Патент на изобретение №2339020

(54) ИНФРАКРАСНЫЙ ДАТЧИК, В ЧАСТНОСТИ CO₂-ДАТЧИК

(57) Реферат:

Изобретение предназначено для измерения концентрации CO₂ в воздухе. Инфракрасный датчик (ИК-датчик) (1) содержит сборный фильтр (6), позади которого расположен сборный детектор (7), и вычислительное устройство (8), связанное со сборным детектором (7). Сборный фильтр (6) содержит первый фильтр (9) и второй фильтр (10), выполненные в виде полосовых фильтров и имеющие соответственные полосы пропускания, из которых первый фильтр (9) пропускает установленную ИК-полосу, а второй фильтр (10) ее не пропускает. Сборный детектор включает два детектора (14, 15), из которых каждому сопоставлен фильтр (9, 10). Полоса пропускания одного фильтра (10) лежит внутри полосы пропускания другого фильтра (9), а вычислительное устройство (8) формирует рассогласование сигналов (S1, S2) детекторов (14, 15) и нормирует рассогласование на сигнал (S1) детектора (14). Техническим результатом является упрощение конструкции ИК-датчика вышеупомянутого типа. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к инфракрасному датчику (ИК-датчику), в частности к CO₂-датчику со сборным фильтром, позади которого расположен сборный детектор и вычислительное устройство, связанное со сборным детектором, причем сборный фильтр имеет первый и второй фильтры, выполненные в виде полосовых фильтров с определенной полосой пропускания частот, из которых первый фильтр попускает предварительную ИК-полосу, а второй ее не пропускает, а сборный детектор имеет два детектора, каждому из которых в соответствие поставлен свой фильтр.

Описание изобретения приведено ниже для ИК-датчика с ИК-абсорбирующими газами. Оно может найти применение также при решении других задач, дополнительные пояснения о чем будут приведены ниже.

В патенте US 5081998 А раскрывается устройство подобного датчика, выполненного в виде датчика газов. Здесь применяется ИК-источник излучения, который через сборный фильтр дает нагрузку на все четыре детектора. Сборный фильтр имеет два фильтра с различными характеристиками пропускания. Первый фильтр имеет полосу пропускания для ИК-излучения, которое абсорбируется посредством СО₂. По этой причине фильтр имеет краткое название «CO₂-фильтр». Расположенные сзади него детекторы обозначаются как CO₂-детекторы.

Другой фильтр имеет иную полосу пропускания, которая служит для определения опорной величины. Детекторы, расположенные позади этого опорного фильтра, обозначаются как опорные детекторы. Между ИК-источником и обоими фильтрами расположен третий фильтр, являющийся «фильтром естественной плотности», затеняющий соответственно наполовину первый и второй фильтры. В соответствии с этим один из двух CO₂-детекторов и один из опорных детекторов получают только ИК-излучение, которое достижимо как посредством «фильтра естественной плотности», так и посредством CO₂-фильтра или опорного фильтра. В вычислительном устройстве определяется рассогласование выходных сигналов обоих CO₂-детекторов и рассогласование обоих опорных детекторов. Оба полученных рассогласования затем делятся друг на друга. Подобный CO₂-датчик используется, например, для определения CO₂ в дыхании пациента, что повышает надежность контроля за пациентом во время получения им наркоза.

Другой пример применения газовых датчиков, в частности CO₂-датчиков, раскрывается в патенте US 6369716 В1. Здесь CO₂-датчик служит для определения содержания CO₂ (углекислого газа) в некотором объеме помещения, чтобы обеспечить тем самым возможность управления климатом в помещении.

Концентрация CO₂ в некотором объеме помещения должна составлять от 800 до 1200 промилле, т.к. при более высоком значении возникает утомляемость человека. Естественная концентрация в застроенных жилых районах составляет около 400 промилле. С помощью CO₂-датчика можно определить, сколько свежего воздуха должно подводиться, чтобы достичь желаемой концентрации CO₂. Аналогичные рассуждения относятся также и к другим газам, у которых не должна превышаться определенная концентрация, например к СО (моноксид углерода).

Рассматриваемое здесь изобретение раскрывается ниже на примере измерения концентрации CO₂. Оно может найти применение также для измерения концентрации других газов.

