Фотоэлектрический нефелометр

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике измерения концентрации взвешенных частиц в жидкостях и газах, и Может Ьыть использовано в химической, биомедицинской , нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности. Цель изобретения - повышение точности и упрощение конструкции устройства. Суть изобретения заключается в циклическом перераспределении заряда на емкости фотоприемника 6 рассеянного потока излучения и собственной емкости фотоприемника 9 опорного потока излучения, которая до коммутации посредством переключателя 8 поддерживалась в разряженном состоянии. При этом переключатель 8 подключает выход фотоприемника 9 к выходу фотоприемника в те моменты времени, когда уровень напряжения на выходе последнего достигает значения , соответствующего верхнему порогу, на который настроен компаратор 7. По достижении уровнем напряжения на входе компаратора 7 значения, соответствующего нижнему порогу, переключатель 8 отключа-. ет выход фотоприемника 9 от выхода фотоприемника 6. Таким образом, на выходе компаратора 7 среднее значение напряжения пропорционально отношению фотопотоков фотоприемников 6 и 9. Все это приводит к повышению точности измерений и упрощению конструкции устройства. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)э G 01 N 21/01

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4758578/25 (22) 13.11;89 (46) 29.02.92. Бюл. ¹ 8 (71) Московский институт. радиотехники, электроники и автоматики (72) M.À. Габидулин, И.Д. Лейбович, Н,В.

Махлин и Л.А, Сальников (53) 543.422.4(088.8) (56) Патент США N 4408880, кл. G 01 N 21/00, 1983.

Патент США N - 4240753, кл. G 01 и

21/00, 1980. (54) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НЕФЕЛОМЕТР (57) Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике измерения концентрации взвешенных частиц в жидкостях и газах, и вй>жет быть использовано в химической, биомедицинской, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности. Цель изобретения — повышениеточности и упрощение конструкции устройства. Суть изобретения заключается в циклическом перераспреде.. Ж„, 171б399 А1 лении заряда на емкости фотоприемника 6 рассеянного потока излучения и собственной емкости фотоприемника 9 опорного потока излучения, которая до коммутации посредством переключателя 8 поддерживалась в разряженном состоянии. При этом переключатель 8 подключает выход фотоприемника 9 к выходу фотоприемника в те моменты времени, когда. уровень напряжения на выходе последнего достигает значения, соответствующего верхнему порогу, на который настроен компаратор 7. По достижении уровнем напряжения на входе компаратора 7 значения, соответствующего нижнему порогу, переключатель 8 отключает выход фотоприемника 9 от выхода фотоприемника 6. Таким образом, на выходе компаратора 7 среднее значение напряжения пропорционально отношению фотопотоков фотоприемников 6 и 9. Все это приводит к повышению точности измерений и упрощению конструкции устройства.

2 ил.

1716399

40

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике измерения концентрации взвешенных частиц в жидкостях и газах, и может быть использовано в химической, биомедицинской, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.

Известны фотоэлектрические нефелометры, содержащие источник излучения, оптически связанный через среду со взвешенными частицами с приемником излучения. При этом концентрацию взвешенных частиц измеряют либо по ослаблению потока излучения, либо по интенсивности рассеянного потока.

Одно из известных устройств содержит источник когерентного излучения, последовательно установленные по ходу. светового луча кювету, диафрагму,.собирающую линзу и фотоприемник, подсоединенный через усилитель к АЦП, выход которого соединен с микропроцессорным устройством обработки.

Недостатками такого устройства являются низкая точность из-за погрешностей, обусловленных изменениями уровня выходной мощности излучения источника и чувствительности фотоприемника, а также сложность конструкции в случае стабилизации мощности излучения источника и чувствительности фотоприемника.

Наиболее близким к изобретению явля-. ется устройство, содержащее источник когерентного излучения, оптически связанный через последовательно установленные светоделительный элемент, кювету, диафрагму и линзу с фотоприемником рассеянного потока излучения, подсоединенным через фотоусилитель к первому входу логометрического усилителя, второй вход которого соединен с фотоприемником опорного потока излучения, а выход соединен с отсчетным устройством.

Недостатками данного устройства являются низкая точность и сложность, обусловленные наличием фотоусилителя и логометрического усилителя, вызывающих погрешности из-за смещения нуля, изменений коэффициентов передачи и усложняющих конструкцию.

