Концентратомер

 

Изобретение относится к фотометрическим устройствам для определения концентрации веществ в жидких, газообразных, а также аэрои гидрозольных средак. Цель изобретения - расширение динамического диапазона измерений при сохранении точности измерений. Концентратомер снабжен диском с п оптическими фильтрами 2

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) (51)4G 01 J 1 44

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4207658/24-25 (22) 10.03.87 (46) 30 03 89. Вюл. М 12 (72) К.А.Шайхатаров, А.В.Лапшин, А.Н.Столяров и Т.Д.Лапшина (53) 535.24(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1002853, кл. G 01 J 1/44, 08.01.81.

Авторское свидетельство СССР

У 1087781, кл. С 01 J 1/44, 03.09 ° 82. (54) КОНЦЕНТРАТОИЕР (57) Изобретение относится к фотометрическим устройствам для определе" ния концентрации веществ в жидких, газообразных, а также аэро- и гидрозольных средак. Цель изобретения— расширение динамического диапазона измерений при сохранении точности измерений. Концентратомер снабжен диском с и оптическими фильтрами 2

1469359 для последовательного выделения и спектральных участков, показатель ослабления исследуемых веществ в которых различается в одинаковое число раз, и системой автоматизированного управления положением диска, состоящей из блока 29 выбора диапазонов измерения, формирователя 4 кода диапазона измерений, и-входовой схемы

32 ИЛИ, двух инверторов 30 и 31 и двух устройств 25 и 26 выборки и хранения, обеспечивающих автоматизированный выбор для измерений такого

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к фотометрическим устройствам для измерения концентрации веществ в жидких, газообразных, а также аэро- и гидрозольных средах. Целью изобретения является расширение динамического диапазона измерений концентраций при сохранении точ- 10 ности измерений.

На чертеже представлена блок-схема устройства.

Концентратомер содержит источник 1 излучения, поворотный диск 2 с n оптическими фильтрами, снабженный фиксатором 3 положения, формирователем

4 кода диапазона измерений и механически связанный с реверсивным двигателем 5 через редуктор 6, оптический 20 коммутатор, включающий светоделитель

7 и поворотные зеркала 8; оптический разделитель 9 с фотоэлектрическим блоком 10 синхронизации, кюветы 11 и 12 и оптический сумматор 13, на выходе которого установлен фотоприемник 14 с предварительным усилите,лем 15, источники 16 и 17 опорных напряжений, подключенные к соответствующим входам коммутатора 18, уп- 30 равляющий вход которого подключен к выходу блока 10 синхронизации, логарифматор 19, вход которого подключен к выходам коммутатора 18 и предварительного усилителя 15, первый и второй синхронные детекторы 20 и 21, входы которых подключены к выходу логарифматора 19, управляющие входыспектрального участка, в котором для данной концентрации анализируемого вещества величина плотности оптической среды находится в стррго заданных пределах, определяющих погрешность измерений. При этом в блоке умножения 27 производится нормировка по отношению к сигналу, вырабатываемому нормирующим устройством 33 для получения сигнала на входе регистратора

28, прямо пропорционального концентрации, независимо от положения диска с оптическими фильтрами. 1 ил. к выходам блока 10 синхронизации, а выходы — к входам первого и второго вычитающих устройств 22 и 23, блок 24 деления, первое и второе устройства 25 и 26 выборки и хранения, блок 27 умножения, регистратор 28, блок 29 выбора диапазонов, первый и второй инверторы 30 и 31, и-входовая схема ИЛИ 32, нормирующее устройство

ЗЗ, выход которого подключен к входу первого устройства 25 выборки и хранения, выход которого подключен к первому входу блока 27 умножения, а управляющий вход к выходу и-входовой схемы ИЛИ 32, и к управляющему входу нторого устройства 26 выборки и хранения, вход которого подключен к выходу блока 24 деления, а выход — к второму входу блока 27 умножения, подключенного выходом к регистратору 28, и входу блока 29 выбора диапазона измерений, выход которого подключен к электрическому входу реверсивного двигателя 5, а первый и второй управляющие входы блока 29 к выходам соответственно первого и второго инверторов 30 и 3 1, входы которых подключены соответственно к п-му и первому выходам формирователя 4 кода диапазона измерений. Блок

29 выбора диапазонов, в свою очередь, состоит из компараторов 34 и

35 верхнего уровня и нижнего уровня, входы которых объединены и являются информационным входом блока выбора диапазонов, двух ключей 36 и 37, информационные входы которых подключе1

1469359 ны к выходам компараторо» 34 и 35, управляющие входы которых являются соответственно первым и вторым управляющими входами блока 29 и дифференциального усилителя 38 мощности, входы

5 которого подключены к выходам ключей Зб и 37, а выход является выходом блока 29.

