СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ НАПРАВЛЕННОГО СВЕТА В ГАЗООБРАЗНЫХ И ЖИДКИХ СРЕДАХ (ЕГО ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО (ЕГО ВАРИАНТЫ) ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01N21/59 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения показателя ослабления направленного света в полупрозрачных средах. Оно может быть использовано в системах контроля окружающей среды, океанографии, системах контроля технологических процессов и системах пожарной безопасности.

Известны способы и устройства для измерения показателя ослабления направленного света, основанные на измерении интенсивности пучка света до и после прохождения им в среде известного расстояния и вычислении показателя ослабления по закону Бугера. Общим свойством этих способов является использование для измерения одного источника и одного приемника света.

Известно, что на результат измерения показателя ослабления света влияют изменчивость во времени и от температуры яркости источника света, коэффициента чувствительности приемника света, коэффициентов пропускания (поглощения) света в оптических трактах источника и приемника, коэффициентов пропускания (поглощения) света в иллюминаторах, интенсивности внешней засветки приемника.

Для устранения влияния перечисленных факторов в различных устройствах используют схемы самокалибровки, переменной или двойной баз, модуляции светового пучка, термостатирование источника света и фотоприемника и другое. Эти меры требуют сложных технических решений и не всегда эффективны.

Известен логарифмический фотометр-прозрачномер [1], содержащий, как и заявленное изобретение, источник света и приемник света, на выходе которого фиксируют сигналы. В этом аналоге используется механическая модуляция пучка света и разделение его на опорный и измерительный пучки, причем через среду проходит только измерительный пучок. Недостатком устройства и лежащего в основе его работы способа является зависимость результата измерения от разницы поглощения света в разных оптических трактах двух пучков и иллюминаторов. К тому же использование зеркального модулятора с двигателем, поворотной приемной герметичной трубы и поглотителей светового фона усложняет прибор и снижает его надежность.

Известен двухканальный фотометр для измерения прозрачности исследуемой среды [2], который, как и заявленное решение, содержит микропроцессор, источник направленного света, связанный с приемником света по оптической трассе через зеркало, иллюминатор, среду, другой иллюминатор и другое зеркало. Это устройство так же, как и другие аналоги, предполагает один источник и один приемник света. При этом разделение пучка света на опорный и измерительный пучки осуществляется зеркальным обтюратором, а приемная труба выполнена поворотной относительно оси осветительной трубы и вне труб установлены поглотители светового фона.

Указанное устройство и лежащий в основе его работы способ измерения показателя ослабления направленного света в исследуемой среде приняты в качестве прототипов для каждого из изобретений, входящих в заявленную группу. Недостатком прототипа является то, что он не исключает влияния на результат измерения различия в поглощении света в оптических трактах двух пучков, включая иллюминаторы, что не позволяет обеспечить требуемой точности измерений. При этом использование подвижного обтюратора, поворотной приемной трубы и поглотителей светового фона существенно усложняет прибор и способ измерения показателя ослабления света в среде.

В основу изобретения поставлена задача создания способа измерения показателя ослабления направленного света в газообразных и жидких средах, а также устройства для его осуществления, в которых путем использования двух источников направленного света и двух фотоприемников, размещенных в среде определенным образом, а также за счет других особенностей, характеризующих приемы способа и конструкцию, обеспечивается устранение фактора влияния на результат измерения неконтролируемых параметров прибора и внешней засветки. Указанный технический результат повышает точность измерения.

Поставленная задача решается тем, что по первому варианту в способе с использованием источника и приемника света, включающем фиксирование сигналов на выходе приемника, согласно изобретению используют два источника и два приемника света, размещенных в среде таким образом, чтобы оба приемника находились в лучах и первого, и второго источников, одно измерение показателя ослабления выполняют за четыре такта, причем в первом и втором тактах фиксируют сигналы на выходах приемников при двух разных значениях интенсивности первого источника, в третьем и четвертом тактах фиксируют сигналы на выходах приемников при двух разных значениях интенсивности второго источника, осуществляют n измерений по четыре такта, среднюю величину показателя ослабления вычисляют по формуле:

где L_ij - длина измерительной базы на трассе луча от i-го источника к j-ому приемнику света, ; ;

U_ij(t_s) - сигнал на выходе j-ого приемника от i-го источника в s-ом такте, ; ;

σ - постоянная величина, определяемая при градуировке,

причем L₁₂-L₁₁+L₂₁-L₂₂>0.

