Газоанализатор

 

Сущность: газоанализатор содержит фотоприемник 1, опорный 2. первый измерительный 3, второй измерительный 4 светодиоды, оптически связанные с фотоприемником, первый 5. второй 6. третий 7 накопители, управляемый вычитатепь 8, блок управленияЭ, первый источник питания 10, выполненный с возможностью управления, второй 11. третий 12 источники питания измерительный блок 13, выполненный в виде измерителя тока 14, и индикатора 15. 1 - 5 - 8 - 9 - 10 - 14 - 15,1 - 6,1 -7,8-11.4-12. 1ил

(19) RU (11) (51) 5 G 01N21

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Ю

li ( р

1

I Э

CO

4:0 т.й

ОО

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4898805/25 (22) 17.01.91 (46) 15.10.93 Бюл. Йя 37 — 38 (71) Физико-технический институт имАФ.Иоффе;

Хозрасчетный центр научно-технических услуг (72) Матвеев БА.; Стусь Н.M. Талалакин Б.Н.;

Тарасова АА; Борисов С.M. Марков И.И. (73) Физико-технический институт имАФ.Иоффе

РАН; Хозрасчетный центр научно-технических услуг (54) ГАЗОАНАЛИЗАТОР (57) Сущность: газоанализатор содержит фотопри° емник 1, опорный 2. первый измерительный 3, второй измерительный 4 светодиоды, оптически связанные с фотоприемником первый 5. второй 6, третий 7 накопители, управляемый вычитатель 8, блок управпения9, первый источник питания 10, выполненный с возможностью управления, второй 11, третий 12 источники питания, измерительный блок

13, выполненный в виде измерителя тока 14, и индикатора 15. 1 — 5 — 8 — 9 — 10 — 14 — 15, 1 — 6, 1 — 7,8 — 11,4 — 12. 1 ил.

2001388

Изобретение относится к технике газового хозяйства и может быть использовано для определения качественного и количественного сосТВВВ газовых смесей, образуемых в результате жизнедеятельности или выделяемых в процесса работы различных устройств, например, карбюраторных двигателей.

Известен газоанализатор, состоящий из источника и приемника излучения, расположенных в кювете с исследуемой газовой смесью и электронной схеме выделения сигнала, подключенной к приемнику излучения, в котором излучающий диод состоит из излучающих р-и элементов, выполненных в едином корпусе, В известном решении светодиод изготовлен на основе арсенида индия, причем один элемент не легироеан, а второй элемент содержит равные количества ((4,5-5) 10 см ) атомов донорной и

18 -Э акцепторной добавки, например, цинка и серы.

Достоинством известного решения является то, что благодаря использованию светодиодов удалось значительно снизить вес прибора и повысить его надежность по сравнению с гаэоаналиэаторами с накальными источниками. Прибор позволяет измерять концентрацию С02.

Недостатком известного газоаналиэатора является низкая точность и чувствительность, обусловленная низкой эффективностью рабочего светодиода, изготовленного иэ сильнокомпенсированного п=р = (4,5 - 5 ) 10см ) арсенида индия.

18 -3

Кроме того, газоанализатор не позволяет проводить качественный анализ состава газа.

Наиболее близким является гаэоанализатор, содержащий опорный и измерительные светодиоды, соединенные с соответствующими источником питания, фотоприемник, оптически сопряженный с упомянутыми светодиодами, соединенный со схемой выделения полезного сигнала, содержащей измерительный и накопительный блоки.

В известном решении источники излучения выполнены в виде двух светодиодов, излучающих на разных длинах волн, оптическая схема содержит дифракционную решетку и параболические зеркальные отражатели. обеспечивающие фокусировку диспергированного излучения на фотоприемник. Электронная схема блока измерения полезного сигнала содержит блок деления сигналов, причем блок измерений соединен с блоком накопителя сигналов, формируе5

55 мых опорным и измерительным светодиодами.

Достоинством известного решения является возможность проведения экспрессного анализа газовых смесей, что достигается за счет использования малоинерционных источников и приемника излучения.

Недостатком известного газоанализатора является высокое энергопотребление, Это вызвано тем, что в известном решении в течение всего процесса измерения через измерительный и опорный светодиоды протекает большой ток (среднее значение до

150 mA).

