ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ И КОНЦЕНТРАЦИИ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2014 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к оптическим устройствам контроля параметров дисперсных сред, и может найти применение при контроле запыленности газов и загрязнения жидкостей.

Известен способ анализа взвешенных частиц (Пат. RU 2102719, G01N 15/02, от 20.01.1998), состоящий в том, что импульсные электрические сигналы от фотоэлектрического преобразователя усиливают, производят выделение локальных максимумов в анализируемых импульсах и формируют отдельные импульсы амплитудой, равной величине этих максимумов, которые затем подвергают амплитудному анализу с целью определения размеров частиц.

Недостатком данного способа является искажение выходного сигнала из-за отсутствия учета шумовых фотоэлектрических импульсов темнового тока, что приводит к увеличению погрешностей измерений.

Известен способ дисперсного анализа взвешенных частиц (Беляев С.Г., "Оптико-электронные методы измерения параметров аэрозолей". М.: Энергоиздат, 1987), состоящий в том, что импульсные электрические сигналы первичного фотоэлектрического преобразователя усиливают, анализируют по амплитуде и определяют число и размеры частиц.

Недостатком данного способа является искажение получаемой информации из-за совпадений частиц в чувствительном объеме и, вследствие этого, низка величина предельно измеряемой концентрации.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является способ анализа взвешенных частиц и устройство для его осуществления (А.с. SU 1516889, G01N 15/02 от 23.10.1989). Согласно этому способу применяется принудительное прерывание импульса, если его длительность превышает длительность одиночного импульса, и отбор для анализа только тех импульсов, которые отстоят от последующих и предыдущих на время, большее, чем время прерывания. Таким образом, из каждого импульса, длительностью больше некоторой величины, определяемой, как длительность одиночного импульса, формируется серия импульсов количеством, на единицу большем целой части отношения длительности входного импульса к указанной величине.

Недостатком указанного устройства является искажение получаемой информации о концентрации частиц и их размере из-за того, что в чувствительном объем датчика частицы движутся с различными скоростями и, следовательно, электрические импульсы на выходе фотоприемника имеют различную длительность, и принудительное прерывание через определенный промежуток времени может привести к тому, что импульс, длительность которого превышает величину, определяемую как длительность одиночного импульса, вызовет формирование двух или более импульсов на входе амплитудного анализатора, в случае же более коротких импульсов возможен пропуск частиц. Таким образом, в описанном устройстве не учитывают возможных различий в длительности импульсов на выходе фотоприемника, имеющих место в некоторых конструкциях фотоэлектрических датчиков, что приводит к искажениям получаемой информации.

Задачей изобретения является повышение точности измерения концентрации и размеров частиц.

Поставленная задача решается тем, что фотоэлектрическое устройство определения размеров и концентрации взвешенных частиц, содержащее осветитель, на оптической оси которого размещен счетный объем, с которым через объектив оптически сопряжен фотоприемник, пороговый элемент, три элемента И, два одновибратора, два инвертора, элемент ИЛИ, аналоговый ключ, отличающееся тем, что для повышения точности измерений в него дополнительно введены усилитель, второй пороговый элемент с регулируемым пороговым уровнем, элемент НЕ, триггер, два аналоговых ключа, линия задержки, два элемента И, аналого-цифровой преобразователь, два цифроаналоговых преобразователя, блок управления осветителем, воздуходувка, блок управления воздуходувкой, персональный компьютер.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в повышении точности измерения концентрации и размеров частиц.

Этот результат достигается тем, что устройство определения размеров и концентрации взвешенных частиц состоит в освещении потока частиц световым пучком и регистрации параметров световых сигналов (амплитудно-временной анализ и анализ длительности или глубины модуляции), формируемых частицами при их пролете через выделенную область потока частиц. Поток фотоэлектрических импульсов подвергают первичной амплитудной дискриминации с верхним и нижним пороговыми уровнями, а затем селектор импульсов обеспечивает прохождение импульсов с длительностью, превышающей определенную пороговую величину, благодаря чему удается дополнительно подавить 20% импульсов темнового тока, устройство коррекции многократных совладений подвергает фотоэлектрические импульсы принудительному прерыванию через время, равное длительности пролета частиц через счетный объем. Введены два цифроаналоговых преобразователя: один для управления воздуходувкой и длительностью импульсов принудительного прерывания, другой для изменения амплитуды излучения осветителя и регулировки верхнего порогового уровня амплитудной дискриминации, аналого-цифровой преобразователь позволяет проводить дополнительную обработку полученных импульсов с помощью персонального компьютера, который управляет цифро-аналоговыми преобразователями.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства для определения размеров и концентрации взвешенных частиц. Устройство содержит осветитель 1, формирующий зондирующий световой пучок 2, счетный объем 3, объектив 4, фотоприемник 5, усилитель 6, амплитудный дискриминатор 7, селектор импульсов 8, устройство коррекции многократных совпадений 9, аналого-цифровой преобразователь 10, цифро-аналоговые преобразователи 11 и 12, блок управления воздуходувкой 13 и воздуходувка 15, блок управления осветителем 14, персональный компьютер 16.

