Устройство для измерения концентрации твердых взвешенных частиц Советский патент 1981 года по МПК G01N15/06 

(5) УСТРОЙСТВО для ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ТВЕРДЫХ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ

1

Изобретение относится к техни ческой физике, в частности к средствам количественного определения концентрации твердых взвешенных частиц в воде и воздухе, и может быть использовано в химической, целлюлозно-бумажной, угольной, легкой и других отраслях промышленности для контроля загрязненности окружающей воздушной и водной сред.

Известно устройство для контроля . концентрации твердых взвешенных частиц, содержащее погруженный в контролируемую среду корпус, внутри которого расположен источник света, световые пучки от которого с помощью двух оптических систем формирования светового потока (призмы, линзы, фильтры) направляются в измерительный и опорный каналы тракта. После прохождения лучей по измерительному и опорному каналам они попадают на фотоприемники, где порознь усиливаются и подаются на регистратор L U

Устройство имеет следующие недостатки: нестабильность параметров фотоприемников, их разброс, неидентичность температурных и временных характеристик как электронной части устройства (фотоприемники, каналы усиления, преобразования и сравнения) так и оптической (линзы, призмы, фильтры). Основным недостатком является низкая чувствительность уст10ройства.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения концентрации твердых взвешенных частиц, содержа15щее источник света, установленные по ходу излучения оптическую систему формирования светового потока,измерительную ячейку, приемник излучения, выход которого соединен со входом

