ГАЗОВЫЕ ДАТЧИКИ
GAS SENSORS

Настоящее изобретение относится к газовым датчикам, в частности к датчикам для измерения концентрации газа путем измерения поглощения инфракрасного света.
Для того чтобы эксплуатировать газовые датчики, работающие от аккумулятора, в течение длительных периодов времени, обычно более одного года, потребление энергии должно быть низким. Одним из путей уменьшения потребления энергии является поддерживание датчика основную часть времени в режиме ожидания или отключения и включение его с регулярными или нерегулярными интервалами. Типичное количество потребляемой энергии для инфракрасного датчика с непрерывным питанием составляет порядка 0,1-1 Вт. Если завершение одного измерения для не непрерывно работающего датчика, например, занимает одну секунду, а требуемое время отклика составляет 10 секунд, то рабочий цикл становится 10% с соответствующим снижением потребления энергии до 10-100 мВт. В нижнем значении этого диапазона работа от аккумуляторов становится возможной. Требования к времени отклика для разных случаев применения будут отличаться. Есть два режима работы газового датчика, эксплуатируемого при энергосберегающем рабочем цикле, которые могут потребоваться. Первый представляет собой повторно-кратковременное или спорадическое использование. В этом случае газовый датчик будет запускаться с нерегулярными интервалами, по требованию. Измерения могли бы запускаться вручную или вторым датчиком, следящим за изменениями в окружении и оценивающим вероятность того, что газ может присутствовать. В этом режиме время отклика для повторно-кратковременно работающего датчика могло бы быть столь же коротким, как и для непрерывно работающего датчика, и настолько продолжительным, что время пробуждения (запуска) достаточно короткое.
Второй режим представляет собой циклическое (или автономное) использование. Для циклического измерения максимальное время отклика будет ограничено периодом цикла. Пока требуемый период/время отклика дольше времени, необходимого для одного измерения, циклический режим будет требовать меньше энергии. Опять-таки необходимо достаточно короткое время пробуждения (запуска).
Для того чтобы оба эти способа были эффективными, необходимо, чтобы датчик мог бы быть «запущен из холодного состояния» в промежуток времени, намного меньший типичного времени между измерениями и чтобы после этого короткого времени пуска были возможны надежные точные измерения. Целью настоящего изобретения является предоставление датчика и способа, которые сделают это возможным.
Простые недисперсионные инфракрасные (НДИК) газовые датчики измеряют концентрацию, используя один источник света и один детектор. Они обычно не подходят для применений, связанных с безопасностью, или применений, требующих высокой долгосрочной стабильности без повторной калибровки.
В существующих надежных газовых датчиках используют разные способы и конструктивные исполнения для компенсации погрешностей, например два источника света и один детектор, или два детектора и один источник света, или по два каждого (с двойной компенсацией). В современном датчике с двойной компенсацией один источник оснащен фильтром для «активной» полосы длин волн, в которой газ поглощает, а другой источник фильтруется таким образом, что испускает «опорную» полосу длин волн. Эти источники обычно модулируют частотами в диапазоне 1-100 Гц. Опорный детектор контролирует интенсивности источников, а основной детектор измеряет свет, передаваемый из двух источников через измерительный объем, и обнаруживает поглощение света газом. Это устройство компенсирует несколько погрешностей, таких как потеря света в измерительном объеме и изменения интенсивности источников. Однако хорошая компенсация зависит от достаточно (термически) устойчивой системы. Это особенно важно, если частота модуляции источника является низкой, или если два детектора установлены так, что видят разные зоны поверхности источника (температура на поверхности теплового инфракрасного источника весьма неравномерна.) В некоторых случаях для того чтобы погрешность измерений была достаточно низкой, требуется время подогрева в несколько минут.
В первом аспекте настоящего изобретения предлагается газовый датчик для измерения концентрации предопределенного газа, содержащий источник света, предназначенный для излучения импульсов света, измерительный объем, детектор, предназначенный для приема света, прошедшего через измерительный объем, и адаптируемый фильтр, расположенный между источником света и детектором и характеризующийся наличием состояния измерения, в котором он пропускает по меньшей мере одну полосу длин волн, которая поглощается газом, и опорного состояния, в котором указанная полоса длин волн претерпевает затухание относительно состояния измерения, при этом адаптируемый фильтр сконфигурирован с возможностью переключения между состоянием измерения и опорным состоянием по меньшей мере один раз в течение каждого импульса.
