Оптический индикатор точки росы

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

rs<)s G 01 N 21/81, 25/66

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21)4760475/25 (22) 21.11.89. (46) 28.02.93. Бюл, М 8 (71) Инсти гут физики им. Б, И. Степанова (72) А. С. Прищепов, С. Астанов, Н. P. Гришина и Б. Э. Ниязханова (56) Авторское свидетельство СССР

М 1182365, кл. G 01 и 25/66, 1983.

Авторское свидетельство СССР

% 426216, кл. G 01 W 1/11, 1973. (54) оптический индикАто точки

РОСЫ (57) Использование: приборостроение, измерительная техника. Сущность изобретения: оптический индикатор точки росы содержит оптически связанные источник света с длиной волны иэ диапазона погло щения агрегированного псевдоизоцианинИзобретение относится к измерительной технике и аналитическому приборостроению, а именно к оптическим индикаторам конденсата влаги, и может быть использовано для контроля и регулирования влажности газов в различных отраслях народного хозяйства, В современном полупроводниковом производстве, в медицинской препаративной практике, в научных исследованиях необходим высокочувствительный и точный контроль содержания влаги в воздухе и других газах методом точки росы, в связи с чем требуются разработки индикаторов конденсата влаги, удовлетворяющих этим требованиям, а также обеспечивающих надежные показания s условиях загрязнения анализируемого газа пылью и другими микропримесями. Среди индикаторов наибольшей. Им 1798668 А1

2 хлорида, фокусирующуа систему, линейный поляризатор, магнйто0птический модулятор на основе эффекта Фарадея, охлаждаемый влагочувствительный элемент, заключенный в камеру и выполнейиый в виде одноосно ориентированной матиранием пленки псевдоизоцианийхлорида, нанесенной на изотронную прозрачную подложку, линейный анализатор,фотопривмиик, атакже селективный иэмерительный усилитель, соединенный с фотоприемником и магнитооптическим модулятором, и смствмумонтро ля температуры влагочувствитвлЬного элемента, причем поляризатор.и анализатор скрещены, а ось анизотропии пленки псевдоизоцианинхлорида сориентирована в диагональное положение относительно ориентации полярйзатора.2 ил. чувствительностью и точностью обладают .оптические индикаторы конденсата влаги.

Цель изобретения — повышение точности индикации конденсируемой влаги.

На фиг. 1 представлена принципиаль ная схема устройства;;на фиг. 2 — влагочувствительный элемент устройства.

Оптический индикатор конденсата влаги содержит источник 1 света в виде ксеноновой лампы, фокусирующую систему зеркал 2, монохроматор 3 для выделения из спектра источника света длины волны

560 нм, линейный поляризатор 4 для преобразования источника света 1 в линейно-поляризованный, компенсирующая ячейка 5

Фарадея для компенсации угла поворота плоскости поляризации, вызванного агрегированным псевдоизоцианинхлоридом при конденсации на нем влаги, модулятор 6 ази1798668 мута поляризации для модуляции интенсив, ности проходящего света, влагочувствительный элемэнт, выполненный в виде одноосно ориентированной пленки 7 псевдоизоцианинхлорида, нанесенной на изотропную прозрачную подложку 8, к которой со стороны пленки 7 прикреплена система

9 регистрации температуры в виде термистора.

Влагочувствительный элемент вместе с системой 9 и микрохолодильником 10 для его охлаждения"заключены в камеру 11, имеющую входное 12 и выходное 13 оптические окна, а также отверстия 14, 15 для до.ступа в нее анализируемого газа. За выходным оптическим окном 13 расположен линейный анализатор 16, скрещенный с линейным поляризатором 4, и фотоприемник 17 в виде фотоэлектронного умножителя, Все оптические элементы устройства расположены на одной оси и оптически сопряжены. Сигнал с фотбприемника 17 усиливается селективным компенсационным усилителем 18, связанным обратной связью с фотоприемником 17 и компенсирующей ячейкой 5 Фарадея, имеющей выход на рекордер 19. Мддулятор 6 азимута поляризации выполнен в виде модулирующей ячейки

Фарадея и питается генератором 20 частоты, Температура пленки 7 псевдоизоцианинхлорида регистрируется .измерителем

21 сопротивления, соединенным с термистором 9. Для обеспечения максимальной чувствительности устройства одноосно ориентированная пленка 7 псевдоизоцианинхлорида нанесена на подложку 8 таким образом, что ось А-А ее анизотропии составляет угол 45 с вектором электрического поля Е линейно поляризованного света, проходящего через влагочувствительный элемент;

Устройство работает следующим образом.

