УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙКОМПОНЕНТ СРЕДЫ, ПРОЗРАЧНОЙ В КАКОЙ-ЛИБОЧАСТИ СПЕКТРА СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Советский патент 1974 года по МПК G01N21/25 G01W1/11 

1

Изобретение относится к устройствам для измерения концентрации составляющих газовой среды и твердых тел.

Устройство может быть использовано для контроля испарением из больших резервуаров в засушливых областях, для контроля газовой среды в лабораториях, шахтах и других объектах, в целлюлозно-бумажной промышленности для определения влагосодержания бумаги, для метеорологической службы (микрометеорологии, микроклиматологии), для изучения физики атмосферы.

Известны устройства, предназначенные для измерения полного количества водяного пара на пути сквозь слой атмосферы между источником и приемником излучения, состоящее из точечной лампы, излучение которой направлено к приемнику, выполненному из сернистого свинца и установленному на другом конце базисной линии, менисковой линзы интерференционных фильтров, расположенных на скользящем держателе позади линзы, двигателя, обеспечивающего смену фильтров и тем самым модуляцию луча, за счет чего детектор попеременно подвергается действию излучения 2,6 и 2,35 мкм. Два результирующих сигнала усиливаются и воспроизводятся записывающим прибором как отношение двух сигналов, из которых один является функцией влагосодержания, а другой - сигналом сравнения.

Недостаток известного устройства состоит в том, что оно имеет недостаточно высокую надежность и стабильность в работе, так как изменение толщины интерференционных фильтров, например, из-за осаждения пыли и конденсации влаги может нривести к отказу устройства; кроме того, фильтры в результате резкого прерывания вводят гармоники в усилитель, что очень усложняет его электронную схему и снижает чувствительность.

С целью повышения надежности и чувствительности устройства, а также расширения области его применения.

Устройство снабжено полупроводниковым источником света, выполненным из трех или четырех светодиодов, имеющий длины волн излучения, соответствующие максимуму поглощения анализируемого газа, линии более слабого поглощения и области, где нет поглоще ния, например, для паров воды около 2,60; 0,94 и 0,85 мкм, электронным коммутатором, соединенным управляемым по мощности выходом с источником света, синхронным детектором, связанным по опорному сигналу с коммутатором, по входному - с усилителем, по выходному сигналу - с регистрирующим прибором.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства, содержащего блок питания /, коммутатор 2, источник света 5, исследуемую среду 4, световоды 5, фотоприе.мник 6, усилитель 7, синхронный детектор 8, регистрирующее устройство 9.

Коммутатор 2 может иметь либо автономный блок питания / (источник постоянного напряжения), либо через трансформатор и выпрямитель нодключаться к сети. Источник света 3 представляет собой совокупность трех светодиодов, имеющих различные полосы излучения с максимумами соответственно для паров воды /.1 0,85, ,2 0,94, Лз 2,6 мкм и полушириной полос около 40 мэв. Так как у светодиодов площад) поверхности не превышает 0,3 лгл/, то они с довольно малым допущением принимаются за точечные источники света п для получепия коллпмированно|-о излучеиия располагаются в фокусе параболических отражателей, а для жесткой фиксации вся система заливается спепиальпой оптической смолой. Световоды 5 могут бьггь из стекловолокна или в виде кюветы - амнулы, наполненной анализируемым газом, причем одним концом световод подводится к вершине параболы, где по его диаметру сделано отверстие для отвода части лучистой энергии, а другой конец световода соединен с окном (jioтоприемника 6.

В качестве усилителя 7 примепяется узкополосный усилитель с неремеииым коэффициентом силе1П я. Для макета гигрометра был разработан специальный импульсный синхронный детектор 8, имеющий на выходе постояиный сигнал, пропорциональный усредненному значению импульсных сигналов усилителя 7. Значение сигналов, пропорциональных влагосодержанию в среде, можио регистрировать любым низкоомным прибором постоянного тока (регистрирующее устройство 9 или использовать сигналы для координирования радиопередатчика, транслирующего данные по влагосодерл;ани10 среды на больщие рассстояния. В основе конструкции предлагаемого устройства лежит принцип поглощения лучистой энергии молекулами воды или другого газа, так как энергетические спектры молекул существенр{о не зависят от окружающих условий.

