СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2013 года по МПК G01J3/02 G01N21/85 

Настоящее изобретение относится к области анализа текучих сред. В частности, изобретение касается качественного анализа текучих сред и, в частности, топлива на основе углеводородов или биотоплива, обеспечивающего работу теплового двигателя типа двигателей транспортных средств.

Все чаще автомобили оборудуют электронной системой управления, конфигурируемой для оптимизации работы двигателя в зависимости от различных параметров, измеряемых датчиками. Как правило, такие системы конфигурируют для регулирования количества топлива, впрыскиваемого в двигатель, времени впрыска, угла опережения зажигания, давления впуска и рециркуляции выхлопных газов, в частности, в зависимости от режима двигателя, от температуры масла и охлаждающей жидкости и в зависимости от внешних параметров, таких как атмосферное давление и окружающая температура.

Однако такая оптимизация оказывается ограниченной из-за разброса качества топлива. Действительно, топливо, хотя и определено рамками стандартов, может менять свое качество в зависимости от времени и от поставщика топлива. Как правило, топливо характеризуется физико-химическими параметрами, такими как октановое число и упругость пара для двигателей с управляемым зажиганием, цетановое число, температура вспышки и холодостойкость для дизельных двигателей, а также кривая разгонки, плотность и содержание кислородных соединений. Так, считается, что физико-химические параметры топлива на основе углеводородов могут меняться от 15 до 40% и больше относительно средних значений, определенных стандартами.

Однако работу теплового двигателя оптимизируют с учетом стандартного топлива. Если качество топлива, заливаемого на бензозаправочной станции, чересчур отклоняется от качества стандартного топлива, эта оптимизация становится невозможной, и двигатель будет проявлять тенденцию к повышенному расходу и к повышенному выделению загрязняющих газов.

Поэтому желательно определять качество топлива, поступающего в двигатель, и учитывать полученные результаты для управления работой двигателя. В этой связи наиболее адаптированным для качественной оценки углеводорода или углеводородной смеси является метод инфракрасной абсорбционной спектрометрии.

Традиционный спектрометр для получения спектра поглощения текучей среды обычно содержит следующие элементы:

- источник света, который перекрывает, по меньшей мере, один диапазон длин волн, в котором необходимо производить измерения,

- устройство, называемое в дальнейшем тексте описания «зондом», в котором происходит взаимодействие между светом, излучаемым источником света, и анализируемой средой, и

- датчик спектрального анализа, который анализирует свет на выходе зонда.

Такой спектрометр позволяет получать спектр поглощения, выражающийся кривой типа Т=f(λ), показывающей количество Т света, прошедшее через анализируемую текучую среду, в зависимости от длины волны λ.

В основном спектрометр характеризуется своим диапазоном спектрального анализа (ширина и положение генерируемых спектров), точностью анализа или числом точек измерения, образующих получаемые спектры, точностью измерения по значению поглощения и чувствительностью, то есть способностью измерять количества слабого света.

Как правило, современные спектрометры отличаются большой сложностью и, следовательно, высокой стоимостью, а также относительно большими габаритами. В частности, современные спектрометры содержат многочисленные оптические компоненты (линзы, фильтры, призмы, зеркала, дифракционные решетки), разделенные воздушными слоями. Выравнивание этих компонентов является предопределяющим для нормальной работы спектрометра. Поэтому современные спектрометры, как правило, разработанные для лабораторий, не адаптированы к окружающей среде теплового двигателя или транспортного средства. В частности, они не приспособлены к сильным вибрациям, генерируемым тепловым двигателем или транспортным средством. Действительно, между источником света и устройством спектрального анализа световой пучок проходит через большое число оптических компонентов, разделенных воздушными слоями. Каждая граница раздела между оптическим компонентом и воздухом является потенциальным источником нарушений регулировки или погрешностей.

Источники света, традиционно используемые в спектрометрии (лампы накаливания или лампы с разрядом в парах металла, галогеновые лампы и т.д.), несовместимы с требованиями надежности, долговечности и размерности, предъявляемыми к приборам, устанавливаемым на тепловом двигателе или на транспортном средстве. Использование лазеров тоже исключается, так как потребовалось бы столько же лазеров, сколько будет точек измерения в искомом спектре. Использование лазеров исключено также из соображений долговечности, стабильности и надежности работы в агрессивной окружающей среде.

Кроме того, в патентных заявках FR 2798582 и FR 2789294 было предложено использовать электролюминесцентные диоды в сочетании с традиционными оптическими компонентами.

В документе US 2007/0084990 описан отражательный элемент с двумя плоскостями, образующими двухгранный угол 90°, установленный в измерительной полости, и оптический смеситель для комбинирования световых потоков, излучаемых источниками, и направления результирующего потока к зонду. Отражательный элемент отражает падающий луч, строго параллельный оптической оси оптического устройства, в направлении, противоположном направлению падающего луча.

В документе FR 2583164 описано устройство анализа цвета и мутности текучей среды, содержащее источник света в сочетании с фокусирующей оптикой для освещения текучей среды при помощи оптического волокна. После прохождения через текучую среду свет попадает в другое оптическое волокно, которое передает его в устройство хроматического анализа. Этот документ описывает также двухплоскостной отражательный орган.

