ГАЗОАНАЛИЗАТОР И ОПТИЧЕСКИЙ БЛОК, ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ В НЕМ
GAS ANALYSER AND OPTICAL UNIT USED THEREIN

Настоящее изобретение относится к измерительной технике, конкретно к приборам контроля содержания углеводородов в атмосфере. Эти приборы представляют собой измерительные устройства, преимущественно портативные, с помощью которых можно вести непрерывный контроль уровня взрывоопасных концентраций, например, метана в производственных помещениях или шахтах, путем измерения и анализа газа, поступающего в предлагаемое устройство из окружающей среды за счет молекулярной диффузии, т.е. без создания принудительного газового потока.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен инфракрасный абсорбционный газоанализатор (патент RU 2292039, МПК G01N 21/61, опубл. 18.02.2005), в дальнейшем - газоанализатор. Он содержит блок управления и оптический блок, в последнем расположены источник и приемник инфракрасного (далее - ИК) излучения. Внутри оптического блока от его входа до выхода из него сформирован канал для прохождения ИК излучения от его источника к его приемнику. Источник ИК излучения установлен на входе в оптический блок, а приемник ИК излучения - на выходе этого блока. Блок управления выполнен с возможностью обработки ИК излучения, принятого приемником с отображением ее результатов. При этом источник ИК излучения имеет сферический зеркальный отражатель. Канал для прохождения ИК излучения образован рабочей и опорной камерами, из которых рабочая камера выполнена в виде полого усеченного конуса с внутренним сферическим зеркальным отражателем и установлена непосредственно внутри опорной камеры на одной оптической оси с источником ИК излучения, а приемник ИК излучения имеет фокусирующее устройство и установлен вдоль оптической оси перпендикулярной к первой. В точке пересечения этих осей размещен зеркальный делитель и вращающийся диск с профильным окном.
У этого газоанализатора имеются существенные недостатки:
- высокое энергопотребление за счет потери значительной части энергии источника ИК излучения на зеркальном отражателе и за счет перекрытия потока ИК излучения диском с профильным окном, а также из-за полезного использования только небольших участков широкого спектра ИК излучения источником;
- низкая надежность в работе из-за наличия многих механических узлов, как, например, вращающегося диска с профильным окном и вращающегося оптического фильтра;
- увеличенные габариты, что, в основном, обусловлено оптическим блоком, представляющим собой разнесенную в пространстве сложную систему с наличием большого числа механических узлов и сферических зеркальных отражателей, расположенных в самых разных частях блока.
Из описания упомянутого изобретения газоанализатора (патент RU 2292039, опубл. 18.02.2005) известен оптический блок. Внутри него, от входа до выхода, сформирован канал для прохождения ИК излучения от его источника к приемнику этого излучения. Источник ИК излучения расположен на входе в канал, а приемник ИК излучения - на выходе из него. При этом канал образован из рабочей и опорной камер, из которых рабочая камера выполнена в виде полого усеченного конуса с внутренним сферическим зеркальным отражателем и установлена непосредственно внутри опорной камеры на одной оптической оси с источником ИК излучения, а приемник ИК излучения имеет фокусирующее устройство и установлен вдоль оптической оси, перпендикулярной к первой. В точке пересечения этих осей размещен зеркальный делитель и вращающийся диск с профильным окном, причем в качестве источника инфракрасного изучения применена соответствующая лампа.
Недостатками этого оптического блока газоанализатора являются:
- низкая надежность в работе, обусловленная наличием механического узла, а именно вращающегося диска с профильным окном в приемнике излучения, а также сложной схемой образования пути прохождения ИК излучения в блоке;
- большие габариты, которые вызваны наличием разнесенной в пространстве сложной системой канала для прохождения инфракрасного излучения с его источником и приемником и соответствующими расположениями концентраторов излучения в нем.
Известен газоанализатор (заявка ЕР 2169384, МПК G01N 21/35, опубл. 31.03.2010). Он предназначен для мониторинга дыхательных газов человека с обеспечением достаточной точности измерения за счет компенсации влияния внешних воздействий на траекторию прохождения излучения. Эта задача в нем решена с помощью использования источника инфракрасного излучения, газовой кюветы, дихроического делителя пучка, анализирующего фильтра, опорного приемника, измерительного приемника. При этом дихроический делитель пучка выполнен с возможностью изменения его угла наклона в зависимости от анализируемого газа. Дихроический делитель пучка установлен под углом 45° к нормалям фотоприемников, которые расположены под углом 90° друг к другу.
Известный газоанализатор предназначен для решения задачи создания многокомпонентного прибора, используемого в стационарных условиях или на передвижных медицинских станциях. К недостаткам известного анализатора следует отнести значительные габариты и высокое энергопотребление.
Известен оптический блок (патент RU 2372606, МПК G01N 21/03, опубл. 10.11.2009), используемый в приборах газового анализа, в котором канал для прохождения инфракрасного излучения выполнен с возможностью концентрации этого излучения на пути его прохождения по каналу и при выходе из него на приемник инфракрасного излучения.
Известный оптический блок не обеспечивает необходимой чувствительности прибора газового анализа.