Свет от источника 1 света, сфокусированный зеркалами 2 и монохроматиэированный монохроматором 5 на длину волны

560 нм, проходит через поляризатор 4, после которого он становится линейно поляризованным, Пройдя далее через компенсационную ячейку Фарадея 5 и модулятор азимута поляризации 6, линейно поляризованный свет проходит через одно, 0GH0 ориентированную пленку псевдоизоцианинхлорида 7, подложку 8, линейный .анализатор 16, Пленка псевдоизоцианинхлорида 7 вместе с подложкой 8 охлаждаются микрохолодильником 10, при этом ведется регистрация температуры пленки термистором и измерителем 21 сопротивления. Если температура пленки высока, то конденсации влаги из газа, находящегося в камере 11 и запускаемого в нее через отверстия 14, 15, не происходит, пленка остается сухой. Поэтому молекулы воды не встраиваются в виде мостиков между молекулами одноосно ориентированного псевдоизоцианинхлорида, не образуются микрокристаллы красителя.

Вследствие этого поворот плоскости поляризации, вызываемый пленкой псевдоизо10 цианинхлорида 7 в случае образования микрокристаллов, равен нулю, В этом случае на фотоприемник 17 свет не поступает, так как поляризатор 4 и анализатор 16 скрещены, а подложка 8 выполнена оптически

15 изотропной, прозрачной, Напряжение с селективного компенсационного усилителя

18 на витки ячейки 5 Фарадея не подается и рекордер 19 регистрирует нулевое значение, соответствующее нулевому количест20 ву конденсата влаги. По достижении пленкой 7 псевдоизоцианинхлорида температуры точки влаги, на ней начинает конденсироваться влага, что мгновенно приводит к образованию между молекулами псевдо25 изоцианинхлорида водных мостиков и микрокристаллов красителя, Одноосно ориентированные микрокристаллы псевдоизоционинхлорида вызывают поворот плоскости поляризации линейно поляризо30 ванного света, проходящего через них, что приводит к попаданию этого света на фотоприемник 17, к появлению в нем фототока, который усиливается селективным компенсационным усилителем 18, сигнал с

35 которого идет нэ витки компенсационной ячейки Фарадея 5. Проходящий через витки . ячейки 5 Фарадея ток вызывает появление магнитного поля, напряженность которого такова, что линейно поляризованный свет, 40 проходящий через эту ячейку, испытывает поворот плоскости поляризации, равный по величине и обратный по знаку повороту плоскости поляризации, за который ответственны микрокристаллы псевдоизоциа45 нинхлорида. В этом случае рекордером 19 через инвертор регистрируется сигнал, пропорциональный току на витках компенсационной ячейки Фарадея 5 и соответственно количеству конденсируемой на пленке псев50 доизоцианинхлорида 7 влаги.

Селективный компенсационный усилитель 18 обеспечивает такой выходной сигнал, чтобы компенсационная ячейка 5

Фарадея давала полную компенсацию угла

55 поворота плоскости поляризации микрокристаллов псевдоизоцианинхлорида. В этом случае проходящий свет на фотоприемник 17 не попадает, электронная система

17 — 18 — 5 — 19 приходит в стационарный режим. регистрируя этот угол поворота плоRpKTopa поляризации Е) íà y1-nf) у1, Взяв отношение Ix2 к ly2 и пользУЯсь геометРией расположения векторов поляризации и своей оптической анизотропии. получим вы5 ражение

10 из которого следует, что максимальное значение угла поворота плоскости поляризации р достигается, при /3 =- 0 +, т. е, когда оси дихроичной анизотропии вещества оптически анизотропной пленки расположены соответственно горизонтально и вертикально. В этом случае приходим к выражению, из которого следует, что максимальное значение угла поворота плоскости поляризации, вызванное оптически анизотропной микрокристаллической пленкой псевдоизоцианинхлорида достигается при ориентации ее оси под углом 45 к вектору поляризации пада)ощего на нее линейно поляризованного света, поскольку дипольные моменты переходов молекул псевдоизоцианинхлорида в агрегированном состоянии параллельны оси ориентации пленки, В качестве источника света использова0 ли ксеноновую лампу ДКСШ-250, заключенную в металлический кожух, к которому подведено водяное охлаждение. Свет от лампы фокусировали на входную щель двухрешетчатого монохроматора, имеющего