В документе GB 2283091 описан прибор спектрального анализа жидкостей, содержащий оптическое волокно, которое передает излучение в зонд, содержащий плоский отражатель и канал для анализируемой жидкости. Отражатель отражает излучение в волокне в направлении блока анализа. Отражатель, описанный в этом документе, содержит плоскую и полированную отражающую поверхность с высокой степенью плоскостности.

В документе US 2005/0140270 описано устройство обнаружения вещества в жидкости, содержащее пучок оптических волокон, часть которых передает свет на жидкость, зеркало, омываемое жидкостью, которое отражает свет в направлении пучка волокон, при этом другая часть пучка волокон соединена с детектором.

В документе US 6560038 описан излучатель света, содержащий несколько источников красного, зеленого или синего цвета, таких как электролюминесцентные диоды. Свет, излучаемый каждым источником, концентрируется концентратором, затем переносится световодом.

В документе FR 2566909 описан просто оптический соединитель, связанный с электролюминесцентным диодом или с блоком электролюминесцентных диодов.

В документе US 4989942 описано устройство анализа жидкости, содержащее источник света, передаваемый оптическим волокном на коллиматорную линзу. После этого свет проходит через жидкость, затем через другую коллиматорную линзу, после чего переносится оптическим волокном в устройство анализа.

По вышеизложенным причинам возникает необходимость в реализации устройства спектрометрического анализа текучей среды, которое можно адаптировать для установки на тепловом двигателе или на транспортном средстве.

В связи с этим объектом настоящего изобретения является спектрометрическое устройство, содержащее осветительное устройство, выполненное с возможностью генерирования светового пучка в одном диапазоне длин волн, зонд, выполненный таким образом, чтобы световой пучок, исходящий из осветительного устройства, взаимодействовал с анализируемой текучей средой, и устройство спектрального анализа, выполненное с возможностью приема светового пучка после его взаимодействия с анализируемой текучей средой и выдачи измерений силы света для разных областей длин волн.

Согласно варианту выполнения зонд содержит отражатель типа ретроотражателя, отражающий в направлении источника света, расположенный таким образом, чтобы принимать световой пучок, проходящий от осветительного устройства через анализируемую текучую среду, и отражать его по существу в противоположном направлении, слегка его расширяя, к приемному световоду, связанному с отражателем и с устройством спектрального анализа таким образом, чтобы, по меньшей мере, частично принимать световой пучок, прошедший через анализируемую текучую среду, и передавать его в устройство спектрального анализа.

Согласно варианту выполнения отражатель является отражателем типа Scotchlite® или катафотом с ретроотражающими призмами.

Согласно варианту выполнения устройство содержит осветительный световод, связанный с отражателем для передачи светового пучка, исходящего от осветительного устройства, в анализируемую текучую среду.

Согласно варианту выполнения отражатель имеет форму сферического сегмента, центрованного по существу по центру выходной стороны осветительного световода.

Согласно варианту выполнения зонд содержит собирающую линзу, расположенную между выходом осветительного световода и анализируемой текучей средой.

Согласно варианту выполнения приемный световод содержит несколько приемных оптических волокон, распределенных вокруг осветительного световода, при этом отражатель располагают таким образом, чтобы отражать световой пучок, прошедший через анализируемую текучую среду, в направлении приемных оптических волокон через анализируемую текучую среду.

Согласно варианту выполнения зонд содержит Y-образный оптический соединитель, предназначенный для передачи светового пучка на выходе осветительного световода в анализируемую текучую среду и для передачи светового пучка от анализируемой текучей среды в приемный световод.

Согласно варианту выполнения осветительное устройство содержит электролюминесцентный диод, излучающий свет в указанном диапазоне длин волн, соединенный с осветительным световодом.

Согласно варианту выполнения осветительное устройство содержит несколько светоизлучателей, излучающих свет в разных областях длин волн, входящих в указанный диапазон длин волн, и осветительный световод, связанный со светоизлучателями, для передачи света, излучаемого светоизлучателями, в зонд.

Согласно варианту выполнения осветительное устройство содержит оптический смеситель, предназначенный для объединения световых потоков, излучаемых светоизлучателями, в результирующий световой пучок, охватывающий указанный диапазон длин волн, при этом оптический смеситель соединен с осветительным световодом для направления результирующего светового пучка в осветительный световод.

Согласно варианту выполнения оптический смеситель содержит входную сторону, принимающую свет, поступающий от светоизлучателей, выходную сторону, соединенную с осветительным световодом, и имеет по существу форму тела вращения, оптимизированную для передачи максимума света от светоизлучателей в световод.

Согласно варианту выполнения оптический смеситель перекрывает светоизлучающую поверхность каждого из светоизлучателей.

Согласно варианту выполнения оптический смеситель связан одним или несколькими оптическими волокнами со светоизлучающей поверхностью каждого из светоизлучателей.

Согласно варианту выполнения световой пучок, создаваемый осветительным устройством, охватывает диапазон длин волн от 700 нм до 1100 нм.

Согласно варианту выполнения осветительное устройство содержит несколько светоизлучателей, излучающих свет по существу в одной области длин волн.

Согласно варианту выполнения светоизлучатели являются электролюминесцентными диодами.

