Устройство для количественных измеренийкомпонент среды, прозрачной в какой-либочасти спектра светового излучения

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

О П

419772

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Зависимое от авт. свидетельства— (22) Заявлено 15.11.71 (21) 1715095/18-10 с присоединением заявки №вЂ” (32) Приоритст ——

Опубликовано 15.03.74. Бюллетень ¹ 10

Дата опубликоваtIItÿ оппсàIIèя 16.12.74 (51) М.Кл. G 01п 21/26

G 01w 1/11

Гасударственный комитет

Совета Министров СССР по делам ивооретоний и открытий (53) УДК 551.508.7 (088.8) (72) Авторы изобретения

В. М. Грабов, Г. А. Иванов, А. С. Малкин, Д. Н. Наследов, Б. В. Царенков и Б. И. Чистяков

Ордена Ленина физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

КОМПОНЕНТ СРЕДЫ, ПРОЗРАЧНОЙ В КАКОЙ-ЛИБО

ЧАСТИ СПЕКТРА СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к устройствам для измерения концентрации составляющих газовой среды и твердых тел.

Устройство может быть использовано для контроля испарением из больших резервуаров в засушливых областях, для контроля газовой среды в лабораториях, шахтах и других объектах, в целлюлозно-бумажной промышленности для определения влагосодержания бумаги, для метеорологической службы (микрометеорологии, микроклиматологии), для изучения физики атмосферы.

Известны устройства, предназначенные для измерения полного количества водяного пара на пути сквозь слой атмосферы между источником и приемником излучения, состоящее из точечной лампы, излучение которой направлено к приемнику, выполненному из сернистого свинца и установленному на другом конце базисной линии, менисковой линзы интерференционных фильтров, расположенных на скользящем держателе позади линзы, двигателя, обеспечивающего смену фильтров и тем самым модуляцию луча, за счет чего детектор попеременно подвергается действию излучения 2,б и 2,35 мкя. Два результирующих сигнала усиливаются и воспроизводятся записывающим прибором как отношение двух сигналов, из которых один является функцией влагосодержания, а другой — сигналом сравнения.

Недостаток известного устройства состоит в том, что оно имеет недостаточно высокую надежность и стабильность в работе, так как изменение толщины пнтерференционных фильтров, например, из-за осаждения пыли и конденсации влаги мохсет привести к отказу устройства; кроме того, фильтры в результатс резкого прерывания вводят гармоники в усилитель, что очень усложняет его электронную схему и снижает чувствительность.

С целью повышения надежности и чувствительности устройства, а также расширения области его применения.

Устройство снабжено полупроводниковым источником света, выполненным из трех или

15 четырех светодиодов, имеющий длины волн излучения, соответствующие максимуму поглощения анализируемого газа, линии более слабого поглощения и области, где нет поглоще ния, например, для паров воды около 2,б0:

0,94 и 0,85 Гякл, электронным коммутатором, соединенным управляемым по мощности выходом с источником света, синхронным детектором, связанным по опорному сигналу с коммутатором, по входному — с усилителем, по выходному сигналу — с регистрирующим прибором.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства, содержащего блок пизв тания 1, коммутатор 2, источник света 3, исслеФ

4197.72, 3 дуемую среду 4, сьетоводы 5, фотоприемпик 6, усилитель 7, синхронный детектор 8, регистрирующее устройство 9.

Коммутатор 2 может иметь либо автономный блок питания 1 (источник постоянного напряжения), либо срез трансформ;1гор и выпрямитель подключаться к сети. Источник света 8 представляет собой совокупность трех светодиодов, имеющих различные полосы излучения с максимумами соответственно для паров воды 1. — — 0,85, 1. = 0,94, i;,i =-- 2,6,яки и полу шири но(t iioлос ox> >o 40 il:>0. Га к на к светодиодов площадь поверхности нс превышает 0,3 лл, то они с довольно малым допущением принимаются за точечныс источники света и для получения коллимированного излучения располагаются в фокусе параболических отражателей, а для жесткой фиксации вся система заливается специальной оптической смолой. Световоды 5 могут быть из стекловолокна или в виде кюветы — ампулы, наполненной анализируемым газом, причем одним концом световод подводится к вершине параболы, где по его диаметру сделано отверстие для отвода части лучистой энергии, а другой конец световода соединсll с окно (lioтоприемника б.

В качестве усилителя 7 применяется узкополосный усилитель с переменным коэффициентом усиления. Для макета гигрометра был разработан специальный импульсный синхронный детектор 8, имеющий на выходе постоянный сигнал, пропорциональный усредненному значению импульсных сигналов усилителя 7.

