны КНДВ2 (RLW2) и вторым контрольным верхним значением длины волны КВДВ2 (RUW2). Показанный вариант дополнительно имеет предварительную полосу ПП (SB), которая лишь частично перекрывает как первую, так и вторую контрольные полосы КП1 (RB1) и КП2 (RB2) таким образом, что предварительное нижнее значение длины волны ПНДВ (SLW) находится между первым контрольным нижним значением длины волны КНДВ1 (RLW1) и первым контрольным верхним значением длины волны КВДВ1 (RUW1). Предварительное верхнее значение длины волны ПВДВ (SUW) находится между вторым контрольным нижним значением длины волны КНДВ2 (RLW2) и вторым контрольным верхним значением длины волны КВДВ2 (RUW2). Показанный вариант имеет первое контрольное верхнее значение длины волны КВДВ1 (RUW1) большее по значению, чем второе контрольное нижнее значение длины волны КНДВ2 (RLW2), но в других вариантах возможно, что первая и вторая контрольные полосы КП1 (RB1) и КП2 (RB2) не имеют пересечения, в этом случае первое контрольное верхнее значение длины волны КВДВ1 (RUW1) имеет значение меньшее или равное второму контрольному нижнему значению длины волны КНДВ2 (RLW2).
На Фиг.4D показан альтернативный вариант с двумя контрольными фильтрами (10) и (20), в котором ни одна из контрольных полос КП1 (RB1) и КП2 (RB2), по меньшей мере существенно, не перекрывает предварительную полосу ПП (SB), но расположена по обе стороны от нее в том смысле, что первое контрольное верхнее значение длины волны КВДВ1 (RUW1) не выше предварительного нижнего значения длины волны ПНДВ (SLW), однако, как вариант, имеет равное значение, а второе контрольное нижнее значение длины волны КНДВ2 (RLW2) имеет значение не меньшее, чем предварительное верхнее значение длины волны ПВДВ (SUW), однако, как вариант, имеет такое же значение, в то время как второе контрольное нижнее значение длины волны КНДВ2 (RLW2) имеет значение не ниже, чем предварительное верхнее значение длины волны ПВДВ (SUW), но, как вариант, имеет то же самое значение. На чертеже показаны две контрольные полосы КП1 (RB1) и КП2 (RB2), имеющие практически одинаковый пропускной волновой диапазон, однако, как показано на Фиг.2Е, это не всегда возможно, так как две контрольные полосы КП1 (RB1) и КП2 (RB2) могут иметь в значительной степени отличающиеся пропускные волновые диапазоны.
Взаимное расположение и размеры полос зависит от ряда факторов, таких как допуски на края пропускных полос фильтров, ширина предварительной пропускной полосы, распределение линий поглощения предварительной полосы, а также и от наличия других газов, приводящих к перекрестной чувствительности.
2
2
2
2
В примере осуществления изобретения, в котором датчик (1) служит датчиком CO, имеется спектральный диапазон λ(СО), в котором СО поглощает ИК-излучение. Этот спектральный диапазон составляет приблизительно от 4,2 до 4,3 мкм. Соответственно, предварительная полоса ПП (SB) предпочтительно имеет предварительное нижнее значение длины волны ПНДВ (SLW) около 4,0 мкм и предварительное верхнее значение длины волны ПВДВ (SUW) около 4,5 мкм или еще более узкий диапазон предварительной полосы 4,1-4,4 мкм, или любую другую полосу, охватывающую спектральный диапазон СО. Тогда контрольные начальные и более высокие значения длин волн предпочтительно расположены приблизительно на 0,5 мкм выше и ниже предварительного нижнего значения длины волны ПНДВ (SLW) и предварительного верхнего значения длины волны ПВДВ (SUW) соответственно.
2
2
На Фиг.5 показаны первая контрольная полоса КП1 (RB1) и предварительная полоса ПП (SB) представленного на Фиг.3 первого варианта изобретения, где в предварительной полосе ссылочным обозначением А показано не уменьшенное количество энергии. Уменьшение энергии происходит на количество С, которое поглощено, например, СО. Обе секции первой контрольной полосы КП1 (RB1), расположенные по обеим сторонам предварительной полосы, обладают каждая количеством энергии, указанным ссылочным обозначением В. Это количество энергии практически постоянно, потому что на него не оказывает влияния, например, СО.
