СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МУТНЫХ СРЕД Российский патент 2002 года по МПК G01N21/47 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения оптических характеристик мутных сред в условиях фонового излучения, и может использоваться в устройствах, предназначенных для изучения и контроля окружающих воздушной, водной и других мутных сред.

Известен способ измерения оптических характеристик мутных сред, заключающийся в регистрации разности интенсивностей двух направленных пучков излучения, прошедших через среду с разной оптической плотностью (Неуймин Г.Г. Аппаратура и методы морских гидрооптических исследований, изд. МГИ г.Севастополь, 1981 г).

Однако известный способ характеризуется погрешностью измерений, обусловленной нестабильностью источника излучения и элементов измерительного тракта, а также нелинейной зависимостью регистрируемого сигнала от значения измеряемой оптической характеристики мутной среды.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ измерения оптических характеристик мутных сред, заключающийся в том, что поток излучения формируют в направленный пучок, делят его на эталонный и измерительный пучки и поочередно пропускают их через мутную среду с периодом Т, прошедшие пучки излучения сводят в общий пучок и преобразуют в электрический сигнал, пропорциональный измеряемому значению оптической характеристики мутной среды (А.П. Иванов. Физические основы гидрооптики, изд. "Наука и техника", Минск, 1975 г., с.109, 115).

Недостатком указанного способа измерения оптической характеристики мутной среды является то, что при наличии фонового излучения нарушается пропорциональность между регистрируемым сигналом и значением измеряемой оптической характеристики мутной среды, то есть появляется погрешность измерений, обусловленная наличием регистрируемого фонового излучения.

Показатель ослабления определяется следующим выражением, вытекающим из закона Бугера:
ε = (l/l_б)ln(F_эт/F_из), (1)
где l_б - длина оптической базы измерителя;
f_эт, f_из - эталонный и измерительный потоки излучения соответственно.

При измерении показателя ослабления в натурных (полевых) условиях одновременно с потоками F_эт, F_из приемником регистрируется поток фонового излучения F_ф.

В способе, выбранном в качестве ближайшего аналога, с логарифмической нагрузки приемника снимают разностный сигнал ΔU_фп1 и ΔU_фп2 соответственно для потоков фонового излучения F_ф1 и F_ф2
ΔU_фп1 ≡ ln(I_ф1+I_эт)-ln(I_ф1+I_из), (2)
ΔU_фп2 ≡ ln(I_ф2+I_эт)-ln(I_ф2+I_из), (3)
где I_ф1, I_ф2 - токи приемника от потоков излучений F_ф1 и F_ф2;
I_эт, I_из - токи приемника от потоков излучений F_эт, F_из.

Как видно из выражений (2) и (3), при I_ф2>I_ф1ΔU_фп2<ΔU_фп1, то есть с увеличением фонового излучения разностный сигнал, снимаемый с нагрузки приемника, уменьшается. Следовательно, увеличивается погрешность измерения показателя ослабления.

Истинное значение показателя ослабления излучения мутной среды будет иметь место при I_ф=0 и определяется выражением
ε = (l/l_б)ln(I_эт/I_из), (4)
В устройствах, которые используют способ - ближайший аналог измерения оптических характеристик мутных сред, с целью уменьшения влияния фонового излучения (например, дневного света) на результат измерения, применяют различные конструктивные решения (диафрагмирование, ограждение оптических трактов, проходящих в исследуемой среде и т.п.). Однако полностью устранить попадание рассеянного фонового излучения в устройство не удается, поэтому существует погрешность измерений, обусловленная наличием регистрируемого фонового излучения, и тем большая, чем больше его интенсивность.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении точности измерений.

