УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В АНАЛИЗИРУЕМОЙ СРЕДЕ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящая полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения концентрации химических веществ в анализируемой среде и могут быть использованы для определения наличия и/или концентрации химических веществ, например таких, как метан, диоксид углерода и др. в промышленных и бытовых условиях.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время известно множество газовых датчиков для определения концентрации газов в окружающей среде. В частности, датчики для определения концентрации такого газа как метан используются в горнодобывающей промышленности для измерения концентрации метана в шахтах. Кроме того, при обеспечении пожарной безопасности на предприятиях используют датчики углекислого газа. Такие датчики, будучи актуальными в производстве и в промышленности для измерения концентрации целевых газов, становятся актуальными для бытового применения.  С ухудшением экологической обстановки в крупных городах все чаще возникает необходимость использования подобного рода датчиков в бытовых условиях. Подобные сценарии применения обуславливают собой необходимость использовать простые в изготовлении и эксплуатации устройства, имеющие невысокую стоимость, но при этом обладающие требуемой точностью измерений.
В заявке на патент KR 20180064724 A (G01N21/35, публ. 15.06.2018, LG ELECTRONICS INC)е раскрыт газовый датчик, в котором источник излучения и приемник излучения лежат в одной плоскости, а система отражателей обеспечивает прохождение оптического излучения параллельно указанной плоскости по меньшей мере на части оптического пути с многократным переотражением. Кроме того, система отражателей выполнена модульной для установки дополнительных источников и приемников излучения. Универсальность такого датчика с возможностью надстройки дополнительных источников и приемников приводит к сложной конструкции, подверженной возможным люфтам и нарушению оптического пути излучения, что в свою очередь влияет на точность измерения.
Из патента US 7880886 B2 (G01N21/00, публ. 01.02.2011, Robert Bosch GmbH), выбранного в качестве прототипа, известен газовый датчик для измерения концентрации газов в системе контроля климата транспортного средства, содержащий основание с закрепленной на нем крышкой, между которым образована измерительная камера. В указанной измерительной камере размещен источник инфракрасного излучения, представляющий собой светодиод, и согласованный с ним приемник инфракрасного излучения, разнесенные в продольном направлении основания. На подложке закреплена крышка, на внутренней поверхности которой выполнены две отражающие параболические поверхности, расположенные на концах измерительной камеры и выполненные с возможностью переотражения излучения от источника инфракрасного излучения к приемнику инфракрасного излучения. В непосредственной близости с источником инфракрасного излучения установлено экранирующее устройство, исключающее прохождение излучения от источника к приемнику непосредственно вдоль оптической оси. Однако, использование дополнительных элементов в виде экранирующих устройств усложняет конструкцию устройства, что может усложнить его изготовление и эксплуатацию. Кроме того, данное устройство имеет только одну измерительную камеру и не предназначено для определения концентраций нескольких целевых газов.
Таким образом, техническая проблема заключается в расширении арсенала устройств для определения концентрации химических веществ в анализируемой среде, обеспечивающих одновременное определение концентрации нескольких различных газов, а также подходящих для массового производства.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в создании простой в изготовлении и эксплуатации конструкции устройства, обеспечивающей возможность определения концентрации нескольких химических веществ в анализируемой среде.
Указанный технический результат реализуется посредством создания устройства для определения концентрации химических веществ в анализируемой среде, содержащего основание с цельной крышкой, между которым образованы по меньшей мере две рабочие камеры, в каждой из которых размещен источник инфракрасного излучения и спектрально согласованный с ним приемник инфракрасного излучения, которые установлены на основании и разнесены друг от друга в продольном направлении основания, при этом каждая рабочая камера имеет две параболические отражающие поверхности, выполненные в крышке, одна из которых выполнена с возможностью приема излучения, поступающего от источника инфракрасного излучения, а другая выполнена с возможностью приема излучения, отраженного от первой параболической поверхности и направления этого излучения на приемник инфракрасного излучения, а источники инфракрасного излучения, расположенные в разных рабочих камерах выполнены с возможностью работы в разных спектральных диапазонах.
Выполнение отражающих поверхностей указанных по меньшей мере двух рабочих камер непосредственно в крышке устройства, а также выполнение крышки цельной позволяет значительно упростить конструкцию устройства, и, следовательно, снизить затраты на изготовление устройства, его сборку и эксплуатацию.
Крышка может быть образована посредством штампования листа материала, посредством фрезерования заготовки или посредством литья.
Источник инфракрасного излучения может быть выполнен с возможностью излучения в диапазоне длин волн 3-4 мкм или 4-5 мкм.
Источник или приемник инфракрасного излучения может быть выполнен на основе полупроводникового диода, содержащего оптическое покрытие на основе сложной полупроводниковой халькогенидной системы, содержащей As, S, Se, и по меньшей мере один галоген, выбранный из группы, содержащей I, Br, Cl. Использование подобного оптического покрытия позволяет значительно сузить диаграмму направленности и увеличить внешний квантовый выход.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее предложенная полезная модель описана более подробно со ссылками на чертежи, на которых:
фиг. 1 схематически изображает вид сбоку предлагаемого устройства для определения химических веществ в анализируемой среде;
фиг. 2 схематически изображает вид сверху крышки, используемой в устройстве для определения химических веществ в анализируемой среде, показанном на фиг. 1.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
На фиг. 1 схематически изображен вид сбоку предлагаемого устройства для определения химических веществ в анализируемой среде согласно одному варианту его осуществления. Предлагаемое устройство содержит основание 1 со встроенной электроникой (на фигуре не показана) и цельную крышку 2, между которыми образованы две измерительные камеры 3 и 4 (фиг. 2). В каждой измерительной камере расположены источник 5 инфракрасного излучения и спектрально согласованный с ним приемник 6 инфракрасного излучения. Источник 5 и приемник 6 установлены на основании и разнесены друг от друга в продольном направлении основания.