Способ измерения концентрации CO₂ в воздухе основывается на применении датчиков, базирующихся на газовых фазах, у которых применяется недиспергирующая инфракрасная спектроскопия (NDIR). При таком способе определения концентрации CO₂ исходят из того, что CO₂ абсорбирует инфракрасное излучение, т.е. процент ИК-излучения в определенном, узко ограниченном диапазоне длин волн, представляет собой величину, которую можно применять для определения концентрации CO₂.

Недостатком подобного рода датчиков является их относительно большое потребление мощности. Система, раскрытая в патенте US 5081998 А, требует источник излучения, который при длительном применении делает указанную систему непригодной для батарейного питания. Кроме того, подобный ИК-источник, как правило, требует определенного времени разогрева, что не всегда позволяет проведение измерения без определенной подготовки.

В основе изобретения лежит задача упрощения применения ИК-датчика.

Указанная задача в отношении газового датчика рассматриваемого вида решена благодаря тому, что полоса пропускания одного фильтра расположена внутри полосы пропускания другого фильтра, а вычислительное устройство определяет рассогласование сигналов детекторов и нормирует его на сигнал детектора.

Благодаря такому решению возникает ситуация, при которой может оцениваться существенно больше ИК-излучения. То есть ИК-излучение не разделяется на два отдельных диапазона, причем каждый детектор регистрирует только один диапазон. Более того, один детектор регистрирует теперь ИК-излучение с заданным спектральным диапазоном, который включает, например, и спектр абсорбции исследуемых газов, здесь CO₂. Другой детектор регистрирует ИК-спектр из поддиапазона, который уже не включает спектр абсорбции исследуемого газа. Тем самым существенно возрастает чувствительность датчика, т.е. для питания датчика ИК-излучения предъявляются теперь более низкие требования. Благодаря тому, что появляется рассогласование между выходными сигналами детекторов, исключается сигнал помехи, например фоновый шум или подобный ему. Нормирование этого рассогласования на выходной сигнал детектора позволяет компенсировать колебания интенсивности ИК-излучения. Можно также применять более двух датчиков с соответственно большим количеством фильтров, при этом отдельные диапазоны пропускания соответственно накладываются друг на друга. С помощью рассматриваемого датчика можно получать также другую информацию, например, о температуре, перемещениях в пространстве, количестве людей в помещении и т.п. Так как при этом можно регистрировать существенно больше излучений, можно сократить потребление мощности, что в свою очередь позволит использовать для питания батарею. Это расширяет возможности монтажа и применения датчика. Датчик может передавать свои сигналы без применения проводов.

Преимущественно, полоса пропускания первого фильтра больше, чем полоса пропускания второго фильтра. В соответствии с этим первый фильтр дополнительно к спектральной области, которую пропускает второй фильтр, включает также спектральный диапазон, в котором абсорбируется ИК-излучение.

Преимущественно, оба фильтра имеют общую предельную длины волны. Это упрощает оценку. При этом можно достаточно просто формировать рассогласование между выходными сигналами детекторов, не производя дополнительных вычислений. Под предельными длинами волн следует понимать длины, которые определяют полосу пропускания. Они обозначаются как «начальная длина волны» и «конечная длина волны».

Преимущественно, оба фильтра имеют одинаковую начальную длину волны. «Начальная длина волны» представляет собой длину волны, начиная с которой фильтр пропускает излучение. «Одинаковая» начальная длина волны не является идентичной в математическом толковании. Допуски в пределах 5% являются здесь приемлемыми. Подобные допуски, впрочем, оказывают влияние на результаты измерения. Это влияние, однако, можно считать допустимым.

Преимущественно, оба фильтра образованы посредством идущих друг за другом фильтрующих элементов, причем один фильтрующий элемент является общим для обоих фильтров и определяет предельную длину волны. Оба фильтрующих элемента расположены друг за другом в направлении излучения, т.е. между источниками ИК-излучения и детекторами. Сборный фильтр можно выполнить таким образом, что «начальная длина волны» будет определяться фильтрующим элементом, общим для обоих фильтров, и «конечная длина волны», ограничивающая полосу пропускания, определяется двумя другими фильтрующими элементами. Это не представляет сложности для определения полосы пропускания обоих фильтров со сравнительно высокой точностью.

