ПРОТОЧНЫЙ РЕФРАКТОМЕТР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК G01N21/43 

Предлагаемое устройство относится к приборам для измерения показателя преломления жидких либо пастообразных продуктов и может быть использовано в пищевой (определение концентрации сухих веществ), химической (определение концентрации растворов), нефтеперерабатывающей (определение типа и качества углеводородов), энергетической (определение качества энергоносителей) и др. отраслях промышленности непосредственно при их транспортировании по продуктопроводам.

Основное назначение предлагаемого устройства -контроль концентрации сухих веществ и сахара в технологических линиях приготовления пищевых продуктов и сахара на всех этапах технологического процесса. Предлагаемое устройство является фотометрическим рефрактометром проточного (либо погружного) типа, монтируемым на продуктопроводах.

Известны рефрактометры погружного типа, см. например [1] в которых используются стержневые чувствительные элементы с цилиндрическим прямым либо изогнутым стержнем. К недостаткам этих рефрактометров относится необходимость индивидуальной градуировки каждого прибора, узкий диапазон измерений и существенная нелинейность рабочей характеристики, обусловленные формой чувствительного элемента.

Наиболее близким (по совокупности признаков) к предлагаемому устройству является фотоэлектрический рефрактометр с однократным отражением и чувствительным элементом в виде комбинированной (состоящей из трех склеенных компонент) цилиндрической плоско-выпуклой линзы, содержащей зеркальный участок (для получения луча стабилизации излучателя) [2]
Известный рефрактометр содержит источник света (лампа накаливания) с коллиматором и измерительный фотоприемник, угол между ними близок к критическому (порядка 40-50^o). Оба они расположены с выпуклой стороны линзы, плоская поверхность которой контактирует с контролируемым продуктом.

Рефрактометр содержит также термодатчик, контролирующий температуру продукта, и электронный блок, состоящий из усилителей сигналов фотоприемников и термодатчика, сумматора их сигналов, выходного усилителя, индикатора показаний и стабилизатора напряжения питания источника света.

Принцип действия известного рефрактометра основан на изменении интенсивности светового потока, отраженного к фотоприемнику от плоской поверхности линзы в зависимости от показателя преломления контактирующего с ней продукта. Особенностью рефрактометра этого типа является освещение чувствительной плоскости границы линза-продукт параллельным пучком света. К недостаткам известного рефрактометра следует отнести:
1) большую погрешность измерений за счет неконтролируемого изменения свойств границы чувствительный элемент-воздух (появление влаги, температурная деформация, выщелачивание стекла и т.д.), погрешность за счет попадания в измерительный канал света, рассеянного на оптических неоднородностях в продукте (пузырьки воздуха и др.);
2) чрезвычайно большие габариты устройства, связанные с необходимостью коллимирования светового пучка (наличие громоздкого линзового коллиматора и зеркальной системы поворота лучей), посылаемого на чувствительный элемент, что практически не позволяет реализовать малогабаритные промышленные приборы;
3) недостаточную (для точных измерений) степень стабилизации светового потока излучателя в системе с зеркальным участком линзы.

Для повышения точности измерения показателя преломления в результате устранения указанных недостатков, а именно исключения влияния на результат измерения свойств воздушной границы чувствительного элемента и света, рассеянного на неоднородностях продукта, а также обеспечения возможности создания малогабаритных приборов, в качестве чувствительного элемента использована выпукло-вогнутая либо выпукло-выпуклая линза, обращенная выпуклой поверхностью к продукту, излучательный и измерительный фотоприемник расположены в сопряженных фокусах под углом β=11-16^o к оптической оси чувствительного элемента, причем в случае выпукло-вогнутой линзы фотоприемник стабилизации светового потока излучателя расположен в фокусе мениска, сопряженном с излучателем, а фотоприемник компенсации рассеяния на оптической оси, а в случае выпукло-выпуклой линзы последний расположен под углом a=6-10^o к оптической оси со стороны измерительного фотоприемника в сечении, проходящем через излучатель и оптическую ось чувствительного элемента.