Известен инфракрасный газоанализатор (патент US 6114700, МПК G01N 21/05, опубл. 05.09.2000) в котором в качестве приемников инфракрасного излучения применены фотогальванические приемники.
Однако использование фотогальванического приемника в известном газоанализаторе не обеспечивает комбинацию высокой обнаружительной способности при высоком быстродействии.
Известно устройство оптического газового сенсора на основе иммерсионных диодных оптопар (патент RU 75885, МПК G01N 21/35, опубл. 27.08.2008), включающее 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. Газовая кювета устройства содержит механические котировочные элементы, светодиод и фотодиод выполнены с использованием иммерсионной оптики (иммерсионные диоды) и жестко связаны с котировочными элементами.
Недостатком известного устройства является применение иммерсионных диодов, которые обладают неконтролируемой несоосностью оптической схемы и диаграмм. Применение иммерсионных диодов приводит к конструктивному усложнению газоанализатора за счет введения котировочных устройств, это ведет к увеличению габаритов.
Известен газоанализатор инфракрасного диапазона (патент RU 2287803, МПК G01N 21/35, опубл. 20.11.2006), содержащий источник электромагнитного излучения в виде светодиодной матрицы, излучающей опорную и рабочие длины волн, расположенную по ходу излучения газовую кювету, основной фотоприемник, установленный на выходе кюветы, для приема излучения опорной и рабочих длин волн, а также блок обработки сигнала, содержащий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выход которого соединен с микропроцессором, устройством индикации. На входе в кювету установлен дополнительный фотоприемник, при этом в качестве обоих фотоприемников используются фотоприемники пироэлектрического типа.
В известном газоанализаторе светодиодная матрица должна обладать высоким быстродействием каждого светодиода, таким, чтобы при реализации питания импульсными токами суммарная мощность была постоянной.
При использовании такой матрицы невозможно обеспечить одновременную концентрацию излучения каждого из светодиодов матрицы на единственном фотоприемнике и одновременно минимизировать габариты оптического блока. К тому же, в известном изобретении источники ИК излучения используются в сочетании с фотоприемниками пироэлектрического типа.
Известен оптический газовый сенсор (патент ЕР 1995586, МПК G01N 21/03, опубл. 26.11.2008), далее - газоанализатор. Он содержит оптический блок, внутри которого от его входа до выхода из него сформированы два изогнутых канала для прохождения ИК излучения, выходящего от источника, расположенного на входе оптического блока и направляемого к его приемнику, установленному на выходе упомянутого блока. Имеется блок управления, соединенный с входом и выходом оптического блока и выполненный с возможностью изменения режимов работы источника ИК излучения и обработки ИК излучения, принятого приемником, с отображением результата. Причем каналы разнесены в пространстве, и их радиусы изгиба вписываются в корпус оптического блока.
Недостатками указанного газоанализатора являются:
- большие потери энергии ИК излучения из-за наличия двух криволинейных каналов для его прохождения, а также из-за необходимости передачи излучения из одного канала в другой, и, соответственно, большая потребляемая мощность;
- инерционность в срабатывании, что обусловлено медленным поступлением газа в эти каналы из-за необходимости обеспечения процесса самодиффундирования газа вовнутрь двух каналов.
Из описания оптического газового сенсора (патент ЕР 1995586, МПК G01N 21/03, опубл. 26.11.2008) - газоанализатора, известен оптический блок, применяемый в нем. Внутри этого блока от входа до выхода сформированы два изогнутых канала, разнесенных в пространстве для прохождения ИК излучения от его источника к приемнику этого излучения. Эти каналы образуют кювету, у которой на входе расположен источник ИК излучения, а на выходе - приемник этого излучения. Каналы выполнены по радиусам, вписывающимся в корпус оптического блока. В эти каналы, за счет естественного самодиффундирования, извне поступает газ. Причем внутренние поверхности стенок канала выполнены отражающими ИК излучение.
Недостатками этого оптического блока являются:
- большие потери энергии ИК излучения из-за наличия двух криволинейных каналов для его прохождения, а также из-за необходимости передачи излучения из одного канала в другой, и, соответственно, большая потребляемая мощность;
- конструктивная сложность, что обусловлено как наличием двух каналов сложной формы, так и необходимостью их увязки в единую кювету с обеспечением поступления в нее газа в процессе его естественного самодиффундирования извне.
Известен интегрированный оптический газовый сенсор (патент GB 2401432, МПК G01N 21/03, опубл. 10.11.2004) - газоанализатор. Он содержит оптический блок. Внутри этого блока от входа до выхода сформирован дугообразный с прямоугольным поперечным сечением канал для прохождения ИК излучения от его источника к приемнику этого излучения. В качестве источника ИК излучения применена лампа накаливания, которая расположена внутри оптического блока на входе в канал, а приемник ИК излучения - на выходе из канала. Причем дугообразный канал своим радиусом вписан в корпус оптического блока. Имеется блок управления, который соединен с входом оптического блока и выполнен с возможностью изменения режимов работы источника ИК излучения и обработки ИК излучения, принятого приемником, с отображением полученных с него результатов.