Детекторное устройство (7) затем обнаруживает различные энергии. Детекторное устройство (7) имеет первый детектор (15), который обнаруживает, например, ИК-излучение, проходящее через предварительный фильтр (9), и второй детектор (16), который обнаруживает, например, ИК-излучение, проходящее через первый контрольный фильтр (10). Как вариант, два детектора (15) и (16) выполнены в виде термоэлектрических элементов, которые также известны как "термобатареи". В зависимости от наличия, в частности, ИК-излучения, каждый детектор генерирует напряжение или ток, то есть электрическую величину, тем большую, чем больше количество падающего ИК-излучения. Соответственно, первый детектор (15) генерирует сигнал 81, а второй детектор (16) генерирует сигнал S2.
Термобатарейные датчики представлены, в частности, продукцией компании PerkinElmer Optoelectronics GmbH, D-65199 Wiesbaden, Германия.
На Фиг.6А показан простой вариант сборки фильтровального устройства (6), где предварительный фильтр (9) состоит из двух фильтрующих элементов (11) и (12), при этом первый предварительный фильтрующий элемент (11) определяет предварительное верхнее значение длины волны ПВДВ (SUW) и имеет нижнее значение длины волны ниже, чем предварительное нижнее значение длины волны ПНДВ (SLW). Второй предварительный фильтрующий элемент (12) определяет предварительное нижнее значение длины волны ПНДВ (SLW) и имеет верхнее значение длины волны, по существу, выше, чем предварительное верхнее значение длины волны ПВДВ (SUW). Таким же образом, первый контрольный фильтр (10) состоит из двух фильтрующих элементов (13) и (14) и определяет первое контрольное верхнее значение длины волны КВДВ1 (RUW1) и первое контрольное нижнее значение длины волны КНДВ1 (RLW1) соответственно. В зависимости от количества фильтров типа (9) и (10), введенных в систему, имеется возможность ввода в фильтровальное устройство (6) любого количества таких конструкций фильтрующих элементов (11), (12), (13) и (14). Возможно, что несколько фильтрующих элементов в данном и любом другом варианте являются общими для двух или более фильтров, а фильтры имеют то же конечное и/или нижнее значение длины волны, как показано на Фиг.5В, где два «верхних» фильтрующих элемента (11) и (13) являются одним общим фильтрующим элементом.
На Фиг.6С показан аналогичный датчик, имеющий дополнительный контрольный фильтр, второй контрольный фильтр (20), причем каждый фильтр имеет только один фильтрующий элемент (21, 22, 23) с требуемой характеристикой пропускной полосы как для верхнего, так и для нижнего значений длин волн, а предварительным фильтром (21) определены как предварительное нижнее значение длины волны ПНДВ (SLW), так и предварительное верхнее значение длины волны ПВДВ (SUW). Первым контрольным фильтром (22) определены как первое контрольное верхнее КВДВ1 (RUW1), так и нижнее КНДВ1 (RLW1) значения длин волн, а вторым контрольным фильтром (23) определены как второе контрольное верхнее КВДВ2 (RUW2), так и нижнее КНДВ2 (RLW2) значения длин волн. Два фильтрующих элемента (22, 23) в представленном на чертеже варианте соединены с тем же детектором (16), хотя на самом деле происходит математическое сложение их сигналов после прохождения, например, через две раздельных Термобатареи.
На Фиг.6D показан вариант, похожий на Фиг.6С, но только третий детектор (24) подключен ко второму контрольному фильтру (20).
Следует отметить, что в объем изобретения включены любые комбинации, перестановки, количество и расположение фильтрующих элементов (11, 12, 13, 14), в частности, раскрытых на Фиг.6A-D.
Как правило, также возможно использование датчика для производства измерений более одного газа, для чего, как это известно специалисту, необходимо только соответствующее количество датчиков, детекторов и аналогичных компонентов.
Поскольку в термобатарейном датчике, как правило, осуществляется измерение температуры вследствие того, что в зависимости от температуры происходит изменение уровня выходного сигнала, то измерение температуры вокруг датчика уже обеспечено. Поскольку возможность определения радиационной температуры в помещении также обеспечена благодаря сенсорному устройству, то одновременно возможно на основе этих двух измерений сразу же определить значение рабочей температуры, с вариантами последующего его использования для регулирования температуры в помещении или чего-либо другого.