На фиг. 1 изображен измерительный преобразователь на основе выпукло-вогнутой линзы; на фиг. 2 на основе выпукло-выпуклой линзы и на фиг. 3 на основе электронного блока. Измерительный преобразователь собран в герметичном фланцевом корпусе 1, устанавливаемом непосредственно на продуктопроводе так, что его чувствительный элемент 2 находится в непосредственном контакте с контролируемым продуктом. Внутри корпуса преобразователя 1 жестко монтируется головка 3, на которой установлены излучатель 4, измерительный фотоприемник 5, фотоприемник стабилизации излучателя 6, фотоприемник компенсации сигнала рассеяния света продуктом 7, а компенсатор температуры 8 продукта (например, термодиод), установленный в обойме линзового чувствительного элемента 9, находится в тепловом контакте с контролируемым продуктом. Соединительные провода всех электронных элементов выводятся на герметичный разъем 10, который с помощью кабеля подключается к электронному блоку устройства. На блок-схеме рефрактометра показаны: 4 - излучатель (светодиод); 5 измерительный фотоприемник; 6 фотоприемник стабилизации излучателя; 7 фотоприемник компенсации рассеяния; 8 термодиод компенсации температуры продукта; 11 электронный блок (содержит предварительные и масштабирующие усилители токов фотоприемников и термодиода, схему питания и стабилизации светового потока излучателя, сумматор, каскады стандартизации выходного сигнала, схемы цифровой индикации и сигнализации достижения заданного показателя преломления). В устройстве (см. фиг. 1) световой луч от излучателя 4 попадает на линзовый чувствительный элемент 2, после чего часть излучения (определяемая отношением показателей преломления воздуха и линзы) отражается и сфокусированная верхним мениском линзы попадает на фотоприемник 6, который через схему стабилизации автоматически поддерживает световой поток излучателя 4 на заданном уровне. Излучение проходит сквозь линзовый элемент, при этом часть излучения, определяемая отношением показателей преломления линзового элемента и контролируемого продукта, отражается нижним мениском линзового элемента 2 (рабочий измерительный сигнал) и фокусируется на фотоприемник измерительный 5, далее излучение проходит в контролируемый продукт и рассеивается на естественной оптической неоднородности продукта и газовых включениях в нем. Часть рассеянного излучения (излучение назад) возвращается к чувствительному элементу, пропускается и фокусируется последним на фотоприемник компенсации рассеяния 7.

В устройстве по фиг. 2 в отличие от устройства по фиг. 1 стабилизация светового потока излучателя 4 обеспечивается фотоприемником 6, установленным вблизи излучателя на периферии индикатрисы излучения, а фотоприемник компенсации рассеяния 7 установлен рядом с фотоприемником 5 под углом a=6-10^o к оптической оси. Следует отметить, что оптимальное угловое расположение излучателя и фотоприемников на фиг. 1 и 2 определено в результате экспериментальных исследований устройства и ограничено в области малых углов возможностью хорошего разделения сопряженных фокусов линзового элемента и обеспечения отсутствия влияния оптических сигналов друг на друга, а в области больших углов возможностью использования максимальной рабочей площади линзового элемента ( при больших углах выходная площадь линзового элемента используется только частично), что обеспечивает высокий уровень измерительного сигнала. Температура контролируемого продукта измеряется с помощью термопреобразователя (термодиода) компенсатора температуры 8, который размещен в герметичной капсуле вблизи от линзового чувствительного элемента, находящейся в тепловом контакте с контролируемым продуктом. Сигналы фотоприемников 5, 7 и термопреобразователя 8, соответственно, подаются на входы электронного блока 11. После усиления и масштабирования эти сигналы подаются на вход сумматора. В сумматоре из измерительного сигнала вычитаются части сигнала, полученные за счет рассеяния (сигнал фотоприемника 7) и влияния температуры (сигнал термодиода 8), т. е. осуществляется компенсация измерительного сигнала по рассеянию и температуре продукта. Скомпенсированный измерительный сигнал подается на вход нормирующего усилителя с токовым выходом, в котором проводится его преобразование в стандартные входные сигналы (например, 0-5 мА). Выходной сигнал сумматора подается также на входы схемы цифровой регистрации текущего значения показателя преломления либо концентрации сухих веществ и схемы сигнализации пороговые устройства, срабатывающие при достижении заданного значения показателя преломления.

Предложенная конструкция устройства при использовании выпукло-вогнутой линзы полностью устраняет указанные недостатки прототипа. Зависимость показаний устройства от неконтролируемых изменений границы чувствительный элемент-воздух (появление пленки влаги за счет разности температур чувствительного элемента и объема воздуха в корпусе преобразователя, попадание пленки гидратов при температурных циклах в продукте и т.д.) устранена путем введения в оптический тракт стабилизации светового потока излучателя мениска-отражателя, образованного верхней вогнутой поверхностью чувствительного элемента (компенсационный луч организуется самой границей стекло-воздух, очень чувствительной даже к малым вариациям своих оптических параметров).

Резко уменьшена также погрешность измерения за счет рассеяния излучения контролируемым продуктом благодаря пространственному разделению измерительного и рассеянного сигналов самим чувствительным элементом (фокальные области сигналов разделены), а их регистрация производится разделенными фотоприемниками, установленными в фокусах чувствительного элемента для каждого из этих сигналов.

Применение неколлимированного способа освещения чувствительного элемента позволяет резко сократить габариты всего устройства, получив при этом выигрыш по чувствительности за счет полного использования энергии излучателя, которое обеспечивается расположением излучателя и приемников в фокусах чувствительного элемента.

При использовании выпукло-выпуклой линзы (см. фиг. 2) первый из указанных недостатков не устраняется (стабилизация светового потока излучателя обеспечена фотоприемником 6, установленным на периферии индикатрисы излучения источника света 4), устранение второго обеспечено также за счет пространственного разнесения каналов измерения и компенсации рассеяния света в продукте, однако преимуществом этого конструктивного исполнения является возможность еще большей миниатюризации устройства (в 2-4 раза по сравнению с конструкцией по фиг. 1) благодаря тому, что у выпукло-выпуклой линзы фокусное расстояние, как правило, значительно меньше, чем у выпукло-вогнутой.