На фиг.2 изображена схема амплитудного дискриминатора (7). Амплитудный дискриминатор содержит: два пороговых устройства 17 и 18, элемент НЕ 19, первый 20 и второй элементы И 22, триггер 21, элемент ИЛИ 23, аналоговый ключ 24.

На фиг.3 изображена схема селектора импульсов (8). Селектор импульсов содержит: линию задержки 25, элемент И 26, аналоговый ключ 27.

На фиг.4 изображена схема устройства коррекции многократных совпадений (9). Устройство коррекции многократных совпадений содержит первый 28 и второй 33 элементы И, первый 29 и второй 30 одновибраторы, первый 31 и второй 32 инверторы, аналоговый ключ 34.

На фиг.5 - изображена эпюра напряжения U₈ на выходе селектора импульсов.

На фиг.6 - изображена эпюра напряжения U₂₈ на выходе первого элемента И.

На фиг.7 - изображена эпюра напряжения U₃₀ на выходе второго одновибратора.

На фиг.8 - изображена эпюра напряжения U₃₄ на выходе аналогового ключа.

На фиг.9 изображена подробная структурная схема устройства с пояснением блоков 7, 8 и 9.

Работа устройства (фиг.1) осуществляется следующим образом. Поток исследуемой среды с взвешенными частицами пересекает световой пучок 2 от осветителя 1 в области счетного объема 3. Рассеянный частицами свет собирается объективом 4 на фотоприемник 5. Последний формирует фотоэлектрические импульсы, соответствующие импульсам рассеянного света. После усилителя 6 импульсы подвергаются амплитудной дискриминации 7 с верхним и нижним пороговыми уровнями. Поток пронормированных по амплитуде импульсов после амплитудной дискриминации подвергают обработке в селекторе импульсов 8, обеспечивающим прохождение импульсов с длительностью, превышающей определенную пороговую величину. Далее импульсы подаются на устройство коррекции многократных совпадений 9, которое подвергает фотоэлектрические импульсы принудительному прерыванию через время, равное длительности пролета частиц через счетный объем. С помощью аналого-цифрового преобразователя 10 данные поступают на персональный компьютер 16 для дальнейшей обработки. Управление верхним пороговым уровнем амплитудной дискриминации и блоком 14 для изменения амплитуды излучения осветителя 1 осуществляется с помощью цифро-аналогового преобразователя 12. Цифроаналоговый преобразователь 11 управляет блоком 13 для изменения скорости воздуходувки и для регулирования длительности импульсов принудительного прерывания в устройстве коррекции многократных совпадений 9. Программа управления отслеживает параметры получаемых импульсов с выхода аналого-цифрового преобразователя 10 и подает соответствующею команду управления через цифро-аналоговые преобразователи 11 и 12 для изменения скорости воздуходувки 15 и длительности импульсов принудительного прерывания, амплитуды излучения осветителя 1 и верхнего порогового уровня амплитудной дискриминации.

Амплитудный дискриминатор 7 содержит (фиг.2): два пороговых устройства 17 и 18, элемент НЕ 19, первый 20 и второй элементы И 22, триггер 21, элемент ИЛИ 23, аналоговый ключ 24. Верхний пороговый уровень амплитудной дискриминации U_в.АД в амплитудном дискриминаторе обеспечивает фильтрацию импульсов темнового тока. Причины появления шумовых импульсов связаны с термоэмиссией, автоэмиссией или фотоэмиссией прибора. Как следствие этого, средняя амплитуда шумовых импульсов меньше средней амплитуды импульсов полезного излучения. При практически неизменной форме импульсов последнее определяет существенное различие длительностей импульсов шума и импульсов полезного излучения по любому уровню амплитудной дискриминации. Выбор верхнего уровня U_в.АД амплитудной дискриминации в районе U_в.АД=0.5h_m (h_m - максимальная амплитуда фотоэлектрического импульса) позволяет уменьшить вклад шумовых импульсов в общем выходном сигнале на 70-80%, тогда как потеря полезного сигнала составляет всего лишь 3-4%. (К выбору порога амплитудной дискриминации одноэлектронного диссектора датчика / С.С. Ветохин и др. // Оптическая и электрическая обработка информации. М.: Наука, 1975). Верхний уровень амплитудной дискриминации задается с помощью цифроаналогового преобразователя 12.

В момент, когда задний фронт импульсов достигнет нижнего порогового уровня U_н.АД<U_в.АД амплитудной дискриминации, завершается формирование выходного импульса амплитудного дискриминатора.

Селектор импульсов 8 содержит (фиг.3): линию задержки 25, элемент И 26, аналоговый ключ 27. Назначение селектора импульсов - отфильтровать импульсы, длительность которых меньше заданной. Для этого применяется линия задержки. Время, на которое требуется задержать сигнал, равно τ_пор. Сигнал пройдя через амплитудный дискриминатор, попадает на первый вход элемента И. На его второй вход подается тот же сигнал, задержанный на время τ_пор, равное минимальной длительности импульса, который еще требуется пропустить на выход. В случае, если длительность фотоэлектрического импульса меньше допустимой, то импульс на первом входе закончится раньше, чем появится импульс на втором, и тогда на выходе элемента И ничего не будет. Импульс на выходе появится лишь в случае, когда прямой и задержанный импульсы пересекутся, тогда на выходе временного селектора появится импульс, равный по длительности τ-τ_пор. Таким образом и выполняется временная селекция.

