CC BY
66
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
УДК 681.586 А.Н. Серьезное
СибНИА им. С.А.Чаплыгина, Новосибирск
Н.Р. Рахимов, Т.В. Ларина, И.Н. Карманов, П.В. Петров
СГГ А, Новосибирск
ОПТОЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА СИГНАЛИЗАЦИИ ПРЕВЫШЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ УГЛЕРОДА В ВОЗДУХЕ
В статье рассмотрена оптоэлектронная система сигнализации превышения предельно допустимой концентрации углерода в воздухе. Приведены ее функциональная схема, временные диаграммы и конструкция первичного преобразователя.
светоизлучающий диод, источники и приемники оптического излучения, оптоэлектронная система.
A.N. Serjoznov
SibNIA of Chapligina, Novosibirsk
N.R. Rakhimov, T. V. Larina. I.N. Karmanov, P.V. Petrov
SSGA, Novosibirsk
OPTOELEKT RONICAL ALARM SYSTEM TO EXCESS OF MAXIMUM PERMISSIBLE CONCENTRATION CARBON IN AIR
In article deals the optoelektronical alarm system to excess of maximum permissible concentration of carbon in air. Its function chart, time diagram’s and a design of the primary converter are resulted.
emitting diodes, emitting diodes, optoelectronic emitting receiver (OER)optoelectronic systems.
В последнее время в России и за рубежом все шире применяют ИК-газоанализаторы, созданные на основе полупроводниковых ИК-излучателей (светодиоды, лазерные диоды) и приемников оптического излучения (фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, приемники с аномально большим (или высоким) фотонапряжением, приборы-приемники с зарядовой частью и т. п.). По своему принципу действия и схематическому решению они аналогичны оптико-акустическим - в них также используется избирательное поглощение ИК-излучения молекулами газа [1, 2].
Первые серийные оптико-акустические газоанализаторы (ОАГ) базировались на двухканальных двухлучевых схемах непосредственного отсчета, в числе которых находится российский прибор ГИП10МБ, предназначенный для определения содержания оксида и диоксида углерода в воздухе производственных помещений и при контроле технологических процессов. Этот прибор содержит два источника ИК-излучения, выполненных в виде нихромовых спиралей, нагреваемых электрическим током. Излучение каждого источника направляется в соответствующий канал. Оба потока синфазно прерываются модулятором и поступают в измерительную и сравнительную кюветы. В измерительную
86
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
кювету подается анализируемая проба, а в сравнительной находится эталонный образец газа. При этом в измерительной кювете происходит избирательное поглощение ИК-излучения, что приводит к появлению выходного сигнала в дифференциальном оптико-акустическом преобразователе (ОАП). Две камеры ОАП разделены мембраной конденсаторного микрофона. Измерительная схема в отсутствие измеряемого компонента сбалансирована с помощью заслонки. Разностный сигнал, поступающий с ОАП, усиливается усилителем и подается на измерительный прибор, отградуированный непосредственно в единицах измерения анализируемого компонента.
Основными недостатками данного анализатора являются относительно низкие стабильность и чувствительность, вызванные старением газа в сравнительной кювете, необходимостью стабилизации источников излучения, загрязнением окон в измерительной кювете, а также необходимостью тщательного конструктивного симметрирования оптических элементов каждого канала измерения. Применение полупроводниковых источников излучения светоизлучающих диодов (СИД) и лазерных диодов (ЛД) в газоанализаторах дает большую возможность создания переносных вариантов последних для непрерывного контроля концентрации газа в воздухе на участках нефтедобычи и нефтепереработки.
В настоящее время разработаны опытные образцы СИД и ЛД на основе гетеропереходов четверных полупроводниковых соединений для измерения концентрации углеводородов [3, 4].
Мощность этих излучающих диодов составляет от 10 до 15 мВт, а ширина спектральной полосы - от 0,05 до 0,08 мкм. Диапазон рабочей температуры окружающей среды составляет от минус 50 до плюс 60 °С.
Для разработки датчика сигнализатора углеводорода в воздухе с применением диодов, излучающих в инфракрасной области, необходимы фотоприемники, хорошо согласующиеся со спектром излучателей.
Все углеводороды имеют полосы поглощения в инфракрасной области в диапазоне от 1 до 5 мкм. Например, метан поглощает оптическое излучение с длиной волны 1,72 и 3,45 мкм.
В настоящее время разработан прибор для регистрации концентрации метана. В анализаторе были применены измерительный и опорный СИД с длинами волн, соответственно равными X 1 = 1,72 мкм и Х2 = 2,04 мкм. В качестве фотоприемника применен фоторезистор типа ФР-1-4В. Этот фоторезистор хорошо согласуется с использованными СИД по своим спектральным характеристикам и имеет малые значения шумовых параметров. Фоторезистор ФР-1-4В пригоден для регистрации оптического излучения в диапазоне от 1 до 3,3 мкм. Большинство фотоприемников инфракрасного излучения, работающих в средней и дальней ИК-области, требуют охлаждения.
Например, рабочая температура фоторезистора из материала Ge:Au равна Тр = 77 К, а спектральный диапазон составляет от 2,0 до 7,0 мкм. У фоторези-
87
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
стора из материала Ge:Zn рабочая температура Тр = 12 К при спектральном диапазоне от 2,0 до 38 мкм.
Среди не требующих охлаждения фотоприемников ИК-излучения в диапазоне от 2 до 7,5 мкм наиболее чувствительными являются фотоприемники из материала InSb [5].