Преимущественно, первый фильтр имеет полосу пропускания, которая на 0,3-0,7 мкм больше, чем полоса пропускания второго фильтра. Желательно, чтобы первый фильтр в принципе покрывал только относительно узкий диапазон длин волн или спектральный диапазон ИК-спектра, а именно диапазон, в котором ИК-излучение абсорбируется посредством CO₂. Заданный диапазон является достаточным для этого. Опасность отрицательного влияния абсорбции посредством других газов на результаты измерения и искажения тем самым результатов, незначительна.

Предпочтительно, чтобы первый фильтр имел полосу пропускания в диапазоне 3,6-4,5 мкм, а второй фильтр – в диапазоне 3,6 – 4,0 мкм. В общем случае можно утверждать, что общий спектральный диапазон составляет примерно половину от спектрального диапазона, пропускаемого первым фильтром. В зависимости от подлежащих детектированию газов или других параметров эти спектральные диапазоны могут быть, конечно, смещены. Однако, как выяснилось, для CO₂ рассматриваемые диапазоны являются оптимальными.

При наиболее предпочтительном исполнении датчик использует естественное ИК-излучение из окружающей среды. Таким образом, не требуется источник излучения, который должен получать отдельное питание и соответственно имеет определенное потребление мощности. ИК-излучение, как правило, имеется повсюду, в том числе и при отсутствии солнечного света. Каждое тело имеет определенное тепловое излучение. Так как здесь можно отказаться от источника ИК-излучения, расширяется также «диапазон измерения», т.е. можно контролировать более значительные области помещения на предмет соответствующего содержания газа. Это облегчает контроль и настройку «персонального климата помещения» или «indoor air quality». Нет необходимости подводить воздух в помещении к датчику и там пропускать его между источником ИК-излучения и детекторами с предварительно включенными фильтрами. Достаточно, если датчик установлен в помещении в месте, где он может так сказать «обозревать» контролируемый объем воздуха. В этом случае датчик может достаточно просто регистрировать усредненную концентрацию газа. Датчик определяет, таким образом, некоторое среднее значение, что, в частности, для персонального климата дает существенно лучший результат. С помощью рассматриваемого датчика можно также усовершенствовать применяемые датчики, которые работают с использованием ламп или других средств освещения. Если применяются естественное или ИК-излучение окружающего пространства, можно сократить потребление энергии средствами освещения. Это приводит к увеличению интервалов техобслуживания и увеличению срока службы.

Преимущественно, вычислительное устройство нормирует рассогласование, поступающее на сигнал первого детектора. Другими словами для нормирования применяется сигнал, который содержит CO₂. Таким образом, достигается несколько большая динамика.

Преимущественно, фильтры содержат CaF₂, германий или кремний. Кремний имеет преимущественно антиотражающее покрытие, что улучшает пропускание.

Описание изобретения с использованием рисунков приводится ниже на примере предпочтительных вариантов исполнения. Здесь приведены:

Фиг.1. Схематическое представление, поясняющее принцип работы рассматриваемого изобретения.

Фиг.2. Схематическое представление двух полос пропускания двух фильтров.

Фиг.3. Схематическое представление количества энергии, которое может регистрироваться детекторами.

Фиг.4. Блок-схема, поясняющая структуру датчика газа.

Фиг.5. Схематическое представление диапазона пропускания двух фильтров.

Фиг.6. Схематическое представление предварительной ступени сигнала обработки.

На фиг.1 схематически виде показан газовый датчик 1 для определения концентрации CO₂ (углекислого газа) в исследуемой области 2. Под исследуемой областью следует понимать объем или фрагмент некоторого объема, в котором необходимо производить регулирование персонального климата. Солнце 3 представлено в виде естественного ИК-источника. Солнце 3 служит здесь лишь для пояснения. Газовый датчик 1 работает также при отсутствии солнечного излучения, т.к. в принципе каждое тело излучает тепло и потому имеет ИК-излучения.

