Световодное устройство для эмиссионного спектрального анализа Советский патент 1987 года по МПК G01N21/72 

1

Изобретение относится к приборам спектрального анализа и может найти применение для элементного анализа различных веществ.

; Цель изобретения - повышение точности измерений путем уменьшения случайной составляющей погрешности и увеличение надежности устройства.

Использование двух фотоприемников позволяет отказаться от обтюратора, что повышает надежность устройства. Однако два фотоприемника могут отличаться друг от друга временными параметрами, поэтому используется импульсный источник света и система обработки, на основе выделения составляющих фотоэлектрического сигнала. В результате обработки сигналов формируется сигнал, равный отношению коэффициентов преобразований фотоприемников, что обеспечивает получение инвариантного от параметров фотоприемников результата измерения.

На чертеже показана функциональная схема устройства.

На схеме обозначены источник 1 излучения, первый 2 и второй 3 двух- световодные коллекторы, первый 4 и второй 5 световоды, первого коллектора. Первый 6 и второй 7 световоды второго коллектора, импульсный источник 8 излучения, первый 9 и второй 10 интерференционные фильтры, первый 11 и второй 12 фотоприемники, усилители 13 и 14, первое 15 и второе 16 устройства выделения постоянной составляющей сигнала, первое 17 и вто35 мощью вторых световодов 5 и 7 свето вые импульсы от импульсного источни ка 8 излучения. Частота импульсов 1-10 кГц. Сигналы с фотоприемников усиливаются усилите тями 13 и 14. На

рое 18 устройства выделения перемен- 40 выходе усилителей имеются сигналы

и, К„К,С| (Ь,) 5 W K5Cx+V+(t) +

ной составляющей сигнала, первое 19 и в.торое 20 делительные устройства, вычитающее 21 и измерительное 22 устройства, устройство 23 синхронизации и блок 24 питания импульсного источника излучения.

Первый канал формирования оптических сигналов содержит последовательно расположенные первый двухсветовод- ный коллектор 2, первый интерференционный фильтр. 9, первый фотоприемник 11, усилитель 13, выход которого соединен с первыми устройствами 15 и 17 соответственно выделения постоянной и переменной составляющих сиг- 55 налов, вьпсоды которых подключены к входам первого делительного устройства 19. Первый световод 4 коллектора 2 установлен после источника 1 излу+ Ро( А,о)К4( Л),К.;„

Ui KoK2q (hj) cr ( A)K,(t) + + ((,fo)K4€( A)K,%Ky2, 45 где Kj, - коэффициент, характеризующий эффективность горелки зависящий от состава горючего газа, геометрии горел ки и т.;

jjKj - коэффициенты, характеризую щие зоны, расположе.нные на высоте h,,h2 от основания горелки;

tf(h) - функция, описьшающая зависимость интенсивности эмис сионного излучения от высо ты зоны измерения; ( Л) - коэффициент пропускания св тофильтра;

50

469842

чения, а второй световод 5 - перед импульсным источником 8 излучения.

Второй канал формирования оптичес- ,. ких сигналов содержит второй коллекL)

тор 3, второй интерференционный фильтр 10, второй фотоприемник 12 и усилитель 14. К вьпсоду последнего параллельно подключены вторые устрой10 ства 16 и 18 соответственно выделения постоянной и переменной составляющих сигналов, выходы которых соединены с входами второго делительного устройства 20. Делительные уст15 ройства 19 и 20 через вычитающее ус,т- ройство 21 соединены с измерительным устройством 22. Выход устройства 23 синхронизации соединен с синхронизирующими входами блока 24 питания,

20 вычитающего устройства 21 и делительных устройств 19 и 20. Первые световоды 4 и 6 установлены на различных высотах относительно основания пламени .

25 Устройство работает следующим образом.

Анализируемая проба вводится в пламя - источник 1 эмиссионного излучения. В результате эмиссии возника30 ет излучение, которое первыми световодами 4 и 6 через соответствующие интерференционные фильтры 9 и 10 направляется на фотоприемники II и 12. На фотоприемники подаются с по35 мощью вторых световодов 5 и 7 световые импульсы от импульсного источника 8 излучения. Частота импульсов 1-10 кГц. Сигналы с фотоприемников усиливаются усилите тями 13 и 14. На

40 выходе усилителей имеются сигналы

и, К„К,С| (Ь,) 5 W K5Cx+V+(t) +

5

+ Ро( А,о)К4( Л),К.;„

Ui KoK2q (hj) cr ( A)K,(t) + + ((,fo)K4€( A)K,%Ky2, 5 где Kj, - коэффициент, характеризующий эффективность горелки и зависящий от состава горючего газа, геометрии горелки и т.;

jjKj - коэффициенты, характеризующие зоны, расположе.нные на высоте h,,h2 от основания горелки;

tf(h) - функция, описьшающая зависимость интенсивности эмиссионного излучения от высоты зоны измерения; ( Л) - коэффициент пропускания светофильтра;

0

к, - коэффициент пропускания световода;

Сх - измеряемая.концентрация; Кф Кф - коэффициенты преобразования первого и второго фотоприемников соответственно; Кц,KU - коэффициенты усиления уси- лителей 13 и 14;

V - сигнал, характеризующий фон; (t) - составляющая, характеризующая шум; фС А,f) световой поток импульсного

источника с частотой К - коэффициент пропорциональ- ности, характеризующий эффективность ввода излучения в световод от источника 8. Интерференционные фильтры 9 и 10 имеют одинаковые характеристики. Без нарушения общности предполагается, что световоды имеют одинаковые коэффициенты пропускания.