Кроме того, настоящее изобретение относится к беспроводному газоопределителю с аккумуляторным питанием, содержащему указанный выше газовый датчик.
Во втором аспекте настоящего изобретения предлагается способ измерения концентрации предопределенного газа, предусматривающий пропускание импульса света через измерительный объем в детектор через адаптируемый фильтр, расположенный между источником света и детектором, переключение указанного фильтра по меньшей мере один раз в каждом импульсе в состояние/из состояния измерения, в котором он пропускает по меньшей мере одну полосу длин волн, которая поглощается газом, и из опорного состояния/в опорное состояние, в котором указанная полоса длин волн претерпевает затухание по сравнению с состоянием измерения; при этом способ предусматривает определение указанной концентрации газа по разнице света, полученного детектором в указанных состоянии измерения и опорном состоянии.
Таким образом, ясно, что в соответствии с настоящим изобретением можно выполнять измерение концентрации газа, полностью основанное на сравнении, используя один импульс света из одного источник света и используя один детектор. Это обеспечивает быстрый запуск из холодного состояния с низким потреблением энергии и надежное точное измерение за короткий период измерения. Таким образом, это открывает возможность получить дистанционный беспроводный датчик с аккумуляторным питанием с длительным сроком службы батареи, но который в предпочтительных вариантах осуществления может обладать надежностью и стабильностью системы с двойной компенсацией.
В соответствии с настоящим изобретением адаптируемый фильтр направляет свет из источника на детектор. При изменении его состояния длины волн света, которые он пропускает, изменяются. Предпочтительно, он содержит микроэлектромеханическую систему (МЭМС). Эти фильтры могут быть изготовлены с возможностью изменения пропускаемых длин волн света. Это изменение может быть осуществлено во временных рамках менее одной миллисекунды, а это означает, что может быть использован короткий импульс, тем не менее дающий как период измерения, так и опорный период, тем самым ограничивая потребление энергии, связанное с измерением. МЭМС могла бы содержать дифракционный оптический элемент, характеризующийся наличием нескольких дифракционных полос, которые могут быть смещены электростатическим потенциалом.
Решение с использованием МЭМС является особенно удобным для сенсорной системы датчика с «холодным пуском» и выполнения полного измерения, используя один импульс света. Это можно осуществить потому, что модуляция длин волн может быть настолько быстрой, что дрейфовый или низкочастотный шум можно отфильтровать, и потому что «активная» и «опорная» полосы длин волн измеряют с использованием точно такого же пути света. Дрейф, неоднородность и другие источники ошибок будут влиять на оба измерения в равной степени.
Настоящее изобретение не ограничивается адаптируемым фильтром, характеризующимся только двумя состояниями; он может характеризоваться тремя или более состояниями. Это могло бы обеспечить несколько состояний измерения/опорных состояний, например, чтобы позволить измерять концентрации разных предопределенных газов или вносить поправку на (компенсировать) присутствие конкретного мешающего газа или иного известного типа возмущения спектра.
Таким образом, согласно нескольким вариантам осуществления адаптируемый фильтр характеризуется наличием нескольких состояний измерения, в каждом из которых он пропускает по меньшей мере одну полосу длин волн, которая поглощается газом, и для каждого измерения по меньшей мере одного опорного состояния, в котором полоса длин волн, соответствующая состоянию измерения, претерпевает затухание относительно указанного состояния измерения. Датчик мог бы быть скомпонован так, чтобы в каждом импульсе использовалось каждое состояние измерения, или в разных импульсах могли использоваться разные состояния измерения, например, разные газы могли бы быть измерены в чередующихся импульсах света.
Адаптируемый фильтр мог бы характеризоваться, например, унитарной конструкцией, которая характеризуется несколькими положениями, или мог бы содержать несколько фильтрующих элементов, каждый из которых характеризуется двумя или более состояниями и предназначен для предоставления требуемых общих состояний. В любом случае МЭМС предпочтительна.
