Устройство для измерения концентрации вещества,связанного с основным материалом

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области неразрушающего контроля состава сложных веществ с помощью осептических 1методов. Цель - повышение точности измерений. Цель достигается за счет устранения влияния зависимости выходного сигнала и чувствительности фотоприемника от колебаний температуры окружаю| 1ей среды. Для этого устройство дополнительно содержит светодиод 7, оптические фильтры 8. 9, причем светоизлучающий диод расположен таким образом, что температура окружаюп1ей среды в области расположения фотоприсмника и диода одинакова. Излучение источника 2 света с помощью вращающегося модулятора 3 со встроенными в него светофильтрами преобразуется в две узкополосные линии излучения. Доминирующая длина волны одной из линий чувствительна к основному веществу, а длина волны другой - к компоненте , связанной с основным веществом. В исследуемом материале 4 происходит селективное погло1дение этих полос излучения контролируемыми компонентами. 2 ил. е (Л ю О5 о 05 со го Фи.1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (5П 4 G 01 J 1/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHGMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ЯЗ иг.1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2l) 3895261/24-25 (22) 17.05.85 (46) 30.09.86. Бюл. № 36 (72) Г. А. Сукач (53) 535.24 (088.8) (56) Шишловский А. А. Прикладная физическая оптика. М.: Физматгиз, 1961, с. 637 — 640.

Авторское свидетельство СССР № 855446, кл. G 01 N 21/11, 1981. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

КОНЦЕНТРАЦИИ ВЕЩЕСТВА, СВЯЗАННОГО С ОСНОВНЫМ МАТЕРИАЛОМ (57) Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области неразрушающего контроля состава сложных веществ с гомощью осептических методов.

Цель — повышение точности измерений.

Цель достигается за счет устранения влияÄÄSUÄÄ 1260692 А1 ния зависимости выходного сигнала и чувствительности фотоприемника от колебаний температуры окружающей среды. Для этого устройство дополнительно содержит светодиод 7, оптические фильтры 8. 9, причем светоизлучающий диод расположен таким образом, что температура окружающей среды в области расположения фотоприемника и диода одинакова. Излучение источника

2 света с помощью вращающегося модулятора 3 со встроенными B него светофильтрами преобразуется в две узкополосные линии излучения. Доминирующая длина волны одной из линий чувствительна к основному веществу, а длина волны другой — к компоненте, связанной с основным веществом.

В исследуемом материале 4 происходит селективное поглощение этих полос излучения контролируемыми компонентами. 2 ил.

1260692

25

Изобретение относится к измерительнойтехнике, а именно к области неразрушающего контроля состава сложных веществ с помощью оптических методов, и может быть применено в тех отраслях народного хозяйства, где требуется измерение концентрации одного вещества, находящегося в другом, в частности в материаловедении, в технике физического эксперимента, металлургической, нефтяной, горной, целлюлозно-бумажной, легкой и других отраслях промышленности.

Цель изобретения — повышение точности измерений за счет устранения влияния зависимости выходного сигнала и чувствительности фотоприемника от колебаний температуры.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 — температурные зависимости темнового тока фотоприемника, гока фотоприемника, обусловленного излучением, прошедшим через систему светоизлучающий диод — фильтры, и суммарного действия указанных факторов.

Устройство содержит блок пита ния 1, электрически связанный с источником 2 излучения, излучение которого через модулятор 3 со встроенными в нем узкополосными светофильтрами направляется на исследуемый объект 4, после прохождения которого попадает на вход фотоприемника

5, чувствительного к длинам волн, формируемым с помощью модулятора 3. Фотоприемник 5 с электронно-измерительной схемой 6 оптически связан со светоизлучающим диодом 7 через неподвижно установленные на пути его излучения светофильтры 8 и 9— ослабляющий и узкополосный соответственно.

Питание светодиода 7 осуществляется от блока питания 1.

Кривая 10 изображает температурные зависимости темнового тока фотоприемника, кривая 11 — тока фотоприемника, обусловленного излучением, прошедшим через систему — светоизлучающий диод — фильтры, кривая 12 — суммарное действие указанных факторов.

Устройство работает следующим образом.