Каждая из рабочих камер 3 и 4 имеет рефлектор, образованный частью крышки 2, и имеющий две параболические отражающие поверхности 7 и 8, расположенные на концах камер 3 и 4 таким образом, что источник 5 и приемник 6 находятся по существу в фокусе указанных отражающих поверхностей 7 и 8. Однако возможен вариант реализации, согласно которому источник 5 и приемник 6 могут быть смещены как вдоль оси параболических отражающих поверхностей 7 и 8, так и перпендикулярно к ней. Между отражающими поверхностями 7 и 8 расположена прямолинейная часть 9, в верхней части которой выполнены отверстия 10 для прохождения исследуемой среды. Длина каждой из рабочих камер 3 и 4 определяется расчетом исходя из условий оптимальной длины оптического пути для детектирования конкретного газа. При этом фокальный параметр отражающей параболической поверхности определяется с учетом общей длиной рефлектора, а также допустимого внешнего диаметра рефлектора. Отражающие параболические поверхности в общем случае представляют собой эллиптический параболоид, а в частном, параболоид вращения.
Как показано стрелками на фиг. 1, луч света от источника 5, испытав отражение последовательно от параболической отражающей поверхности 7, а затем от параболической отражающей поверхности 8, падает на приемник 6.
При этом источники инфракрасного излучения, расположенные в разных рабочих камерах выполнены с возможностью работы в разных спектральных диапазонах. В частности, один источник инфракрасного излучения может работать в диапазоне длин волн 3-4 мкм, т.е. может использоваться для определения концентрации метана, основная полоса поглощения которого в инфракрасной области составляет 3,2-3,4 мкм, а другой источник может работать в диапазоне длин волн, например, 4-5 мкм и использоваться, например, для определения концентрации диоксида углерода, основная полоса поглощения которого в инфракрасной области составляет 4,2-4,3 мкм. Специалисту понятно, что предлагаемое устройство может быть легко приспособлено для работы с другими видами газов посредством выбора соответствующих источников и приемников инфракрасного излучения, а также изменения параметров рабочих камер, в частности рефлекторов, сформированных в крышке.
Для изготовления крышки 2 могут быть использованы различные технологии, в частности штампование листа материала, фрезерование заготовки, литье или литье под давлением. При этом в качестве материала для изготовления крышки 2 может быть использован как метал, например, сталь, сплавы алюминия и другие материалы, так и пластмасса. В случае использования пластмасс осуществляют металлизацию внутренней поверхности крышке в области камер 3 и 4 посредством гальванизации, вакуумного напыления, магнетронного напыления и других известным способов.
Предложенная конструкция позволяет сократить расстояние между источником и приемником и при этом удлинить световой путь, и, следовательно, обеспечить более высокую чувствительность устройства при сохранении его компактных размеров.
Основание 1 содержит электронный блок, в состав которого может входить: микропроцессор; импульсный источник тока для питания светодиодов, связанный с микропроцессором; блок дифференциального усилителя напряжения на p-n переходе светодиода, используемого для определения концентрации одного газа, например, метана; блок дифференциального усилителя напряжения на p-n переходе светодиода, используемого для определения концентрации второго газа, например, диоксида углерода; блок предварительного усилителя фотодиода, используемого для определения концентрации одного газа, например, метана; блок предварительного усилителя фотодиода, используемого для определения концентрации второго газа, например, диоксида углерода; блок схемы выборки и хранения для синхронного детектирования температурного сигнала и сигналов фотодиодов, связанный на входе с указанными блоками дифференциального усилителя напряжения и блоками предварительно усиления фотодиодов, и связанный на выходе с микропроцессором.
Источник и приемник инфракрасного излучения могут быть выполнены на основе полупроводникового диода для среднего инфракрасного диапазона спектра содержащий по меньшей мере один полупроводниковый чип, выполненный на основе гетероструктуры, имеющий токопроводящие контакты и размещенный на теплопроводной основе, а также оптическое покрытие из материала на основе сложной полупроводниковой халькогенидной системы, содержащей As, S, Se, причем халькогенидная система может дополнительно содержать по меньшей мере один галоген, выбранный из группы, содержащей I, Br, Cl. Указанная гетероструктура может представлять собой, например, структуру типа InAs/InSbP/InAsSbP. Нанесение оптического покрытия из халькогенидного стекла позволяет сузить диаграмму направленности примерно до 30° и увеличить внешний квантовый выход до 6 раз. Предложенная конструкция диода может быть использована для создания как светодиодов, так и фотодиодов. При этом в качестве полупроводникового чипа используется соответственно светодиодный чип или фотодиодный чип.