Цель изобретения — повышение точности и упрощение конструкции устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в фотоэлектрический нефелометр, содержащий источник когерентного излучения, оптически связанный через последовательно установленные светоделительнйй элемент, кювету, диафрагму и линзу с фотоприемником рассеянного потока излучения, фотоприемник опорного потока излучения, отсчетное устройство,. введены переключатель, компаратор и фильтр нижних частот, выход которого подсоединен к отсчетному устройству, а вход подсоединен к выходу компаратора и.управляющему входу переключателя, информационный вход которого соединен с фотоприемником опорного потока излучения, первый выход подсоединен к входу компаратора и фотоприемнику рассеянного потока излучения,.а второй выход подсоединен к шине нулевого потенциала.

Предложенное устройство имеет повышенную точность и упрощенную конструкцию за счет исключения фотоусилителя и вносимых им погрешностей смещения нуля, коэффициента передачи и их дрейфа. а также за счет исключения сложного логаметрического усилителя и присущих ему погрешностей выполнения операции деления на аналоговых нелинейных элементах (логарифматорах и антилогарифматорах, пере.множителях на основе перемен йой крутизны. нормировки токов и т.д.) и замены его более простой схемой, содержащей переключатель, компаратор и фильтр нижних частот.

На фиг. 1 и редставлена структурная схема фотоэлектрического. нефелометра; на фиг; 2 — временная диаграмма его работы.

Фотоэлектрический нефелометр(фиг. 1) содержит источник 1. когерентного излучения, оптически связанный через последовательно установленные по ходу луча светоделительный элемент 2, кювету 3, диафрагму 4, линзу 5 с фотоприемником 6 рассеянного потока излучения, выход которого подключен к входу компаратора 7 и к первому выходу переключателя 8, второй выход которого подсоединен к шИне нулевого потенциала, информационный вход подсоединен к выходу фотоприемника 9 опорного потока излучения, а управляющий вход соединен с выходом компаратора 7 и входом фильтра 10 нижних частот, выход которого подсоединен к отсчетному устройству 11.

Фотоэлектрический нефелометр работает следующим образом.

Поток источника 1 когерентного излучения, например гелийнеонового лазера ЛГ56, расщепляе.тся светоделительным элементом 2, выполненйым в виде полупрозрачного зеркала, на опорный и рабочий потоки йзлучения. Опорный поток излучения, интенсивность которого определяется выходной мощностью источника 1 излучения, отражается светоделительным элементом 2 и поступает на фотоприемник 9, Рабочий поток излучения, проходя через кювету 3 с подлежащей анализу жидкой или газовой средой, частично рассеивается

1716399 взвешенными частицами. Поскольку диаф- . рагма 4 задерживает прямые лучи рабочего: потока, прошедшие через кювету 3, линзой

5 на входном зрачке фотоприемника 6 соби-. рается рассеянный поток, величина которо- 5 го связана с концентрацией взвешенных частиц однозначной функциональной зэвисимостью.

С целью устранения влияния флюктуаций мощности источника 1 излучения на ре- 10 зультат измерения требуется нормировка величины рассеянного потока по величине опорного потока, которая осуществляется ют падающие нэ них рассеянный и опорный потоки в фототоки lð и 4 соответственно.

Для правильного функционирования схемы необходимо, чтобы фототоки имели проти20 воположное направление и 1> > lp. Компаратор 7 и переключатель 8 осуществляют преобразование отношения фототоков в среднее значение импульсного сигнала на

25 выходе компаратора 7. Процесс преобразования осуществляется следующим образом.

Фототок Ip осуществляет заряд собственной емкости фотоприемника 6, при этом напряжение Ugx на входе компаратора 7 линейно возрастает (фиг. 2). По достижении

30 им верхнего порогового значения U> в момент t< компаратор 7 срабатывает и посредством переключателя 8 подключает выход фотоприемника 9 к выходу фотоприемника

6 и входу компаратора 7, при этом напряжение Uox скачкообразно уменьшается за.счет перераспределения заряда на емкости фотоприемника 6 между ней и собственной емкостью фотоприемника 9, которая до коммутации посредством переключателя 8 под- 40 держивалась а разряженном состоянии, Поскольку lo > Ip, то в момент t1 начинается разряд суммарной емкости фотоприемников разностью их фототоков. Разряд продол>кается до тех пор, пока уменьшающееся напряжение !.4< не достигнет в момент tz нижнего порогового значения, равного нулю. При этом выходной сигнал компаратора

Ок становится равным нулю,переключатель

8 отключает фотоприемник 9 от входа ком50 паратора 7 и подключает его к шине нулевого потенциала, вновь начинается заряд фототоком lр емкости фотоприемника 6 и описанный процесс повторяется, Подключение выхода фотоприемника 9 к шине нулевого потенциала необходимо для предотвращения паразитного заряда его собственной емкости фототоком 4 после его отключения от входа компаратора 7.

