УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ АЛМАЗОВ И БРИЛЛИАНТОВ Российский патент 1994 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к средствам контроля материалов и может быть использовано в ювелирной промышленности и торговле, в таможенной службе и кримина- листике.

Известны способ и устройство для определения материалов по теплопроводности [1] , позволяющие определять различие между натуральными алмазами (бриллиантами) и их имитаторами, такими как кубическая окись циркония, имеющая оптические константы, сходные с оптическими константами алмаза. Способ основан на использовании различия в теплопроводности алмазов и их имитаторов. Устройство содержит зонд из материала с высокой теплопроводностью, средства для создания теплового потока и температурный датчик, имеющие механическую и тепловую связь с зондом. Недостатком устройства являются низкая чувствительность и производительность, связанные с тем, что при постоянной мощности источника тепла и изменяющейся при контакте с контролируемым изделием температуре зонда время и результаты контроля сильно зависят от теплоемкости зонда.

Наиболее близким к изобретению является устройство по способу, изложенному в патенте [2] . Оно содержит кристалл транзистора, использующийся в качестве источника тепла-датчика температуры, наконечник из материала с высокой теплопроводностью, обеспечивающий тепловое соединение кристалла транзистора с идентифицируемым объектом, регистрирующее устройство, источник питания. Недостатки указанного устройства те же, что и в патенте [1] . Кроме того, устройство работоспособно в узком диапазоне температур (19-22^оС), обладает низкой экономичностью из-за высокого потребления тока на нагревание наконечника зонда (30 мА), что ограничивает возможности использования батарейного питания.

Целью изобретения является повышение производительности контроля и экономичности. Дополнительным техническим результатом изобретения является расширение диапазона рабочих температур.

Цель достигается за счет того, что в устройство для идентификации алмазов и бриллиантов, содержащее кристалл транзистора, использующийся в качестве источника тепла-датчика температуры, наконечник из материала с высокой теплопроводностью, обеспечивающий тепловое соединение кристалла транзистора с идентифицируемым объектом, регистрирующее устройство, источник питания, дополнительно введен блок стабилизации температуры транзистора, при этом транзистор включен по схеме управляемого источника тока, электрически соединенного с блоком стабилизации температуры и источником питания, а регистрирующее устройство соединено с выходом блока стабилизации температуры. В преимущественном выполнении устройства блок стабилизации температуры состоит из компенсирующего транзистора, дифференциального усилителя, первого и второго токоизмерительных резисторов и резистора обратной связи, причем базовый и коллекторный выводы компенсирующего транзистора соединены с базовым выводом транзистора - источника тепла-датчика температуры и первым выводом резистора обратной связи, эмиттерный вывод компенсирующего транзистора соединен с первым выводом второго токоизмерительного резистора и неинвертирующим входом дифференциального усилителя, первый вывод первого токоизмерительного резистора соединен с эмиттерным выводом транзистора - источника тепла-датчика температуры и инвертирующим входом дифференциального усилителя, вторые выводы обоих токоизмерительных резисторов соединены с общим проводом, второй вывод резистора обратной связи соединен с выходом дифференциального усилителя, а коллектор транзистора - источника тепла-датчика температуры соединен с источником питания. Введение указанных компонентов позволяет повысить быстродействие и точность устройства за счет исключения влияния теплоемкости транзистора - источника тепла-датчика температуры в результате жесткой стабилизации его температуры. Одновременно с этим значительно снижается погрешность от изменения температуры окружающей среды, поскольку корректирующий транзистор отслеживает эти изменения и корректирует соответствующим образом режим транзистора - источника тепла-датчика температуры. Помимо этого в блок стабилизации температуры введены первый и второй компенсирующие резисторы и первый и второй добавочные резисторы, причем первый вывод первого компенсирующего резистора соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, а второй вывод первого компенсирующего резистора соединен с источником питания, первый вывод второго компенсирующего резистора соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, а второй вывод второго компенсирующего резистора соединен с коллектором компенсирующего транзистора, первый вывод первого добавочного резистора соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, а второй вывод первого добавочного резистора соединен с эмиттером транзистора - источника тепла-датчика температуры, первый вывод второго добавочного резистора соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, а второй вывод второго добавочного резистора соединен с эмиттером компенсирующего транзистора. Это позволяет скомпенсировать изменение чувствительности устройства при вариации напряжения источника питания, что в свою очередь дает возможность использовать в качестве источника питания гальванические батареи без стабилизатора напряжения, сущестенного повышения КПД устройства.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства, где 1 - контролируемое изделие (бриллиант или имитатор), подлежащее идентификации, 2 - наконечник из материала с высокой теплопроводностью, 3 - кристалл транзистора, использующийся в качестве источника тепла-датчика температуры, 4 - блок стабилизации температуры, 5 - регистрирующее устройство, 6 - источник питания.