Целью изобретения является уменьшение энергопотребления газоанализатора

На чертеже приведена блок схема газоанализатора.

Газоаналиэатор содержит фотоприемник 1, оптически сопряженный со светодиодом, опорный светодиод 2, измерительные светодиоды 3, 4, блок накопления сигналов

5, 6, 7, управляемый блок вычитания опор- ного и измерительных сигналов 8, блок управления источником питания опорного светодиода 9, источник питания опорного светодиода 10, источники питания измерительных светодиодов 11, 12, измерительный блок 13, узел измерения тока 14, протекающего через опорный светодиод, система индикации тока 15. схема выделения полезного сигнала 16.

Газоанализатор работает следующим образом, От источников питания 10, 11, 12 nooseредно подаются импульсы тока, которые преобразуются светодиодами (2, 3, 4) в световые импульсы с разными длинами волн

Я р, Я э il 4, одна из которых соответствует области спектра в которой анализируемые вещества не имеют полос поглощения, так как является длиной волны опорного светодиода. После преобразования электрических импульсов в световые импульсы последние фокусируются на фотоприемник

1 и преобразуются в опорный и измерительный сигналы, накапливаемые в узлах накопления 5 и 6. 7 соответственно.

С одного из выходов блока накопления

5-7 на вход блока вычитания подаются опорный сигнал Uz и один из измерительных сигналов, например, сигнал Оэ с блока 6. С выхода блока вычитания 8 разность сигналов (Uz-Оз) подается на выход блока управления ис очником питания опорного светодиода 9. в котором анализируется величина и знак разности (Uz-Оз). При (Uz-Оз) > 0 блок управления уменьшает ток через

2001388

55 опорный светодиод, при (Uz-03) < 0 — увеличивает его. В результате беэ а <ализируемого газа (т.е. калибровке) устанавливается состояние Uz=Uq. В газоанализатор подается газовая смесь, при этом иэ-за поглощения излучения измерительного светодиода

3 уменьшается величина сигнала Оз и разность (Uz-Оз) становится положительной.

Это побуждает схему уменьшить ток через светодиод до нового стационарного значения 1 2, которое, как установлено нами, явх ляется мерой концентрации газа в газовой смеси. С узла измерения тока 14 сигнал I z х поступает в систему индикации тока 15, где с помощью вычислительного устройства и предварительно введенной в память устройства зависимости X = f(l z), осуществлях ется вывод концентрации газа (х) на индикаторную панель.

Гаэоанализатор был реализован в лабораторных электронных полупроводников

ФТИ им. А.Ф.Иоффе AH СССР.

На оптической плите на расстоянии 5 см друг от друга были смонтированы оптически сопряженные фотоприемник ФР-611, изготовленный объединением "Позитрон", и светодиоды, снабженные параболическими отражателями, излучающие ><а длинах волн

3,32 мкм (измерительный канал) и 2,9 мкм (опорный канал). Излучающая поверхность светодиодов имела площадь 500 х 500 мкм.

В схеме выделения полезного сигнала блоки накопления были изготовлены по известным схемам и соединены через предварительный усилитель 548 УН! с фотоприел<ником. Блок вычитания был реализован на основе аналого-цифровых преобразователей ФК71-2, находящихся в составе комплекса крей Кал<ак — ДВК-3, соединенных с выходом синхронных детекторов. Блок управления источником питания опорного светодиода был реализован на основе цифро-аналогового преобразователя ФК-70, соедиi

Камак Щ31 (схема индикации тока). Схема содержала генератор переклю <ения каналов (на чертеже не показан), используемый для поочередного включения источников питания светодиодов и соединенный с ними. Генератор является внешним устройством по отношению к газоанэлиззтору.

