Абсорбционно-оптический способ измерения концентрации веществ и устройство для его осуществления Советский патент 1985 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при автоматизации научных исследований и промьииленных технологических процессов, например, в химической промышленности с применением средств цифровой вычислительной техники.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

На фиг. 1 показана блок-схема устройства; на фиг. 2 - временная диаграмма его работы.

Устройство содержит последовательно установленные источник 1 излучения, конденсорную линзу 2 с диафрагмой 3, сканирующее устройство 4, кювету 5 с исследуемым веществом, а также линзу 6, фокусирующую узкий пучок света, прошедший через исследуемое вещество, на приемник 7 излучения, который соединен через фильтр-усилитель 8 с указателем 9 экстремума. При этом один вход измерителя 10 интервала времени соединен с выходом указателя 9 экстремума, а другой - с фотоэлектрическим ключом 11. Кювета 5 с исследуемым веществом выполнена с линейно возрастающей в направлении перемещения узкого пучка света толщиной так, чтобы по мере перемещения этого пучка света линейно увеличивалась толщина исследуемого вещества.

Сканирующее устройство 4 совмес:тно с конденсорной линзой 2 и диафрагмой 3 формирует узкий пучок света, который перемещается вдоль кюветы 5, и одновременно его интенсивность увеличивается по экспоненциальному закону. Для этого посредством конденсорной линзы 2 и диафрагмы 3 формируется пучок света, сечение которого равно сечению торца кюветы 5, через которое входит поток излучения в исследуемое вещество. Из этого пучка света с помощью сканирующего устройства 4 с модулятором интенсивности формируется узкий пучок света, перемещающийся вдоль кюветы 5, интенсивность которого увеличивается по экспоненциальному закону. Для этого сканирующее устройство выполнено в виде вращающегося с постоянной скоростью диска, имеющего прозрачное для потока излучения окно в виде архимедовой спирали, полюс которой совпадает с осью вращения диска, причем ширина окна увеличивается по экспоненциальному закону по мере перемещения его от края диска к его центру. При вращении диска с постоянной скоростью созд,ается эффект периодического перемещения узкого светового пучка, который проходит через окно этого диска и перемещается вдоль длины кюветы от точки с минимальной толщиной до точки с максимальной толщиной слоя исследуемого вещества. При этом ширина окна увеличивается по экспоненциальному закону, поэтому по мере перемещения узкого пучка света одновременно увеличивается его интенсивность.

Способ осуществляют следующим сбразом.

Кювета 5 заполняется исследуемым веществом. При этом толщина исследуемого вещества вдоль длины кюветы увеличивается по линейному закону

,(1)

где - толщина исследуемого вещества; k- постоянный коэффициент; X- координата длины кюветы в направQлении сканирования узкого пучка

света.

От источника 1 излучения с помощью конденсорной линзы 2, диафрагмы 3 и сканирующего устройства 4, выполняющего одновременно функции модулятора интенсивности излучения, получают узкий пучок света, который равномерно перемещается вдоль длины кюветы 5 и одновременно интенсивность его увеличивается по экспоненциальному закону

ф Фо(1 - ).

(2)

где Ф - интенсивность узкого пучка света, входящего в исследуемое вещество Фо -интенсивность узкого пучка света

от источника 1 излучения; е-основание натурального лога5рифма;

(Т - постоянный коэффициент; т - время перемещения узкого пучка света вдоль длины кюветы 5.

Проходя через исследуемое вещество, этот узкий пучок света частично поглощается, причем его интенсивность на выходе из кюветы 5 в любой момент времени можно вычислить по формуле, полученной на основании закона Бугера-Ламберта-Бера

ф, Фе-- (3)

где Ф1 - интенсивность узкого пучка света на выходе из кюветы 5 с исследуемым веществом;

Е. - коэффициент поглощения излучения исследуемым веществом; С - концентрация исследуемого ве0щества;

Е - толщина исследуемого вещества (кюветы) через которое проходит узкий пучок света.

Из (1), (2) и (3) получаем

5 Ф , Фо(1 - .(4)

Учитывается, что узкий пучок света вдоль длины кюветы движется с постоянной скоростью, то

ф I ф о,( 1 - ) .(5)

где ki - постоянный коэффициент. 0

Поток излучения, прошедший через кювету 5, фокусируется линзой 6 на приемник 7 излучения, где он преобразуется в электрический сигнал и усиливается в фильтреусилителе 8. Далее этот сигнал поступает в указатель 9 экстремума интенсивности излучения, с помощью которого определяют момент достижения экстремума интенсивности в отфильтрованном узком пучке света.

прошедшем через исследуемое вещество. Продифференцировав по времени, получаем

()О концентрации исследуемого вещества судят по интервалу времени, который измеряют с момента начала пропускания узкого пучка света через вещество до момента определения указанного экстремума интенсивности узкого пучка света на выходе из кюветы 5.

В момент достижения упомянутого экстремума указатель 9 экстремума вырабатывает сигнал на измеритель 10 интервала времени и по этому сигналу заканчивается измерение интервала времени. Начинается его измерение с момента начала пропускания узкого пучка света через исследуемое вещество по сигналу со сканирующего устройства, на диске которого установлен фотоэлектрический ключ, который вырабатывает сигнал на измеритель 10 интервала времени в указанный момент времени.

Измеритель 9 интервала времени градуируется в единицах концентрации исследуемого вещества и с него считывается результат измерения.

При изменении концентрации исследуемого вещества изменяется время до момента достижения экстремума интенсивности узкого пучка света на выходе из кюветы 5 и, следовательно, изменяется длительность интервала времени, регистрируемая измерителем 10 интервала времени. По изменению длительности этого интервала времени судят об изменениях концентрации исследуемого вещества.

1. Абсорбционно-оптический способ измерения концентрации веществ, в котором формируют зондирующий пучок света и перемещают его с постоянной скоростью вдоль исследуемого вещества, толщина которого линейно возрастает в направлении перемещения этого пучка света, отфильтровывают высокочастотную составляющую сигнала в пучке света, прощедщем через исследуемое вещество, отличающийся тем, что, с целью повыщения точности измерений, при перемещении интенсивность пучка света Ф увеличивают во времени по экспоненциальному закону ф Фо