На фиг. 2 представлена детальная блок-схема соединения транзистора - источника тепла-датчика температуры и блока стабилизации температуры. Устройство содержит транзистор VT1, использующийся в качестве источника тепла-датчика температуры, в составе блока стабилизации температуры источника тепла - дифференци- альный усилитель DA1, токоизмерительные резисторы R1 и R2, резистор обратной связи R3, второй вывод которого соединен с выходом дифференциального усилителя, компенсирующий транзистор VT2, базовый и коллекторный выводы которого соединены с базовым выводом транзистора VT1 и первым выводом резистора обратной связи R3, эмиттерный вывод соединен с первым выводом токоизмерительного резистора R2 и неинвертирующим входом дифферен- циального усилителя DA1, первый вывод токоизмерительного резистора R1 соединен с эмиттерным выводом транзистора VT1 и инвертирующим входом дифференциального усилителя DA1, вторые выводы обоих токоизмерительных резисторов R1 и R2 соединены с общим проводом, а коллектор транзистора VT1 соединен с источником 6 питания.

На фиг. 3 приведено устройство согласно изобретению, где в блок стабилизации температуры введены первый R4 и второй R5 компенсирующие резисторы и первый R6 и второй R7 добавочные резисторы, причем первый вывод первого компенсирующего резистора соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, а второй вывод первого компенсирующего резистора соединен с источником питания, первый вывод второго компенсирующего резистора соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, а второй вывод второго компенсирующего резистора соединен с коллектором компенсирующего транзистора, первый вывод первого добавочного резистора соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, а второй вывод первого добавочного резистора соединен с эмиттером транзистора - источника тепла-датчика температуры, первый вывод второго добавочного резистора соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, а второй вывод второго добавочного резистора соединен с эмиттером компенсирующего транзистора.

Устройство работает следующим образом. Значение сопротивления токоизмерительного резистора R1 выбирается меньше, чем R2, а обратная связь замкнута через резистор R3 таким образом, чтобы стремиться поддерживать одинаковыми напряжения на эмиттерах транзисторов VT1 и VT2. При включении питания токи через транзисторы устанавливаются различными пропорционально значениям сопротивления резисторов R1 и R2. При этом у них будут разные напряжения Ube. Поскольку величины мощности, рассеиваемой на транзисторах, существенно различаются, то температура транзистора VT1 возрастает больше и его напряжение Ube уменьшается. Равновесное состояние будет достигнуто, когда напряжение Ube обоих транзисторов уравняются. При этом температура транзистора VT1 будет равна
T(VT1) = T(VT1) +26mV*ln(R2/R1)/ /(2.2mV/K), определяется отношением токоизмерительных резисторов R1 и R2 и является постоянной.

При касании зондом грани бриллианта транзистор VT1 начинает остывать. При этом у него возрастает напряжение Ube. Появляющаяся при этом разность напряжений между эмиттерами транзисторов VT1 и VT2 усиливается дифференциальным усилителем и подается на базы этих транзисторов. Это приводит к пропорциональному росту тока через оба транзистора, что в свою очередь препятствует остыванию транзистора VT1, стабилизируя его температуру на заданном уровне.