Согласно варианту выполнения устройство спектрального анализа содержит первый световод, соединенный с зондом и принимающий световой пучок после его взаимодействия с анализируемой текучей средой и передающий его в первый блок фоточувствительных элементов через первый оптический фильтр, выполненный с возможностью передачи в каждый из фоточувствительных элементов части светового пучка, охватывающей соответствующую область длин волн, находящуюся в указанном диапазоне длин волн.

Согласно варианту выполнения первый световод имеет вид пластины из прозрачного материала, принимающей световой пучок, выходящий из анализируемой текучей среды, через один торец пластины и передающей его в рассеянном виде на противоположный торец пластины, напротив которого находятся первый фильтр и первый блок фоточувствительных элементов.

Согласно варианту выполнения приемный световод связан с первым световодом для передачи в него светового пучка.

Согласно варианту выполнения устройство спектрального анализа содержит матрицу фотодетекторов, содержащую первый блок фоточувствительных элементов, которая прикреплена к торцу пластины через первый фильтр.

Согласно варианту выполнения первый фильтр содержит фильтр интерференционного типа со спектральной характеристикой пропускания, линейно изменяющейся по длине.

Согласно варианту выполнения фильтр перекрывает диапазон длин волн от 700 нм до 1100 нм.

Согласно варианту выполнения устройство спектрального анализа содержит второй световод, отбирающий часть светового пучка непосредственно на выходе осветительного устройства и передающий часть светового пучка на второй блок фоточувствительных элементов через второй оптический фильтр, выполненный с возможностью передачи в каждый из фоточувствительных элементов части светового пучка, охватывающей соответствующую область длин волн, находящуюся в указанном диапазоне длин волн.

Согласно варианту выполнения второй световод имеет вид пластины из прозрачного материала, принимающей световой пучок, выходящий из осветительного устройства, через один торец пластины и передающей его в рассеянном виде на противоположный торец пластины, напротив которого находятся второй фильтр и второй блок фоточувствительных элементов.

Согласно варианту выполнения устройство содержит световод, связанный со вторым световодом для передачи светового пучка, поступающего от осветительного устройства, во второй световод.

Согласно варианту выполнения устройство спектрального анализа содержит матрицу фотодетекторов, содержащую первый и второй блоки фоточувствительных элементов, которая прикреплена к торцу пластин первого и второго световодов через первый и второй фильтры.

Согласно варианту выполнения второй фильтр содержит фильтр интерференционного типа со спектральной характеристикой пропускания, линейно изменяющейся по длине.

Далее следует описание примеров выполнения настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:

Фиг.1 - блок-схема функций осветительного устройства, входящего в состав спектрометрического устройства, адаптированного к окружающей среде теплового двигателя или транспортного средства.

Фиг.2А - вид сбоку осветительного устройства, входящего в состав спектрометрического устройства.

Фиг.2В - вид спереди источников света осветительного устройства.

Фиг.3 - кривая, иллюстрирующая примеры спектров излучения источников света осветительного устройства.

Фиг.4 - вид сбоку варианта выполнения осветительного устройства, входящего в состав спектрометрического устройства.

Фиг.5А - вид сбоку зонда для передачи в анализируемую текучую среду светового пучка, генерируемого осветительным устройством.

Фиг.5В - вид в разрезе варианта расположения оптических волокон в зонде.

Фиг.6 - вид сбоку варианта выполнения зонда.

Фиг.7 - вид сбоку другого варианта выполнения зонда.

Фиг.8А - вид сверху устройства спектрального анализа, входящего в состав спектрометрического устройства.

Фиг.8В - вид сбоку устройства спектрального анализа.

Фиг.9 - блок-схема выполнения спектрометрического устройства.

Фиг.10 - блок-схема варианта выполнения спектрометрического устройства.

Фиг.11 - вид сверху устройства спектрального анализа, входящего в состав спектрометрического устройства и показанного на фиг.10.

Фиг.12 - пример кривой поглощения текучей среды, построенной при помощи устройства спектрального анализа.

В тексте описания фигур одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.

На фиг.1 показано спектрометрическое устройство FAN для анализа текучей среды. Устройство FAN содержит:

- осветительное устройство LSRC, перекрывающее, по меньшей мере, один диапазон длин волн, в котором необходимо производить спектрометрические измерения,

- зонд PRB, конфигурированный таким образом, чтобы свет, излучаемый осветительным устройством LSRC, взаимодействовал с анализируемой текучей средой,

- датчик спектрального анализа SPAN, который анализирует свет на выходе зонда, и

- оптические элементы 4, 12, конфигурированные таким образом, чтобы переносить свет между источником и зондом и между зондом и датчиком.

Анализируемой текучей средой может быть газ или жидкость и, в частности, углеводород или углеводородная смесь, или же смесь углеводородов и биотоплива.

На фиг.2А и 2В показан вариант выполнения осветительного устройства LSRC. Осветительное устройство LSRC содержит источник 1 света, установленный на держателе 2 и соединенный с источником энергии (не показан) при помощи соединительных штыревых контактов 5. Источник 1 света содержит, например, светоизлучающий компонент типа электролюминесцентного диода (DEL). Держатель 2 может содержать плату печатной схемы, на которой смонтирован и подключен светоизлучающий компонент 1.