Это изобретение выбирается в качестве прототипа, так как оно имеет наибольшее число общих существенных признаков с заявляемым газоанализатором и направлено на решение аналогичной с ним задачи.
Недостатками прототипа являются:
- большие потери энергии инфракрасного излучения из-за наличия дугообразного канала для его прохождения, в котором из-за особенностей отражения ИК излучения от криволинейной поверхности внутренних стенок канала происходит сильное рассеивание энергии излучения;
- большая потребляемая мощность, так как в качестве источника ИК излучения применена лампа накаливания, а в качестве приемника ИК излучения - приемник пироэлектрического типа, и, соответственно, блок управления функционирует в режиме низких частот с низкой скважностью;
- низкий уровень регистрируемой приемником энергии ИК излучения из-за большого угла расходимости излучения на выходе из канала и при попадании его на приемник, а также сильного рассеивания энергии ИК излучения из-за наличия дугообразного канала.
Из описания интегрированного оптического газового сенсора (патент GB 2401432, МПК G01N 21/03, опубл. 10.11.2004) - газоанализатора известен оптический блок, внутри которого от входа до выхода сформирован дугообразный канал для прохождения ИК излучения. Причем внутри этого блока на входе в канал установлен источник ИК излучения, а на выходе - приемник этого излучения. Дугообразный канал своим радиусом вписан в корпус оптического блока и имеет прямоугольное поперечное сечение. Его внутренние стенки выполнены со сплошным покрытием, отражающим ИК излучение. В качестве источника ИК излучения применена лампа накаливания.
Этот оптический блок выбран в качестве прототипа, так как он имеет наибольшее число существенных признаков, совпадающих с существенными признаками заявляемого оптического блока газоанализатора, и направлен на решение аналогичной задачи.
Недостатками этого прототипа являются:
- высокое энергопотребление, необходимое для его функционирования, что обусловлено применением в качестве источника ИК излучения лампы накаливания;
- низкий уровень регистрируемого приемником энергии ИК излучения из-за большого угла расходимости излучения на выходе из канала и при попадании его на приемник, а также сильного рассеивания энергии ИК излучения из-за наличия дугообразного канала.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание газоанализатора и оптического блока газоанализатора, которые бы обеспечивали повышенную чувствительность при минимальном энергопотреблении и сохранении малых габаритов, повышенный коэффициент передачи ИК излучения при максимальном использовании энергии.
Поставленная задача в части газоанализатора решается тем, что газоанализатор содержит оптический блок, внутри которого от его входа к выходу из него сформирован канал для прохождения инфракрасного излучения, блок управления, соединенный с входом и выходом оптического блока, и источник инфракрасного излучения, расположенный на входе оптического блока, а также приемник инфракрасного излучения, установленный на выходе оптического блока. Блок управления выполнен с возможностью изменения режимов работы источника инфракрасного излучения и обработки инфракрасного излучения, принятого приемником, с отображением полученных результатов. Согласно настоящему изобретению в оптическом блоке канал для прохождения инфракрасного излучения выполнен с возможностью концентрации этого излучения на пути его прохождения по каналу и при выходе из него на приемнике инфракрасного излучения. В качестве приемника инфракрасного излучения применен быстродействующий дифференциальный фотогальванический приемник с фильтром-зеркалом, спектральная характеристика пропускания и отражения которого согласованы со спектром поглощения измеряемого газа и спектром излучения источника инфракрасного излучения соответственно, расположенным в упомянутом приемнике с возможностью компенсации влияния внешних воздействий на траекторию прохождения инфракрасного излучения по упомянутому каналу на результат измерения концентрации газа. В качестве инфракрасного источника применен быстродействующий источник, у которого скважность включения и выключения согласована блоком управления со скважностью включения и выключения дифференциального фотогальванического приемника.
Такое новое техническое решение всей своей совокупностью существенных признаков позволяет создать новый газоанализатор, который обеспечивает достижение следующих технических результатов:
достигнуть максимальной чувствительности за счет концентрации энергии излучения источника, а также наличия компенсации внешних воздействий на траекторию прохождения инфракрасного излучения по большому оптическому пути в упомянутом канале; а также обеспечить минимальное энергопотребление за счет применения соответствующего быстродействующего импульсного источника инфракрасного излучения и приемника ИК излучения, чьи скважности включения и выключения согласуются блоком управления, а также уменьшением рассеивания энергии излучения.
По сравнению с газоанализатором-прототипом настоящий газоанализатор обладает существенными отличиями, из которых многие также неизвестны. Например, в приемнике фильтр-зеркало расположено с возможностью компенсации влияния внешних воздействий на траекторию прохождения инфракрасного излучения по кювете на результат измерения концентрации газа. Кроме того, у фильтра-зеркала спектральная характеристика пропускания и отражения согласованы со спектром поглощения измеряемого газа и спектром излучения источника инфракрасного излучения соответственно. Более того, блоком управления согласована скважность включения и выключения источника инфракрасного излучения со скважностью включения и выключения дифференциального фотогальванического приемника, принимающего это излучение. Поэтому предлагаемый газоанализатор обладает существенными отличиями.