Работа прибора заключается в следующем. Если необходимо, например, измерить большое влагосодержание в атмосфере или другой ереде, то луч максимального поглощения выключается и электронный коммутатор 2 питает только два капала. Каждый из капалов содержит два равных по интенсивности световых потока, образованных параболическим отражателем и герметичным световодом. Каждый из потоков направляется к отдельным фотоприемникам, работающим в режиме фото-э.д.с. и включенным друг относительно друга по дифференциальной схеме. На выходе каждого канала возникает разность э. д. с., что пропорционально отношению двух сигналов (проходящих через исследуемую среду и герметичный световод).

Таким образом достигается компенсация

нестабильности яркости светодиодов, вызванной изменениями температуры среды и колебаниями напряжения питания светодиодов.

В случае измерения малых концентраций влаги работает только канал максимального поглощения, выполненный аналогично другим каналам, причем в этом случае, как правило, требуется малая длнпа пробега луча. Однако и в этом случае может быть применен двухканальный вариант, но уже с другой длиной волны излучения в канале сравнения.

Сигнал с приемпого блока поступает на усилитель, имеющий переменный коэффициент усиления (что позволяет расширить диапазон измерений), и далее -к сшгхронному детектору, связанному по опорному сигналу с электронным коммутатором. Благодаря иснользованию синхронного детектора достигается выгодное отношение нолезного сигнала к шуму, а также практически исключаются «мерцания источника, вызванные турбулентными движениями в атмосфере.

Высокая надежность устройства обеспечивается использованием полупроводниковых элементов во всех блоках (источник излучения, приемник излучения и т. п.) и отсутствием двигателей, прочих механических узлов и интерференционных светофильтров.

Благодаря высокому к.п.д. светодиодов и фотоприемников, повышающемуся при понижении температуры, данное устройство выгодно отлнчается от ему подобных с энергетической точки зрения и возможности использования его при низких температурах.

При необходимости измерять концентрации других газов, напри.мер метан, хтлекислый газ и т. п., достаточно лишь заменить оптроны (источник света - приемпик), так чтобы длина полны излучателя соответствовала полосе поглощения газа п световод выполнить в виде кюветы с исследуемым газом, которая позволяет сохранить его температуру и давление такими же, как и в окружающей среде.

Для количественных измерений составляющих некоторых твердых тел, прозрачных для инфракрасной области (бумага, полиэтилен и т. п.), могут быть использованы пересекающиеся в точке нахождения исследуемого объекта малой толщины лучи сравнения и максимального поглощения. Пересечение лучей легко выполняется при помощи манипуляторов, позволяющих перемещать источник света и фотоприемники в нескольких плоскостях. В случае движущегося объекта (полотно бумаги и т. д.) произвольной толщины устройство включает блок задержки импульсов питания светодиода в одном из каналов, например в канале сравнения. Этнм исключается ощибка в из.мерениях, вызванная дефектообразованиями в исследуемом объекте.

Предмет изобретения

Устройство для количественных измерений компонент среды, прозрачной в какой-либо

части спектра светового излучения, содержащее блок питания, источник света, фотоприемник, усилитель и регистрирующий прибор, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и стабильности, оно снабжено электронным коммутатором, вход которого соединен с блоком питания, а выход - с источником света, выполненным из светодиодов с длинами волн излучения, соответствующими максимуму

поглощения анализируемой среды, линии слабого поглощения и спектральной области, где нет поглощения, например, для паров воды около 2,60 мкм, 0,94 мкм и 0,85 мкм, а также синхронным детектором, связанным по опорному сигналу с коммутатором, по входному сигналу - с усилителем, а по выходному - с регистрирующим прибором.

IJ