Излучение источника 2 света, имеющего широкий спектр излучения (например, лампа накаливания) с помощью вращающегося модулятора 3 со встроенными в него светофильтрами, преобразуется в две (или более) узкополосные линии излучения, доминирующая длина волны одной из которых чувствительна к основному веществу, а длина волны другой — к компоненте, связанной с основным веществом, и направляется на исследуемый материал 4, где происходит селективное поглощение этих полос излучения контролируемыми компонентами. Прошед шее через исследуемый материал излучение имеет интенсивность I,:, которая выражается по закону Ламберта-Бугера, I;= I„; ехр(— р; Сгс)), где p, — массовый коэффициент поглогцения i-той компоненты; С, — концентрация

}-той компоненты; d — толщина, I„— интенсиность i-той компоненты падающего на материал излучения.

Все компоненты излучения попадают на фотоприемник 5, с выхода которого в виде электрических сигналов направляются в электронно-измерительную схему 6, где происходит их усиление, разделение по каналам, детектирование и сравнение, по результату которого судят о концентрации контролируемого вещества.

Поскольку при колебаниях температуры окружающей фотоприемник 5 среды выходной сигнал фотоприемника меняется за счет экспоненциального изменения темпового тока I., то для устранения влияния этого мешающего фактора с помощью светоизлучающего диода 7, подключенного к источнику 1 питания, осуществляется дополнительная постоянная подсветка фотоприемника 5 через установленные друг за другом светофильтры 8 и 9, один из которых служит для ослабления интенсивности излучения светодиода 7 до требуемой величины, а другой — узкополосный интерференционный или интерференционно-поляризационный светофильтр 9, ширина полосы пропускания которого не превышает 1 — 2 нанометров, применяется для фиксации абсолютных значений и диапазона энергий излучения светоизлучающего диода 7, падающего на фотоприемник 5.

Для пояснения сущности изобретения рассмотрим данные, представленные на фиг. 2. С ростом температуры темновой ток не только обратно смещенного диода. но и других фотоэлектрических приборов, растет экспоненциально. На фиг. 2 кривая

10 построена но литературным данным, кривая 11 - по данным исследования сдвига энергии в максимуме полосы излучения светодиода АЛ 307 от температуры окружающей среды. С ростом температуры (светоизлучающий диод 7 и фотоприемник 5 должны находиться в одинаковых температурных условиях, что зачастую в условиях промышленных и лабораторных измерений выполняется само собой без особых трудностей, наблюдается близкий к экспоненциальному рост темнового типа фотоприемника 5 (крИвая 10) и подобное ему уменьшение интенсивности излучения, прошедшего через фильтры 8 и 9, а значит и наводимого этим излучением фототока фотоприемника 5 (кривая 11).

С ростом температуры в излучении светодиода наблюдаются две особенности:уменьшение интенсивности (мощпости) излучения светодиода со скоростью Я íà l С и сдвиг максимума полосы излучения. в сторону

1260692 больших длин волн, обусловленный уменьшением ширины запрещенной зоны полупроводника. Поскольку излучение светодиода пропускается через узкополосный фильтр 9 (с фиксированной шириной полосы пропускания Л- 0,1 — 1,0 нм), длина волны ().Д=

=654,8 нм) максимального пропускания которого соответствует максимуму полосы излучения светодиода 1. - при температуре

1» — 25+- 1 С, и поскольку с ростом, температуры Х"- увеличивается, то фильтр 9 при всех T)T» будет вырезать из соответствующей данной температуре полосы излучения светодиода 7 узкую полосу, расположенную на коротковолновом крыле (при

Х„= 654,8 нм), и имеющую ширину Л/2 по обе стороны от Х, (как правило, спад ин- г5 тенсивности краевой полосы на крыльях близок к экспоненциальному, что иллюстрируется кривой 2, фиг. 2). Эти два фактора: сдвиг Х. - в сторону больших Х с ростом температуры и фиксация с помощью светофильтра 9 средней длины волны Х. и ширины полосы Л пропускаемого от светодиода 7 на фотоприемник 5 излучения приводят к резкому температурному спаду интенсивности излучения светодиода 7, попадающего на фотоприемник 5 и фототока, обусловленного этим излучением.

