Устройство для измерения концентрации вещества,связанного с основным материалом Советский патент 1986 года по МПК G01J1/04 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области неразрушающего контроля состава сложных веществ с помощью оптических методов, и может быть применено в тех отраслях народного хозяйства, где требуется измерение концентрации одного вещества, находящегося в другом, в частности в материаловедении, в технике физического эксперимента, металлургической, нефтяной, горной, целлюлозно-бумажной, легкой и других отраслях про- мыщленности.

Цель изобретения - повышение точности измерений за счет устранения влияния зависимости выходного сигнала и чувствительности фотоприемника от колебаний температуры.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - температурные зависимости темнового тока фотоприемника, гока фотоприемника,обусловленного излуче- ние.м, прощедшим через систему светоизлу- чающий диод - фильтры, и суммарного действия указанных факторов.

Устройство содержит блок питания 1, электрически связанный с источником 2 излучения, излучение которого через модулятор 3 со встроенными в нем узкополосными светофильтрами направляется на исследуемый объект 4, после прохождения которого попадает на вход фотоприемника 5, чувствительного к длинам волн, формируемым с помощью модулятора 3. Фотоприемник 5 с электронно-измерительной схемой 6 оптически связан со светоизлучающим диодом 7 через неподвижно установленные на пути его излучения светофильтры 8 и 9 - ослабляющий и узкополосный соответственно.

Питание светодиода 7 осуществляется от блока питания 1.

Кривая 10 изображает температурные зависимости темнового тока фотоприемника, кривая 11 - тока фотоприемника, обусловленного излучением, прощедщим через систему - светоизлучающий диод - фильтры, кривая 12 - суммарное действие указанных факторов.

Устройство работает следующим образом.

Излучение источника 2 света, имеющего щирокий спектр излучения (например, лампа накаливания) с помощью вращающегося модулятора 3 со встроенными в него светофильтрами, преобразуется в две {или более) узкополосные линии излучения, доминирующая длина волны одной из которых чувствительна к основному веществу, а длина волны другой - к компоненте, связанной с основным веществом, и направляется на исследуемый материал 4, где происходит селективное поглощение этих полос излучения контролируемыми компонентами. Лрощед- щее через исследуемый материал излучение имеет интенсивность ;, которая В1 фажается по закону Ламберта-Бугера,

1,. 1„, ехр( - ifCrd),

где |1, - массовый коэффициент поглощения i-той компоненты; С, - концентрация

t-той компоненты; d - толщина, 1о, - интен- синость i-той компоненты падающего на материал излучения.

Все компоненты излучения попадают на фотоп риемник 5, с выхода которого в виде электрических сигналов направляются в

электронно-измерительную схему 6, где происходит их усиление, разделение по каналам, детектирование и сравнение, по результату которого судят о концентрации контролируемого вещества.

Поскольку при колебаниях температуры окружающей фотоприемник 5 среды выходной сигнал 4зотоприемника меняется за счет экспоненциального изменения темнового тока т, то для устранения влияния этого мещающего фактора с помощью светоизлучающего диода 7, подключенного к источнику 1 питания, осуществляется дополнительная постоянная подсветка фотоцрием- ника 5 через установленные друг за другом светофильтры 8 и 9, один из которых служит для ослабления интенсивности излучения светодиода 7 до требуемой величины, а другой - узкополосный интерференционный или интерференционно-поляризационный светофильтр 9, ширина полосы пропускания которого не превышает 1 -2 нано- метров,применяется для фиксации абсолютных значений и диапазона энергий излучения светоизлучающего диода 7, падающего на фотоприемник 5.

Для пояснения сущности изобретения рассмотрим данные, представленные на

фиг. 2. С ростом температуры темновой ток не только обратно смещенного диода, но и других фотоэлектрических приборов, растет экспоненциально. На фи1 2 кривая 10 построена по литературным данным,

кривая 11 - по данным исследования сдвига энергии в максимуме полосы излучения светодиода АЛ 307 от температуры окружающей среды. С ростом температуры (светоизлучающий диод 7 и фотоприемник 5 должны находиться в одинаковых температурных условиях, что зачастую в условиях промыщленных и лабораторных измерений выполняется само собой без особых трудностей, наблюдается близкий к экспоне} - циальному рост темнового типа фотоприемника 5 (кривая 10) и подобное ему у.мень- щение интенсивности излучения, прощедщего через фильтры 8 и 9, а значит и наводимого этим излучением фототока фотоприемника 5 (кривая 11).

С ростом температуры в излучении светодиода наблюдаются две особенности:умень- щение интенсивности (мощности) излучения светодиода со скоростью 1% на °С и сдвиг максимума полосы излучения, в сторону

больших длин волн, обусловленный уменьшением ширины запрещенной зоны полупроводника. Поскольку излучение светодиода пропускается через узкополосный фильтр 9 (с фиксированной шириной полосы пропускания ,1 -1,0 нм), длина волны (Х„ 654,8 нм) максимального пропускания которого соответствует максимуму полосы излучения светодиода „макс при температуре Ь, 25± 1° С, и поскольку с ростом, температуры Хмакс увеличивается, то фильтр 9 при всех , будет вырезать из соответствующей данной температуре полосы излучения светодиода 7 узкую полосу, расположенную на коротковолновом крыле (при А.о 654,8 нм), и имеющую ширину А/2 по обе стороны от Я,о (как правило, спад ин тенсивности краевой полосы на крыльях близок к экспоненциальному, что иллюстрируется кривой 2, фиг. 2). Эти два фактора: сдвиг А,м2кс в сторону больших К с ростом температуры и фиксация с помощью светофильтра 9 средней длины волны Ко и ширинь полосы Д пропускаемого от светодиода 7 на фотоприе1мник 5 излучения приводят к резкому температурному спаду интенсивности излучения светодиода 7, попа- даюшего на фотоприемник 5 и фототока, обусловленного этим излучением.