С помощью ИК излучения также возможно производить измерение движения в помещении непосредственно датчиком с использованием его в этом случае, например, для управления системой вентиляции, запуск которой, в частности, происходит только в случае движения, то есть когда кто-либо находится в помещении. На основании разных измерений движения также возможно определять количество людей в помещении с использованием этой оценки в регулировании для осуществления регулировки/изменения температуры в помещении или управления вентиляцией в зависимости от количества людей в помещении.
Основной датчик согласно изобретению, например, показанный на Фиг.6А, работает на двух сигналах S1, S2, поступающих в аналитическое устройство (8). Соответственно:
<mrow><mi>S</mi><mn>1</mn><mo>=</mo><mi>a</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>l</mi><mi>C</mi><msubsup><mi>O</mi><mn>2</mn><mi>n</mi></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>S</mi><mn>2</mn><mo>=</mo><mi>a</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>l</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>l</mi><mrow><mi>C</mi><mi>O</mi></mrow></msub><msub><mrow /><mrow><msub><mrow /><mn>2</mn></msub></mrow></msub></mrow>
ref
где
является электрической величиной, например силой тока или напряжением, содержащей информацию, относящуюся к ИК-поглощению, а l является контрольной величиной, не зависящей от ИК-поглощения. В результате формирования разности между S1 и S2 или «эффективного контроля», соответствующей части контрольной полосы, которая не содержит предварительный диапазон, схематически показанным на чертеже разностным калькулятором(17), выдано следующее значение:
<mrow><mi>S</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mo>−</mo><mtext> </mtext><mi>S</mi><mn>2</mn><mo>=</mo><mi>a</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>l</mi><mrow><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mo>−</mo><mo>−</mo><msub><mi>l</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Указанная разность S1-S2 нормализована до уровня выходного сигнала S1 первого детектора (15) так, что обеспечен сигнал S3.
<mrow><mi>S</mi><mn>3</mn><mo>=</mo><mi>S</mi><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>э</mi><mtext></mtext><mi>ф</mi><mtext></mtext><mi>ф</mi><mi>е</mi><mtext></mtext><mi>к</mi><mi>т</mi><mi>и</mi><mi>в</mi><mi>н</mi><mi>ы</mi><mi>й</mi><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>н</mi><mi>т</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mi>ь</mi><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mo>=</mo><mi>S</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>S</mi><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>a</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>l</mi><mrow><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mi>a</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>l</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
2
2
Предложенный датчик обеспечивает измерение любых видов газа, таких как, например, азот, оксиды азота, кислород или СО, и, помимо измерения газов, измерение образцов другого вида, в частности жидкостей и твердых тел. При изменении образца с СО на иной пропускная полоса должна быть соответственно сдвинута, например, полоса поглощения для HO составляет около 2,7 мкм.
ref
n
Зная температуру излучающего или светового источника, возможно гофрировать или нормализовать параметры l и l и/или сигналы, например, S1 и S2 путем, так сказать, устранения зависимости полос, в частности предварительной и контрольной полос, от температуры и/или за счет нормализации, устранения зависимости от длины волны.
Как вариант, предложенный датчик дополнительно содержит любые другие возможные оптические компоненты, например сапфировое окно, которое действует как дополнительный полосовой фильтр, отражатели, собирающее устройство, то есть устройство, которое выполняет сбор и фокусировку, в частности ИК-излучения, в частности коллиматор, расположенный до датчика и аналогичные устройства.
Кроме того, возможно использование предложенного датчика непосредственно для контроля газообразных отходов. Для этой цели предусмотрена его установка в дымоходе или выхлопной трубе. В частности, в системах отопления, в этом случае возможно осуществлять регулировку сжигания с помощью выходных сигналов датчика или ряда датчиков.
Изобретение не ограничено вышеприведенным описанием и рисунками, и любые перестановки в вышеприведенном описании и рисунках, в том числе изменения количества и перестановки фильтров, в частности предварительных фильтров (9) и контрольных фильтров (10, 20), фильтрующих элементов (21, 22, 23), детекторов (15, 16, 24) и аналогичных компонентов также входят в объем изобретения.
Кроме того, изобретение не ограничено измерениями газов, так как вариантами осуществления предусмотрено также выполнение датчиком измерений веществ вообще как части среды, где среда сама по себе не является исключительно газом, но, в частности, является жидкостью.