Это достигается благодаря тому, что в способе измерения оптических характеристик мутных сред, включающем формирование потока излучения в направленный пучок, деление его на эталонный и измерительный пучки и поочередное пропускание этих пучков через мутную среду с периодом Т, сведение их в общий пучок, преобразование прошедших пучков излучения в электрический сигнал, пропорциональный измеряемому значению оптической характеристики мутной среды, длительность импульсов эталонного и измерительного пучков излучения выбирают из соотношения
0<τ_эт+τ_из<T
где τ_эт и τ_из - длительность импульсов соответственно эталонного и измерительного пучков излучения, после преобразования прошедших пучков в электрический сигнал, выделяют его составляющую, пропорциональную фоновому излучению, приводят ее к нулевому потенциалу, а импульсную составляющую электрического сигнала разделяют на две последовательности импульсов, первая из которых соответствует эталонному, а вторая - измерительному пучкам излучения, после чего обе последовательности импульсов преобразуют в постоянные напряжения и рассчитывают значения оптических характеристик мутной среды. При этом полученные значения постоянного напряжения, соответствующие последовательностям импульсов, преобразуют в цифровой сигнал, который вводят в ЭВМ, где с помощью соответствующих программ рассчитывают оптические характеристики исследуемой мутной среды.

Благодаря определению соотношения по выбору длительности импульсов эталонного и измерительного пучков излучения появилась возможность выделить электрический сигнал, пропорциональный фоновому излучению, и привести его к нулевому потенциалу, что обеспечивает повышение точности измерения оптических характеристик мутных сред.

На чертеже изображена функциональная схема устройства, с помощью которого может быть реализован предлагаемый способ измерения оптических характеристик мутных сред.

Устройство содержит излучатель 1 и последовательно расположенные по ходу излучения коллиматор 2, светоделительное устройство 3, прерыватель пучков излучения 4, включающий систему синхронизации, исследуемая мутная среда 5, освещаемая фоновым излучением, светосводящее устройство 6 и приемник излучения 7, например фотоприемник, выход которого подключен к первому входу сумматора 8 и к входу инвертора 9, выход инвертора подключен к сигнальному входу первого ключа 10, выход которого подключен к входу первого запоминающего устройства 11, выход которого соединен со вторым входом сумматора 8, выход которого подсоединен к сигнальным входам второго 12 и третьего 13 ключей, выходы которых подключены соответственно ко второму и третьему запоминающему устройству 14 и 15 соответственно, при этом управляющие входы первого 10, второго 12 и третьего 13 ключей подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам упомянутого прерывателя пучков излучения 4. Выходы второго и третьего запоминающих устройств 14 и 15 соединены с входом аналого-цифрового преобразователя 16, выход которого соединен с входом ЭВМ 17.

Заявляемый способ может быть реализован следующим образом.

Световой поток излучателя 1 собирается и формируется коллиматором 2 в пучок, который светоделительным устройством 3 делится на эталонный и измерительный пучки. Далее эти пучки излучения поочередно пропускаются прерывателем 4 через исследуемую мутную среду 5, освещаемую фоновым излучением, и поступают через светосводящее устройство 6, в котором прошедшие пучки сводятся в общий пучок, на приемник излучения 7, при этом длительности импульсов эталонного и измерительного пучков излучения находятся в соотношении
0<τ_эт+τ_из<T,
где τ_эт и τ_из - длительность импульсов соответственно эталонного и измерительного пучков излучения.