В исследуемой области 2 находятся молекулы CO₂, которые здесь представлены как небольшие кружки. Молекулы 4 газа в определенном спектральном диапазоне абсорбируют ИК-излучение, что показано на рисунке стрелками 5. Чем больше концентрация CO₂, тем меньше в определенном спектральном диапазоне энергия, которая должна регистрироваться в газовом датчике 1.

На фиг.4 схематично показана блок-схема, поясняющая структуру газового датчика 1. Газовый датчик 1 имеет сборный фильтр 6, сборный детектор 7 и вычислительное устройство 8. Прочие подробности, как например корпус, средства крепления и т.п.здесь не изображены.

Сборный фильтр имеет первый фильтр 9 и второй фильтр 10. Оба фильтра имеют различные характеристики пропускания, которые показаны на фиг.2. Первый фильтр имеет полосу пропускания F1. Второй фильтр имеет полосу пропускания F2. Обе полосы пропускания F1 и F2 начинаются у одной и той же нижней границы L, но по разному заканчиваются у верхней границы, а именно полоса пропускания F1 заканчивается у верхней границы U1, а полоса пропускания F2 заканчивается у верхней границы U2. Расстояние между верхней границей U1 первой полосы пропускания F1 и верхней границей U2 лежит в пределах 0,3-0,7 мкм, например составляет около 0,5 мкм.

В диапазоне, в котором полоса пропускания F1 первого фильтра 9 больше, чем полоса пропускания F2 второго фильтра 10, находится спектральный диапазон Х (CO₂), в котором абсорбируется ИК-излучение CO₂. Указанный спектральный диапазон находится в пределах 4,2 – 4, 3 мкм. В соответствии с этим верхнюю границу U1 первой полосы пропускания F1 можно расположить приблизительно около значения 4,5 мкм, верхнюю границу U2 второй полосы пропускания F2 приблизительно около значения 4,0 мкм, а нижнюю границу L, где обе полосы пропускания F1 и F2 общие, приблизительно около значения 3,6 мкм.

Это может быть реализовано достаточно простым способом. Первый фильтр 9 имеет первый фильтрующий элемент 11, который определяет верхнюю границу U1 полосы пропускания F1. Второй фильтр 10 имеет второй фильтрующий элемент 12, который определяет верхнюю границу U2 второй полосы пропускания F2. Для обоих фильтров 9, 10 совместно предусмотрен третий фильтрующий элемент 13, который определяет нижнюю границу L обеих полос пропускания F1 и F2. Третий фильтрующий элемент 13 имеет верхний предел пропускания, который лежит за пределами верхней границы U1 полосы пропускания F1 первого фильтра 9. Первый и второй фильтрующий элементы имеют нижнюю границу пропускания, которая лежит ниже нижней границы L третьего фильтрующего элемента 13.

В соответствии с этим сборный фильтр 6 пропускает в диапазоне первого фильтра 9 ИК-излучение с энергией, которая на фиг.3 обозначена как А. Эта энергия уменьшается на величину С, которая абсорбируется посредством CO₂. Сборный фильтр 6 в диапазоне второго фильтра 10 позволяет пропускать энергию, которая обозначена на фиг.3 как В. Эта энергия практически постоянна, т.к. на нее не оказывает влияния CO₂.

Различные значения энергии регистрируются сборным детектором 7. Сборный детектор 7 имеет первый детектор 14, который регистрирует ИК-излучение, проходящее через второй фильтр 10. Оба детектора 14, 15 могут быть выполнены в виде термоэлектрических элементов, которые известны также под названием «термоэлементов». Каждый детектор в зависимости от имеющегося ИК-излучения создает определенное напряжение или ток, т.е. некоторую электрическую величину, которая тем больше, чем больше имеющееся ИК-излучение. В соответствии с этим первый детектор 14 создает сигнал S1, а второй детектор 15 сигнал S2.

Термоэлементный датчик производится, например, фирмой PerkinElmer Optoelectronics GmbH, D-65199 Wiesbach, Германия.

Так как термоэлементный датчик производит обычно измерение температуры (т.к. выходной сигнал зависит от температуры), происходит измерение температуры вокруг датчика. Так как посредством датчика возможно измерить температуру излучения помещения, непосредственно на основе обоих этих измерений можно получать рабочую температуру, которая затем может применяться для управления температурой помещения или какого-либо другого объекта.