Со светоизлучающей поверхностью компонента 1 соединено оптическое волокно 4 для передачи генерируемого света в зонд PRB.

Если диапазон, предназначенный для осуществления спектрометрических измерений, не может быть охвачен одним светоизлучающим компонентом, на держателе 2 можно установить несколько компонентов 1a-1g, излучающих свет в разных диапазонах длин волн.

Так, современные электролюминесцентные диоды характеризуются излучаемым спектром, длина волны которого имеет ширину в несколько нанометров. Поэтому необходимо использовать несколько электролюминесцентных диодов, если перекрываемый спектр охватывает несколько сот нанометров. Так, осветительное устройство может, например, охватывать волновой спектр от 700 до 1100 нм.

В этом случае осветительное устройство LSRC содержит оптический компонент 3, выполненный с возможностью смешивания света, исходящего от каждого из светоизлучающих компонентов 1a-1g, и направления смешанного света в оптическое волокно 4. Оптический компонент 3 можно выполнить из материала, прозрачного в спектре длин волн измерения анализатора. Оптический компонент 3 является, например, компонентом типа TIR (Полное внутреннее отражение), чтобы передавать с оптимальным выходом световую энергию, производимую светоизлучающими компонентами 1a-1g, в оптическое волокно 4. Компонент 3 содержит входную сторону, охватывающую все светоизлучающие компоненты 1a-1g, и выходную сторону, по существу имеющую форму и размеры входной стороны волокна 4. Компонент 3 имеет форму по существу конусного тела вращения, образующая которого оптимизирована таким образом, чтобы передавать в оптическое волокно 4 максимум света, исходящего из излучателей 1a-1g. Компонент 3 закреплен на компонентах 1a-1g и на держателе 2, например, при помощи слоя 3а прозрачного клея, в который погружены компоненты 1a-1g. Оптическое волокно 4 можно тоже закрепить на компоненте 3 при помощи прозрачного клея.

На фиг.3 показаны шесть кривых силы света в зависимости от длины волны, соответствующих спектрам излучения С1-С5 различных электролюминесцентных диодов и результирующему спектру CR, полученному после смешивания спектров С1-С5 при помощи оптического компонента 3. Спектры излучения С1-С5 имеют соответствующие максимальные значения около 850 нм, 890 нм, 940 нм, 970 нм и 1050 нм. Поскольку эти максимальные значения не являются идентичными, осветительное устройство LSRC может содержать несколько светоизлучающих компонентов с по существу идентичным спектром излучения, чтобы результирующий спектр CR был максимально плоским (постоянная сила света) в перекрываемом диапазоне длин волн.

На фиг.4 показан другой вариант выполнения осветительного устройства. Как показано на фиг.4, осветительное устройство LSRC1 содержит несколько светоизлучающих компонентов 1a, 1b, 1с, при этом каждый компонент установлен на держателе 2а, 2b, 2с и соединен напрямую с оптическим волокном 7а, 7b, 7с. Светоизлучающая поверхность каждого компонента 1а, 1b, 1с входит, таким образом, в контакт с входной поверхностью оптического волокна 7а, 7b, 7с. Выходная поверхность каждого оптического волокна соединена с оптическим компонентом, таким как описанный выше оптический компонент 3. Оптические волокна 7а, 7b, 7с можно закрепить на компонентах 1а, 1b, 1с или на держателях 2а, 2b, 2с и на компоненте 3 при помощи прозрачного клея.

Здесь оптический смеситель 3 может быть исключен. В этом случае оптические волокна, отходящие от диодов, собраны в пучок оптических волокон, передающих световой пучок, излучаемый осветительным устройством, в зонд PRB.

Следует отметить, что в варианте выполнения, показанном на фиг.4, диоды 1а-1с могут быть также установлены на одном держателе 2, как показано на фиг.2А, 2В.

На фиг.5А показан зонд PRB. Зонд PRB содержит несколько оптических волокон 4, 12, расположенных в виде пучка, и собирающую линзу 19.

На фиг.5В показан пример расположения волокон в пучке. Как показано на фиг.5В, пучок содержит центральное оптическое волокно, называемое осветительным, соответствующее волокну 4 из осветительного устройства LSRC, и боковые оптические волокна 12, называемые приемными, расположенные вокруг центрального волокна 4. Центральное оптическое волокно 4 может иметь отличный диаметр, например, превышающий диаметр боковых волокон 12. В примере, показанном на фиг.5В, зонд PRB содержит семь волокон 12.

Линза 19 соединена с волокнами 4, 12 таким образом, чтобы ее оптическая ось 16 по существу совпадала с оптической осью светового пучка на выходе центрального волокна 4, при этом центр выходной стороны волокна 4 находится вблизи фокуса линзы. Диаметр линзы 19 определяют таким образом, чтобы световой пучок, передаваемый волокном 4, полностью передавался линзой в бесконечность, учитывая угол раствора светового пучка на выходе волокна 4. Узел из волокон 4, 12 и линзы 19 можно установить в корпус 18.