Таким образом, совместное действие воз- растаюшего. с ростом температуры темно- вого тока и уменьшающегося с ростом температуры фототока подсветки приводят к тому, что суммарный фонов1 й ток практически не зависит от температуры окружающей среды Т в области измерений (фиг. 2, кривая 12), что приводит к повышению точности измерений за счет стабилизации суммы температурно зависимых факторов в широком диапазоне температур (исключается влияние температуры в зоне измерений на результаты). Это приводит также к выравниванию чувствительности фотоприемника к полезному сигналу (линеаризация чувстви- тель ;ости) в диапазоне температур 15- 70°С, что также способствует повышению точности (фиг. 2, кривая 12). Подключение светодиода 7 к тому же блоку питания 1, от которого питается источник излучения 2, приводит к тому, что полезный сигнал, равный разности между сигналом, наводи- .мым от источника 2 и сигналом от светодиода 7, при изменении напряжения питания в ту пли иную сторону остается неизмен- ны.м, поскольку любые колебания напряжения питания передаются обеим источникам излучения 2 и 7. Это также ведет к уменьшению погрещности измерений. В качестве фотоприемника можно использовать любые полупроводниковые приборы как с р-п-переходом, так и без него. При этом они должны быть чувствительны ко всем регистрируемым длинам волн, в том числе и к .„+ Д72.

I

Критерий hvo-Е

выбрано из

того условия, чтобы При Т Тми. фильтр вырезал полосу шириной Д на высокоэнергетическом крыле (справа от макси.мума в шкале энергий) и при этом его левая гра ница, удаленная от hvo на Д/2, в наиболее неблагоприятно.м случае не переходила через макси.му.м кривой (в сторону больших длин волн К). Критерий а(Т-Т«ин);2.56 выбран из условия, чтобы температурный сдвиг максимума спектра излучения светодиода влево от Е;, (в шкале энергий) с ростом температуры не вывел всю кривую излучения, в частности ее информационное ,, крыло, за пределы диапазона фильтрации

10

hvo± 2

В предположении экспоненциаль0

5

0

5

0

5

ного спада на крыльях кривой сигнал, равный нулю, будет достигнут на удалении от максимума кривой (в единицах 6), равном 5. 6/2 2,56 (в экспоненциальных процессах , при t 5т амплитуда А стремится к нулю).

Формула изобретения

Устройство для измерения концентрации вещества, связанного с основным материалом, включаюшее последовательно установленные источник излучения, подключенный к блоку питания, модулятор света со встроенными в него свеюфилы- рами, фотоприемник, чувствительный к генерируемым длинам воли, а также vieK- тронно-измерительную схему, э.чектриче- ски соединенную с фотоприемником, отличающееся тем, что. с целью повьцнения точности измерений за счет устранения влияния зависимости выходного сигнала и чувствительности фотоприемника от колебаний температуры, устройство ;ioiio. iiinTe.Ti)Ho содержит установленные последовательно и оптически связанные с фотоцриемником овето- излучающий диод, первый и BTOpoii оптические фильтры, причем светоизлучакицш диод электрически соединен с б. юком питания и расположен таким образом, что температура окружающей среды в об.части расио.ю- жения светоизлучающего диода i фотоприемника одинакова, П|)и этом n;i i;i ieTpi i светоизлучаюшего диода и опгичо- ского фильтра выбираются из ус, ,i- нения соотношений

т

-, мин

hv,, - Е

и

а (Т- Т..п)

где hv,, - энергия, соответствующая максимуму IIO. IOCliI пропускания iTO|H)i ()

.J. оптического ijin, El;, -- П1ирипа запрещенной joMi) активной об.частн Mai opiia.ia riior iii:-s.i чающего диода при температуреТ„„„, - ширина полосы пропускания второго оптического фильтра на уровне 0,5;

ширина полосы излучения свето- излучаюш,его диода на уровне 0,5; - минимально возможная температура окружаюшей среды в области измерений;

- текуш.ее значение температуры ок- ружаюш,ей среды в области измерений;

- температурный коэффициент ширины запреш,енной зоны активной области полупроводникового материала светоизлучающего диода.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области неразру- шающего контроля состава сложных веществ с помощью осептических 1методов. Цель - повышение точности измерений. Цель достигается за счет устранения влияния зависимости выходного сигнала и чувствительности фотоприемника от колебаний температуры окружаю| 1ей среды. Для этого устройство дополнительно содержит свето- диод 7, оптические фильтры 8. 9, причем светоизлучающий диод расположен таким образом, что температура окружаюп1ей среды в области расположения фотоприсмника и диода одинакова. Излучение источника 2 света с помощью вращающегося модулятора 3 со встроенными в него светофильтрами преобразуется в две узкополосные линии излучения. Доминирующая длина волны одной из линий чувствительна к основному веществу, а длина волны другой - к компоненте, связанной с основным веществом. В исследуемом материале 4 происходит селективное погло1дение этих полос излучения контролируемыми компонентами. 2 ил. е (Л ю О5 о 05 со го Фи.1

ю

20 30 itO 50 60 Температура Т, °С

Фиг.2

Ю

70