В приемнике излучения 7 поступающее на его фотокатод излучение преобразуется в электрический сигнал, содержащий составляющую U_ф, пропорциональную фоновому излучению, и импульсную составляющую, содержащую импульсы длительностью τ_эт и τ_из, амплитуды U_эт и U_из которых пропорциональны интенсивностям соответственно эталонного и измерительного пучков излучения. Одновременно в системе синхронизации, входящей в прерыватель пучков излучения 4, формируют три последовательности импульсов синхронизации, две из которых совпадают по времени с импульсами U_эт и U_из соответственно а третья - с интервалом времени, когда амплитуды сигналов U_эт и U_из равны нулю, а значение сигнала, соответствующего фоновому излучению, равно U_ф. С приемника излучения 7 электрический сигнал поступает на первый вход сумматора 8 и на вход инвертора 9. Инверсный сигнал с выхода инвертора 9 поступает на сигнальный вход ключа 10, на управляющий вход которого поступает импульс синхронизации, соответствующий по времени интервалу времени, когда сигналы U_эт и U_из отсутствуют. При этом в моменты импульса синхронизации, соответствующего фоновому излучению, открывается первый ключ 10 и на первом запоминающем устройстве 11 фиксируется значение напряжения, пропорциональное фоновому излучению, с противоположным знаком относительно сигнала приемника излучения 7. С выхода первого запоминающего устройства 11 этот сигнал поступает на второй вход сумматора 8, где происходит суммирование значения U_ф и его инверсного значения (-U_ф). В результате с выхода сумматора 8 на сигнальные входы второго и третьего ключей 12 и 13 соответственно поступает последовательность импульсов U_эт и U_из, приведенная к нулевому потенциалу. В моменты времени, соответствующие импульсам U_эт и U_из, на управляющие входы второго и третьего ключей 12 и 13 соответственно поступают импульсы синхронизации, которые открывают соответствующие ключи, и на выходах второго и третьего запоминающих устройств 14, 15 соответственно формируются постоянные напряжения. значения которых пропорциональны амплитудным значениям U_эт и U_из. Далее эти постоянные напряжения через аналогово-цифровой преобразователь 16 поступают на ЭВМ 17, где с помощью специальной программы вычисляют оптические характеристики исследуемой мутной среды, например показателя ослабления, алгоритм работы такой программы основан на формуле (4). Возможно использование значений постоянных напряжений на выходах запоминающих устройств 14 и 15 для непосредственного вычисления оптических характеристик исследуемой мутной среды без предварительного преобразования их в цифровой сигнал.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения оптических характеристик мутных сред в условиях фонового излучения, и может использоваться в устройствах, предназначенных для излучения и контроля окружающих воздушной, водной и других мутных сред. В способе измерения оптических характеристик мутных сред, включающем формирование потока излучения в направленный пучок, деление его на эталонный и измерительный пучки и поочередное пропускание их через мутную среду с периодом Т, сведение прошедших пучков в общий пучок, прием и преобразование прошедших пучков в электрический сигнал, из которого выделяют сигнал, пропорциональный измеряемому значению оптической характеристики мутной среды, длительность импульсов эталонного и измерительного пучков излучения выбирают из соотношения 0<τ_эт+τ_из<T, где τ_эт и τ_из - длительность импульсов соответственно эталонного и измерительного пучков излучения, и после преобразования прошедших пучков в электрический сигнал выделяют его составляющую, пропорциональную фоновому излучению, приводят ее к нулевому потенциалу, а импульсную составляющую электрического сигнала разделяют на две последовательности импульсов, одна из которых соответствует эталонному, а другая - измерительному пучкам излучения, после чего обе последовательности импульсов преобразуют в постоянные напряжения и рассчитывают значения оптических характеристик мутной среды. Полученные значения постоянного напряжения, соответствующие упомянутым последовательностям импульсов, преобразуют в цифровой сигнал, который вводят в ЭВМ, где с помощью соответствующих программ рассчитывают оптические характеристики мутной среды. Изобретение позволяет существенно повысить точность измерений оптических характеристик мутных сред. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения оптических характеристик мутных сред, включающий формирование потока излучения в направленный пучок, деление его на эталонный и измерительный пучки и поочередное пропускание их через мутную среду с периодом Т, сведение прошедших пучков в общий пучок, прием и преобразование прошедших пучков в электрический сигнал, из которого выделяют сигнал, пропорциональный измеряемому значению оптической характеристики мутной среды, отличающийся тем, что длительность импульсов эталонного и измерительного пучков излучения выбирают из соотношения
0<τ_эт+τ_из<T,
где τ_эт и τ_из - длительность импульсов соответственно эталонного и измерительного пучков излучения,
и после преобразования прошедших пучков в электрический сигнал выделяют его составляющую, пропорциональную фоновому излучению, приводят ее к нулевому потенциалу, а импульсную составляющую электрического сигнала разделяют на две последовательности импульсов, одна из которых соответствует эталонному, а другая - измерительному пучкам излучения, после чего обе последовательности импульсов преобразуют в постоянные напряжения и рассчитывают значения оптических характеристик мутной среды. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полученные значения постоянного напряжения, соответствующие упомянутым последовательностям импульсов, преобразуют в цифровой сигнал, который вводят в ЭВМ, где с помощью соответствующих программ рассчитывают оптические характеристики мутной среды.