Анализируемая текучая среда находится на пути светового пучка на выходе линзы 19. Для этого канал или резервуар 10, содержащий анализируемую текучую среду 20, содержит прозрачное окно 11а и плоский отражатель 13, расположенные на пути светового пучка на выходе линзы 19. Отражатель 13 расположен перпендикулярно к оптической оси 16, чтобы световой пучок проходил через анализируемую текучую среду 20 и отражался в направлении волокон 4 и 12 через линзу 19. Таким образом, световой пучок дважды проходит через анализируемую текучую среду между окном 11а и отражателем 13.

Отражатель 13 является ретроотражателем, отражающий в направлении источника света, то есть отражающий каждый падающий световой луч в направлении, противоположном направлению падающего светового луча, с небольшим отклонением, чтобы отраженный пучок фокусировался линзой 19 на более широкой поверхности, чем волокно 4, охватывая, в частности, входную сторону волокон 12.

Такой способностью обладают, в частности, отражающие поверхности, выпускаемые под товарным знаком Scotchlite® фирмой 3М: световой луч, который попадает на такую поверхность, возвращается в противоположном направлении с небольшим угловым расширением. Этот тип поверхности служит, например, для изготовления ретроотражающей защитной одежды. Для этого отражающая поверхность содержит прозрачные микрошарики, приклеенные на подложке, в которых половина поверхности, обращенная к подложке, покрыта отражающим слоем.

Этим свойством обладают также катафоты с ретроотражающими призмами.

Это свойство позволяет компенсировать дефект выравнивания между осью, перпендикулярной к отражателю 13, и оптической осью 16 линзы 19.

Канал или резервуар 10 может содержать второе прозрачное окно 11b, которое расположено на пути светового пучка и на котором закреплен отражатель 13.

Разумеется, прозрачное окно 11а может совпадать с линзой 19.

На фиг.6 показан другой вариант выполнения зонда. В этом варианте выполнения зонд PRB1 отличается от зонда, показанного на фиг.5А, отсутствием линзы 19. Как и на фиг.5А, резервуар или канал 10', содержащий анализируемую текучую среду 20, содержит прозрачное окно 11а, пропускающее световой пучок, выходящий из волокна 4, в анализируемую текучую среду. Напротив прозрачного окна 11а предусмотрен отражатель 13' в виде сферического сегмента, по существу центрованного по центру выходной стороны волокна 4. Таким образом, все лучи светового пучка на выходе волокна 4 по существу проходят путь одинаковой длины в анализируемой текучей среде 20.

Отражатель 13' содержит ретроотражающую поверхность, выполненную таким образом, чтобы расширять световой пучок для перекрывания входных сторон волокон 12.

Таким образом, весь пучок, выходящий из волокна 4, попадает в канал или резервуар 10' через прозрачное окно 11а и отражается отражателем 13' в направлении волокон 4, 12.

В данном случае отражатель 13' тоже расположен либо внутри канала или резервуара, либо на прозрачном окне в виде сферического сегмента, предусмотренном в канале или резервуаре 10'.

Можно также закрепить волокна 4, 12 на отражателе 13' и погрузить весь узел в анализируемую текучую среду 20.

На фиг.7 показан еще один вариант выполнения зонда. В этом варианте выполнения зонд PRB2 отличается от зонда, показанного на фиг.5А, наличием Y-образного соединителя 25 и только одного приемного волокна 12'. Зонд PRB2 содержит единое волокно 26, передающее световой пучок в анализируемую текучую среду 20 и улавливающее выходящий из этой среды световой пучок. Соединитель 25 выполнен с возможностью разделения световых пучков в зависимости от направления их распространения и, соответственно, для направления пучка, выходящего из осветительного устройства LSRC или LSRC1, в волокно 26 и в анализируемую текучую среду и для направления светового пучка, прошедшего через анализируемую текучую среду и переданного волокном 26, в оптическое волокно 12', соединенное с входом датчика спектрального анализа SPAN. Оптические волокна 4, 26 и 12' можно закрепить на соединителе 25 при помощи прозрачного клея.

Разумеется, как и в варианте, описанном со ссылками на фиг.6, линзу 19 в варианте выполнения, показанном на фиг.7, можно исключить. В этом случае используют отражатель в виде сферического сегмента, показанный на фиг.6.

На фиг.8А, 8В показан вариант выполнения датчика спектрального анализа SPAN. Датчик SPAN содержит световод 21, оптический фильтр 22 и фоточувствительный датчик 24. Световод 21 выполнен из прозрачного материала, например из стекла, и имеет форму пластины по существу в виде параллелепипеда небольшой толщины, по существу равной или превышающей диаметр оптических волокон 12, проходящих от зонда PRB. Каждое приемное оптическое волокно 12 закреплено на боковой стороне или торце 210 пластины, например, при помощи прозрачного клея.

Датчик 24 содержит блок фоточувствительных элементов, которые могут быть смонтированы в виде колодки и покрыты фильтром 22. Колодка фоточувствительных элементов вместе с фильтром 22 перекрывает боковую сторону или торец 211 световода, противоположную боковой стороне или торцу 210, где закреплены приемные оптические волокна 12. Датчик 24 является, например, датчиком типа CMOS, содержащим множество фоточувствительных элементов, например 64 или 128 фоточувствительных элементов. Фильтр 22 содержит один фильтрующий элемент на каждый фоточувствительный элемент, выполненный с возможностью передачи световых лучей, находящихся в соответствующей области длин волн анализируемого диапазона длин волн, таким образом, чтобы каждый фоточувствительный элемент выдавал значение точки на кривой генерируемого спектра. Выходной сигнал каждого элемента представляет собой измерение количества света, прошедшего через анализируемую текучую среду для области длин волны, передаваемой на элемент фильтром 22.