В случае, когда внешняя засветка приемников отсутствует, используется второй вариант способа, который отличается от первого тем, что одно измерение показателя ослабления света выполняют за два такта, в первом такте фиксируют сигналы на выходах приемников при освещении их первым источником, во втором такте фиксируют сигналы на выходах приемников при освещении их вторым источником, осуществляют n измерений по два такта, среднюю величину показателя ослабления вычисляют по формуле:

где L_ij - длина измерительной базы на трассе луча от i-го источника к j-ому приемнику света, ; ;

U_ij(t_s) - сигнал на выходе j-ого приемника от i-го источника в s-ом такте, ; ;

σ - постоянная величина, определяемая при градуировке, причем L₁₂-L₁₁+L₂₁-L₂₂>0.

Способ может реализовываться в нескольких вариантах в зависимости от набора параметров, влияние которых необходимо исключить.

На фиг.1 показана общая схема размещения источников и приемников света с указанием измерительных баз L₁₁, L₁₂ и L₂₁, L₂₂ на соответствующих оптических трассах первого и второго источников.

На фиг.2 и 3 представлены структурные схемы соответственно первого и второго вариантов устройства, реализующего заявленные варианты способа.

Сущность способа поясняется следующим.

Пусть источник направленного света с интенсивностью Ф(t) помещен в среду с показателем ослабления направленного света ε. Приемник света с коэффициентом чувствительности S(t) находится в среде в луче источника на расстоянии L. На трассе от источника к приемнику имеется фоновая засветка приемника с интенсивностью Ф₀(t). По пути от источника к приемнику свет проходит оптический тракт источника с коэффициентом пропускания k, иллюминатор источника с коэффициентом пропускания l, среду с коэффициентом пропускания e^-εL, иллюминатор приемника с коэффициентом пропускания m, оптический тракт приемника с коэффициентом пропускания p.

В соответствии с законом Бугера для сигнала на выходе приемника можно записать

В этом выражении искомой неизвестной является величина ε(t), наблюдаемая величина - U(t), величина Ф(t), задаваемая, но не контролируемая по абсолютному значению, величина Ф₀(t) неизвестная, но предположительно относительно медленно изменяющаяся.

Коэффициент чувствительности S неизвестен и медленно изменяется от внешних факторов и старения.

Конструктивные коэффициенты k и р неизвестны, изменяются очень медленно и могут считаться постоянными на время между поверками.

Коэффициенты l и m неизвестны и медленно изменяются из-за загрязнения иллюминаторов, параметр L известен.

Задача состоит в том, чтобы сделать результат измерения не зависящим от абсолютных значений величин Ф(t) и Ф₀(t), коэффициента S и мало зависящим от конструктивных параметров k и р и конструктивно-эксплуатационных параметров l и m.

Для этого согласно изобретению в среде размещают два источника света и два приемника. При измерении источники по очереди облучают одновременно оба приемника (см. фиг.1).

При облучении i-м источником интенсивностью Ф_i(t) j-го приемника по трассе ij, имеющей длину в среде L_ij, для сигнала на выходе j-го приемника получим

где k_ij, l_ij, m_ij, p_ij - соответствующие коэффициенты,

а Ф_0ij - внешняя засветка на трассе ij.

Измерение произведем за четыре такта. Считаем, что за это время ε(t)=const.

В первом такте включим первый источник интенсивностью Ф₁(t₁) и зафиксируем сигналы на выходах первого U₁₁(t₁) и второго U₁₂(t₁) приемников. Во втором такте включим первый источник на другую интенсивность Ф₁(t₂) и вновь зафиксируем сигналы на выходах первого U₁₁(t₂) и второго U₁₂(t₂) приемников. В третьем такте включим второй источник с интенсивностью Ф₂(t₃) и зафиксируем сигналы на выходах первого U₂₁(t₃) и второго U₂₂(t₃) приемников. В четвертом такте вновь включим второй источник с другой интенсивностью Ф₂(t₄) и зафиксируем сигналы на выходах первого U₂₁(t₄) и второго U₂₂(t₄) приемников.