1200 штрихов на миллиметр. Излучение второго порядка устранялось фильтром. Поляризатором и анализатором являлись ,призмы Глана-Томсона, выполненные из дифосфата аммония размером 14 х 14 х 15 мм и погруженные в циклогексан для устранения гигроскьпичности, установленные в держателе с окнами из плавленного кварцевого стекла. Скрещенность поляризатора и ана5 лизатора осуществляли с точностью 1 миллиградуса. Компенсирующая ячейка

Фарадея выполнена из бруска кварцевого стекла длиной 60 и диаметром 11 мм. Этот брусок окружен медной катушкой с витками, 0 пропитанными эпоксидной смолой. Для поддержания стабильной температуры компенсирующей ячейки Фарадея рядом с ней с установлен вентилятор. Модулятор азимута поляризации выполнен s виде ячейки

Фарадея, аналогичной компенсационной, Эта ячейка защищалась ферритовым кожухом для устранения утечки магнитного поля, создаваемого током в ее витках частотой

335 герц. Мощность возбуждения катушки модулирующей ячейки рассчитана таким обDx D

rp srctg (10 2 ) - 45 . (1)

3 где Dx, Dy — величины оптических плотностей одноосно ориентированного агрегированного псевдоизоцианинхлорида при распрОстранении линейно поляризованного света вдоль осей анизотропии х и у.

Подтверждением сказанному являются следующие выкладки, Пусть E1 — амплитуда вектора поляризации световой волны, падающей на оптически анизотропную пленку с осями 4 анизотропии х и.у, повернутыми относи- тельно горизонтали и вертикали соответственно на угол Р. Распространение линейно поляризованного света в такой среде можно представить распространением в ней 4 двух ортогональных по своей поляризации

СВЕТОВЫХ ВОЛН С аМПЛИтудаМИ Ех1 И Еу1. ИНтенсивность этих волн определяется следующим образом

2 1

Ix1 E х1, у1 Е у1. (2)

После прохождения светом оптически аниэотропной пленки эти интенсивности становятся равными

5 ! х2(у = (х1(у1) 10 У Е х1(у1) х

Прошедшая световая волна имеет поляризацию, определяемую вектором Е2. который повернут относительно начального скости поляризации. Компенсационный усилитель 18 настроен селективно на частоту модуляции азимута поляризации, кото.рая задается генератором частоты 20 посредством подачи на витки ячейки Фарадея 5 знакопеременного электрического тока, вызывающего в ней знакопеременное магнитное поле, которое отклоняет плоскость поляризации на-достаточно малый угол в обе стороны от азимута поляризации, задаваемый линейным поляризатором 4. В момент появления сигнала на рекордере 19 регистрируется температура пленки псевдоиэоцианинхлорида 7 при помощи термистора и измерителя сопротивления 21, которая соответствует температуре точки росы. Максимальная чувствительность устройства обеспечивается тем, что ось А — А ориентации пленки псевдоизоцианинхлорида расположена под углом 45 к вектору электрического поля сетевой волны, задаваемому линейным поляризатором 4. В этом случае угол rp негиротропного поворота плоскости поляризации, вызванный микрокристаллическим псевдоизоцианинхлоридом максимален и равен

tg (45 + ф = 19 (45" + /3+ (,)) х х 100х оy (4) 1798668 пазом, чтобы угол отклонения азимута поля: ризации составлял величину порядка -+1 .

В качестве фотоприемника использовали

ФЭУ-114. Влагочувствительный элемент выполнен в виде одноосно ориентированной пленки псевдоизоцианинхлоридэ, нанесенной натиранием на подложку из плавленного кварца, Толщина пленки 0,02 мм.