В том значении, в каком он используется в настоящем описании, термин «импульс» применительно к свету предназначен означать временное излучение или увеличение светового выхода. Никакая конкретная форма импульса не подразумевается, и вовсе необязательно, что вне импульсов нет излучения света. Длительность (ширина) импульса может быть определена как период времени, в течение которого свет выше предопределенного порога. Согласно некоторым вариантам осуществления ширина импульса может быть между 5 миллисекундами и 5 секундами, например, между 10 и 1000 миллисекундами.
Как уже отмечалось, частота импульсов может быть нерегулярной, если измерение спорадическое или по требованию. Альтернативно, оно может быть регулярным, например, менее одного раза каждые 10 секунд, или менее одного раза каждые 30 секунд, или менее одного раза в минуту, или менее одного раза в час, или менее одного раза в сутки.
Источником света мог бы быть тепловой источник, такой как лампа накаливания или нагретая мембрана, или твердотельный источник, такой как диод. Важно, чтобы этот источник излучал свет в обеих полосах длин волн - измерительной и опорной.
Адаптируемый фильтр мог бы переключаться между его опорным состоянием и состоянием измерения или vice versa всего лишь раз в течение импульса. Предпочтительно, он регулярно переключается между указанными состоянием измерения и опорным состоянием несколько раз в течение каждого импульса. Согласно некоторым вариантам осуществления он может переключаться более 10 раз за импульс, например, более 25 раз или более 50 раз за импульс. Число переключений может быть отрегулировано для обеспечения требуемого уровня точности.
Согласно нескольким вариантам осуществления датчик измеряет скорость, с которой изменяется во времени выходной сигнал из детектора в течение отсутствия входного сигнала, известный как «темный уровень» детектора. Это обеспечивает более точное измерение концентрации газа, поскольку на эти изменения можно делать поправки.
Далее исключительно в качестве примера описан один предпочтительный вариант осуществления изобретения со ссылками на чертежи, где:
на фиг. 1а и 1b представлены схемы, показывающие известный датчик с двойной компенсацией во время измерений чистого воздуха и значительного количества предопределенного газа, соответственно;
на фиг. 2а и 2b представлены схемы, показывающие предлагаемый датчик во время измерений чистого воздуха и значительного количества предопределенного газа, соответственно;
на фиг. 3 представлен график, показывающий два состояния фильтрующего элемента и их связь со спектром поглощения измеряемого газа;
на фиг. 4 представлена схема, показывающая выходные сигналы, зарегистрированные детектором в разных обстоятельствах;
фиг. 5 представляет собой блок-схему, показывающую компоненты предлагаемой сенсорной системы;
на фиг. 6 представлено изображение части адаптивного МЭМС-фильтра;
на фиг. 7 представлен более подробный разрез фильтра; и
на фиг. 8 представлен ряд графиков, показывающих изменение определенных параметров во время работы.
Рассмотрим в начале фиг. 1 и 2, на которых можно видеть сравнение между известным датчиком с двойной компенсацией, представленным на фиг. 1а и 1b, и одним вариантом осуществления изобретения, представленным на фиг. 2а и 2b. Система с двойной компенсацией, показанная на фиг. 1а, обычно реализована на базе серийно выпускаемых детекторов для применений, связанных с безопасностью. В этой системе с двойной компенсацией два источника света A1, A2 и два детектора B1, B2 обеспечивают, что, например, загрязнение оптики, дрейф источника света, температура оказывают минимальное влияние на измерения. Используют два разных фильтра С1, С2. Один фильтр С1 пропускает полосу длин волн, которую поглощает измеряемый газ. Другой фильтр С2 является опорным фильтром, пропускающим соседнюю полосу длин волн.
Как можно видеть на фиг. 1b, свет из инфракрасного источника A2 проходит через измерительный объем D и затем на лучерасщепитель Е, в результате чего он попадает на оба фильтра С1 и С2. Если интересуемый газ присутствует, он будет поглощать свет определенных длин волн. Свет из другого инфракрасного источника A1 не проходит через измерительный объем D, а падает непосредственно на лучерасщепитель Е и далее на оба фильтра С1 и С2.