Произведенные элементами измерения передаются в устройство обработки сигналов RDP, конфигурированное с возможностью генерирования спектра вида I=f(λ), что соответствует количеству света I, передаваемому анализируемой текучей средой, в зависимости от длины волны λ. Устройство обработки сигналов выполнено также с возможностью определения на основании генерированного таким образом спектра поглощения характеристик SPCT текучей среды, через которую проходит световой пучок, выходящий из осветительного устройства LSRC.

Материал световода 21 имеет показатель преломления, при котором световые лучи, входящие через торец 210, отражаются стенками световода и выходят из него только через противоположный торец 211. Таким образом, световые пучки на выходе приемных волокон 12 полностью передаются в фильтр 22. Такая геометрия световода 21 позволяет по существу равномерно распределять световые пучки, выходящие из зонда PRB, по всей поверхности фильтра 22.

Световод 21 имеет, например, толщину примерно 1 мм и ширину примерно 7 мм для семи приемных волокон 12, каждое из которых имеет диаметр примерно 1 мм. Длину световода 21 определяют, например, в зависимости от угла раствора светового пучка на выходе волокон 12 в световоде 21, чтобы пучок 27 на выходе приемного волокна, закрепленного по середине ширины световода 21, перекрывал весь фильтр 22.

Фильтр 22 может быть интерференционным фильтром спектральной передачи, линейно изменяющейся по своей длине, пропускающим каждую составляющую длины волны принятого светового пучка в положении, зависящем от его длины волны, вдоль ширины выходной стороны (торца) 211 световода 21. Таким образом, каждый фоточувствительный элемент датчика 24 принимает световые лучи, находящиеся в отдельном диапазоне длины волны, и два смежных элемента датчика принимают световые лучи, находящиеся в двух смежных областях длин волн.

Разумеется, если зонд содержит только одно приемное оптическое волокно, как волокно 12' на фиг.7, то на входной стороне (торце) 210 световода 21, предпочтительно посередине этой стороны крепят только одно волокно.

На фиг.9 показано расположение различных ранее описанных компонентов в спектрометрическом устройстве FAN. Как показано на фиг.9, осветительное устройство LSRC соединено с зондом PRB (или PRB1, PRB2) через оптическое волокно 4. В случае зонда PRB или PRB2 линзу 19 устанавливают напротив прозрачного окна 11 и отражателя 13 на канале или резервуаре 10, содержащем анализируемую текучую среду 20. Зонд PRB (или PRB1, PRB2) соединяют с датчиком спектрального анализа SPAN при помощи оптических волокон 12 (или оптического волокна 12' в случае зонда PRB2).

На фиг.10 показан другой вариант выполнения спектрометрического устройства. Показанное на фиг.10 спектрометрическое устройство FAN1 отличается от спектрометрического устройства FAN тем, что содержит устройство спектрального анализа SPAN1 и оптическое волокно 4', соединяющее выход осветительного устройства LSRC с устройством SPAN1.

Показанное на фиг.9 и 10 осветительное устройство может быть также устройством LSRC1.

На фиг.11 показан датчик спектрального анализа SPAN1 спектрометрического устройства FAN1. Как показано на фиг.11, датчик спектрального анализа SPAN1 содержит два датчика, таких как датчик SPAN, показанный на фиг.8А, 8В. Так, датчик SPAN1 содержит два световода 21, 21' и два оптических фильтра 22, 22' и два фоточувствительных датчика. Входная сторона световода 21 соединена с оптическими волокнами 12, а входная сторона световода 21' соединена с оптическим волокном 4'.

Оптическое волокно 4' можно соединить с осветительным устройством LSRC (или LSRC1) при помощи известного соединителя оптических волокон (не показан), выполненного с возможностью передачи светового пучка на выходе смесительного компонента 3 по существу без потерь и равномерно на оба оптических волокна 4, 4'.

В примере, показанном на фиг.11, датчик SPAN1 содержит только один фоточувствительный датчик 24', содержащий в два раза больше фоточувствительных элементов, например 128 или 256, для анализа световых пучков, передаваемых через два световода 21, 21', каждый из которых связан с фильтром 22, 22'.

Свет, передаваемый напрямую от осветительного устройства LSRC через волокно 4', анализируют через фильтр 22', что дает для каждой длины волны λ количество света R(λ), излучаемое осветительным устройством.

Свет, передаваемый от зонда PRB через приемные волокна 12, показывает для каждой длины волны λ количество света t(λ), прошедшее через анализируемую текучую среду.

Таким образом, устройство SPAN1 может выдавать спектр передачи, скорректированный с учетом возможных флуктуаций светового пучка, выходящего из осветительного устройства, в виде Т(λ)=t(λ)/R(λ).

На фиг.12 показан пример такого спектра поглощения Т между длинами волн, равными 850 нм и 1050 нм, при этом Т по существу равно 1, если текучая среда является полностью прозрачной для соответствующей длины волны λ, и по существу равно 0, если текучая среда является полностью непрозрачной для соответствующей длины волны λ.

