Оптический анализатор веществ Советский патент 1993 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано при создании анализаторов газообразных, жидких и твердых веществ.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

На фиг. 1 представлена структурная схема одного из вариантов осуществления предлагаемого устройства, в котором система обработки сигналов приемника содержит последовательно гжлюченные блоки нормиройки, первого синхронного фильтра и синхронного детектора; на фиг. 2 - одна из возможных форм модулятора; на фиг. 3-5 - графики поясняющие работу описываемого устройства.

Оптический анализатор веществ, представленный на фиг. 1, содержит оптически связанные источник 1 излучения, модулятор 2, рабочую 3 и сравнительную 4 кюветы, оптическую систему 5, обеспечивающую при необходимости фильтрацию оптического сигнала и его подачу на приемную площадку фотоприемника, и блок б приемника излучения, в состав которого помимо фотоприемника может входить усилитель напряжения, а также систему обработки сигналов приемника, включающую блок 8 нормировки, представляющий собой устройство, обеспечивающее выполнение операции деления электрических сигналов, подаваемых на его входы, блок 9 первого синхронного филыра, в выходном каскаде которого может располагаться усилитель напряжения, и блок 10 синхронного детектора, во входном каскаде которого может располагаться усилитель напряжения, а в выходном - фильтр нижних частот, а также повторитель напряжения, регистратор 11, первый 12 и второй 13 датчики синхроимпульсов, которые для связи с модулятором могут включать свето- и фотоэлементы, блок 14 формирования управляющих сигналов, обеспечивающий пол- учение необходимых для управления работой синхронных фильтров и синхронного детектора напряжений, блок 15 второго синхронного фильтра и блок 16 сопряжения, обеспечивающий получение из выходного сигнала второго синхронного фильтра приемлемого для блока нормировки нормируюСО

к

00

ел

4

Јь

СА

щего напряжения, при этом выход блока 6 приемника излучения связан с регистратором 11 через систему 7 обработки сигналов приемника, включающую последовательно соединенные блок 8 нормировки, блок 9 первого синхронного фильтра и блок 10 синхронного детектора, управляющие входы блоков 9 первого синхронного фильтра и 10 синхронного детектора связаны с первым выходом блока 14 формирования управляющих сигналов, первый вход которого через первый датчик 12 синхроимпульсов связан с модулятором 2, вход блока 15 второго синхронного фильтра соединен с входом блока 9 первого синхронного фильтра, его выход через блок 16 сопряжения связан с входом нормирующего сигнала блока 8 нормировки, а управляющий вход соединен со вторым выходом блока 14 формирования управляющих сигналов, второй вход которого через второй датчик 13 синхроимпульсовсвязан с модулятором 2, причем модулятор 2 выполнен с возможностью получения на выходе первого датчика 12 импульсов синхронизации с частотой следования, равной частоте модуляции пучков излучения, проходящего через кюветы, а на выходе второго датчика 13 - с частотой следования, равной удвоенной частоте модуляции этих пучков излучения.

Данное устройство работает следующим образом.

Пучки излучения источника 1 с помощью модулятора 2 поочередно пропускаются через рабочую 3 и сравнительную 4 кюветы. Для этой цели может быть использован дисковый модулятор, форма которого показана на фиг. 2, где 17 - отверстия для модуляции пучков излучения, пропускаемого через кюветы, 18 - вырезы для прерывания пучков излучения в датчиках синхроимпульсов.