Поглощение газом приведет к ослаблению сигнала, обнаруживаемого первым детектором B1, но никак не повлияет на сигнал на опорном детекторе B2. Разница между сигналами на соответствующих детекторах может быть использована для расчета концентрации газа. Эти детекторы обычно эффективны и надежны в случаях применения с особыми требованиями к безопасности. Однако использование двух источников и двух детекторов делает их относительно дорогими для изготовления, и при работе они требуют относительно большого количества энергии. Кроме того, они требуют определенного времени разогрева для достижения установившегося состояния с равномерной температурной модуляцией источника, необходимой для надежных измерений.
Один вариант осуществления настоящего изобретения показан на фиг. 2а и 2b. В этом случае используют лишь один инфракрасный источник 2 и один детектор 4. Свет проходит из источника 2, через зеркало 8 и адаптивный МЭМС-фильтр 6 к детектору 4. Как показано на фиг. 2b, он дважды проходит через измерительный объем 10, хотя этот момент несущественен. При использовании фильтрующий элемент 6 повторно переключают между двумя разными состояниями, и при этом выходящий свет характеризуется одной из двух возможных длин волн, связанных с соответствующими состояниями. Одни из этих длин волн представляют собой полосу поглощения интересуемого газа, другие нет. Таким образом, как раньше, концентрацию газа можно рассчитать по выходному сигналу детектора 4 в соответствии с двумя соответствующими состояниями. Однако в отличие от известного устройства путь света для обеих длин волн - опорных и активных - является одним и тем же, и нет лучерасщепителей. Если источник характеризуется неравномерной интенсивностью, на оптических поверхностях имеет грязь, или изменяется отклик детектора, на оба измерения оказывается одинаковое влияние. Фильтрующий элемент 6 является голографическим, благодаря чему свой вклад как в активные, так и опорные измерения вносят все пути света. Переключение между двумя состояниями является настолько быстрым, что любым источником варьирования/дрейфа можно пренебречь.
На фиг.3 представлены спектры отражения фильтрующего элемента 6 в двух его состояниях. Сплошной линией 12 показан спектр отражения фильтра в состоянии измерения. На этой фигуре видно, что в этом состоянии есть один центральный пик длин волн, совпадающий с пиком спектра поглощения 14 углеводородного газа (показанного наложенным в верхней части фиг. 3). Следовательно, в состоянии измерения фильтр пропускает полосу длин волн, которые поглощаются газом. Следовательно, на свет в этой полосе длин волн будет влиять концентрация газа, поскольку она будет влиять на то, сколько его поглощено.
Однако, когда фильтрующий элемент переключен в свое опорное состояние, характеристики фильтра изменяются, как показано пунктирной линией на фиг. 16, и свет проходит двумя полосами по обе стороны от пика в спектре 14 поглощения, и полоса длин волн, ранее пропускавшаяся в состоянии измерения (с центральным пиком), претерпевает значительное затухание по сравнению с тем состоянием. Поскольку в опорном состоянии полоса пропускания из состояния измерения претерпевает затухание, концентрация газа не будет оказывать значительного влияния на проходящий свет, поскольку проходящий свет не будет значительно поглощаться газом.
Показанный спектр 14 поглощения является чисто иллюстративным и для разных газов может отличаться, например, может характеризоваться наличием более одного пика поглощения.
На фиг. 4 представлена упрощенная иллюстрация интенсивностей полос длин волн (слева) и выходного сигнала фото детектора 4 (справа) для разных ситуаций. Полосы R - это опорные полосы, а полоса А - это активная полоса. Таким образом, при отсутствии углеводородного газа в воздухе активная и опорные полосы одинаковы, и сигнал фотодетектора не модулирован переключением фильтрующего элемента 6.
В случае присутствия углеводородного газа свет в активной полосе из-за поглощения газом ослабевает по сравнению с опорной полосой. Это показано как модуляция сигнала фотодетектора, соответствующая переключению между двумя состояниями. Амплитуда модуляции может быть использована вместе с разницей выходного сигнала детектора при включенном источнике для расчета концентрации газа.
Если источник или оптика загрязнены, то пропускание света в обеих полосах будет ослаблено в равной степени и будет иметь место постоянное ослабление сигнала фото детектора без модуляции.