Нормирующее устройство 33 состоит

,из и регулируемых источников-39 напряжений, п ключей 40, информационные входы которых подключены к выходам соответствующих регулируемых .источников 39 напряжений, а выходы являются общим выходом нормирующего устройства 33, п логических элементов

2 ИЛИ 41, выходы которых подключены к управляющим входам соответствующих ключей 40, п схем 42 задержки, выходы

KoTopblx подключены к первым входам 20 соответствующих логических элементов

2 ИЛИ 41, а входы к вторым входам соответствующих логических элементов

° 2 ИЛИ 41, являющихся входами нормирующего устройства 33. 25

Формирователь 4 кода диапазона измерений представляет собой систему оптронных пар, оптически замыкающихся через отверстия в диске 2, и преобразователей сигналов оптронных пар, обеспечивающих необходимую крутизну фронта сигналов. Для каждого положения диска существует своя комбинация отверстий, соответствующая номеру диапазона в двоичном коде. Формирователь 4 кода диапазона включает в себя также дешифратор кодовых комбинаций.

Погрешность измерения концентрации зависит от погрешности измерения от40 ношения прошедшего I, к падающему о 1

I, на среду потоков, которая в свою

1 очередь зависит от величины оптической толщины среды E,= 1, где Е>, 1 1 показатель ослабления веществ на длине волны h; с — кснцентраш я веществ в среде, 1 — толщина кюветы со средой в кажцый момент времени. В частности, при F>, с 1 ) 3 величина 1 . становится более, чем в 20 раз меньше о величины I ., что приводит к сущест1 венно большей погрешности первой из них при одной и той же величине собственных шумов устройства вследствие существенного изменения величины отношения сигнал/шум. При достаточно малых оптических толщинах среды

Г, с 1 (с. 1, †. - — 1 (с 1 относитель

1 1 ; I 1,. а(Е,; с 1) ная погрешность измерения

Я, с 1 увеличивается при I, — + I даже при постоянной относительной погрешIs; ности измерения отношения

I .

Ь(Еъ;с 1

Я,с 1 ? . Is;

l о

Ч; Т ;

Расширение динамического диапазона измерений концентрации при сохранении погрешности обеспечивается автоматическим выбором для измерения концентрации длины волны Ъ;, на которой величина Я . с 1 находится в оптималь71 ных, с точки зрения заданной погрешIa; ности измерения 1n —,-, пределах. Ука%; занный выбор может быть практически всегда осуществлен, так как практически для любых сред можно выбрать такие длины волн h; на которых величины показателя 1,. ослабления

k данного вещества отличаются на порядки.

Устройство работает следующим образом.

Поток источника 1 излучения, проходя через один из оптических фильтров поворотного диска 2, светоделитель 7 и поворотные зеркала 8, разделяется на две части, которые оптическим разделителем 9 направляются через контрольную 11 и измеритель ную 12 кюветы соответственно. Собранное оптическим сумматором 13 излучение направляется на фотоприемник 14.

На выходе фотоприемника попеременно образуются два импульса напряжения— контрольный и измерительный, которые усиливаются предварительным усилителем 15, логарифмируются логарифматором 19, детектируются синхронным детектором 20, работой которого уп-, равляет фотоэлектрически блок 10 синхронизации, и вычитаются с помощью вычитающего устройства 22. Таким об- . разом, напряжение на выходе вычитающего устройства 22 равно V;, „

= К(Т)1nV;„ — K(T)1nV;„ = К(т) х

V., х . 1п —,- -, где К(Т) — температурный . 7, э коэффициент логарифматора 19, Ч; и V амплитуды контрольного и из- мерительного импульсов соответствен-, 6 146 но на входе логарифматора 19 при измерениях в i-м диапазоне спектра, определяемом положением диска 2 с оптическими фильтрами. В промежутках между следованием измерительного и контрольного импульсов к входу логарифматора 19 с помощью коммутатора 18 попеременно подключаются выходы источников 16 и 17 опорных напряжений. Выходные напряжения источников 16 и 17 равны соответственно V« о и V, причем — — = е. Таким образом, о на вход логарифматора 19 помимо импульсов V; и V поступают также

1Ц импульсы V«H V,, которые логарифмируются логарифматором 19, детектируются синхронным детектором 21 и вычитаются с помощью вычитающего устройства 23. Работой коммутатора 18, также как и работой синхронного детектора 21, управляет фотоэлектрический блок 10 синхронизации. Напряжение на выходе вычитающего устройства

23 равно

V = К(Т)1n †-- = K(T)ln е = К(Т).

yon Vox

Напряжения VÄ„ н и VA „ подаются на соответствующие входы блока 24 деления, на выходе которого формируется отношение

К(Т)1п — —

V;q, Ч<к с

1П = 111 9

vA.. к(т) v„„ где Ы. — постоянная блока деления.