Согласно настоящему изобретению канал для прохождения инфракрасного излучения выполнен с возможностью концентрации энергии инфракрасного излучения от входа до попадания его на приемник.
В настоящем изобретении решается и задача создания нового портативного газоанализатора, в особенности применяемого для личной безопасности при нахождении в экстремальных условиях, обеспечивающего достижение следующего технического результата, а именно: достижение максимальной чувствительности при одновременном обеспечении минимального энергопотребления и малых конструктивных габаритов. Достижение этих результатов - противоречивая задача. Так для достижения максимальной чувствительности необходимо обеспечить максимальную оптическую длину пути распространения излучения, что подразумевает увеличение конструктивных габаритов устройства. Минимальное энергопотребление противоречит достижению максимальной чувствительности, поскольку необходимо обеспечить прохождение как можно большего количества излучения через кювету по длинному пути ее канала. В настоящем газоанализаторе это противоречие разрешается.
В настоящем газоанализаторе компенсация механических воздействий на траекторию прохождения излучения осуществляется, по меньшей мере, в два этапа. На первом этапе благодаря конструктивному взаиморасположению сферических элементов в кювете, поскольку сферические элементы расположены таким образом, чтобы компенсировать отклонение луча, возникающее при механическом воздействии на корпус кюветы. На втором этапе механическая компенсация происходит на выходе из кюветы благодаря использованию дифференциального приемника, в котором функционально и конструктивно объединены две фоточувствительные площадки, окно-фильтр и фильтр-зеркало. В настоящем изобретении происходит синфазное смещение, то есть если пучок на выходе кюветы сместился, то он сместился на обеих фоточувствительных площадках в одну сторону и на одинаковое расстояние. При этом, как показали эксперименты, удается скомпенсировать угол отклонения траектории луча из-за влияния внешних механических воздействий порядка 10°, что приблизительно в 5-10 раз больше, чем в известном изобретении. Таким образом, в настоящем изобретении успешнее реализуется принцип механической компенсации, потому что, как известно, чем меньше расстояние между центром делителя и фоточувствительной площадкой, тем больше угол падения пучка излучения, который компенсируется такой системой. Кроме того, компенсация происходит в два этапа, что позволяет на втором этапе повысить качество компенсации.
В настоящем изобретении в качестве источника инфракрасного излучения используется источник светодиодного типа с характерным узким спектром излучения. При этом используется приблизительно 80% энергии от источника. Это достигается за счет того, что после прохождения излучения через кювету с анализируемым газом спектр излучения попадает на фильтр-зеркало, которое выполнено таким образом, что на опорный приемник отражается в пределах 51-52% от энергии источника, а на измерительный приемник проходит часть спектра излучения (в пределах 22-23% от энергии источника), содержащей область длин волн, поглощаемую анализируемым газом. Таким образом, в настоящем газоанализаторе осуществляется согласование спектральной характеристики пропускания и отражения со спектром поглощения измеряемого газа и спектром излучения источника инфракрасного излучения соответственно. Это способствует уменьшению электропотребления. При этом суммарный коэффициент использования энергии источника светодиодного типа составляет в пределах 74-75% от энергии источника.
Стоит особенно отметить, что спектр излучения на измерительном и опорном приемнике в настоящем изобретении является согласованным со спектром поглощения анализируемого газа и спектром излучения источника. Спектральная характеристика на измерительном приемнике является согласованной со спектром поглощения газа, но ни спектральная характеристика опорного приемника, ни спектральная характеристика измерительного приемника не являются согласованными со спектром излучения источника
В настоящем изобретении все эти элементы конструктивно и функционально объединены в одном приемном устройстве, причем делитель пучка и анализирующий фильтр объединены в фильтр-зеркало. Оптическая схема в настоящем газоанализаторе обеспечивает многократный выигрыш в эффективности использования энергии инфракрасного излучателя как с точки зрения использования спектральной полосы излучения источника, так и с точки зрения концентрации энергии пучка источника на каждой из фотоприемных площадок. Это крайне важно для решаемой задачи - построения микропотребляющего газоанализатора.
Таким образом, в настоящем газоанализаторе достигается высокий коэффициент передачи энергии ИК излучения при максимальном использовании энергии ИК излучения и при малых габаритах. Малые габариты конструкции настоящего устройства обеспечиваются за счет функционального и конструктивного объединения в едином фотоприемном устройстве фоточувствительных элементов, фильтр-зеркала, окна-фильтра, а также за счет использования оптического блока, в котором канал для прохождения инфракрасного излучения выполнен с возможностью концентрации этого излучения на пути его прохождения по каналу и при выходе из него на приемник инфракрасного излучения, что обеспечивает максимальную чувствительность. Таким образом, создается большая длина оптического пути при малых габаритах кюветы.
