Инфракрасный фильтровой анализатор Советский патент 1993 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к исследованию состава газообразных, жидких и твердых образцов в инфракрасном диапазоне спектра, преимущественно для геологии при исследовании осадочных горных пород на минеральный состав и их газонефтебитумсодер- жание.

Цель изобретения - упрощение его конструкции за счет исключения оптической части канала сравнения.

Существо изобретения заключается в том..что функции канала сравнения переложены на источник опорного напряжения. Первоначально, при отсутствии анализируемого образца в кювете усиление усилителя установлено так, что при установке любого светофильтра в измерительный луч напряжение на первом входе аналогового вычислителя оптических плотностей будет такое же как и на источнике опорного напряжения, подключенного ко второму входу аналогового вычислителя оптических плотностей. И при проведении измерений сравнение изменения напряжения в измерительном канале осуществляется с опорным напряжением устанавливаемого источником опорного напряжения.

Для достижения поставленной цели оптическая схема анализатора выполнена по однолучевой схеме, но в нем использован принцип двухканального измерения за счет моделирования сигнала опорного канала электроникой.

Применение однолучевой схемы позволило использовать не пару идентичных светофильтров на канал, которые очень трудно изготовить, а только один. При этом резко сокращается стоимость анализатора, т.к. количество светофильтров уменьшается в два раза. Кроме того, применение однолучевой схемы позволяет модулятор расположить после первого фокусирующего зеркала, а зеркала изготовить с малым фокусным расстоянием и приблизить их к ИК- источнику и приемнику, что позволяет увеличить интенсивность измерительного луча. Даже, в принятой схеме поворот луча осуществляется только у приемника и на небольшой угол (около 45о). что улучшает качество фокусировки на чувствительный элемент приемника ИК-излучения. Эти меры позволяют увеличить чувствительность и точность анализа,особенно в длинноволновой области спектра.

Применение одного фильтра на канал и однолучевой оптической схемы позволило все светофильтры расположить на барабане, который является диспергирующим элементом анализатора и постоянно расположен внутри него, что повышает на дежность устройства и улучшает его обслуживание.

На фиг.1 - 3 изображены структурные Схемы оптической и электронной частей инфракрасного фильтрового анализатора веществ.

Оптическая часть анализатора (фиг.1) состоит из источника ИК-излучения 1, первого и второго сферических фокусирующих зеркал 2 и 3, модулятора 4-измерительного

,

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

луча, вращаемого с помощью двигателя 5, кюветы 6, набора светофильтров 7, установленных в стенках многогранного держателя 8 ось 9 которого крепится на платформу анализатора 10 (фиг,2) и рукоятка 11 для смены светофильтров 7, устройства фиксации положения светофильтра 12, приемника 13, ИК-излучения, формирователя 14 импульсов частоты вращения модулятора, состоящего из лампы накаливания и фотодиода и считывающего устройства 15 цифрового кода установленного светофильтра 7, которое состоит из четырех ламп накаливания 15а, четырех фотодиодов 156 и расположенные на барабане 8 в соответствии с установленным светофильтром 7 и фиксирующим устройством 12 отверстий 15в, обозначающих номер установленного светофильтра в двоичном цифровом коде.

Электронная часть анализатора (фиг.З) состоит из приемника ИК-излучения 13, усилителя 16 с управляемым коэффициентом усиления, синхронного выпрямителя 17. управляемого импульсами от формирователя 14 импульсов частоты вращения модулятора, фильтра 18 нижних частот, используемого для выделения постоянной составляющей пульсирующего напряжения, которое постунает на первый вход аналогового вычислителя 19 оптических плотностей, на другой вход которого поступает опорное напряжение от источника 20 опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя 21 и цифровой индикации 22. Информация со считывающего устройства 15 цифрового кода установленного светофильтра поступает в схему 23 управления коэффициентом усиления усилителя 16. усиление которого выбирается индивидуально для каждого установленного светофильтра.

Анализатор работает следующим образом. ИК-источник 1, который представляет собой нагретую током до температуры около 1000°С спираль нихромовой проволоки, создает излучение в диапазоне 0,4-15 мкм, равномерно уменьшающееся в длинноволновой области. Это излучение фокусируется первым сферическим вогнутым зеркалом 2 в параллельный пучок, который попадает на второе фокусирующее зеркало 3. Этим зеркалом 3 луч фокусируется на чувствительный элемент приемника ИК-излучения 13 со смещением на 40-45° от измерительного луча. Сформированный параллельный пучок прерывается модулятором 4, проходит через кювету 6 с анализи- руемым образцом и установленный светофильтр 7. В соответствии со спектральными свойствами образца и установленным светофильтром 7 на приемник 13 будет попадать меньшее количество излучения, чем без анализируемого образца. Приемник 13 преобразует промодулированное ПК-излучение в переменное напряжение, которое усиливается усилителем 16 и попадает на вход синхронного выпрямителя 1.7. где осуществляется выпрямление в соответствии с фазой опорного сигнала, снима- е мого с модулятора 4. Затем выпрямленный сигнал проходит через фильтр 18 низких частот, выделяющий только постоянную составляющую и исключающий попадание пульсирующего напряжения в блок 19 вычисления оптических плотностей. На другой вход поступает опорное напряжение с источника опорного напряжения 20, равное по уровню напряжению на первом входе без анализируемого образца в кювете 6. Вычислитель оптических плотностей 19 осуществляет операцию вычисления в соответствии с формулой К-log -ту log - r D(A).

