ОПТИЧЕСКИЙ ГАЗОВЫЙ СЕНСОР НА ОСНОВЕ ИММЕРСИОННЫХ ДИОДНЫХ ОПТОПАР

Полезная модель относится к области измерительной техники, конкретно - к ИК устройствам недисперсионного газового анализа и может применяться для измерения концентрации газов, спектры поглощения которых лежат в среднем ИК диапазоне длин волн.
В этом диапазоне длин волн находятся достаточно сильные линии поглощения большого числа газов важных для промышленности, экологии и медицины (CnHm,NO2, NH3, СO2,СО, и др.).
Принцип работы оптических недисперсионных газоанализаторов основан на использовании фундаментального закона Бугера-Бера [Г.С.Ландсберг, Оптика, М., Наука, 1976 г., 928 с.], связывающего величину поглощения монохроматического излучения I(λ) с характеристиками газа:
где
L -длина пути поглощения излучения в газе, см,
С- концентрация газа,
-1
α - коэффициент поглощения газа на данной длине волны излучения, см
0
Измерение концентрации газа на основании (1) заключается в зондировании кюветы с газом монохроматическим пучком света и измерении отношения величины сигнала на выходе кюветы при наличии (I(λ)) и отсутствии (I(λ)) в ней газа. Очевидно, что чувствительность оптических газоанализаторов и точность определения концентрации газа однозначно связаны с эффективностью используемых в их сенсорах источников и приемников ИК излучения и оптической схемы формирования пучка зондирующего ИК излучения.
Существует большое количество патентов и описаний конструкций оптических газовых сенсоров, например, WO2007091043 опубликовано 2007-08-16, US2002148948 2002-10-17, DE 10200797, опубликовано 2005-09-22, GB2391310 опубликовано 2004-02-04, которые могут быть рассмотрены как аналоги. Все предлагаемые конструкции включают, газовую кювету, по крайней мере, один источник зондирующего ИК излучения, и, по крайней мере, один детектор ИК излучения, жестко связанные с корпусом кюветы. Конструкция
газовой кюветы также может содержать оптические элементы (зеркала, линзы), с помощью которых осуществляется оптическое сопряжение источника зондирующего ИК излучения и детектора. Основные конструктивные различия оптических газовых сенсоров заключаются в типе и форме газовой кюветы, образующей оптическую схему устройства. Для среднего ИК-диапазона длин волн характерно использование зеркальной оптики - сферических, параболических, эллиптических и другой сложной формы зеркал, образующих стенки газовой кюветы.
Обычно в качестве источников излучения в ИК области используют тепловые источники или светодиоды (СД), а в качестве детекторов - фоторезисторы или пироприемники.
Тепловые источники излучают в широком телесном угле (до 360°) и имеют достаточно большие площади излучающей поверхности, что не позволяет сформировать зондирующий пучок с нужными параметрами (например, параллельный пучок). Кроме того, тепловые источники требуют использования узкополосных спектральных (интерференционных) фильтров. Как следствие, недостатком оптических газовых сенсоров с тепловыми источниками является очень низкая эффективность использования энергии источника. Потери света особенно велики при необходимости увеличения длины газовой кюветы для анализа малых концентраций газа без существенного увеличения ее объема.
Чтобы собрать излучение на выходе газовой кюветы детектор должен иметь широкую диаграмму направленности чувствительности и достаточно большую поверхность. Этим требованиям отвечают практически все традиционные ИК-фотоприемники - фоторезисторы и пироприемники. Однако, пироприемники требуют обязательной модуляции зондирующего излучения, обладают равномерной по спектру, но низкой чувствительностью и быстродействием, а спектральная чувствительность фоторезисторов резко падает при λ≥4 мкм, и сильно зависит от температуры окружающей среды. Оба типа фотоприемников требуют напряжения смещения единицы-десятки вольт.
Создание светодиодов и неохлаждаемых фотодиодов (ФД) в области среднего ИК-диапазона спектра [Infrared Sources, Boston Electronics Corporation, www.boselec.com] позволило совершить переворот в области конструкций оптических сенсоров для недисперсионных газоанализаторов, существенно уменьшив их габариты, потребляемую мощность, отказаться от механических
2
2
модуляторов излучения, а в ряде случаев, и от дополнительных интерференционных фильтров. Стандартные полупроводниковые диоды, даже с использованием параболических концентраторов энергии, формируют пучки с диаграммой направленности в несколько десятков градусов (порядка 60°). При такой достаточно широкой диаграмме направленности излучения они могут быть использованы во всех известных конструкциях сенсоров простой заменой традиционных тепловых источников. Кроме того, размер излучающей области светодиода (порядка 0,1 мм) много меньше чем у теплового источника (несколько мм), что позволяет формировать зондирующий пучок требуемой формы с меньшими потерями энергии.