Благодаря тому, что поток продукта омывает выпуклую поверхность линзы, а не течет вдоль плоской поверхности, как у прототипа, скорость продукта вдоль чувствительного элемента возрастает, что способствует разрушению пристенного пограничного слоя и, соответственно, улучшает динамические характеристики (быстродействие) устройства, препятствуя также обрастанию чувствительного элемента компонентами продукта.

Малые габариты устройства обеспечивают возможность его установки непосредственно на продуктопроводе (фланцевое подсоединение) и локального охлаждения измерительного преобразователя (например, установка охлаждающей проточной рубашки на корпус преобразователя), что позволяет использовать устройство при высоких температурах продукта и окружающей среды.

Предлагаемые конструкции реализованы на основе чувствительных элементов из стекла К-8 с показателем преломления n_0,95 для длины волны 0,951 мк.

Чувствительный элемент по фиг. 1:
Диаметр Д 30 мм; фокусное расстояние переднего мениска f₁ 46 мм; фокусное расстояние заднего мениска f₂ 57 мм.

Чувствительный элемент по фиг. 2:
Диаметр Д 30 мм; фокусное расстояние f 37 мм.

Излучатели светодиоды АЛ-107Б.

Фотоприемники ФД-256.

Диапазоны измерения показателя преломления n_0,95 от 1,3 до 1,49 и концентрации сухих веществ от 0 до 80%
Материал корпуса нержавеющая сталь Х18Н9Т.

Габариты корпуса преобразователя (фиг. 1) диаметр 5 мм, высота 120 мм; (фиг. 2) диаметр 50 мм, высота 50 мм.

Устройство обеспечивает температурную компенсацию в диапазоне температур от 10 до 95^oC.

Основная приведенная погрешность прибора:
по концентрации сухих веществ ±0,25%
по показателю преломления на чистых и мутных жидких и пастообразных средах ±0,0004.

Использование: изобретение предназначено для измерения показателя преломления (концентрации сухих веществ) жидких и пастообразных продуктов в технологических производственных линиях в пищевой, сахарной, химической, нефтеперерабатывающей и др. отраслях промышленности. Сущность изобретения: прибор состоит из измерительного преобразователя, содержащего линзовый чувствительный элемент, излучатель, фотоприемники и термодатчик для контроля температуры продукта, и электронного блока, выполняющего операции усиления сигналов фотоприемников, стабилизации светового потока излучателя, компенсации температуры продукта, компенсации рассеяния излучения в продукте, сигнализации достижения заданного показателя преломления. В качестве чувствительного элемента в нем использована выпукло-вогнутая либо выпукло-выпуклая линза, обращенная выпуклой поверхностью к продукту, с противоположной стороны которой расположены излучатель и фотоприемники. При этом излучатель и измерительный фотоприемник расположены в сопряженных фокусах под углом 11-16 град. к оптической оси чувствительного элемента. В случае использования выпукло-вогнутой линзы фотоприемник стабилизации светового потока излучателя расположен в фокусе вогнутой поверхности линзы, сопряженном с излучателем, а фотоприемник компенсации рассеяния - на оптической оси. В случае использования двояковыпуклой линзы фотоприемник компенсации рассеяния расположен под углом 6-10 град. к оптической оси чувствительного элемента со стороны измерительного фотоприемника в сечении, проходящем через излучатель и оптическую ось линзы. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Проточный рефрактометр для жидких и пастообразных продуктов, содержащий излучатель, линзовый чувствительный элемент, три фотоприемника, первый из которых, измерительный, расположен по ходу луча, отраженного от поверхности чувствительного элемента, граничащей с исследуемым продуктом, а второй по ходу луча, отраженного от первой по ходу излучения поверхности чувствительного элемента, и электронный блок, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде выпукло-вогнутой линзы, выпуклая поверхность которой граничит с исследуемым продуктом, излучатель и измерительный фотоприемник расположены в сопряженных для этой поверхности фокусах под углом 11 16^o к оптической оси линзы, а третий фотоприемник расположен на оптической оси. 2. Проточный рефрактометр для жидких и пастообразных продуктов, содержащий излучатель, линзовый чувствительный элемент, три фотоприемника, первый из которых, измерительный, расположен по ходу луча, отраженного от поверхности чувствительного элемента, граничащей с исследуемым продуктом, и электронный блок, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде двояковыпуклой линзы, излучатель и измерительный фотоприемник расположены в сопряженных для поверхности линзы, граничащей с исследуемым продуктом, фокусах под углом 11 16^o к оптической оси линзы, второй фотоприемник расположен вблизи излучателя в области его индикатрисы, а третий фотоприемник под углом 6 10^o к оптической оси линзы со стороны измерительного фотоприемника в сечении, проходящем через излучатель и оптическую ось линзы.