Устройство коррекции многократных совпадений 9 содержит (фиг.4) первый 28 и второй 33 элементы И, первый 29 и второй 30 одновибраторы, первый 31 и второй 32 инверторы, аналоговый ключ 34. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии (при отсутствии частиц) потенциал на выходе инвертора 31 и на соответствующем входе элемента И 28 равен логической единице. Импульс после селектора импульсов 8 через первый элемент И 28 своим передним фронтом запускает одновибратор 29, который формирует импульс с номинальной длительностью τ, равной времени пролета частиц через световой пучок. Задним фронтом импульс запускает второй одновибратор 30, который управляется цифро-аналоговым преобразователем 11, формирует импульс с длительностью t<<τ. Последний импульс через инвертор 31 закрывает элемент И 28 и аналоговый ключ 34. Таким образом, каждый фотоэлектрический импульс принудительно прерывают на время t через интервал времени после начала импульса τ.

Если импульс с выхода селектора импульсов 8 заканчивается до окончания соответствующего импульса одновибратора 29, то на выходе инвертора 32 устанавливается потенциал "единица". При этом импульс с выхода второго элемента И 33 своим передним фронтом вызывает срыв генерации одновибратора 29. Таким образом, на выходе аналогового ключа 34 из каждого входного импульса с длительностью, большей t+τ, формируется несколько импульсов, количество которых на единицу превосходит целую часть отношения длительности входного импульса к t+τ. Если же длительность входного импульса не превосходит t+τ, то аналоговый ключ 34 пропускает такие импульсы без искажения. На фигуре 5 - изображена эпюра напряжения U₈ на выходе селектора импульсов, на фигуре 6 - изображена эпюра напряжения U₂₈ на выходе первого элемента И, на фигуре 7 - изображена эпюра напряжения U₃₀ на выходе второго одновибратора, на фигуре 8 - изображена эпюра напряжения U₃₄ на выходе аналогового ключа.

На фиг.9 изображена подробная структурная схема устройства с пояснением блоков 7, 8 и 9.

В качестве осветителя 1 в устройстве используется лазер.

Таким образом, рассмотренное устройство, в отличие от известных, позволяет получить более высокую точность измерения концентрации и размеров частиц за счет: первичной амплитудной дискриминации; временной селекции; устранения погрешностей, вызванных попаданием в счетный объем одновременно несколько частиц и упростить дальнейший процесс амплитудного анализа с помощью персонального компьютера.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к оптическим устройствам контроля параметров дисперсных сред, и может найти применение при контроле запыленности газов и загрязнения жидкостей. Сущность изобретения: поток частиц освещают световым пучком и регистрируют параметры световых сигналов (амплитудно-временной анализ и анализ длительности или глубины модуляции), формируемых частицами при их пролете через выделенную область потока частиц. Поток фотоэлектрических импульсов подвергают первичной амплитудной дискриминации с верхним и нижним пороговыми уровнями, а затем селектор импульсов обеспечивает прохождение импульсов с длительностью, превышающей определенную пороговую величину, благодаря чему удается дополнительно подавить 20% импульсов темнового тока, устройство коррекции многократных совпадений подвергает фотоэлектрические импульсы принудительному прерыванию через время, равное длительности пролета частиц через счетный объем. Введены два цифро-аналоговых преобразователя: один для управления воздуходувкой и длительностью импульсов принудительного прерывания, другой для изменения амплитуды излучения осветителя и регулировки верхнего порогового уровня амплитудной дискриминации, аналого-цифровой преобразователь, персональный компьютер, выполняющий функции амплитудного анализа, счета поступающих импульсов и управления цифроаналоговыми преобразователями.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения концентрации и размеров частиц за счет первичной амплитудной дискриминации; временной селекции; устранения погрешностей, вызванных попаданием в счетный объем одновременно несколько частиц, и упростить дальнейший процесс амплитудного анализа с помощью персонального компьютера. 9 ил.

Фотоэлектрическое устройство определения размеров и концентрации взвешенных частиц, содержащее осветитель, на оптической оси которого размещен счетный объем, с которым через объектив оптически сопряжен фотоприемник, пороговый элемент, три элемента И, два одновибратора, два инвертора, элемент ИЛИ, аналоговый ключ, отличающееся тем, что для повышения точности измерений концентрации и размеров частиц в него дополнительно введены усилитель, второй пороговый элемент с регулируемым пороговым уровнем, элемент НЕ, триггер, два аналоговых ключа, линия задержки, два элемента И, аналого-цифровой преобразователь, два цифроаналоговых преобразователя, блок управления осветителем, воздуходувка, блок управления воздуходувкой, персональный компьютер.