Удельная вращательная способность закристаллизированного при помощи конденсированной влаги псевдоизоцианинхлорида равна 6 10 6 г/угл. град. Количество конденсируемой влаги, регистрируемой устройством, определяется произведением удельной вращательной способности на угловые показания рекондера, Электронная схема устройства включает в себя усилитель генерации и модуляции, Осциллятор представляет собой устройство со сдвигом по фазе, задающий каскад которого является симметричным насыщенным усилителем. Три ячейки дефазирования, составленные из конденсаторов и сопротивлений, позволяют регулировать частоту осциллятора путем изменения дефазирования с помощью последней ячейки. Адаптерный каскад подает синусоидальное напряжение на выходные каскады и диффе. ренциальный усилитель, дающий реактивное напряжение, Один из транзисторов, действующий как эмиттерный повторитель, задает функциональную точку дифференциального каскада посредством поляризации его базы, Реактивное напряжение подается на задающий транзистор вспомогательного насыщенного устройства, Два диода позволяют осуществить симметричное возбуждение двух транзисторов. RC-цепочка задает в частоту 335 Гц, синусоидальное напряжение подается на вход модуляционного усилителя. Нагрузка силовых цепей состоит из катушки модуляции соединенной с фильтрующими элементами, Среди них — дроссельный фильтр, настроенный на двойную частоту и включающий катушку индуктивности и емкость. Этот фильтр оказывает максимальное сопротивление для второй гармоники модуляции. Второй фильтр также настроен нэ удвоенную частоту, он оказывает минимальное сопротивление для второй гармоники модуляции и заземляет ее. Собственно нагрузка включает катушку модуляции ячейки Фарадея, настроенную на частоту 335 Гц.

Электронная схема устройства включает в себя также периодический предусилитель и селективный усилитель для измерений, Первый каскад этих цепей дает сигнал, служащий для управления питанием фотоум5

55 ножителя Второй каскад возбуждает соответствующие селективные усилители. Последние каскады включают пассивный запиращий фильтр, настроенный на удвоенную частоту модуляции, а также два каскада с полным отрицательным обратным действием для всех частот. Селективный фильтр цепи отрицательной обратной связи нагружается базой первого транзистора селективного усилителя. Следующий каскад дает усиление примерно в 250 раз для частоты модуляции и усиление 1 для всех других.

Последний каскад идентичен с предыдущим. Между ними находится потенциометр для регулирования усиления. Два усилителя, селективно настроенные, дают полосу пропускания 5 Гц при 3 дБ. Сигнал подается в первичную обмотку измерительного трансформатора фазового компаратора.

Эталонный селективный усилитель и фазовый компаратор. Эталонный сигнал пропускается через контурную катушку ячейки Фарадея и подается на цепь, состоящую из двух селективных усилителей, идентичных усилителям измерительного канала. Дефазирование, которое Могло возникать в измерительном канале в результате изменения частоты, точно компенсируется идентичным дефазированием, возникающим в эталонном канале. Потенциометр позволяет компенсировать установленный сдвиг по фазе, который воздействует на эти каналы. Эта регулировка фазы следует за каскадом ограничителя амплитуды, который позволяет возбуждать канал сравнения фазового компаратора сигналом с постоянной амплитудой. Сигналы, ограниченные амплитудой, имеют трапецеидальную форму и трансформируются в синусоидальную форму последниМ селективным каскадом, Этим сигналом возбуждается эталонный трансформатор. Компарэтор— кольцевого типа, Он уравновешивается потенциометром, который настраивается на нулевой выходной сигнал, когда из измерительного трансформатора поступает или нулевой, или сдвинутый по фазе или по частоте сигнал. При сигналах, сдвинутых по фазе, компаратор подает положительный или отрицательный непрерывный сигнал на компенсационный усилитель.

Компенсационный усилитель построен по схеме, идентичной схеме модуляционного усилителя. B усилителе использовали входное сопротивление 22 кОм, связанное с отрицательным реактивным сопротивлением 100 кОм. Усиление установлено на величину 5, С учетом этих величин выходной каскад смонтирован по классической схеме дифференциального усилителя, где согласо1798668

10 вание сопротивления осуществляется с по. мощью транзисторов по Дарлингтону. Выход усилителя связан с компенсационной ячейкой Фарадея, Сопротивление, соединенное последовательно с катушкой усилителя, создает падение напряжения, пропорциональное выходному току. Это напряжение составляет измерительный сигнал, который регистрируется после коррекции побочных вращений плоскости поляризации и постоянной Верде, если в этом есть необходимость.

Пример индикации конденсируемой влаги с помощью данного оптического индикатора,.

Через камеру с влагочувствительным элементом, выполненным в виде прозрачной изотропной пластины, на которую нанесена одноосно ориентированная пленка псевдоизоцианинхлорида, пропускали анализируемый воздух, температура которого составляла 30 С, давление равно 98 кПа.

