Устройство для измерения концентрации вещества, связанного с основным материалом

 

Изобретение относится к оптико-электронным приборам неразрушающего технологического контроля материалов, в частности к приборам для определения концентрации влаги в движущемся полотне из бумаги или ткани, и позволяет упростить устройство и повысить точность измерения путем использования двух узких интервалов в спектре излучения единственного источника и последующей электрооптической автомодуляции излучения на длине волны одного из этих интервалов. Для этого устройство содержит модулирующий P-N -переход и управляющий фоторезистор, установленные друг за другом по ходу излучения между источником излучения и исследуемым материалом, включенные последовательно в электрическую цепь так, что P-N -переход смещен в обратном направлении, причем фоторезистор установлен таким образом, что перекрывает пучок излучения лишь частично. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (19) (111 (5ц 4 G 01 И 21/25 б 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н A ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬС ТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1. (21) 4206464/40-25 (22) 06,03.87 (чб) 23,09,89,Бюл, - 35 (72) Г,А.Сукач, В.Н.Малинко, В,A,Ðóæèíñêèé, Л,В,Жих и Т,М.Каландадзе (53) 535 ° 24 (088 ° 8) (56) Патент США М 3675019, кл. 250-83,3, 1972, Авторское свидетельство СССР

М 693173, кл, G 01 N 21/30,.1979, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЕЩЕСТВА, СВЯЗАННОГО С

ОСНОВНЫМ МАТЕРИАЛОМ (57) Изобретение относится к оптикоэлектронным приборам неразрушающего технологического контроля материалов, в частности к приборам для определения концентрации влаги в

Изобретение относится к приборам нераэрушающего технологического контроля материалов, а именно к приборам для измерения концентрации одного вещества, содержащегося в другом (основном, в.частности для определения концентрации влаги в движущемся полотне из бумаги или ткани.

Цель изобретения — повышение чувствительности при упрощении и уменьшении габаритов устройства путем электрооптической автомодуляции излучения на длине волны одного из источников, На чертеже изображена блок-схема устройства.

2 движущемся полотне иэ бумаги или ткани, и позволяет упростить устройство и повысить точность измерения путем использования двух узких интервалов в спектре излучения единственного источника и последующей электрооптической автомодуляции излучения на длине волны одного,из этих интервалов, Для этого устройство содержит модулирующий р-и-переход и управляющий фоторезистор, установленные друг эа другом по ходу излучения между источником излучения и исследуемым материалом, включенные последовательно в электрическую цепь так, что р-и-переход смещен а обрат-. ном направлении, причем фоторезистор установлен таким образом, что перекрывает пучок излучения лишь частично. 1. ил.

Устройство содержит источник 1 излучения с длинами волн Ъ, и 9,, модулирующий р-и-переход 2, включенный в обратном направлении, фоторезистор

3, первый источник 4 питания, исследуемый материал 5, фотодетектор 6, М средство 7 сравнения, усилитель 8, регистрирующий прибор 9 и второй источник 10 питания.

Элементы 2 — 4 образуют электрооптический атомодулятор. Излучение с 4 длиной волны чувствительно к основ2 ному материалу и не подвержено электрооптической модуляции при прохождении через р-и-переход 2 ° Модулированное Ъ элучение с длиной волы h, чув1509683 ствительно к измеряемому веществу.

Частота модуляции зависит от постоянной времени (r RC) последовательной цепи из р-и-перехода 2 и фоторезистора 3, ее можно регулировать, включая в цепь питания фоторезистора 3 дополнительные резистор R u конденсатор С.

Устройство работает следующим об- 10 разом, Пучок излучения источника l с длинами волн, и g > g (напримеру от; лампы накаливания с фильтрами, питание которой осуществляется постоян- 15 ным током) падает на второй — модулирующий р-и-переход 2 (например, из

GaAs) со стороны одной из его областей, Одна часть излучения, прошедшего через р-и-переход 2 (703), 20 направлена на контролируемый материал .

5„ другая — на фоторезистор 3 (например, из Si) ° Сопротивление фоторезистора З..в темноте, составляет

К.,Й 10 - 10 Ом, на свету R -10—

100 Ом.

В начальный момент времени, когда фоторезистор 3 не освещен, большая часть напряжения источника lg питания приложена к этому фоторезистору, Падение излучения с длиной волны 3, на фоторезистор 3 приводит к уменьше-. нию его сопротивления примерно в

10 — 10 раз ° Благодаря этому проис0 5 ходит перераспределение напряжений 35 между р-и-переходом 2 и фоторезистором 3 таким образом, что практически все напряжение источника 10 питания (порядка 200В) прикладывается к рп-переходу, смещенному в обратном 40 направлении, Сильное электрическое поле во втором — модулирующем р-и-переходе 2 приводит к раэмытию края поглощения, 45 полупроводникового материала. Как показывает теория, это происходит потому, что при наложении электрического поля края разрешенной зоны полупроводника размываются на величину