Нижнее пороговое напряжение компарато55 следующим образом.

Фотоприемники 6 и 9 (нэпример, крем- 15 ниевые фотодиоды типа ФД9К) преобразура 7 выбрано равным нулю для того, чтобы не допустить изменения заряда емкости фотоприемника 9 в момент t2 при его подключении к шине нулевого потенциала, что возможно только в момент полного разряда емкости, т.е. при нулевом значении напряжения 0цк.

Таким образом, заряд, сообщенный фототоком I емкостям фотоприемников 6 и 9 эа время, равное периоду колебаний Т, уравновешивается зарядом, сообщенным фотото ком 1> за время, равное длительности т выходного импульса компаратора 7, т,е. выполняется равенство р Г = от.

С учетом полученного равенства среднее значение:И напряжения О, на выходе ком паратора 7 может быть выражено следующим образом

u=u, =u, . р

Io где Uì — амплитуда импульсов на выходе комп а ратора 7.

Искомое значение U, пропорциональное отношению фототоков, а. следовательно, и нормированному значению рассеянного потока излучения, выделяется с помощью фильтра 10 нижних частот, выполненного, например, в виде интегрирую.щей RC-цепи, и регистрируется отсчетным устройством 11 (например, вольтметром В723). Полученное значение используется для оценки концентрации взвешенных частиц в подлежащей анализу среде по известным методи ка м.

Компаратор 7 <может быть, выполнен, например, на операционном усилителе

КР544УД2А с положительной обратной связью и с аналоговым ключом.(полкорпуса

К561КП1) на выходе, обеспечивающим точ- ое задание низкого(равного нулю) и высокого (равного U l логических уровней выходного напряжения Ug компаратора 7, подлежащего усреднению в фильтре 10, Верхнее пороговое значение U = 50 — 100 мВ входного напряжения 4х компаратора

7 определяется коэффициентом передачи реэистивного делителя цепи положительной обратной связи, Нижнее пороговое значение устанавливается равным нулю с помощью балансировочного резистора, подкл ючен ного к операционному усилителю.

Переключатель 8 может быть выполнен, 1 например, на — корпуса микросхемы сдвоенного аналогового коммутатора К561 КП1;

".;ф.„

Предложенное устройство имеет более высокую точность по сравнению с известным за счет исключения погрешностей сме1716399 щения нуля и дрейфа фотоусилителя, а также уменьшения погрешности выполнения операции деления за счет использования только ключевых (переключатель, компаратор) и линейных (фильтр нижних частот) элементов. Так, при колебаниях мощности источника 1 когерентного излучения в пределах +30 Я, колебания выходного сигнала

U не превышают Ä 0,1 j, причем начальное значение мощности может лежать в диапазоне 200:1. Погрешность логаметрического усилителя, построенного известной схеме на операционном усилителе с аналоговым перемножителем в цепи обратной связи(например, типа K525llC2), определяется погрешностью перемножающего устройства и составляет величину не менее 2 Я„т.е. точность предложенного устройства примерно на порядок выше, чем известного.

Предложенное устройство проще известного за счет исключения фотоусилителя, а также логаметрического усилителя, постро. енного на операционном усилителе с аналоговым перемножителем в цепи обратной связи и с дополнительным фотоусилителем по входу опорного сигнала (4 интегральных схемы) и замены их переключателем, компаратором и фильтром нижних частот (2 интегральных схемы), что дает экономию в 2 корпуса аналоговых интегральных схем.

Кроме того, сокращается число внешних подстроечных элементов с трех до одного.

Формула изобретения

Фотоэлектрический нефелометр, со5 держащий источник когерентного излучения, оптически связанный через последовательно установленные светоделительный элемент, кювету, диафрагму и линзу с фотоприемникрм рассеянного пото10 ка излучения и через светоделительный элемент с фотоприемником опорного потока излучения, а также отсчетное устройство, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения конст15 рукции устройства, в него введены переклю-. чатель, компаратор и фильтр нижних частот, выход которого подсоединен к отсчетному устройству, а вход подсоединен к выходу компаратора и управляющему входу пере20 ключателя, информационный вход которого соединен с фотоприемником опорного потока излучения, первый выход подсоединен к входу компаратора и фотоприемнику рассеянного потока излучения, а второй выход

25 подсоединен к шине нулевого потенциала, при этом фотоприемники рассеянного и опорного потоков излучения подсоединены к входу компаратора таким образом, что на входе компаратора их выходные фототоки

30 имеют противоположное направление.