На выходе первого устройства 15 вьщеления постоянной составляющей сигнала проходит сигнал

U,, K,K,tp(h,)t()K,C,+V+ujK,K,, где &g аддитивная погрешность, определяемая шумом, на выходе устройства 16 имеются

и, ,q (h,)C Ы , W + . + UEI Кф, KI,,J.

Устройства 17 и 18 выделения переменной составляющей настроены таким образом, что пропускают сигналы частотой .fg, поэтому на выходах этих устройств сигналы определяются выражениями

и,.,(,„)К4 С( Х)К, (fo) x

X к.Ку,;

и. o(,fo)K4 C()к, + e(fo) где 6(о) составляющая, характеризующая шум на частоте f Выбор и установка значения Ф в процессе калибровки приборы позволяют обеспечить выполнение условия Po( A,fo)K4 Jr( A)K,(fo).

Устройство 23 синхронизации задает частоту f, поэтому делительные устройства 19 и 20, синхронизирующие входы которых связаны с устройством 23, осуществляют деление постоянных составляющих на переменные составляющие лишь в момент прихода синхроимпульса.

В результате деления формируются сигналы

ю

15

и.

и.

25

346984

У„ KoKj..Cx+V -«-UE

u,i р„(,,)к;

Ut, ,tf(h4Cx+V+iE

иГг TJ,fjK4 Одновременно с делением ключи, входящие в делительные устройства, замыкаются от синхроимпульса и результаты деления постзгпают на входы вычитающего устройства 21. Как следует из аналитических выражений U, U4 они не содержат параметров фотоприемников и усилителей, поэтому их изменение в процессе измерений не приводит к погрешности.

Разностный сигнал, формируется на выходе устройства 21, не содержит параметров, характеризующих фон и аддитивную погрешность шума:

и-и -и ,.r ihjlzMl}ill.c к С -и, ) к, s -xИзмерите.льное устройство 22 определяет результат измерения по алгоритму

20

Ск

1 К,

K.-&U

где К|. - - градуировочный коэф5 фициент.

По сравнению с известным устройством применение второго источника . излучения (импульсного излучателя), взпссветоводных коллекторов для оптического суммирования и специальной системы обработки сигналов позволяет отказаться, от механического обтюратора-и исключить из алгоритма измерения параметров, влияющих на погрешность измерения. Таким образом достигается повьш1ение точности измерения в 1,5 раза.

Ввиду исключения механического обтюратора увеличивается время наработки на отказ в 2 раза, что повыша

ет надежность самого прибора.

Формула изоб р .е т е н.и я

Световодное устройство для эмиссионного спектр ального анализа, содержащее протяженный по высоте источник излучения, первый и второй каналы формирования оптических сигналов от источника излучения на различных высотах, каждый из которых содер- жит интерференционный фильтр, оптическую систему, соединяющую источник излучения с интерференционным фильтром, фотоприемник, соединенный с уси- лителем, вычитающее устройство,

мерительное устройство и устройство синхронизации, о тличающе- е с я тем, что, с целью повышения . точности путем уменьшения случайной составляющей погрешности и увеличе- НИН надежности, в него дополнительно введены импульсный источник излучения с блоком питания, первые и вторые устройства выделения постоянных и переменных составляющих сигнала, первое и второе делительные устройства, а оптическая система выполнена в виде двухсветоводного коллектора, один сйетовод которого расположен меяоду источником излучения и интерференционным фильтром, а второй - между импульсным источником и тем же фильтром, к выходам соответствующих усилителей параллельно подключе46984°

ны входы устройств выделения переменной и постоянной составляющих сигнала, причем выходы первых устройств выделения постоянной и переменной составляющих сигналов соединены с входами первого делительного устройства, аналогично выходы вторых устройств выделения переменной и пос10 тоянной составляющих сигналов соединены с входом второго делительного устройства, а вькоды делительньк устройств подключены к входам вычитающего устройства, выход которого сое15 Динен с входом измерительного устройства, причем блок питания импульсного источника излучения, вычитающее и два делительных устройства подключены также к устройству синхрони20 зации.

Редактор И.Николайчук

Составитель А.Гусев

Техред М.Ходанич Корректор Г.Решетник

Заказ 5115/42Тираж 775Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие,г.Ужгород,ул.Проектная,4

Изобретение относится к приборам спектрального анализа и может найти применение для элементного анализа различных веществ. Цель изобретения - повышение точности измерений путем уменьшения случайной составляющей погрешности и увеличение надежности устройства. Сущность изобретения состоит во введении импульсного управляемого оптического считывания информации с разных по высоте точек пламени горелки по двум каналам с последующей электронной линейной обработкой сигналов, исключающей фоновый сигнал и аддитивную погрешность . шума. Каждый из каналов имеет двух- световодный коллектор,соединяющий через интерференционный фильтр фотоприемник одним световодом с аналитической зоной, а другим световодом - с импульсным источником света, блок питания которого синхронизируется. Выход фотоприемника каждого канала подключен к своему усилителю, выходы которых подключены к входам устройств вьщеления переменной и постоянной составляющих сигнала, выходы которых в каждом канале соединены с входом делительного устройства, а выходы делительных устройства синхронно подключаются к входам вычитающего устройства, выход которого соединен с измерительным устройством. Повышение точности в 1,5 раза достигается за счет параллельного считьшания оптической информации в пламени с частотой 1-10 кГц, определяемой работой импульсного излучателя, а также линейной обработкой сигналов в каждом канале, исключающей разброс параметров каналов и фоновый сигнал. Надежность повышена за счет отказа от механического обтюратора. 1 ил. i (Л со 4 О5 СО СХ) N