Известны устройства оптических ИК-сенсоров для недисперсионных газоанализаторов (DE 10200797, опубликовано 2003-07-24, DE 10200908, опубликовано 2003-07-31), содержащие газовую кювету, отражающие поверхности которой образуют оптическую схему для формирования пучка зондирующего излучения, источник зондирующего ИК излучения в виде светодиода и фотоприемник в виде фотодиода, механически связанных с корпусом газовой кюветы, наиболее близкие по совокупности существенных признаков, принятые за прототип. Отличие этих двух устройств заключается в различных оптических схемах формирования пучка зондирующего излучения в газовой кювете. В первом случае (патент DE 10200797, опубликован 2003-07-24) используется сферическое зеркало, которое отражает и фокусирует свет источника на фотоприемник. Такая конструкция кюветы обеспечивает двойной проход света через анализируемый газ. Недостатком такой конструкции является относительно большой объем кюветы, определяемый углом расходимости источника излучения и радиусом сферического зеркала. Второе устройство (патент DE 10200908, опубликован 2003-07-31) содержит два параболических (или сферических) зеркала. Первое формирует параллельный зондирующий пучок от светодиода, который проходит через кювету с газом, а второе - фокусирует пучок на выходе кюветы на фотодиод. Такая конструкция кюветы может, в принципе, обеспечить большую длину при малом объеме. В обоих случаях источник излучения и фотоприемник жестко связаны с газовой кюветой, оптическая схема которой осуществляет их оптическое сопряжение.
Недостатками конструкций, заявленных в прототипах, является то, что светодиод и фотодиод оптического газового сенсора жестко связаны с корпусом кюветы. Этот недостаток не критичен при использовании
традиционных светодиодов и фотодиодов с широкими диаграммами направленности, т.к. в этом случае большая часть света всегда собирается на фотоприемнике. Однако, при узких диаграммах направленности светодиода и фотодиода (≈15°), характерных для нового поколения полупроводниковых диодов, конструктивно выполненных с использованием технологии иммерсионной оптики [Н.В.Зотова, и др. Источники спонтанного излучения на основе арсенида индия. Обзор. ФТП, 2008, т.42, вып.6, с.641-656], их фиксированное положение в корпусе кюветы может сопровождаться значительными потерями энергии излучения источника, т.к. направление распространения излучения источника может не совпадать с максимумом диаграммы направленности чувствительности фотоприемника.
Иммерсионные светодиоды и фотодиоды разработаны в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН и выпускаются фирмой ООО «Иоффе-ЛЕД» [www.mirdog.spb.ru, www.ioffeled.com]. Иммерсионные диоды на порядок превосходят по своим характеристикам все известные традиционные источники и приемники ИК-излучения. Высокая эффективность излучения светодиода и детектирующая способность фотодиода достигнуты за счет специальной конструкции диодов, сопряженной с линзой посредством иммерсионной связи. Следствием такой конструкции являются узкие (≈15°) диаграммы направленности излучения СД и чувствительности ФД, что много меньше, чем в других типах диодов. В связи с особенностями технологии сборки иммерсионных диодов, их диаграмма направленности может иметь неконтролируемое отклонение от оси прибора на величину индивидуальную для каждого образца и лежащую в пределах α=±10°. На Фиг.1 изображен иммерсионный диод с диаграммой направленности (ДН) излучения, направление максимума которой образует угол α с осью диода. Для того, чтобы направить излучение светодиода в нужном направлении ось диода должна быть отклонена на угол α. Аналогичная процедура должна быть выполнена и для фотодиода.
Заявляемая конструкция решает задачу повышения эффективности использования иммерсионных диодов в оптических газовых сенсорах и, как следствие, улучшения точности и чувствительности газовых анализаторов за счет повышения отношения сигнал/шум на выходе фотодетектора.