Прошедшее через кюветы излучение с помощью оптической системы 5 при необходимости фильтруется по спектру с выделением требуемого интервала длин волн, связанного с полосой поглощения анализируемого компонента и направляется на приемную площадку фотоприемника, .расположенного в блоке 6 приемника излучения, в котором преобразуется в электрический сигнал. Этот электрический сигнал, форма которого, например, может иметь вид, показанный на фиг. 3, при необходимости предварительно усиливается и подается на вход системы 7 обработки сигналов приемника, во входном каскаде которого включен блок 8 нормировки, представляющий собой усилитель с автоматической регулировкой усиления, осуществляемой посредством нормирующего сигнала, снимаемого с выхода блока 16 сопряжения,

Для одновременно формирования измеряемого, пропорционального концентрации анализируемого вещества о рабочей кювете, и нормирующего сигналов выходное напряжение блока нормировки подается сразу на входы блоков первого 9 и второго 15 синхронных фильтров.

Управление работой первого синхронного фильтра, расположенного в блоке 9 осуществляется с помощью сигналов, снимаемых с первого выхода блока 14 форми- рования управляющих сигналов и

5 представляющих собой переменное напряжение прямоугольной формы, частота которого равна частоте модуляции пучков излучения, пропускаемого через кюветы. Благодаря этому, на выходе блока первого

0 синхронного фильтра, в выходном каскаде которого может располагаться усилитель переменного напряжения, формируется сигнал, форма которого имеет вид, показанный на фиг. 4, а амплитуда пропорциональ5 на разности потоков излучения, прошедшего через рабочую и сравнительную кюветы.

Управление же работой второго синхронного фильтра, расположенного в блоке

0 15 осуществляется посредством сигналов, снимаемых со второго выхода блока формирования управляющих сигналов, и представляющих собой также переменное напряжение прямоугольной формы, однако

5 частота этого напряжения равна удвоенной частоте модуляции пучков излучения, пропускаемого через кюветы. Поэтому на выходе блока второго синхронного фильтра формируется сигнал, изображенный на фиг.

0 5, и как не трудно заметить, с амплитудой, пропорциональной сумме потоков излучения, прошедшего через кюветы. Этот электрический сигнал подается на вход блока 16 сопряжения, в котором обеспечивается

5 окончательное формирование нормирующего сигнала, подаваемого на одноименный вход блока нормировки для поддержания неизменным его выходного напряжения при изменениях интенсивно0 сти излучения источника.

В качестве блока сопряжения в рассматриваемом устройстве могут использоваться дифференциальный усилитель, фиксатор уровня с накопителеря, выпрямитель с уСи5 лителем и т.д., а в качестве блока формирования управляющих сигналов - компараторы, на входы которых подаются сигналы с выходов датчиков 12 и 13 синхро- импуоьсов, представляющих собой оптопа- ры, включающие свето- и фотоэлементы,

располагаемые напротив соответствующих вырезов 18 (фиг. 2) модулятора.

Выходное переменное напряжение блока первого синхронного фильтра (фиг. 4), амплитуда которого пропорциональна таким образом отношению разности потоков излучения, прошедшего через сравнитель- ную и рабочую кюветы, к их сумме, подается на вход блока 10 синхронного детектора. В этом блоке электрический сигнал усилиеа- ется (при необходимости), детектируется синхронно с частотой модуляции пучков излучения, пропускаемых через кюветы и до- полнительио фильтруется, обеспечивая получение на его выходе постоянного напряжения, пропорционального амплитуде переменного выходного напряжения блока первого синхронного фильтра, которое и измеряется регистратором 11.

Для управления работой синхронного детектора, расположенного в блоке 10, используются те же сигналы, что и для управления работой первого синхронного фильтра, снимаемые с первого выхода блока 14.

При отсутствии поглощающего aeaiecT- ва в рабочей и сравнительной кюветах потоки излучения, прошедшие через них, уравниваются и уровень постоянного напряжения на выходе блока синхронного детектора устанавливается равным нулю.

Появление в рабочей кювете анализируемого вещества при подаче в нее исследуемой смеси вызовет пропорциональное его концентрации уменьшение потока излучения, пропущенного через эту кювету. Это приведет к возникновению разбаланса между потоками излучения, подаваемого на фотоприемник, и следовательно, к появлению на выходе блока синхронного детектора измеряемого напряжения, уровень которою будет однозначно определяться концентрацией анализируемого вещества и не будет зависеть от изменений интенсивности излучения источника, т к. измеряемый сигнал является нормированным.