Разумеется, описанные выше оптические волокна 4, 4', 12, 12', соединяющие между собой осветительное устройство LSRC, LSRC1, зонд PRB, PRB1, PRB2 и устройство анализа SPAN, SPAN1, можно заменить пучками волокон.

Выравнивание различных оптических элементов спектрометрического устройства FAN, FAN1 производят во время сборки этих элементов и их соединения при помощи оптических волокон. Сборку можно осуществлять таким образом, чтобы получить один блок без воздуха или без вакуума между оптическими компонентами, благодаря использованию оптических волокон, что позволяет также сделать устройство нечувствительным к вибрациям. Так, все компоненты и оптические волокна устройства можно погрузить в смолу, например, типа "potting", которая может противостоять агрессивным средам.

Кроме того, спектрометрическое устройство FAN, FAN1 использует исключительно недорогие и долговечные компоненты, и их состав делает его совместимым с серийным производством. Таким образом, спектрометрическое устройство идеально адаптируется к окружающей среде теплового двигателя и транспортного средства.

Специалисту понятно, что в настоящее изобретение можно вносить различные варианты выполнения и для него можно предусматривать различные варианты применения. В частности, изобретение не ограничивается использованием оптических волокон для соединения различных элементов (осветительное устройство, зонд и устройство спектрального анализа) спектрометрического устройства. Изобретение не ограничивается также устройством, содержащим только одно оптическое волокно, соединяющее осветительное устройство с зондом и с устройством спектрального анализа, и одним или семью оптическими волокнами, соединяющими зонд с устройством спектрального анализа. Действительно, эти соединения можно осуществлять через световоды, образованные пучком оптических волокон.

Изобретение может также содержать осветительное устройство без смесительного оптического компонента 3. Действительно, этот компонент может быть исключен, если используют оптическое волокно или пучок оптических волокон, входная сторона которых перекрывает все электролюминесцентные диоды. В этом случае оптическое волокно или пучок оптических волокон крепят на диодах при помощи слоя прозрачного клея, в который погружены диоды. В отсутствие смесительного оптического компонента 3 световые пучки, находящиеся в разных областях длин волн, генерируемых электролюминесцентными диодами 1a-1g, смешиваются в анализируемой текучей среде, затем проходят в оптические волокна 12 или волокно 12' и оптический световод 21. В варианте выполнения, показанном на фиг.11, световые пучки, направляемые непосредственно в устройство спектрального анализа SPAN1, смешиваются в волокне 4' и в световоде 21'.

Изобретение не ограничивается также световодом 21, 21' в виде пластины. В зависимости от формы и распределения фоточувствительных элементов можно предусмотреть также другие его формы. Выполнение такого световода позволяет распределить световой пучок по существу равномерно по всем элементам фоточувствительного датчика.

Изобретение относится к спектрометрии. Устройство содержит: осветительное устройство, выполненное с возможностью генерирования светового пучка в одном диапазоне длин волн, зонд (PRB), выполненный таким образом, чтобы световой пучок, исходящий из осветительного устройства, взаимодействовал с анализируемой текучей средой (20), и устройство спектрального анализа, выполненное с возможностью приема светового пучка после его взаимодействия с анализируемой текучей средой и выдачи измерений силы света для разных диапазонов длин волн. При этом зонд (PRB) содержит отражатель (13) типа ретроотражателя, отражающий в направлении источника света, расположенный таким образом, чтобы принимать световой пучок, проходящий от осветительного устройства через анализируемую текучую среду, и отражать его по существу в противоположном направлении, слегка его расширяя, к приемному световоду (12), связанному с отражателем и с устройством спектрального анализа таким образом, чтобы принимать световой пучок, прошедший через анализируемую текучую среду, и передавать его в устройство спектрального анализа. Технический результат заключается в обеспечении возможности компенсации дефекта выравнивания между оптическими элементами устройства. 26 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Спектрометрическое устройство, содержащее: осветительное устройство, выполненное с возможностью генерирования светового пучка в одном диапазоне длин волн, зонд, выполненный таким образом, чтобы световой пучок, исходящий из осветительного устройства, взаимодействовал с анализируемой текучей средой, и устройство спектрального анализа, выполненное с возможностью приема светового пучка после его взаимодействия с анализируемой текучей средой и выдачи измерений силы света для разных областей длин волн, при этом зонд содержит отражатель типа ретроотражателя, отражающий в направлении источника света, расположенный таким образом, чтобы принимать световой пучок, проходящий от осветительного устройства через анализируемую текучую среду, и отражать его, по существу, в противоположном направлении, слегка его расширяя, к приемному световоду, связанному с отражателем и с устройством спектрального анализа таким образом, чтобы, по меньшей мере, частично принимать световой пучок, прошедший через анализируемую текучую среду, и передавать его в устройство спектрального анализа.

2. Устройство по п.1, в котором отражатель является отражателем типа Scotchlite® или катафотом с ретроотражающими призмами.

3. Устройство по п.1 или 2, содержащее осветительный световод, связанный с отражателем для передачи светового пучка, исходящего от осветительного устройства, в анализируемую текучую среду.