В соответствии с уравнениями 1 и 2 можем записать

Чтобы убрать внешнюю засветку, необходимо оставить реакцию системы только на переменную составляющую интенсивности источников. Для этого проведем вычитание из выражения 3 выражения 5, из 4-6, из 7-9, из 8-10.

Получим

Для исключения Ф(t) разделим выражение 11 на 12 и 14 на 13.

Получим

Для исключения S₁ умножим выражения 15 и 16. Получим

Введем коэффициент

Коэффициент A содержит произведение отношений всех одноименных параметров четырех оптических трактов.

Если тракты выполнены идентичными и сохраняются идентичными при эксплуатации, то эти параметры равны и коэффициент А=1. Тогда

Из последнего выражения видно, что в результат измерения параметры оптических трактов не входят.

Если оптические тракты не являются идентичными, но их конструктивные параметры или их отношение сохраняются постоянными, то коэффициент А будет постоянной величиной, которая определяется при градуировке.

Перепишем выражение 19 с учетом обозначений 18

Перемножим n уравнений вида 21 для n отсчетов по времени и получим

Для среднего по времени за n отсчетов показателя ослабления света получим

где

Член n(L₁₂-L₁₁+L₂₁-Z₂₂) в выражении 23 можно интерпретировать как некую виртуальную измерительную базу, в n раз большую физической. Условием физической реализации способа является

Член σ зависит от конкретной физической реализации способа и определяется при градуировке. При А=1 получим σ=0.

В случае, если внешняя засветка в среде отсутствует (Ф_0ij)=0, используют второй вариант способа, который отличается от первого тем, что одно измерение показателя ослабления выполняют в два такта.

В первом такте первый источник освещает интенсивностью Ф₁(t₁) оба приемника и фиксируются на их выходах сигналы U₁₁(t₁) и U₁₂(t₁).

Во втором такте второй источник освещает интенсивностью Ф₁(t₂) оба приемника и фиксируются на их выходах сигналы U₂₁(t₂) и U₂₂(t₂).

Можем записать систему уравнений

Преобразуя эти уравнения, получим

Заявленный способ имеет варианты технической реализации.

Согласно первому варианту в заявленном устройстве для измерения показателя ослабления направленного света в газообразных и жидких средах, которое содержит микропроцессор и источник света, связанный с приемником света по оптической трассе через зеркало, иллюминатор, среду, другой иллюминатор и другое зеркало, новым является то, что оно содержит первый и второй блоки источников света, входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго цифроаналоговых преобразователей, первый и второй блоки приемников света, выходы которых соединены соответственно со входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей, выходы которых подключены ко входам микропроцессора, выходы которого подключены ко входам цифроаналоговых преобразователей, причем каждый блок источника света содержит источник направленного света с первой оптической трассой через полупрозрачное зеркало и первый иллюминатор и в среду и второй оптической трассой от полупрозрачного зеркала, расположенного под углом к оси первой оптической трассы, и через второй иллюминатор в среду, каждый блок приемника света содержит приемник света по первой оптической трассе из среды через первый иллюминатор и полупрозрачное зеркало и второй оптической трассе из среды через второй иллюминатор и от полупрозрачного зеркала, расположенного под углом к оси первой оптической трассы, при этом блоки источников и приемников света размещены в среде в вершинах четырехугольника так, что оси первых оптических трасс первого и второго блоков источников света совпадают соответственно с осями первых оптических трасс второго и первого блоков приемников света, оси вторых оптических трасс первого и второго блоков источников света совпадают соответственно с осями вторых оптических трасс первого и второго блоков приемников света, а расстояния в среде между иллюминаторами на оптических трассах от первого источника к первому и второму приемникам, соответственно L₁₁, L₁₂ и от второго источника к первому и второму приемникам, соответственно L₂₁, L₂₂, являются измерительными базами, причем L₁₂-L₁₁+L₂₁-L₂₂>0.