Этот сигнал, пропорциональный концентрации в измерительной кювете 12, направляется через устройство 26 выборки и хранения на второй вход блока 27, умножения. На первый вход блока 27 умножения через первое устройство. 25 выборки и хранения поступает выходное напряжение нормирующего устройства 33. При этом в блоке формирователя 4 кода диапазона вырабатывается код, соответствующий номеру установленного на пути потока источника 1 оптического фильтра, который определяет i-й диапазон измерений.

Этот код поступает на вход дешифратора блока 4,. в результате чего на -м выходе формирователя 4 кода диапазона поддерживается уровень "1", Этот сигнал через соответствующие схему 42 задержки и логический элемент 2 ИЛИ 41 поступает на управляющий вход i-го ключа 40 нормирующего устройства 33. Выходное напряжение устройства 33 равно при этом напря9359

6 жению i-го регулируемого источника 39 напряжения. Уровень " 1" íà i-м выходе формирователя 4 кода диапазона

5 поддерживает "1" на выходе п входовой схемы ИЛИ 32, что обеспечивает работу устройства 25 и 26 выборки и хранения в режиме выборки.

Сигнал с делителя 24 через устройство 26 выборки и хранения поступает на входы компараторов 34 и 35 блока 29 выбора диапазонов. Уровни срабатывания компараторов 34 и 35 определяют те границы изменения сигнала

V;, пропорционального концентрации, в которых обеспечивается заданная погрешность измерения. При превышении выходным напряжением блока 24 деления заданного верхнего уровня срабатывает компаратор 34 блока 29 выбора диапазонов. Выходной сигнал этого компаратора поступает через замкнутый ключ 36 на один из входов дифференциального усилителя 38 мощности, 25 выходной сигнал которого приводит к вращению в соответствующую сторону реверсивного двигателя 5. При этом через редуктор 6 вращение передается на ось диска 2 и диск поворачивается

gp таким образом, что на пути пучка от источника 1 излучения устанавливается оптический фильтр, для которого значение показателя ослабления дисперсной среды ; меньше, чем для предыдущего оптического фильтра.

С началом движения диска 2 оптронные пары формирователя 4 кода диапазона размыкаются, формирователь 4 перестает вырабатывать код положения

40 диска и на всех его n выходах с первого по п-й устанавливаются нулевые значения. При этом на выходе п входовой схемы ИЛИ 32 также устанавливается нулевое значение. Это приводит

46 к переводу устройств 25 и 26 выборки и хранения в режим хранения. Так как сигналы на выходах формирователя 4 кода диапазона и п входовой схемы

ИЛИ 32 переключаются почти одновременно, то возможен срыв запоминания значения выходного напряжения нормирующего устройства 33. Для обеспечения надежного запоминания в устройстве 25 выборки и хранения введены

55 линии 42 задержки и логические элементы 2 ИЛИ 41, которые. работают следующим образом: в момент переключения из состояния " 1" в "0" на выходе формирователя 4 кода диапазона уста1469359 навливается значение 0" на втором входе логического элемента 2 ИЛИ 41, а на его первом входе схемой 42 задержки в это время поддерживается значение "1". Уровень " 1" на выходе логического элемента 2 ИЛИ 41 поддерживает в замкнутом состоянии ключ 40 в течение времени, определяемого схемой 42 задержки и необходимого для запоминания выходного напряжения устройства 33 устройством 25 выборки и хранения.

При совмещении оси пучка источника 1 излучения с геометрическим цент- 15 ром оптического фильтра соответствующие оптронные пары формирователя 4 кода диапазона оптически замыкаются, формируется код, соответствующий очередному диапазону, и на соответ- 20 ствующем выходе формирователя 4 кода диапазона появляется уровень " 1", что приводит к установлению " 1" на выходе и входовой схемы ИЛИ 32, который переводит устройства 25 и 26 25 выборки и хранения в режим выборки.