Если между двумя измерениями температура источника изменится, это даст разные абсолютные обнаруженные уровни, но модуляции опять не будет, и, таким образом, ложного показания удается избежать.
Наконец, при отсутствии сигнала из-за отказа источника или заблокированного луча, влияние на опорные и активную полосы опять-таки будет в равной степени.
Система показана на фиг. 5 в виде блок-схемы. Блок «Оптический датчик» представляет аппаратуру оптического датчика, управляемую микроконтроллером. Свет, излучаемый из источника 2, выходит через окно в измерительную ячейку 10. После возвращения из измерительной ячейки 10 он фильтруется МЭМС-фильтром 6 (модуль «Фильтр») и сфокусируется на фотодетектор 4. Порты с левой стороны подсоединены к микроконтроллеру.
Свет проходит следующие стадии. Первая стадия - генерирование. Источник 2 излучает широкополосное излучение с интенсивностью и спектральным распределением, определяемыми температурой нити накала. Линза (не показана) собирает свет для выхода в измерительную ячейку 10.
Вторая стадия - поглощение. Излучение дважды проходит через измерительный объем 10, возвращаясь в окно и входное отверстие после отражения в наружном зеркале 8. Любые присутствующие углеводороды будут вызывать затухание излучения в полосе длин волн примерно 3,3 мкм, в то время как другие газы, загрязнители и грязная оптика будут вызывать затухание в более широком диапазоне длин волн.
Третья стадия - фильтрование. Управляемый напряжением оптический МЭМС-фильтр попеременно выбирает полосу измерений длин волн 3,3 мкм и двойную опорную полосу с пиками по обе стороны полосы измерений 3,3 мкм.
Четвертая стадия - детектирование. Фотодетектор 4 измеряет отфильтрованный свет синхронно с модуляцией фильтра. Сигнал усиливается и отбирается микроконтроллером.
На фиг. 6 и 7 адаптивный МЭМС-фильтр показан подробнее. Оптическая поверхность фильтрующего элемента 4 представляет собой дифракционный оптический элемент (ДОЭ), который вначале сфокусирует свет в одной полосе длин волн. Для перехода из одного состояния фильтра в другое оптическая поверхность сегментирована на полосы подвижных 303 и неподвижных 301 поверхностей (это подробнее описано со ссылками на фиг. 7). Разница высоты между этими поверхностями определяет степень конструктивной (усиливающей) или деструктивной (ослабляющей) интерференции дифрагированного света. Для деструктивной интерференции при центральной длине волны 3,3 мкм необходима разница 830 нм или λ/4. Смещение и разницу высот достигают электростатической активацией подвижных поверхностей 303, которые присоединены к пружинам 305 и подвешены над подложкой 304. Восстанавливающая сила от прогнутых пружин 305 уравновешивает электростатическую силу, пока не будет достигнуто критическое смещение, и вся рама 305 притягивается к подложке 304. После этого результирующая разница высот определяется глубиной вытравленного углубления в подложке.
На фиг. 7 показан разрез фильтра. Неподвижные и подвижные поверхности, описанные выше, обеспечивают чередующиеся неподвижные бруски 102 и подвижные бруски 103. Наверху каждого бруска имеется рельеф 101 дифракционной решетки. Неподвижные бруски 102 прикреплены к подложке 105 посредством, например, присоединения методом сплавления к слою 106 оксида кремния, а подвижные бруски 103 выполнены с возможностью перемещения в вытравленных углублениях 107 до упоров 108.
Фильтрующий элемент электрически эквивалентен конденсатору с емкостью, управляемой напряжением, которой характеризуется вначале емкостью типично в диапазоне 100-300 пФ, которая увеличивается при прикладывании напряжения. Микроконтроллер генерирует цифровую прямоугольную волну, которая управляет однополюсным двухпозиционным переключателем, выход которого изменяется между 0 В и 24 В. 24 В генерируются повышающим регулятором. Для измерения электрического тока в конденсатор и из него в целях самоконтроля используют резистор считывания. Такое решение является преимущественным, поскольку оно позволяет выполнять определение, когда фильтрующий элемент не работает. Это важно с точки зрения безопасности, поскольку если в описанных вариантах осуществления фильтр не будет функционировать, будет выдан ложный отрицательный сигнал даже при присутствии газа.