Кроме того, настоящий газоанализатор отличается каналом для прохождения инфракрасного излучения в оптическом блоке. Этот канал выполнен с возможностью концентрации излучения на пути его прохождения по каналу и при выходе из него на приемник инфракрасного излучения. При этом в качестве фоточувствительных элементов, составляющих дифференциальный приемник инфракрасного излучения, используются быстродействующие фотогальванические элементы, а в качестве источника инфракрасного излучения - быстродействующий источник. Причем скважность включения и выключения источника согласована блоком управления со скважностью включения и выключения дифференциального приемника.
В настоящем изобретении основным преимуществом при использовании фотогальванического приемника является комбинация высокой обнаружительной способности при высоком быстродействии, поскольку для уменьшения энергопотребления выбранный источник ИК излучения используется в режиме коротких мощных импульсов и при этом необходим быстродействующий приемник, способный уловить эти импульсы. Причем скважность включения и выключения источника согласована блоком управления со скважностью включения и выключения дифференциального приемника.
Кроме того, для малых габаритов и возможности компенсировать влияние механических воздействий на траекторию лучей, попадающих на приемник, в настоящем изобретении применен дифференциальный приемник, в котором функционально и конструктивно объединены фильтр-зеркало и две фоточувствительные площадки гальванического типа. Стоит особенно отметить, что в настоящем газоанализаторе необходимо использование быстродействующего источника инфракрасного излучения именно в сочетании с использованием быстродействующего приемника для достижения минимизации энергопотребления.
Поставленная задача в части оптического блока решается тем, что оптический блок газоанализатора содержит внутренний канал для прохождения инфракрасного излучения, источник инфракрасного излучения, расположенный на входе в канал, и приемник инфракрасного излучения, размещенный на выходе из канала. Согласно настоящему изобретению канал выполнен в виде многоходовой зеркальной оптической кюветы с возможностью концентрации пропускаемого по ней инфракрасного излучения от входа в нее, пути по ней и при выходе из нее на приемник этого излучения. В качестве источника инфракрасного излучения применен быстродействующий импульсный светодиод, создающий направленное инфракрасное излучение на концентратор, находящийся в кювете. Приемник инфракрасного излучения представляет собой быстродействующий дифференциальный фотогальванический приемник с фильтром-зеркалом, спектральная характеристика пропускания и отражения которого согласованы со спектром поглощения измеряемого газа, проходящего по кювете, и спектром излучения источника инфракрасного излучения и с возможностью компенсации влияния внешних воздействий на траекторию прохождения инфракрасного излучения по кювете на результат измерения концентрации газа.
В варианте воплощения оптического блока газоанализатора многоходовая зеркальная кювета образована из плоских отражающих зеркал и сферических или параболических отражающих зеркал, число которых больше чем отражающих плоских зеркал и выполняющих функцию концентратора энергии излучения. В дифференциальном фотоприемнике фильтр-зеркало установлено под углом 45° к нормалям фотоприемников. Источник инфракрасного излучения направлен на первое отражающее сферическое зеркало, ориентированное под соответствующим углом к главной оптической оси кюветы с возможностью передачи энергии излучения по зигзагообразной траектории между зеркалами с формированием изображения источника на плоских зеркалах и на дифференциальном фотоприемнике, содержащем измерительный быстродействующий фотогальванический приемник и опорный быстродействующий фотогальванический приемник, расположенные под углом 90° друг к другу.
Такое новое техническое решение всей своей совокупностью существенных признаков позволяет получить оптический блок газоанализатора, который обеспечивает достижение следующих технических результатов:
- высокий коэффициент передачи ИК излучения, что обусловлено наличием канала для прохождения инфракрасного излучения, представляющего собой многоходовую зеркальную кювету, образованную из плоских отражающих зеркал и сферических или параболических отражающих зеркал, число которых больше чем отражающих плоских зеркал и выполняющих функцию концентратора энергии излучения, а также фильтра-зеркала, чья спектральная характеристика пропускания и отражения согласованы со спектром поглощения измеряемого газа, проходящего по кювете и спектром излучения источника ИК излучения. При этом упомянутый фильтр-зеркало установлен с возможностью компенсации внешних воздействий на траекторию прохождения инфракрасного излучения по кювете, в частности, под углом 45° к нормалям фотоприемников;
- минимальное рассеивание энергии излучения от ее источника до ее приемника, что позволяет максимально использовать передаваемую энергию ИК излучения для определения состава газа;
- малые габариты, что обусловлено соответствующим соединением и применением источника ИК излучения, канала для прохождения этого излучения и его приемником.
Согласно настоящему изобретению эффективное применение многоходовой зеркальной оптической кюветы возможно, если в качестве источника инфракрасного излучения применен быстродействующий импульсный светодиод, и его излучение направлено на концентратор, находящийся в кювете, а приемник инфракрасного излучения представляет собой быстродействующий дифференциальный фотогальванический приемник с фильтром-зеркалом, спектральная характеристика пропускания и отражения которого согласованы со спектром поглощения измеряемого газа, проходящего по кювете, и спектром излучения источника инфракрасного излучения. При этом быстродействующий дифференциальный фотогальванический приемник с фильтром-зеркалом имеет возможность компенсировать влияние внешних воздействий на траекторию прохождения инфракрасного излучения по кювете на результат измерения концентрации газа.