Э 2

bE = (еЕ) > (1) где е — заряд электрона, Е - напряженность электричес55 кого поля; — постоянная Планка;

m+ - эффективная масса электрона в полупроводнике, В результате становится возможным поглощение квантов излучения, энергия которых меньше ширины запрещенной зоны полупроводника Е на

1 величину h K, Зная, что гран ная длина волны g, и Е связаны зависимостью „ 1,24/Е, можно отметить, что ф, должна Выть не больше величины 1/(К вЂ” Ь E) °

Указанный эффект Франца-Келдыша; проявляется в сдвиге края оптического поглощения полупроводника в сторону более длинных волн по мере увеличения напряжения, приложенного к нему.

Таким образом, при приложении к модулирующему р-и-переходу 2 электрического поля (напряжения источника

10 питания) излучение с длиной волны

9, не проходит через материал элемента 2, а значит попадает на фоторезистор 3, При этом сопротивление фоторезистора 3 резко увеличивается (время переключения обусловлено в основном постоянной времени RC-цепи р-и-переход-источник питания-фоторезистор), Увеличение сопротивления фо-, торезистора 3 приводит к перераспределению напряжения источника 4 питания таким образом, что большая часть его оказывается приложенной к фоторезистору, Такая ситуация ведет к снятию размытия края разрешенной зоны на 5 Е,и, следовательно, к пропусканию излучения с длиной волны ф> через р-и-переход 2, а значит, к падению этого излучения на фоторезистор 3 ° Это, в свою чередь, обуславливает снижение сопротивления фоторезистора 3, приложение напряжения питания к модулирующему р-и-переходу

2, непропускание излучения с длиной волны ф, через р-п-переход 2 на фоторезистор 3 и т.д, Таким образом, осуществляется периодическая, близкая к прямоугольной, модуляция интенсивности излучения с длиной волны ф,, Длина волны7 ъ %, выбирается вдали от h „ так, чтобы изменение Е на величину 5 Е не сказывалось на характере ее прохождения через р-и-переход 2 °

В исследуемом материале 5 излучение с длиной волны h частично и селективно поглощается водой (или другим веществом, связаннья с основным материалом), а излучение с длиной волны 5< селективному поглощению не подвержено.

1509683

15 (2) I

В свою очередь

Интенсивность излучения на длине волны должна на 5-6 порядков

1 превышать интенсивность фона на этой же длине волны, что технически доволь5 но легко обеспечить.

Выбор рабочей точки первого — сравнивающего р-и-перехода средства 7 сравнения и настройка прибора производятся таким же образом. 10

Можно показать, чта выражение для переменного напряжения, падающего на сравнивающем р-и-переходе средства 7 сравнения, имеет вид

kT I

Ж

) ьых е

I где k - постоянная Больцмана;

Т вЂ” абсолютная температура, — — — — W ьл (3)

sIIx P + P с х вл где Р „ — масса воды, содержащейся в 25 исследуемом материале;

P — масса абсолютно сухого мае Х териала

W — влажность материала, Из выражений (2),(3) следует, что 30

UI,,„несет в себе информацию о влажности исследуемого материала, Осуществление автомодуляции интенсивности источника излучения в предложенном устройстве с частотой по- рядка 10 — lU Гц расширяет возможФ ь 35 ности концентратомера, прежде всего с точки зрения уменьшения влияния . схемных шумов на чувствительность измерений и исследования быстропроте- 40 кающих процессов в испытываемом.материале.

Упрощение и снижение габаритов конструкции при частотах модуляции 10—

Ф ь

10 Гц достигается эа счет замены мо-.. дулятора интенсивности излучения компактным электрооптическим автомодулятором, входящим в состав предложен.ного устройства.

Формула изобретения

Устройство для измерения концентрации вещества, связанного с основным материалом, включающее источник излучения с двумя длинами волн, на одной из которых излучение чувствительно к определяемому веществу, на другой. — к основноиу материалу, блок иодуляции излучения, чувствительного к определяеиому веществу, фотодетектор, в цепь нагрузки которого включено средство сравнения на первом р-п-переходе, смещенном с помощью первого источника питания в прямом направлении, последовательно включенные усилитель и регистрирующий прибор, причем выход средства сравнения подключен к входу усилителя, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительностй при упрощении и снижении габаритов устройства, блок модуляции выполнен в виде автомодулятора, содержащего последовательно включенные второй р-п-переход, управляющий фоторезистор и второй источник питания, прй этом второй р-и-переход смещен с помощью второго источника питания в обратном направлении, а фоторезистор установлен за вторым р-а-переходом в проходящем потоке излучения с частичнык его перекрытием, 1509683

Составитель E.Èàêîëêèí

Редактор В.Данко Техред А. Кравчук Корректор ВКабацнй

Заказ 5797/36 Тирам 789 Подписное

3fg9QIH Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101