Генератор переключения каналов поочередно включает блоки питания опорного и измерительного светодиодов, форл<ирующих импульсы токов 1= 7 А, длительностью

t- 20 мкс и частотой повторения 30 Гц. Све5

45 товые импульсы формируют на фотоприемнике опорный и материальный сигналы, выделяемые синхронными детекторами и направляемые на входы аналого-цифровых преобразователей. По программе, загруженной в ОЗУ ДВК 3. определялась разность чисел, соответствующих величине напряжения на выходах синхронных детекторов (Uz-Оз). При (Uz-Оз) 0 в блок ФК-70 записывается число, меньше записанного ранее, при (Uz-Оз) 0 в блок ФК-70 записывается число, большее записанного ранее. С блока ФК-70 на управляемый электрод тиристора блока питания опорного напряжения подается напряжение, открывающее тиристор при (Uz-Оз) 0 и запирающее тиристор при (Uz-Оз) О. Организованная таким образом обратная связь устанавливала такое значение тока через опорный светодиод

I 2, при котором опорный и измерительный сигналы были одинаковы Uz-Оз = О. Ток 1 о определялся по напряжению на эталонном сопротивлении вольтметром Щ31, а его значение I =7.6 А заносилась в память ДВК-З. о

После этого в камеру, содержащую светодиоды и фотоприемник, напускалась смесь воздуха и метана. Иэ-за поглощения света на длине волны (= 3,3 мкм происходило временное нарушение баланса сигнала Uz u

Оз, которое восстанавливалось через 2 с. при HoBQM значении тока через опорный светодиод I z=3,1 А. Измеренное и записанх ное в памяти значение 1 z сопоставлялось с х таблицей значений 1 z и концентрацией мех тана Х<, полученной иэ независимых измерителей с помощью газосмесительной установки. Определенная по таблице концентрация метана Х=0,022 выводилась на и а н ел ь бл о ка Ф К-700.

Опорный светодиод имел линейную зависимость между интенсивностью излучения и величиной тока через светодиод.

Поэто <у концентрация газа (x) связана с токол< (I z), обеспечивающим вышеупомянух тый баланс сигналов (Uz 03) соотношением

Х= — — Iп (1 /12), где а — коэффициент поглощения газа на длине волны измерительного светодиода (iz);

d — расстояние между светодиодом и фотоприемником (оптический путь).

I z — ток через светодиод в стационаро ном состоянии в отсутствии измеряемого газа (при калибровке).

Таким образом, средняя мощность, потребляемая двумя светодиодами, при рабо2001388

Составитель Н.Струсь

Редактор Н.Соколова Техред М.Моргентал Корректор В.Петраш

Заказ 3126

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 г те газо нализатооа гсоставляла величину (I з

Яз) + (I г ехр (- аХб) ) * Иг - 0,042 + 0.028 =

0,07 Вт, где Х вЂ” средняя концентрация газа в процессе измерения, а Вг, Вз — сопротивления светодиодов в прямом смещении при рабочих токах.

В известном газоанализаторе средняя мощность, потребляемая светодиодами, составляет величину (1з) Яз+ (Кз+ (! г) йгг о

0,042+ 0,042 - 0,084 Вт, что в 1,2 раза превышает мощность, потребляемую в заявляемом газоанализаторе.

Нетрудно видеть, что при измерении малых концентраций газа энергетического выигрыша практически нет, в то время как

Формула изобретения гдзодндлиздто, содержащий первый, второй, третий источники питания, к выводам которых подключены опорный, первый и второй измерительные светодиоды, фотоприемник, первый, второй и третий накопители и измерительный блок, причем оптические выходы опорного, первого и второго светодиодов оптически связаны с фотоприемником, выход которого подключен к входам первого, второго и третьего накопителей, отличающийся тем, что, с целью снижения энергопотребления, в непри измерениях больших концентраций зкономия энергии может составить до 50 .

Таким образом предлагаемый газоана5 лизатор позволяет снизить энергопотребление, на счет уменьшения среднего тока через светодиоды, что может быть использованоо для создания целого ряда приборов, например портативных анализаторов угле10 водородов. (56) Авторское свидетельство СССР М

569916, кл, G 01 N 21/61, 1977.

Авторское свидетельство СССР N.

15 1188600, кл, G 01 N 21/61, 1986. го введены индикатор, управляемый блок

20 вычитания, блок управления, измерительный блок выполнен в виде измерителя тока, а первый источник питания выполнен с возможностью регулирования тока, причем, выходы первого, второго и третьего накоГ1ителей подключены к входам управляемого блока вычитания, выход которого подключен к входу блока управления, выход которого подключен к управляющему входу первого источника питания, выход

30 которого подключен к индикатору.