Таким образом, совместное действие возрастающего с ростом температуры темнового тока и уменьшающегося с ростом температуры фототока подсветки приводят к тому, что суммарный фоновйй ток практически не зависит от температуры окружающей среды Т в области измерений (фиг. 2, кривая 12), что приводит к повышению точности измерений за счет стабилизации суммы температурно зависимых факторов в широком диапазоне температур (исключается влияние температуры в зоне измерений на результаты) . Это приводит также к выравниванию чувствительности фотоприемника к полезному сигналу (линеаризация чувствительности) в диапазоне температур 15—

70 С, что также способствует повынгению точности (фиг. 2, кривая 12). Подключение светодиода 7 к тому же блоку питания 1, от которого питается источник излучения

2, приводит к тому, что полезный сигнал, равный разности между сигналом, наводимым от источника 2 и сигналом от светодиода 7, при изменении напряжения питания в ту .1л и и ну ю сторону остается неизменным, поскольку любые колебания напряжения питания передаются обеим источникам излучения 2 и 7. Это также ведет к уменьц<ению погрешности измерений. В качестве фотоприемника можно использовать любые полупроводниковые приборы как с р — n-переходом, так и без него. При этом они должны быть чувствительны ко всем регистрируемым длинам волн, в том числе и к л„+ А/2.

55 т„.„ итерий 17 E ) 4 fff,l6paIIo из

2 того условия, чтобы При Т= Т" . фильтр вырезал полосу шириной Л на III icoi o IIepгетическом крыле (справа от максимума в шкале энергий) и при этом его левая гра ница, удаленная от hv, на Л/2, в наиболее неблагоприятном случае не переходила через максимум кривой (в сторону больших длин волн Х). Критерий а(Т вЂ” Т., )(2,5<) выбран из условия, чтобы температурный сдвиг максимума спектра излучения светот„,„ диода влево от Е,, " " (в шкале энергий) с ростом температуры не вывел вс)О кривую излучения, в частности ее ннформггцнонное крыло, за пределы диапазона фильтрации 1

hvri+- 2. В предположении экспоненциа.)ьного спада 3 крыльях кривой сигнал, равный нулю, будет достигнут на удалении от максимума кривой (в единицах

5. 6/2= 2,56 (в экспоненцнальных 11роцессах

А= „, при 1= 5т амп:IHTó t,à А стремится

-t к нулю). форму.га изобретена»

1 cTP05fcTBo 1,7Я f1331 PC IIII51 кО11цс IITPIIции весцества, связанного с основным материалом, включак)щее последовательно установленные источник излучения, li<);I,ключенный к блоку питания, модулятор света со встроенными в него светофильтрами, фотоприемник, чувствитель11ый к 1снерируемым длинам волн, а также электронно-измерительную схему, эле)сгрнчески соединенную с фотоприемником, 01 личаюи(ееся тем, что. с целью повып)ен1)я точности измерений за счет устранения влияния зависимости выходного сигнала и чувствительности фотоприемника От колебаний температуры, усгройство дОООл1111тс льнО содержит установленные последовательно н оптически связанные с фотоприемником свстоизлучающий диод, первый и второй сн)тII I<ские фильтры, причем светоизлучак)п,1<й диод электрически соединеH с блоком питания и расположен таким Образом, чтО Т<. м<)ература окружающей среды в О67асг)1 pil< 11оложения светоизлучающего диод i и фотоприемника Одинакова, при этом 11араметры светоизлучающего диода ii второго <)11 i I! le

<. KoI 0 фильтра выби ра ют 51 11з 1 с;1 Oil i! 5i i) i I I I 0. iнення соотношений

hv„— - Е ) —, а (Т-- Т . ) (2;)

011тнчс.скОГО ф1!. 1 ьт,);:, 1н1!Р1111а за)11)еl)гсн1«.)и I

Тннн

ТЕМПграптура Т, C

Фиг.2

Составитель В. Калечин

Редактор Н. Горват Техред И. Верес Корректор М. Самборская

Заказ 521á/37 Тираж 778 Подписное

ВНИИГ1И Государственного комитета, СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4

5 чающего диода при температуреТ„„„, ширина полосы пропускания второго оптического фильтра на уровне 0,5; ширина полосы излучения светоизлучающего диода на уровне 0,5; минимально возможная температура окружающей среды в об b

«

«з

3 В00

9о00 ласти измерений;

Т вЂ” текущее значение температуры окружающей среды в области измерений; а — температурный коэффициент ширины запрещенной зоны активной области полупроводникового материала светоизлучающего диода.