В частном случае исполнения устройства источники и приемники света размещены (в составе соответственно блоков источников света и блоков приемников света) в вершинах прямоугольника, как это показано на фиг.2.

В состав устройства входят первый 1 и второй 2 блоки источников света И₁ и И₂, первый 3 и второй 4 блоки приемников света П₁ и П₂, первый 5 и второй 6 цифроаналоговые преобразователи ЦАП1 и ЦАП2, первый 7 и второй 8 цифроаналоговые преобразователи АЦП₁ и АЦП₂, микропроцессор 9 МП.

Каждый блок источника света содержит источник направленного света 10, полупрозрачное зеркало 11, иллюминаторы 12 и 13.

Каждый блок приемника света содержит приемник 14, полупрозрачное зеркало 15 и иллюминаторы 16 и 17.

Полупрозрачные зеркала во всех блоках устанавливаются под углом к оси оптической трассы и служат для ответвления под углом части падающего на них света.

Блоки расположены по углам четырехугольника для формирования оптических трасс. Трасса от первого источника 10 в блоке 1 И₁ к первому приемнику 14 в блоке 3 П₁ проходит через полупрозрачное зеркало 11, иллюминатор 13, среду, иллюминатор 17, полупрозрачное зеркало 15.

Длина измерительной базы L₁₁ равна расстоянию между иллюминаторами 13 и 17.

Трасса от первого источника 10 в блоке 1 И₁ ко второму приемнику 14 в блоке 4 П₂ проходит через полупрозрачное зеркало 11, иллюминатор 12, среду, иллюминатор 16, полупрозрачное зеркало 15.

Длина измерительной базы L₁₂ равна расстоянию между иллюминаторами 12 и 16.

Трасса от второго источника 10 в блоке 2 И₂ к первому приемнику 14 в блоке 3 П₁ проходит через полупрозрачное зеркало 11, иллюминатор 12, среду, иллюминатор 16, полупрозрачное зеркало 15.

Длина измерительной базы L₂₁ равна расстоянию между иллюминаторами 12 и 16.

Трасса от второго источника 10 в блоке 2 И₂ ко второму приемнику 14 в блоке 4 П₂ проходит через полупрозрачное зеркало 11, иллюминатор 13, среду, иллюминатор 17, полупрозрачное зеркало 15.

Длина измерительной базы L₂₂ равна расстоянию между иллюминаторами 13 и 17.

В данном случае L₁₁=L₂₂<<L₁₂=L₂₁.

Выходы первого 5 и второго 6 цифроаналоговых преобразователей поданы соответственно на источники света 10 в первом 1 и втором 2 блоках И₁ и И₂.

Выходы первого 3 и второго 4 блоков приемников П₁ и П₂ поданы соответственно на входы первого 7 и второго 8 аналого-цифровых преобразователей, соответственно АЦП₁ и АЦП₂.

Цифровые входы-выходы цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей поданы соответственно на выходы-входы микропроцессора.

Устройство работает следующим образом.

В случае наличия внешней засветки приемников одно измерение осуществляется в четыре такта в соответствии с первым вариантом способа и вычисление показателя ослабления света выполняется по формуле (23).

Из конструкции устройства видно, что возможно выполнение условий, при которых конструктивно-эксплуатационные коэффициенты изменяются так, что

При этом загрязнение иллюминаторов не будет влиять на результат измерения.

В случае отсутствия внешней засветки приемников одно измерение осуществляется в два такта в соответствии со вторым вариантом способа и вычисление показателя ослабления света выполняется по выражению (34).

В случае, когда иллюминаторы оптических трактов защищены от загрязнения, например, периодической очисткой, то нет необходимости использования нескольких измерительных баз.

Тогда используют второй вариант устройства, который отличается от первого тем, что первый источник и первый приемник размещают совместно в одной точке среды, а второй источник и второй приемник размещают совместно в другой точке среды на расстоянии измерительной базы, общей для оптических трасс от первого источника ко второму приемнику и от второго источника к первому приемнику.