Вместо выполнения операции нормировки обрабатываемого сигнала посредством усилителя с автоматической регулировкой усиления, включаемого перед блоком первого синхронного фильтра, эта операция, согласно п. 3 и п. 4 формулы изобретения, может осуществляться на его выходе или на выходе блока синхронного детектора. При этом блок нормировки будет представлять собой делитель аналоговых сигналов.

Как можно заметить из графиков, представленных на фиг. 3-5, уровень шумов в обрабатываемом сигнале практически не

влияет на амплитуду выходного напряжения блока второго синхронного фильтра, т.е. на значение нормирующего сигала, чего нельзя сказать о прототипе, в котором такое влияние является значительным

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет достичь поставленной цели, т.е. повысить точность измерений. Формула изобретения

0 1. Оптический анализатор веществ, содержащий источник излучения, модулятор, рабочую и сравнительную кюветы, оптическую систему, блок приемника излучения, регистратор, систему обработки сигналов

5 приемника, включающую блок нормировки, блок первого синхронного фильтра и блок синхронного детектора, блок сопряжения, блок формирования управляющих сигналов и первый датчик синхроимпульсов, при этом

0 выход блока приемника связан с регистратором через систему обработки сигналов, выход блока сопряжения подключен к входу нормирующего сигнала блока нормировки, первый датчик синхроимпульсов связан с

5 модулятором, выход датчика синхроимпульсов подключен через первый вход и первый выход блока формирования управляющих сигналов к управляющим входам блоков первого синхронного фильтра и синхронно0 го детектора, а модулятор выполнен с возможностью получения на выходе первого датчика импульсов синхронизации с частотой следования, равной частоте модуляции пучков излучения, проходящего через кюве5 ту, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с

целью повышения точности, анализатор дополнительно содержит блок второго синхронного фильтра и второй датчик синхроимпульсов, модулятор выполнен с воз0 можностью дополнительного получения удвоенной частоты следования импульсов синхронизации, при этом вход блока первого синхронного фильтра соединен с входом блока второго синхронного фильтра, выход

5 которого подключен к входу устройства со- прржепия, а управляющий вход подключен к второму выходу блока формирования управляющих сигналов, причем второй вход блока формирования управляющих сигна0 лов связан с модулятором через второй датчик синхроимпульсов на удвоенной частоте модуляции.

2. Анализатор по п. 1,отличающий- с я тем, что система обработки сигналов

5 приемника содержит последовательно включенные блок нормировки, блок первого синхронного фильтра и блок синхронного детектора, а блок нормировки выполнен в виде усилителя с автоматической регулировкой -/силе ния.

3. Анализатор по п. 1,отличающий- с я тем, что система обработки сигналов приемника содержит последовательно включенные блок первого синхронного фильтра, блок нормировки и блок синхронного детектора, а блок нормировки выполнен в виде делителя аналоговых сигналов.

4. Анализатор по п. 1, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что система обработки сигналов приемника содержит последовательно включенные блок первого синхронного фильтра, блок синхронного детектора и блок нормировки, а блок нормировки выполнен в виде делителя аналоговых сигналов.

Сущность изобретения: устройство содержит рабочую и сравнительные кюветы, поочередно просвечиваемые излучением одного источника, модулятора, синхронный детектор и блок нормировки измеряемого сигнала с помощью сигнала, полученного на удвоенной частоте модуляции. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

/8

Фиё.2.

%« Sk3

Фиг.З

.

О

%

8л. 15

,

лвДмЛ,

AwAv vWAui/WA),

.ЧмУ ЩдДАу/

Фиг. 4

цчимщс М иьде

fi4M«wMVUi 4tt

AWMW

Фиг.5