Отслеживая ИК-излучение, с помощью датчика можно также фиксировать движение в помещении, что затем можно применять, например, для управления вентиляцией, которая будет активироваться, например, только тогда, когда имеет место движение, указывающее на наличие в помещении людей. На основе различных данных движения возникает возможность оценки количества людей в помещении. Указанная оценка может применяться для решения задач управления, т.е. управления/изменения температуры в зависимости от количества людей в помещении.

Оба сигнала S1, S2 поступают на вход вычислительного устройства 8. При этом оба сигнала содержат определенную долю помех. При этом следует исходить из того, что помехи для обоих детекторов 14, 15 в основном одинаковы. В соответствии с этим имеем следующее

Причем представляет собой электрический параметр, например ток или напряжение, которое содержит информацию об ИК-излучении, – опорная величина, на которую не оказывает влияния ИК-излучение. У I_n стоит индекс n «noise», т.е. шум. Если необходимо получить рассогласование между S1 и S2, для чего служит формирователь рассогласования 16, то получаем величину

где отсутствует составляющая шума.

Здесь рассогласование S1-S2 нормируется на выходной сигнал 81 первого детектора 14. При этом получается сигнал S3.

Этот выходной сигнал S3 снова находится под воздействием параметра I_n. Указанный параметр можно, однако, не учитывать. Получается достаточно надежное выражение концентрации CO₂ в исследуемой области 2.

На фиг.5 показаны различные области пропускания F1, F2 обоих фильтров 9, 10, из которых хорошо видно различие между обоими диапазонами пропускания.

На фиг.6 показано рассогласование обоих диапазонов пропускания F1, F2 и обозначен спектр абсорбции 17 для CO₂.

Датчик газа может достаточно надежно определить концентрацию CO₂ в диапазоне от 300 до приблизительно 1500 промилле.

Если необходимо определять наличие других газов, например азота, угарного газа, кислорода или СО, необходимо соответствующим образом изменить полосы пропускания. В каждом случае необходимо обеспечить наложение полос пропускания друг на друга, чтобы обеспечить, по возможности, достаточно большой выход энергии к детекторам 14, 15.

Можно установить перед датчиком также коллектор, т.е устройство, собирающее или фокусирующее ИК-излучение, например коллиматор. Это улучшает работу датчика.

Можно применять подобный датчик также для контроля за токсичностью отработанных газов. Для этой цели датчик вставляют в трубу или в систему выпуска. В частности, в устройствах нагрева можно управлять процессом сгорания с помощью выходных сигналов датчика (или нескольких датчиков).

Формула изобретения

1. ИК-датчик, в частности СО₂-датчик со сборным фильтром, позади которого расположен сборный детектор и вычислительное устройство, связанное со сборным детектором, причем сборный фильтр содержит первый фильтр и второй фильтр, выполненные в виде полосовых фильтров и имеющие соответственные полосы пропускания, из которых первый фильтр пропускает установленную ИК-полосу, а второй фильтр ее не пропускает, а сборный детектор содержит два детектора, каждому из которых поставлен в соответствие фильтр, причем полоса пропускания второго фильтра лежит внутри полосы пропускания первого фильтра, а вычислительное устройство определяет рассогласование сигналов детекторов, отличающийся тем, что оба фильтра (9, 10) образованы идущими друг за другом фильтрующими элементами (11, 13; 12, 13), причем фильтрующий элемент (13) является общим для обоих фильтров (9, 10) и определяет общую нижнюю границу (L) полосы пропускания, а вычислительное устройство (8) нормирует рассогласование сигналов (S1, S2) на сигнал детектора (14).

2. ИК-датчик по п.1, отличающийся тем, что первый фильтр (9) имеет полосу пропускания в диапазоне 3,6-4,5 мкм, а второй фильтр (10) имеет полосу пропускания (F2) в диапазоне 3,6-4,0 мкм.

3. ИК-датчик по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что он использует естественное ИК-излучение из окружающего пространства.

4. ИК-датчик по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что фильтры (9, 10) содержат CaF₂, германий или кремний.

РИСУНКИ