В настоящем оптическом блоке канал для прохождения инфракрасного излучения представляет собой многоходовую кювету. Эта кювета выполнена с возможностью концентрации пропускаемого по ней излучения от входа в нее, пути по ней и при выходе из нее на приемник этого излучения. В качестве источника инфракрасного излучения использован быстродействующий импульсный светодиод, создающий направленное инфракрасное излучение на концентратор. В качестве приемников, составляющих дифференциальный приемник инфракрасного излучения, использованы быстродействующие фотогальванические приемники. Для достижения повышения чувствительности измерений за счет концентрации энергии излучения многоходовая кювета должна быть сориентирована таким образом, чтобы источник инфракрасного излучения был направлен на первое отражающее сферическое зеркало кюветы, ориентированное под соответствующим углом к главной оптической оси кюветы, и с возможностью передачи энергии излучения по зигзагообразной траектории между зеркалами одновременно с формированием изображения источника на плоских зеркалах и на дифференциальном фотоприемнике, а дифференциальный фотоприемник расположен так, чтобы плоскость изображения источника излучения на выходе кюветы совпадала с плоскостью расположения измерительного фоточувствительного элемента, при этом конструкцией фотоприемного устройства автоматически обеспечивается совпадение плоскости изображения источника излучения с плоскостью расположения второго (опорного фоточувствительного элемента). Это способствует достижению заявленного технического результата, а именно повышению чувствительности измерений за счет концентрации энергии излучения.
Настоящий оптический блок, в сочетании с предложенными конструктивными элементами, может быть использован наиболее эффективно, так как обеспечивает не только компенсацию механических влияний внешних воздействий на измерения, но и, как было отмечено ранее, уменьшает габариты всего устройства.
Использование полупроводниковых элементов в настоящем газоанализаторе в качестве приемника и источника излучения со свойствами высокого быстродействия и низкого энергопотребления необходимо, но недостаточно для достижения высокого быстродействия при одновременной минимизации энергопотребления и малых габаритах устройства. Поскольку, например, инфракрасным импульсным светодиодам действительно свойственно высокое быстродействие, но низкое энергопотребление таких источников обеспечивается только при соответствующих режимах питания. В настоящем изобретении большую роль в этих вопросах играет функционирование блока управления.
Именно совокупность существенных признаков способствует достижению высокого коэффициента передачи ИК излучения при максимальном использовании энергии ИК излучения при малых габаритах и с обеспечением прохождения ИК излучения от входа в оптический блок до выхода из него на приемник этого излучения по большому оптическому пути.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Техническая сущность предлагаемого газоанализатора и оптического блока, используемого в нем, поясняется чертежами, где:
Фиг.1 - блок-схема газоанализатора.
Фиг.2 - блок-схема оптического блока.
Фиг.3 - спектр излучения источника.
Фиг.4 - спектр пропускания окна дифференциального фотогальванического приемника.
Фиг.5 - форма спектрального пропускания фильтра-зеркала.
Фиг.6 - форма спектра отражения фильтра-зеркала.
Фиг.7 - временная диаграмма работы основных узлов газоанализатора.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Практическая применимость газоанализатора и оптического блока для него поясняется нижеследующим описанием.
Предлагаемый газоанализатор (Фиг.1) содержит оптический блок 1, внутри которого от его входа 2 к выходу 3 из него сформирован канал 4 для прохождения ИК излучения и блок 5 управления, например, реализованный на базе микроконтроллера 5.1, соединенный с входом 2 и выходом 3 оптического блока 1. Имеется также источник 6 ИК излучения, расположенный на входе 2 оптического блока 1, и приемник 7 ИК излучения, установленный на выходе 3 упомянутого блока 1. Причем блок 5 управления выполнен с возможностью обработки этого излучения принятого приемником 7 ИК излучения, с отображением полученных результатов. В оптическом блоке 1 канал 4 для прохождения ИК излучения выполнен с возможностью концентрации этого излучения на пути его прохождения по каналу 4 и при выходе из него на приемнике 7 ИК излучения, в качестве которого применен быстродействующий фотогальванический приемник с фильтром-зеркалом 10. У этого фильтра-зеркала 10 спектральная характеристика пропускания (Фиг.5) и отражения (Фиг.6) согласованы со спектром поглощения измеряемого газа (на чертеже не показан) и соответственно спектром ИК излучения (Фиг.3) источника 6 ИК излучения. Фильтр-зеркало 10 расположено в приемнике 7 ИК излучения с возможностью компенсации внешних воздействий на траекторию прохождения ИК излучения по упомянутому каналу 4, а в качестве источника 6 ИК излучения применен быстродействующий источник, чья скважность включения и выключения согласована блоком 5 управления со скважностью включения и выключения в приемнике 7 ИК излучения (дифференциального фотогальванического приемника). Приемник 7 