На фиг. 8 показана работа оптического датчика. Если смотреть по горизонтальной оси времени, в точке I происходит включение оптического датчика. В течение периода между точкой I и точкой II предварительно нагревают источник света. На следующей стадии до точки III изменяют «темные» уровень и наклон. После этого до точки IV источник нагревают. На окончательной стадии от точки IV до точки V измеряют модуляцию.
График А иллюстрирует сигнал фотодетектора. График, помеченный альфа, - это сигнал при отсутствии газа. График, помеченный бета, - это сигнал, полученный при считывании высокой концентрации газа. График, помеченный гамма, - это экстраполированный темный сигнал, который используют для расчета откорректированных значений S_SRC (увеличение полученного сигнала в результате пропускания света через измерительный объем) и S_MOD (амплитуда модуляции на полученном сигнале, соответствующая поглощению света газом в режиме измерения), которые дополнительно пояснены ниже.
График В иллюстрирует сигнал, генерируемый микроконтроллером для управления работой фильтрующего элемента. Когда сигнал управления фильтром высокий, фильтр находится в опорном состоянии; когда управляющий сигнал снижается, фильтр переключается в состояние измерения.
График С иллюстрирует дискретизацию сигнала. Вначале темный сигнал дискретизируют для расчета уровня и наклона кривой гамма, показанной на графике А. Затем сигнал дискретизируют синхронно с переключением фильтра. В каждом цикле могут быть более двух выборок, но для простоты показана лишь одна пара выборок на цикл. Значения S_SRC и S_MOD рассчитывают по выборочным напряжениям и экстраполированному темному сигналу. При измерении, показанном на этой фигуре, S_SRC и S_MOD являются постоянными, но если мощность источника непостоянна, они могут изменяться. Это изменение будет оказывать малое влияние на измерение, если будут использовать средние значения S_SRC и S_MOD.
Наконец, график D иллюстрирует сигнал из микроконтроллера, управляющий источником света. Вначале, как уже отмечалось, источник предварительно нагревают до температуры, достаточно низкой, чтобы не быть измеренной детектором. Стадия предварительного нагрева сокращает время между точками III и IV (время нарастания), что является преимущественным для точности измерений и потребления энергии. После измерения темного сигнала напряжение источника ступенчато или непрерывно изменяют до достижения правильной температуры источника. В показанном примере при измерении модуляции прикладывают напряжение постоянной величины. Однако в принципе при измерении модуляции напряжение источника может регулироваться.
Чтобы рассчитать концентрацию газа, необходимы следующие переменные: интенсивность (сила) импульса света (S_SRC) и амплитуда модуляции света (S_MOD). Кроме того, естественно, необходимы сведения о системе, такие как длина оптического пути в измерительном объеме, характеристики модулированного фильтра, приблизительный спектр источника и спектральная характеристика фотодетектора. Сведения о системе частично получают расчетом, а частично определяют калибровочными измерениями.
Предпочтительный способ определения концентрации газа по измеренным сигналам - по отношению S_NORM=S_MOD/S_SRC. Знак S_MOD зависит от того, находится ли этот параметр в фазе с сигналом управления фильтром на графике В. При отсутствии газа величина S_MOD (и, следовательно, S_NORM) близка к нулю. Затем рассчитывают калиброванный сигнал S_CAL как S_CAL=GAIN_S(T)*(S_NORM-S_0(T)), где S_0(T) и GAIN_S(T) используются для поправки на температурный дрейф и индивидуальные различия между фильтрами. Коэффициенты определяют по калибровочным измерениям с использованием известной газовой смеси в диапазоне температур. Концентрация газа представляет собой нелинейную функцию S_CAL.
При измерении темный уровень фотодетектора S_DET может дрейфовать в значительном степени, что приведет к ошибке измерения как S_SRC, так и S_MOD. Для внесения поправки на этот дрейф согласно этому варианту осуществления измеряют скорость изменения S_DET, и при расчете S_SRC используют экстраполированное значение.
Хотя в описанном варианте осуществления фильтр характеризуется наличием лишь одного состояния измерения, он мог бы характеризоваться наличием нескольких таких состояний, что позволяло бы измерять концентрации нескольких газов.