Одновременно производили охлаждение влагочувствительного элемента с помощью микрохолодильника и регистрацию температуры пленки псевдоизоциэнинхлоридэ при помощи термистора и измерителя сопротивления. Охлаждение проводили от 30 до 7 С, s области температуры предполагаемой точки росы 10 — 15 С охлаждение проводили наиболее медленно со скоростью

0,2 /мин. До момента конденсации влаги на пленки псевдоизоцианинхлорида влагочувствительного элемента рекордер показывал нулевой угол поворота плоскости поляризации при погрешности регистрации

+ 10 угл. гр. Резкое увеличение сигнала на рекордере наблюдали при температуре влагочувствительного элемента 9,26 С, Начальное значение угла поворота плоскости поляризации в мОмент конденсации влаги состэвляло 0,008 угл. rp. По мере развития процесса конденсации угол поворота плоскости поляризации увеличивался до значения 0,558. Количество конденсируемой влаги, фиксируемое индикатором в момент начала конденсации, равно 5 10 г.

В то же время прототип позволяет регистрировать температуру момента начала конденсации влаги с точностью до десятых долей С а количество конденсируемой влаги до 10 г.

Пример индикации конденсируемой влаги с помощью данного оптического индикатора в условиях повышенной запыленности анализируемого газа.

Аналогичные измерения проводили в условиях повышенной запыленности воздуха (степень запыленности контролировали

ЗО

35 мерения количества конденсата. Кроме того, данный оптический индикатор конден40, повышенной запыленности анализируемо го газа и на два с половиной порядка повыже условиях, 50

5

20 по рассеянному от пылинок когерентного света гелий-неонового лазера). Во всех случаях показания температуры начала конденсации влаги были равны 9,26 С (-0,01 С), показания рекордера — 0,008 угл, rp. (М,001 угл. rp.), т. е. практически одинаковы с показаниями, когда анализируемый воздух не был эапылен.

В то же время известное устройство в этих условиях вообще не пригодно к работе, так как точность регистрации температуры момента начала конденсации низка (погрешность +.1 С). При наличии на влагочувствительном элементе пылинок фотоприемник уже начинает регистрировать рассеянный от них свет и выдавать показания о конденсации влаги. Количество регистрируемой известным устройством влаги составляет 10 r, что на две с половиной порядка больше, чем в случае оптического индикатора, т, е. чувствительность данного устройства в этом случае на два с половиной порядка величины выше, выше также точность индикации конденсируемой влаги и точность регистрируемой точки росы

Приведенный пример конкретного выполнения данного оптического индикатора конденсата влаги, а также примеры индикации конденсируемой влаги с помощью данного оптического индикатора показывают, что по сравнению с известным устройство позволяет на порядок повысить точность регистрации момента конденсации влаги и на полтора порядка повысить точность изсатэ влаги позволяет на два порядка повысить точность регистрации температуры момента начала конденсации в условиях сить точность измерения конденсата в этих

Ф.ормулаизобретения

Оптический индикатор точки росы, содержащий оптически связанные источник света, фокусирующую систему, линейный поляризатор, охлаждаемый влагочувствительный элемент, заключенный в камеру, имеющую входное и выходное оптические окна и отверстия для прокачки аналиэируемого газа, линейный анализатор, фотоприемник, а также схему регистрации, соединенную с фотоприемником, и систему контроля температуры влагочувствительного элемента, о т л и ч э ю шийся тем, что, с целью повышения точности индикации, индикатор дополнительно содержит

1798668

ФиО

Составитель С. Лобанов

Техред М.Моргентал Корректор 0. Кравцова

Редактор

Заказ 767 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ CCC

СР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 магнитооптический модулятор на основе . эффекта Фарадея с источником модулирующего тока, установленный на оптической оси индикатора между поляризатором и входным оптическим окном, причем поля- 5 ризатор и анализатор скрещены, влагочувствительный элемент выполнен в виде пленки агрегированного псевдоиэоцианинхлорида, нанесенной на изотропную подложку и ориентированной одноосным 10 натиранием, установлен перпендикулярно оптической оси и сориентирован в диагональное положение относительно ориентации поляризатора, источник света выполнен монохроматическим с длиной волны из диапазона поглощения агрегированного псевдоизоцианинхлорида, а схема регистрации выполнена в виде селективного измерительного усилителя, соединенного обратной связью с магнитооптическим модулятором.