4. Устройство по п.3, в котором отражатель имеет вид сферического сегмента, по существу, центрованного по центру выходной стороны осветительного световода.

5. Устройство по п.3, в котором зонд содержит собирающую линзу, расположенную между выходом осветительного световода и анализируемой текучей средой.

6. Устройство по п.3, в котором приемный световод содержит несколько приемных оптических волокон, распределенных вокруг осветительного световода, при этом отражатель расположен с возможностью отражения светового пучка, прошедшего через анализируемую текучую среду, в направлении приемных оптических волокон через анализируемую текучую среду.

7. Устройство по п.7, в котором зонд содержит Y-образный оптический соединитель, предназначенный для передачи светового пучка на выходе осветительного световода в анализируемую текучую среду и для передачи светового пучка от анализируемой текучей среды в приемный световод.

8. Устройство по п.3, в котором осветительное устройство содержит электролюминесцентный диод, излучающий свет в указанном диапазоне длин волн, связанный с осветительным световодом.

9. Устройство по п.3, в котором осветительное устройство содержит несколько светоизлучателей, излучающих свет в разных областях длин волн, входящих в указанный диапазон длин волн, при этом осветительный световод связан со светоизлучателями для передачи света, излучаемого светоизлучателями, в зонд.

10. Устройство по п.9, в котором осветительное устройство содержит оптический смеситель, предназначенный для объединения световых потоков, излучаемых светоизлучателями, в результирующий световой пучок, охватывающий указанный диапазон длин волн, при этом оптический смеситель связан с осветительным световодом для направления результирующего светового пучка в световод.

11. Устройство по п.10, в котором оптический смеситель содержит входную сторону, принимающую свет, поступающий от светоизлучателей, выходную сторону, связанную с осветительным световодом, и имеет, по существу, форму тела вращения, оптимизированную для передачи максимума света от светоизлучателей в световод.

12. Устройство по п.10 или 11, в котором оптический смеситель перекрывает светоизлучающую поверхность каждого из светоизлучателей.

13. Устройство по п.10 или 11, в котором оптический смеситель связан с помощью одного или нескольких оптических волокон со светоизлучающей поверхностью каждого из светоизлучателей.

14. Устройство по любому из пп.8-11, в котором световой пучок, создаваемый осветительным устройством, охватывает диапазон длин волн от 700 нм до 1100 нм.

15. Устройство по любому из пп.8-11, в котором осветительное устройство содержит несколько светоизлучателей, излучающих свет, по существу, в одной области длин волн.

16. Устройство по любому из пп.9-11, в котором светоизлучатели являются электролюминесцентными диодами.

17. Устройство по п.1, в котором устройство спектрального анализа содержит первый световод, связанный с зондом и принимающий световой пучок после его взаимодействия с анализируемой текучей средой, и передающий его в первый блок фоточувствительных элементов через первый оптический фильтр, выполненный с возможностью передачи в каждый из фоточувствительных элементов части светового пучка, охватывающего соответствующую область длин волн, находящуюся в указанном диапазоне длин волн.

18. Устройство по п.17, в котором первый световод имеет вид пластины из прозрачного материала, принимающей световой пучок, выходящий из анализируемой текучей среды, через один торец пластины и передающей его в рассеянном виде на противоположный торец пластины, напротив которого находятся первый фильтр и первый блок фоточувствительных элементов.

19. Устройство по п.18, в котором приемный световод связан с первым световодом для передачи в него светового пучка.

20. Устройство по п.18 или 19, в котором устройство спектрального анализа содержит матрицу фотодетекторов, содержащую первый блок фоточувствительных элементов, которая прикреплена к торцу пластины через первый фильтр.

21. Устройство по любому из пп.17-19, в котором первый фильтр содержит фильтр интерференционного типа со спектральной характеристикой пропускания, линейно изменяющейся по длине.

22. Устройство по любому из пп.17-19, в котором фильтр перекрывает диапазон длин волн от 700 нм до 1100 нм.

23. Устройство по п.17, в котором устройство спектрального анализа (SPAN1) содержит второй световод, отбирающий часть светового пучка непосредственно на выходе осветительного устройства и передающий эту часть светового пучка на второй блок фоточувствительных элементов через второй оптический фильтр, выполненный с возможностью передачи в каждый из фоточувствительных элементов части светового пучка, охватывающей соответствующую область длин волн, находящуюся в указанном диапазоне длин волн.

24. Устройство по п.23, в котором второй световод имеет форму пластины из прозрачного материала, принимающей указанную часть светового пучка, выходящего из осветительного устройства, через один торец пластины и передающей его в рассеянном виде на противоположный торец пластины, напротив которого находятся второй фильтр (22') и второй блок фоточувствительных элементов.

25. Устройство по п.24, содержащее световод, связанный со вторым световодом для передачи светового пучка, поступающего от осветительного устройства, во второй световод.

26. Устройство по любому из пп.23-25, в котором устройство спектрального анализа содержит матрицу фотодетекторов, содержащую первый и второй блоки фоточувствительных элементов, которая прикреплена к торцу пластин первого и второго световодов через первый и второй фильтры.

27. Устройство по любому из пп.23-25, в котором второй фильтр содержит фильтр интерференционного типа со спектральной характеристикой пропускания, линейно изменяющейся по длине.