Значение сигналов, пропорциональных влагосодер>канию в среде, можно регистрировать любым низкоомным прибором постоянного тока (регистрирующее устройство 9) или использовать сигналы для координирования радиопередатчика, транслирующего данные по влагосодер>канию среды на большие рассстояния.

В основе конструкции предлагаемого устройства лежит принцип поглощения лучистой энергии молекулами воды или другого газа, так как энергетические спектры молекул существенно не зависят от окружающих условий.

Работа прибора заключается в следующем.

Если необходимо, например, измерить большое влагосодержание в атмосфере или другой среде, то луч максимального поглощения выключается и электронный коммутатор 2 питает только два канала. Каждый из каналов содержит два равных по интенсивности световых потока, образованных параболическим отражателем и герметичным световодом. Каждый из потоков направляется к отдельным фотоприемникам, работающим в режиме фото-э.д.с. и включенным друг относительно друга по дифференциальной схеме. На выходе каждого канала возникает разность э. д. с., что пропорционально отношению двух сигналов (проходящих через исследуемую среду и герметичный световод) .

Таким образом достигается компенсация

4 нестабильности яркости светодиодов, вызванной изменениями температуры среды и колебаниями напряжения питания светодиодов.

В случае измерения малых концентраций влаги работает только канал максимального поглощения, выполненньш аналогично другим каналам, причем в этом случае, как правило, требуется малая длина пробега луча. Однако и в этом случае может быть применен двухкаlp нальный вариант, Но уже с другой длиной волны излучения в канале сравнения.

Сигнал с приемного блока поступает на усилитель, име101цпп переменн1яп коэффициент усиления (что позволяет расширить диапазон измерений), и далее -- к синхронному детектору, связанному по опорному сигналу с электронным коммутатором. Благодаря использованию синхронного детектора достигается выгодное отношение полезного сигнала к шуму, а также практически исключаются «мерцания» источника, вызванные турбулентными движениями в атмосфере.

Высокая наде>кность устройства обеспечивается использованием полупроводниковых элементов во всех блоках (источник излучения, приемник излучения и r. и.) и отсутствием двигателей, прочих механических узлов и интерференционных светофильтров.

Благодаря высокому к.п.д. светодиодов и фотоприемников, повышающемуся при понижении температуры, данное устройство выгодно отличается от ему подобных с энергетическoi точки зрения и возмо>кности использования его при низких температурах.

Прп необходимости измерять концентрации других газов, например метан, углекислый газ и т. и., достаточно лишь заменить оптроны (источник сьета — приемник), rat чтобы длина волны излучателя соотDci ñòâoâ iëà полосе поглощения газа и световод выполнить в виде кюветы с исследуемым газом, которая позволяет сохранить его температуру и давление такими же, как и в окружающей среде.

Для количественных измерений составляю4„щих некоторых твердых тел, прозрачных для инфракрасной области (бумага, полиэтилен и т. и.), могут быть использованы пересекающиеся в точке нахождения исследуемого объекта малой толщины лучи сравнения и максимального поглощения. Пересечение лучей легко выполняется при помощи манипуляторов, позволяющих перемещать источник света и фотоприемники в нескольких плоскостях. В случае движущегося обьекта (полотно бумаги и т. д.) произвольнои толщины х.строиство включает блок задер>кки импульсов питания светодиода в одном из каналов, например в канале сравнения. Этим исключается ошибка в измерениях, вызванная дефектообразованиями в исследуемом об.ьекте.

Предмет изобретения

Устройство для количественных измерений

65 компонент среды, прозрачной в какой-либо

419772

l==

Составитель С. Непомнящая

Техред Л. Богданова Корректор А. Васильева

Редактор Л. Цветкова

Заказ 4778 Изд. № 1418 Тираж 651 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

Москва, )К-35, Раушская наб., д. 4/5

МОТ, Загорский цех части спектра светового излучения, содержащее блок питания, источник света, фотоприемник, усилитель и регистрирующий прибор, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и стабильности, оно снабжено электронным коммутатором, вход которого соединен с блоком питания, а выход — с источником света, гыполненным из светодиодов с длинами волн излучения, соответству1ощими максимуму поглощения анализируемой среды, линии слабого поглощения и спектральной области, где нет поглощения, например, для паров воды около 2,60 шсл, 0,94 нк.и и 0,85,нкм, а также синхронным детектором, связанным по опорному сигналу с коммутатором, по входному сигналу — с усилителем, а по выходному — с регистрирующим прибором.