Результат вычисления преобразуется в цифровой код на АЦП 21 и отображается на цифровом индикаторе 22. В соответствии с установленным в луч номером светофильтра 7 считывающее устройство 15 вырабатывает цифровой двоичный код, который поступает в схему 23 управления коэффициентом усиления усилителя. Таким образом, при смене светофильтра в соответствии с кодом осуществляется изменение коэффициента усиления усилителя 16. Оно подбирается на всех фильтрах таким, чтобы при установке любого светофильтра на входе вычислителя оптических плотностей 19 было одинаковое выпрямленное напряжение, а напряжение источника 20 опорного напряжения устанавливается равным ему.

Работа с анализатором заключается в следующем. Здесь этапы подстройки опор- . ного состояния анализатора и процесс измерения разнесены во времени, Перед измерением в луч устанавливается кювета без образца и производится настройка усиления усилителя на каждом фильтре так, чтобы на первом входе аналогового блока вычислителя оптических плотностей было одинаковое напряжение при установке всех фильтров. Затем это же напряжение устанавливается на источнике опорного напряжения, с которого оно поступает на второй вход вычислителя оптических плотностей. При правильной установке этих напряжений на индикаторе будет нулевое показание.

После этапа настройки производится этап измерения. При этом в ту же кювету помещается анализируемый образец и снимаются отсчеты при последовательной установке всех фильтров в измерительный луч. Отсчеты будут соответствовать уменьшенному напряжению на выходе усилителя при установленных фильтрах, что соответствует поглощению в анализируемых диапазонах

спектра. Периодически, после нескольких измерений производится снова этап проверки и подстройки опорного состояния анализатора.

Формула изобретения

Инфракрасный фильтровой анализатор веществ, включающий канал сравнения и измерительный канал, содержащий оптически сопряженные источник ИК-иэлучения,

модулятор, первое и второе фокусирующие зеркала, кювету для анализируемого образца, набор сменных, установленных в . держателе светофильтров и приемник ИК- излучёния. который соединен с цифровым

регистратором через последовательно соединенные усилитель, синхронный выпрямитель, схему выделения постоянной составляющей, аналоговый вычислитель оптических плотностей и аналого-цифровой

преобразователь, а синхронный выпрямитель соединен также с формирователем импульсов частоты вращения модулятора, отличающийся тем, что, с целью упрощения его конструкции за счет исключения оптической части канала сравнения, усилитель выполнен с управляющим коэффициентом усиления, а анализатор дополнительно содержит источник опорного напряжения, схему управления коэффициентом усиления

усилителя и считывающее устройство цифрового кода установленного светофильтра, а канал сравнения выполнен в виде источника опорного напряжения, соединенного с аналоговым вычислителем оптических плотностей, считывающее устройство цифрового кода через схему управления коэффициентом усиления соединено с усилителем, а держатель светофильтра выполнен в виде многогранника с осью вращения,

фиксатором положения и кодовыми отверстиями, а считывающее устройство - в виде расположенных по обе стороны стенки держателя с кодовыми отверстиями четырех ламп или светодиодов и четырех фотодиодое, причем второе зеркало и приемник ИК- излучения находятся внутри многогранного держателя.

1Щ

ff/ fft №%

IL

8

Сущность изобретения: ИК-анализатор содержит канал сравнения и измерительный канал, содержащий ИК-излучения, модулятор, первое и второе фокусирующее зеркала, кюветы для анализируемого образца, набор сменных светофильтров и приемник ИК-излучения, который соединен с цифровым регистратором через последовательно соединенные усилитель, выполненный с регулируемым коэффициентом усиления, синхронный выпрямитель, схему выделения постоянной составляющей, аналоговый вычислитель оптических плотностей и аналого-цифровой преобразователь, а синхронный выпрямитель соединен также с формирователем импульсов частоты вращения модулятора, содержит источник опорного напряжения, схему управления коэффициентом усиления усилителя и считывающее устройство цифрового кода уста- новленного светофильтра, источник опорного напряжения соединен с аналоговым вычислителем оптических плотностей, считывающее устройство цифрового кода через схему управления коэффициентом усиления соединено с усилителем, а светофильтры закреплены в стенках многогранного держателя, имеющего ось вращения и фиксатор положения, где также выполнены кодовые отверстия, по обе стороны стенки держателя установлены четыре лампы или световоды и четыре фотодиода, которые совместно с кодовыми отверстиями образуют считывающее устройство цифрового кода установленного светофильтра, причем второе зеркало и приемник ИК-излучения находятся внутри многогранного держателя. 3 ил. 00 OJ ( Ч СО

гглф

fri9tE8l

Фиг.З