При этом сигнал "1" с выхода формирователя 4 кода диапазона поступает в нормирующее устройство 33 на второй вход соответствующего элемента 2 30

ИЛИ 41, выходной сигнал которого не- -. смотря на уровень "0" на выходе схемы 42 задержки устанавливается в состояние " 1" и замыкает соответствующий ключ 40. На выходе устройства 33 появляется напряжение соответствующего регулируемого источника 39 напряжения.

Выходной сигнал с блока 24 деле.ния через устройство 26 выборки и

,хранения поступает на входы компараторов 34 и 35 блока 29 выбора диапазонов и устанавливает выходы компараторов в нулевое состояние. Выходной сигнал дифференциального усили45 теля 38 мощности падает, двигатель останавливается. Во избежание самохода диска 2 он стопорится фиксатором 3 положения.

При снижении выходного напряжения блока 24 деления ниже заданного нижнего уровня срабатывает компаратор 35 блока 29 выбора диапазонов и переключение оптических фильтров обеспечивается аналогичным образом через ключ 37 и дифференциальный усилитель

38 мощности, причем выходное напряжение усилителя 38 имеет противоположную полярность и реверсивный двигатель 5 вращает через редуктор 6 диск 2 с оптическими фильтрами в противоположную сторону. При крайних положениях диска 2 (диапазоны первый и и-й) выходной сигнал формирователя 4 кодов диапазона через соответствующий инвертор 30 или 31 размыкает один иэ ключей 36 или 37 и блокирует поворот диска за крайние положения.

Для каждого из и фильтров диска 2 существует свой коэффициент пропорциональности для определения концентрации, полученный на основании предварительного изучения среды. Нормирующее устройство 33 устанавливает на своем выходе этот коэффициент в соответствии с установленным на пути потока источника 1 i-ro фильтра диска 2. Оно вырабатывает напряжение, 1 пропорциональное

Е;1

При использовании в регистраторе цифровых вольтметров с автоматическим выбором диапазона, характеризующихся большим динамическим диапазоном и малой погрешностью, практически постоянной во всем диапазоне измерений, сигнал нормирующего устройства 33 совместно с сигналом блока 24 деления подается на аналоговый умножитель 27, выход которого подключается к вольтметру, который показывает величину Б ., прямо пропорциональную

I концентрации, при Ътюбом положении диска 2 с оптическими фильтрами.

Устройство обеспечивает решение динамического диапазона в 1О раз измеряемых концентраций при сохранении погрешности измерения.

Формула и з о б р е т е н и я

Концентратомер, содержащий оптический блок, выполненный в виде оптически связанных источника излучения, оптического коммутатора с фотоэлектрическим блоком синхронизации, двух кювет и оптического сумматора, фотоприемник с предварительным усилителем, выход которого подключен к входу логарифматора и через коммутатор к двум источникам опорных напряжений, выход логарифматора подключен к входам первого и второго синхронных детекторов, подключенных через первое и второе вычитающие устройства к блоку деления, и регистратор, причем

9 1469359

Составитель Е.Маколкин

Техред Л.Сердюкова Корректор N.Ñàìáoðñêàÿ

Редактор О.Спесивых

Тираж 466

Заказ 1350/47

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãîðîä, ул. Гагарина, 101 управляющие входы синхронных детекторов и коммутатора подключены к вы— ходу фотоэлектрического блока синхронизации, отличающийся

5 тем, что, с целью расширения динамического диапазона измерений при сохранении точности измерений, в него введены блок выбора диапазона измерения, нормирующее .устройство, и-входовая схема ИЛИ, первый и второй инверторы, первое и второе устройства выборки и хранения и блок умножения, при этом оптический блок снабжен закрепленным на валу редуктора, механически связанного с валом реверсивного двигателя, диском с п оптическими фильтрами, фиксатором положений и формирователем кода диапазона измерений, причем диск размещен между источником излучения и оптическим коммутатором с возможностью последовательного перекрывания потока источника излучения оптическими фильтрами, при этом и электрических выходов 25 формирователя кода диапазона измерений подключены к соответствующим входам n — входовой схемы ИЛИ и к управляющим входам нормирующего устройства, выход которого подключен к входу первого устройства выборки и хранения, выход которого подключен к первому входу блока умножения, а управляющий вход — к выходу п-входовой схемы ИЛИ и к управляющему входу второго устройства выборки и хранения, вход которого подключен к выходу блока деления, а выход - к второму входу блока умножения, подключенного выходом к регистратору, и к входу блока выбора диапазона измерений, выход которого подключен к электрическому входу реверсивного двигателя, а первый и второй управляющие входы — к выходам соответственно первого и второго инвертора, входы которых подключены соответственно к и-му и первому выходам формирователя кода диапазона измерений.