Изменяющееся напряжение на выходе усилителя DA1 подается на регистрирующее устройство. При касании зондом имитатора, имеющего более высокое тепловое сопротивление, происходят такие же процессы в схеме стабилизации температуры, однако изменение напряжения на выходе усилителя DA1 меньше, чем при касании бриллианта.

Введенные в схему резисторы R4, R5, R6 и R7 позволяют стабилизировать чувствительность схемы при изменении напряжения питания, уменьшая заданную температуру перегрева транзистора VT1 пропорционально напряжению питания.

Технико-экономическая эффективность заключается в следующем. Опробование макета устройства выявило его преимущества по сравнению с известными устройствами: повышенную экономичность при сохранении чувствительности за счет более полного использования энергии источника питания (расход энергии снижается примерно в полтора раза по сравнению с прототипом); повышенную стабильность по отношению к температуре окружающей среды за счет использования компенсирующего транзистора (диапазон рабочих температур расширяется в 5 раз); повышенную производительность: время контроля составляет 2с вместо 5-10 с для прототипа. Время возврата готовности повторного контроля составляет 10-15 с вместо 1-2 мин для прототипа.

Использование: изобретение относится к средствам контроля материалов, в частности алмазов и бриллиантов. Сущность изобретения: в устройство для идентификации алмазов и бриллиантов, содержащее кристалл транзистора, использующийся в качестве источника тепла-датчика температуры, наконечник из материала с высокой теплопроводностью, обеспечивающий тепловое соединение кристалла транзистора с идентифицируемым объектом, регистрирующее устройство и источник питания, дополнительно введен блок стабилизации температуры транзистора, при этом транзистор включен по схеме управляемого источника тока, электрически соединенного с блоком стабилизации температуры и источником питания, а регистрирующее устройство соединено с выходом блока стабилизации температуры. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ АЛМАЗОВ И БРИЛЛИАНТОВ, содержащее кристалл транзистора, использующийся в качестве источника тепла - датчика температуры, наконечник из материала с высокой теплопроводностью, обеспечивающий тепловое соединение кристалла транзистора с идентифицируемым объектом, регистрирующее устройство и источник питания, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введен блок стабилизации температуры транзистора, при этом транзистор включен по схеме управляемого источника тока, электрически соединенного с блоком стабилизации температуры и источником питания, а регистрирующее устройство соединено с выходом блока стабилизации температуры. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок стабилизации температуры состоит из компенсирующего транзистора, дифференциального усилителя, первого и второго токоизмерительных резисторов и резистора обратной связи, причем базовый и коллекторный выводы компенсирующего транзистора соединены с базовым выводом транзистора - источника тепла - датчика температуры и первым выводом резистора обратной связи, эмиттерный вывод компенсирующего транзистора соединен с первым выводом второго токоизмерительного резистора и неинвертирующим входом дифференциального усилителя, первый вывод первого токоизмерительного резистора соединен с эмиттерным выводом транзистора - источника тепла - датчика температуры и инвертирующим входом дифференциального усилителя, вторые выводы обоих токоизмерительных резисторов соединены с общим проводом, второй вывод резистора обратной связи соединен с выходом дифференциального усилителя, а коллектор транзистора - источника тепла - датчика температуры соединен с источником питания. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в блок стабилизации температуры введены первый и второй компенсирующие резисторы и первый и второй добавочные резисторы, причем первый вывод первого компенсирующего резистора соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, а второй вывод первого компенсирующего резистора соединен с источником питания, первый вывод второго компенсирующего резистора соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, а второй вывод второго компенсирующего резистора соединен с коллектором компенсирующего транзистора, первый вывод первого добавочного резистора соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, а второй вывод первого добавочного резистора соединен с эмиттером транзистора - источника тепла - датчика температуры, первый вывод второго добавочного резистора соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, а второй вывод второго добавочного резистора соединен с эмиттером компенсирующего транзистора .