20 регистратора, соленоид, включенный последовательно в цепь питания источ.ника света и гальваномагнитный дат(Чик с токовыми и выходными электродами, помещенный в магнитное поле соленоида f2. Недостатком устройства является сложность конструкции и низкая чувствительность. Цель изобретения - повышение чувствительности и упрощение конструкци Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения концентрации твердых взвешенных частиц, содержащем источник света, уста новленные по ходу излучения оптическую систему формирования светового потока, измерительную ячейку, приемник излучения, выход которого соединен с рходом регистратора, соленоид, вклю 4енный последовательно в цепь питани источника света, гальваномагнитный датчик с токовыми Ивыходными электродами, помещенный в магнитное поле соленоида, токовые электроды гальваномагнитного датчика включены последовательно в цепь питания приемника излучения, выполненного в виде фототранзистора, параллельно, входу которого подключены выходные электроды гальваномагнитного датчика. На чертеже представлена блок-схем устройства. Устройство содержит источник света 1, оптическую систему формировани светового потока 2, контролируемую среду 3, приеь,ник излучения - фо.тотранзистор и, выход которого подключен ко входу регистратора 5, соле ноид 6, включенный последовательно в цепь питания источника света 1., и расположенный внутри соленоида 6 гальваномагнитный датчик 7 с токовыми электродами 8 и выходными электро дами 9. Устройство работает следующим образом. Сформированный оптической системой 2 свет от источника 1, в цепь питания которого последовательно включен соленоид 6, проходя контролируемую среду 3 попадает на базу фототранзистора k и создает в нем в равных количествах электроны и дырки - так называемый внутренний входной оптический сигнал. Одновременно с этим извне на ту же базу фототранзистора k с выходных электродов, помещенного в магнитное поле соленоида 6, гальваномагнитног датчика 7 поступает внешний входной электрический сигнал При этом оба эти входные сигналы фототранзисто . 4 вь1читаются. Затем эти сигналы, сформированные в фототранзисторе k в виде единого сигнала, характеризующего контролируемый параметр, с выхода фототранзистора , являющегося выходом фотопреобразователя вообще, поступают на вход регистратора 5, оконечный каскад которого проградуирован в единицах контролируемого параметра {концентра1,ии). В зависимости от концентрации твердых частиц, находящихся на пути оптического излучения (диапазон .измерительных длин волн оптического излучения выбирается из области прозрачности матричного вещества: воды, воздуха или других веществ), на базу фототранзистора k падает большее или меньшее количество кзантов света, генерирующих в ней (базе) в одинаковом количестве электроны и .дырки. Возникшие в базе фототранзистора под действием св.ета дырки, попадая в коллектор,увеличивают его ток к. Электроны, оставшиеся в базе; вызывают инжекцию дырок из эммитера в базу и дальше к коллектору. Эти. сквозные дырки за счет внутреннего усиления фототока (внутренний входной оптический сигнал) , приводят к более значительному усилению 3 , чем дырки, созданные непосредственно светом. Коэффициент усиления по току Г в этом случае описывается следующим выражением: Р--137 U) где u.Jj, и АЗ - приращение тока колектора и базы соответственно, прием ADic Ajg-. Реально Ъ достигает нескольких сотен о Поглощенный в базе фототранзистора Ц свет (полезный сигнал), создавая внутренний входной оптический сигнал в количестве, равном одной электронно-дырочной паре на один.квант, noi ощенного в базе света (при квантовом выходе равном единице), на выходе фототранзистора (в цепи его коллектора), создает число носителей в fb( 100-500) раз большее. Увеличение интенсивности света, падающего на базу фототранзистора, может быть обусловлено двумя причинами: изменением величины контролируемого параметра - полезный си1 нал; изменением интенсивности источника света, временным, температурным и другими нестабильностями - сигнал погрешности (ошибки). Устранение этого сигнала ошибки достигается тем, что в цепь питания источника излучения последовательно с ним включен соленоид 6. При этом соленоид 6 выполняет двойную функцию. Во-первых, при изменении напряжения питания источника света 1, он сглаживает эти колебания. Во-вторых, внутри него возникает магнитное поле, напряженность которого Н определяется по формуле м - W -, Н --|-/ Зс, где Ос ток соленоида и. источника света;, W - полное число витков соленоида;Е - его длина. На выходных электродах гальванома - нитного датчика, токовые электроды которого подключены последовательно в цепь питания фототранзистора и который помещен в магнитное поле соленоида таким образом, что направления магнитного поля и тока в нем взаимно перпендикулярны, возникает электродвижущая сила Еу,величина которой определяется по формуле . Н-ОдХ- Зс-Здх , (3) где К - коэффициент, зависящий от фи зических свойств материала и конструкции гальваномагнит ного датчика; ток гальваномагнитного датчика, и следовательно, фототранзистора . Из формулы (3) видно, что выходное напряжение гальваномагнитного Ev прямо пропорционально, как величина напряженности магнитного поля Н (характеризует изменение интенсивности источника света), так и току гальваномагнитного датчика Зду (ха рактеризует нестабильность источника питания, температурные и временные нестабильности фототранзистора). Подключение выходных электродов гальваномагнитного датчика ко входу фототранзистора таким образом, что полярность внешнего входного электри ческого сигнала противоположна поляр ности внутреннего входного оптического сигнала фототранзистора, приводит к тому, что выходной сигнал фототранзистора изменяется прямо пропорционально величине контролируемого параметра, а чувствительность устройства при этом повышена в раз. При этом устранены источники погрешностей: нестабильность источника излучения, источников питания, температурные и другие нестабильности, разброс параметров фотоприемников, неидентичность температурных и временных характеристик электронных каналов, разная величина шумов и наводок в каналах. Действительно, пусть интенсивность источника света увеличивается в п раз. При этом в п увеличивается также ток соленоида Jc., а следовательно, согласно формуле (3) и Е,, Значит внешний входной электрический сигнал на базе фототранзистора тоже возрастает в п раз о Внутренний входной оптический сигнал (прошедший через контролируемое вещество) тоже в п раз увеличен. Оба эти возросшие сигналы после вычитания в фототр-энзисторе и усиления в раз на выходе фототранзистора дают сигнал, величина которого не зависит от изменения интенсивности источника света, а только от концентрации контролируемого вещества. Аналогичные рассуждения справедливы и для нестабильностей в цепи фототранзистора (изменяется д)( )« а следовательно и Е. Пусть интенсивность источника света и другие параметры устройства остаются неизменными. При стабильности всех параметров устройства и изменении концентрации контролируемого вещества, фототранзистор реагирует только на изменение концентрации (изменяется только один внутренний входной оптический сигнал, внешний входной электрический СИ1- нал остается неизменным, так как 3с и Здх 3 следовательно, и Еу неизменны),которое характеризуется разностью внутреннего оптического и внешнего электрического входных cи нaлoв. Формула изобретения Устройство для измерения концентрации твердых взвешенных частиц, содержащее источник света, установленные по ходу излучения оптическую

систему формирования светового потока, измерительную ячейку, приемник излучения выход которого соединен со входом регистратора, соленоид, включенный последовательно в цепь питания источника света, гальваномагнитный датчик с токовыми и выходными электродами, помещенный в магнитное поле соленоида, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения чувствительности и упрощения конструкции устройства, токовые электроды гальваномагнитного датчика

включены последовательно в цепь питания приемника излучения, выполненного в виде фототранзистора, параллельно входу которого подключены выходные электроды гальваномагнитного датчика.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1,Заявка Великобритании WliilSBl кл. G 01 N 21/22, 1975.

2,Авторское свидетельство СССР по заяркеМ 2816372/25,кл. G 01 N 1Я/06, 1979 (прототип).