Задача решается тем, что в известных конструкциях оптических газовых сенсоров, содержащих газовую кювету, отражающие поверхности которой образуют оптическую схему для формирования пучка зондирующего излучения,
светодиод (СД) в качестве источника зондирующего излучения и фотодиод (ФД) в качестве детектора, используются иммерсионные диоды с узкой диаграммой направленности и их установка в газовую кювету осуществляется с помощью дополнительных котировочных элементов, используемых при первоначальной настройке сенсора на максимальную величину выходного сигнала фотодиода.
Техническим результатом является повышение точности определения концентрации газа и пороговой чувствительности анализатора.
Техническое решение поясняется схемами оптических газовых сенсоров с различными типами газовых кювет, представленными на Фиг.2 и Фиг.3 где:
1 - газовая кювета;
2 - сферическое зеркало (может отсутствовать в конструкциях сенсора вида Фиг.3, т.к. иммерсионные диоды имеют собственную линзу) для формирования зондирующего пучка;
3 - иммерсионный светодиод;
4 - иммерсионный фотодиод;
5 - сферические котировочные элементы;
В предлагаемых устройствах излучение источника излучения 3, прошедшее через газовую кювету 1, фокусируется на фотоприемник 4 с помощью сферического зеркала 2 (Фиг.2), выполненного на торце газовой кюветы 1, или без дополнительных оптических элементов (Фиг.3), что может быть обеспечено при узких диаграммах направленности иммерсионных диодов. Крепление источника излучения (иммерсионный светодиод) 3 и фотоприемника (иммерсионный фотодиод) 4 в котировочные элементы 5 обеспечивает максимально эффективное использование энергии источника излучения путем первоначальной юстировки сенсора на максимальный выходной сигнал.
Работа устройства.
Юстировка оптических газовых сенсоров заключается в том, чтобы механическими котировочными элементами изменить направления излучения светодиода и диаграммы чувствительности фотодиода и достичь их максимального оптического сопряжения, что регистрируется по достижению максимального уровня выходного сигнала фотодиода.
Предлагаемая конструкция оптических газовых сенсоров, помимо повышения точности определения концентрации газа, позволяет устранить основной технологический недостаток иммерсионных диодов, который заключается в неконтролируемой несоосности оптической схемы и диаграмм
направленности излучения светодиода и чувствительности фотодиода. Других простых средств устранения этого недостатка в настоящее время не существует.
Пример.
Были изготовлены опытные образцы оптических газовых сенсоров на основе иммерсионных диодных оптопар с конструкцией кюветы по схеме, изображенной на Фиг.2. Длина кюветы составила 2 см. На их основе были изготовлены детекторы углекислого газа и этилена. Сенсоры содержат по два иммерсионных диода [производитель - ООО «ИоффеЛЕД», www.ioffeled.com] - иммерсионный светодиод типа LED 42Sc с длиной волны излучения в максимуме 4,2 мкм, и иммерсионный фотодиод типа PD42Sc с максимумом чувствительности в области 4-4,2 мкм для анализатора углекислого газа и иммерсионный светодиод типа LED 34Sc с длиной волны излучения в максимуме 3,4 мкм, и иммерсионный фотодиод типа PD34Sc с максимумом чувствительности в области 3-3,5 мкм для анализатора этилена. Электронная схема газоанализатора содержала генератор тока светодиода, обеспечивая его работу в импульсном режиме с частотой 20 кГц и током 200 мА, и усилитель тока фотодиода. После юстировки отношение сигнал/шум на выходе сенсоров составило 1000.
Детекторы газов были испытаны в ВНИИМ им Д.И.Менделеева на калиброванных газовых смесях. Результаты исследований показали, что использование иммерсионных светодиодов и фотодиодов совместно с предлагаемой конструкцией газовой кюветы позволило в обоих типах газоанализаторов получить высокие значения по чувствительности к указанным выше газам (100 ppm) при рекордном быстродействии -1 отсчет в секунду. Это свидетельствует о высоком отношении сигнал/шум в измерительном канале, достигнутом благодаря эффективному использованию энергии зондирующего излучения. Исследование влияния механической юстировки диодов на 10 образцах сенсоров с различными иммерсионными диодами показало, что во всех случаях после индивидуальной юстировки можно получить увеличение выходного сигнала от 2 до 10 раз, по сравнению с первоначальной установкой, и достичь практически одинакового уровня выходного сигнала (с разбросом менее 10%), характерного для исследуемой партии диодов.