ИК излучения (Фиг.1) подключен на вход блока 5 управления, который может быть реализован, например, на базе микроконтроллера 5.1. В качестве микроконтроллера 5.1 могут быть применены микроконтроллеры нескольких производителей (например, фирмы Texas Instruments серии MSP430 или фирмы ST семейства STM). Блок 5 управления содержит цифровой порт 13 ввода/вывода и аналоговый порт 14 вывода, которые служат для управления газоанализатором и передачи данных пользователю, например в систему безопасности (на чертеже не показана). Газоанализатор может быть размещен в корпусе (на чертеже не показан), на поверхности которого имеются отверстия для доступа газа в оптический блок 1, в частности в его канал 4 для прохождения ИК излучения. Причем отверстия могут быть снабжены защитой от пыли, например пылезащитной решеткой (на чертеже не показано). Как было отмечено выше, оптический блок 1 (Фиг.1, 2) газоанализатора образован каналом 4 для прохождения ИК излучения. На входе 2 оптического блока 1 расположен источник 6 ИК излучения, а на выходе 3 - приемник 7 ИК излучения. В качестве источника 6 ИК излучения применен быстродействующий ИК импульсный светодиод, который установлен на входе канала 4. Канал 4 выполнен в виде миниатюрной многоходовой зеркальной кюветы. Он выполнен с возможностью концентрации пропускаемого по нему ИК излучения от входа в него, пути по нему и при выходе из него, что исключает рассеивание оптического сигнала. На выходе канала 4 установлен приемник 7 ИК излучения. Поперечный размер каустики на выходе канала 4 для всех не гомоцентрических лучей не превышает площади входного окна 15 приемника 7 ИК излучения. Приемник 7 ИК излучения содержит измерительный быстродействующий фотогальванический приемник 8 и опорный быстродействующий фотогальванический приемник 9, расположенные под углом 90° друг к другу. Между измерительным фотогальваническим приемником 8 и опорным фотогальваническим приемником 9 расположен интерференционный фильтр-зеркало 10 под углом 45° к нормалям фоточувствительных слоев приемников. У этого фильтра-зеркала 10 спектральная характеристика пропускания (Фиг.5) и отражения (Фиг.6) согласованы со спектром поглощения измеряемого газа (на чертеже не показан) и соответственно спектром ИК излучения (Фиг.3) источника 6. Фильтр-зеркало 10 расположено в приемнике 7 ИК излучения с возможностью компенсации внешних воздействий на траекторию прохождения ИК излучения по упомянутому каналу 4. В направлении на опорный фотогальванический приемник 9 фильтр-зеркало 10 имеет спектр отражения (Фиг.6). Тем самым достигается почти полное использование света источника 6 ИК излучения. Наилучшим практическим вариантом исполнения канала 4 является тот, по которому многоходовая зеркальная кювета образована из плоских отражающих зеркал и сферических или параболических отражающих зеркал, число которых больше, чем число отражающих плоских зеркал. Например, кювета содержит два плоских отражающих зеркала 12 (Фиг.1, 2), три отражающие сферические или параболические поверхности 11 и 11', расположенные, например, в шахматном порядке с образованием зигзагообразного оптического пути. Сферические поверхности 11 и 11' выполняют функцию концентратора энергии излучения. Источник 6 ИК излучения направлен на первое отражающее сферическое зеркало, ориентированное под соответствующим углом к главной оптической оси кюветы с возможностью передачи энергии излучения по зигзагообразной траектории между зеркалами с формированием изображения источника на плоских зеркалах и на приемнике 7 ИК излучения. Например, два плоских отражающих зеркала 12 расположены на определенном расстоянии от сферических зеркал 11. Например (на Фиг. 2 расстояния L1 и L2 показаны условно), L1= 2F1, где F1 - фокусное расстояние (на чертеже не показано) сферических зеркал 11. Плоские зеркала 12 могут быть расположены симметрично оптической оси зеркала 11' под углами, обеспечивающими оптимальную передачу света на сферическое зеркало 11', которое может иметь иное фокусное расстояние. Сферическое зеркало 11' установлено так, например, что выполняется соотношение: L2=2F2, где F2 - фокусное расстояние (на чертеже не показано) сферического зеркала 11', а L2 примерно равно 10±2 мм. Предпочтительнее всего вариант, когда плоские зеркала 12 расположены симметрично относительно оптической оси сферического зеркала 11.
Настоящий газоанализатор и оптический блок 1, используемый в нем, представляют собой два устройства. Первый из которых является самостоятельным измерительным прибором, состоящим из оптического блока 1 и блока управления 5. Второй - оптический блок 1, который является составной частью первого устройства и самостоятельно без блока 5 управления не может быть применен. Однако он является основным рабочим блоком первого измерительного прибора и может быть использован в других подобных измерительных приборах. Поэтому принцип работы газоанализатора и оптического блока 1, используемого в нем, описан совместно.
Заявителем разработан и испытан опытный образец заявляемого газоанализатора и оптического блока, используемого в нем. Принцип работы и полученные результаты работы изобретения приведены ниже. Временная диаграмма работы газоанализатора приведена на Фиг.7.