В настоящее время также существует пироэлектрический фотоприемник МГ-30, у которого спектральная область составляет от 2 до 20 мкм, а обнару-жительная способность - 3 ■ 10-9 Вт/Гц. Этот фотоприемник также пригоден для регистрации углеводородов в воздухе [6].
На основе исследования СИД и приемников оптического излучения (ПОИ) была разработана система для сигнализации превышения предельно допустимой концентрации метана в воздухе. Ее функциональная схема и временные диаграммы приведены на рис. 1, 2 и 3, а конструкция первичного преобразователя - на рис. 4. Как показано на рис. 4, излучение СИД попадает в камеру через соответствующее окно и, многократно отражаясь от стенок камеры с серебряным покрытием, попадает через другое окно на ПОИ. При этом излучение избирательно поглощается газом, находящимся в составе пропускаемого через камеру анализируемого воздуха.
Блок сигнализации
Рис. 1. Функциональная схема системы
88
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
Рис. 2. Временные диаграммы работы системы
Рис. 3. Временные диаграммы работы блока сигнализации
Рис. 4. Конструкция первичного преобразователя:
1 - серебряное покрытие; 2 - окна; 3 - светоизлучающие диоды (СИД 1, СИД 2); 4 - фоторезистор
Анализатор (см. рис. 1) состоит из задающего генератора ЗГ; триггера Т; формирователей Ф1, Ф2, Ф3 и Ф4; инвертора Инв; излучающих диодов ИД 1 и ИД 2; газовой камеры ГК; ПОИ; усилителя У; коммутатора К; интеграторов Инт 1, Инт 2; порогового устройства ПУ; схемы совпадения СС; блока сигнали-
89
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
зации. Блок сигнализации состоит из делителя Дел, ждущего генератора ЖГ и динамической головки ДГ.
Принцип работы системы таков. Задающий генератор формирует прямоугольные импульсы с частотой f = 1 кГц, которые поступают на вход триггера Т. С выходов триггера импульсы поступают на входы формирователей Ф1 и Ф4. На формирователе Ф1 формируется прямоугольный сигнал положительной полярности с длительностью t4 = 2 мс, который поступает на вход формирователя Ф2 и, через инвертор, на вход формирователя Ф3. Формирователи Ф2 и Ф3 формируют прямоугольные импульсы положительной полярности с длительностью t4 = 1 мс, сдвинутые по времени на 2 мс.
Этими импульсами запитываются излучающие диоды ИД i и ИД 2. ИД i испускает измерительный поток излучения Ф0^1, а ИД2 - опорный поток излучения Фох2. Измерительный и опорный потоки излучения, проходя через газовую камеру, поступают на ПОИ. Сигнал ПОИ усиливается усилителем У и подается на вход коммутатора К. Коммутатор К управляется сигналами с выходов формирователей Ф2 и Ф3, что позволяет выделить сигналы, соответствующие излучениям ИД1 и ИД 2. Выделенные сигналы с выхода коммутатора поступают на входы интегрирующих устройств Инт1 и Инт2, где интегрируются и поступают на входы порогового устройства ПУ. Сигнал с выхода ПУ поступает на один из входов схемы совпадения СС, на второй вход которой поступает сигнал с формирователя Ф4. Выходной сигнал схемы совпадения запускает блок сигнализации.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пат. 4662755 США, МКИ G0/№21/00. Оптический газоанализатор с регулированием угла падения излучения на интерференционный фильтр. - Опубл. 05.05.87.
2. А.с. 735976 (СССР), МКИ G0/№21/34. Газоанализатор / Максименко Ю.М., Буряк Б.И. и др. - Заявл. 21.01.80; опубл. 25.05.80, Бюл. № 28. - 6 с.
3. Берг, А. Светодиоды / А. Берг, П. Дин. - М.: Мир, 1979.
4. Мухитдинов, М.М. Светодиоды и их применения для автоматического контроля и измерения / М.М. Мухитдинов. - Ташкент: Фан, 1976.
5. Фотоприемники видимого и ИК диапазонов/ пер. с англ.; под редакцией В.И. Ста-феева. - М.: Радио и связь, 1985. - 63 с.
6. Поисковые исследования по разработке метода и устройства для контроля углеводорода: отчет о НИР/ рук. проф. Сайдалиев М.С., отв. исполн. Рахимов Н.Р.; ФерПИ. - М., 1991. - 65 с. - № ГР 0283.0069819. Инв. № 226-91г. № 6490св.
Получено 15.12.2010
© А.Н. Серьезнов, Н.Р. Рахимов, Т.В. Ларина, И.Н. Карманов, П.В. Петров, 2010
А.Н. Серьезнов - докт. техн. наук, профессор. Тел.: 8(383)278-70-03.
Н.Р. Рахимов - докт. техн. наук, профессор кафедры оптико-электронных приборов.
Тел.: 8-960-795-59-87. Факс: +7(383)344-40-58. E-mail: n_rah@ngs.ru Т.В. Ларина - доцент кафедры технологии оптических приборов.
Тел.: 8-913-765-87-538. Факс: +7(383)344-40-58. E-mail: n_rah@ngs.ru И.Н. Карманов - канд. техн. наук, доцент.
Тел.: 344-40-58. Факс: +7(383)344-40-58. E-mail: n_rah@ngs.ru П.В. Петров - канд. техн. наук, доцент.
Тел.: 8-905-958-50-92. Факс: +7(383)344-40-58. E-mail: n_rah@ngs.ru
90