При этом L₁₁=L₂₂=0, L₁₂=L₂₁, l₁₁=1, m₁₁=1, l₂₂=1, m₂₂=1.

Фиг.3 иллюстрирует этот вариант.

Устройство содержит конструктивно идентичные оптико-электронные блоки 1 и 2, первый 3 и второй 6 цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), первый 4 и второй 5 аналого-цифровые преобразователи (АЦП), микропроцессор 7 (МП).

В состав каждого оптико-электронного блока входят источник света 8, приемник света 9, полупрозрачное зеркало 10, зеркало 11, иллюминатор 12. Блоки разнесены в среде на расстояние общей измерительной базы L₁₂=L₂₁. Первая оптическая трасса каждого источника 8 к местному приемнику 9 проходит через полупрозрачное зеркало 10 и от зеркала 11, а к удаленному приемнику вторая оптическая трасса каждого источника 8 проходит через полупрозрачное зеркало 10, которое расположено под углом 45° к оси первой оптической трассы источника света, через иллюминатор 12, среду, иллюминатор 12 другого блока и через полупрозрачное зеркало 10 другого оптико-электронного блока.

Устройство выполняет операции измерения и вычисления по первому или второму варианту способа. При этом в вычислении учитываются как измерительные базы только L₁₂ и L₂₁, каждая из которых является расстоянием между иллюминаторами.

Источники информации

1. М.Е.Ли. Логарифмический фотометр-прозрачномер. // Приборы для научных исследований и системы автоматизации в АН УССР. - Киев. "Наукова думка", 1994 - С.89-94.

2. Авторское свидетельство СССР №759862, кл.3 G 01 J 1/04, 1980 г., Бюл. №32. Двухканальный фотометр для измерения прозрачности исследуемой среды. Е.И.Афонин (прототип).

Изобретения предназначены для измерения показателя ослабления направленного света в полупрозрачных средах и могут быть использованы в системах контроля окружающей среды и технологических процессов. Одно измерение показателя ослабления выполняют в четыре такта, фиксируя сигналы на выходах приемников при двух разных значениях яркости первого и второго источников, проводят n измерений и среднюю величину показателя ослабления вычисляют по формуле. При отсутствии внешней засветки используют второй вариант способа, предусматривающий выполнение одного измерения показателя ослабления за два такта. При этом фиксируют в первом такте сигналы на выходах приемников при освещении их первым источником, а во втором такте - при освещении вторым источником. Осуществляют n измерений по два такта, среднюю величину показателя ослабления вычисляют по формуле. Использование двух источников и двух приемников направленного света, которые размещают в разнесенных точках в среде таким образом, чтобы оба приемника находились в лучах первого и второго источников, позволяет исключить влияние на результат измерения изменчивости яркости источника и чувствительности приемника света, коэффициентов поглощения света в оптических трактах прибора и иллюминаторах и внешней засветки, что повышает точность измерения. 4 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения показателя ослабления направленного света в газообразных и жидких средах с использованием источника и приемника света, включающий фиксирование сигналов на выходе приемника, отличающийся тем, что используют два источника направленного света и два приемника света, которые размещены в среде так, что первый и второй приемники находятся в лучах первого и второго источников, одно измерение показателя ослабления выполняют за четыре такта, причем в первом и втором тактах фиксируют сигналы на выходах приемников при двух разных значениях интенсивности первого источника, а в третьем и четвертом тактах фиксируют сигналы на выходах приемников при двух разных значениях интенсивности второго источника, осуществляют n измерений по четыре такта, среднюю величину показателя ослабления вычисляют по формуле

где L_ij - длина измерительной базы на трассе луча от i-го источника света к j-му приемнику света,

U_ij(t_s) - сигнал на выходе j-го приемника от i-го источника в s-м такте,

σ - постоянная величина, определяемая при градуировке, причем L₁₂-L₁₁+L₂₁-L₂₂>0.

где Z_ij - длина измерительной базы на трассе луча от i-го источника света к j-му приемнику света,

Uij(ts)- сигнал на выходе j-го приемника от i-го источника в s-м такте,

σ - постоянная величина, определяемая при градуировке, причем L₁₂-L₁₁+L_2l-L₂₂>0.