Включают питание газоанализатора, после завершения процессов инициализации микроконтроллера 5.1 в момент времени t0 включается блок 5 управления и подает питание на управляемые предварительные усилители 17 (диаграмма I, Фиг.7). Через t1=75 мкс от начального времени t0 измеряют температуру оптического блока в течение 40 мкс (диаграмма V, Фиг.7). Через время задержки t3 от момента t0 микроконтроллер 5.1 запускает схему 16 управления источником 6 ИК излучения, и формирует токовый импульс длительностью 12-15 мкс (диаграмма II, Фиг.7). А источник 6 ИК излучения формирует поток ИК излучения, форма спектра которого показана на Фиг.3. Источник 6 ИК излучения, установленный на входе оптического блока 1 и подключенный к блоку 5 управления, направляет поток на первое отражающее сферическое зеркало 11, расположенное в канале 4, которое ориентировано под соответствующим углом к главной оптической оси кюветы. Энергия излучения (поток) от источника 6 ИК излучения проходит по зигзагообразной траектории между зеркалами 11 и 12 с и формирует изображение источника на плоских зеркалах 11 и на приемнике 7 ИК излучения. Так поток многократно отражают от плоских 12 и сферических 11 зеркал, расположенных, например, в шахматном порядке с образованием зигзагообразного оптического пути. Измеряемый газ, например метан, поступает из внешней среды в канал 4 посредством молекулярной диффузии через соответствующие отверстия и изменяет спектральную характеристику потока в соответствии со своим спектром поглощения. Измененный под воздействием газа поток поступает на выход канала 4, где установлен приемник 7 ИК излучения. Поток поступает на интерференционный фильтр-зеркало 10, установленный под углом между измерительным и опорным быстродействующими фотогальваническими приемниками 8, 9. Фильтр-зеркало 10 имеет форму взаимообратных спектров пропускания (Фиг.5) и отражения (Фиг.6), так что часть потока источника 6 ИК излучения, поглощаемого анализируемым газом, проходит через окно-фильтр 15 приемника 5 ИК излучения с соответствующей формой спектра пропускания (Фиг.4), затем через фильтр-зеркало 10 поступает на измерительный быстродействующий фотогальванический приемник 8. А часть спектра источника 6 ИК излучения фильтр-зеркало 10 отражает на опорный быстродействующий фотогальванический приемник 9. Причем, спектры поглощения измерительного и опорного быстродействующих фотогальванических приемников 8, 9 соответствуют спектрам, направляемым на них после отражения потока посредством фильтра-зеркала 10. Затем через 7.5 мкс после начала токового импульса источника 6 ИК излучения блок 5 управления начинает оцифровку сигналов быстродействующих фотогальванических приемников 8 и 9, поступающих на реализованный на базе микроконтроллера 5.1 блок 5 управления, входы которого содержат предварительные усилители 17 (диаграмма III, Фиг.7). Сигнал каждого из быстродействующих фотогальванических приемников блок 5 управления цифрует в момент максимального значения сигнала и через 10 мкс после прекращения импульса источника 6 ИК излучения (диаграмма IV, Фиг.7). Амплитуда сигнала измерительного и опорного быстродействующих фотогальванических приемников 8, 9 определяют как разность значений оцифровок. Блок 5 управления на базе микроконтроллера 5.1 производит вычисление отношения амплитуд сигналов измерительного и опорного быстродействующих фотогальванических приемников 8, 9, цифровое накопление с целью увеличения отношения сигнал/шум, а также производит температурную корректировку вычисленного и накопленного отношения, и главное -производит вычисление концентрации измеряемого газа. Периодически блок 5 управления передает информацию о концентрации измеряемого газа пользователю через цифровой и/или аналоговый порты 13, 14, например, в систему безопасности (на чертеже не показана). Весь период измерения занимает порядка 180 мкс. При этом источник ИК излучения находится в активном режиме в течение 12-15 мкс. По окончании этого времени блок 5 управления переходит в "спящий" режим для уменьшения потребления энергии и завершает цикл измерения. Через заданное заранее время, например 2000 мкс от начала времени t0, цикл повторяется.
Импульсная мощность питания источника ИК излучения составляет 300 мВт, но за счет высокой скважности средняя мощность потребления источника ИК излучения не превышает 2.5 мВт. Суммарное потребление газоанализатора не превышает 5 мВт. В результате этим также достигается минимизация энергопотребления.
В силу вышеизложенного можно сделать вывод, что настоящий газоанализатор и используемый в нем оптический блок могут быть применены для измерения концентрации и других углеводородов в атмосфере (для этого необходима соответствующая калибровка блока управления газоанализатора), так как в нем:
- обеспечена большая длина пути излучения за счет соответствующего конструктивного расположения элементов внутри кюветы;
- используется практически вся энергия ИИИ, то есть потери энергии минимальны;
- обеспечена концентрация излучения на приемнике, что способствует повышению чувствительности;
- произведена необходимая настройка режимов работы блока управления, что способствует уменьшению энергопотребления;
- обеспечена компенсация внешних влияний, а именно: механическая стабилизация за счет конструкторского исполнения дифференциального приемника со встроенным фильтр-зеркалом.
Поэтому настоящее изобретение обладает высоким быстродействием и высокой чувствительностью при одновременной минимизации энергопотребления и габаритов, по сравнению с известными ИК газоанализаторами.