Анализатор примесей

 

Использование: изобретение относится к оптоэлектронной технике и может быть использовано для непрерывного контроля примесей в светорассеивающих поглощающих средах. Сущность изобретения: фотоприемное устройство прибора выполнено двухканальным: один канал выполнен (спектральных характеристик) в составе монохроматора на основе отражательной дифракционной решетки с приводом поворота, фотоприемника, измерительного усилителя с платой связи с блоком обработки данных (БОД); другой канал (пространственно-временных характеристик) - в составе телевизионной камеры, перед которой установлен клиньевой ослабитель с приводом перемещения поперек оси камеры, платы связи с БОД, причем перечисленные элементы и блок питания осветителя охвачены цепью обратной связи. 1 ил.

Изобретение относится к оптоэлектронной технике и может быть использовано для непрерывного контроля примесей в светорассеивающих поглощающих жидких, твердых и газообразных средах в машиностроении, агрохимической, пищевой промышленности, экологии.

Известны анализаторы примесей, в основу которых положена рефлексометрия на обратном отражении [1] Эти измерители работают без учета характеристик рассеяния анализируемых сред.

Известно также устройство контроля концентрации взвешенных частиц, в которое введена оптическая маска, расположенная на пути светового пучка между источником и кюветой с контролируемой средой; устройство действует на рассеянии вперед [2] Из известных технических решений наиболее близким заявляемому является устройство для регистрации частиц на материалах (патент США N 4377340 от 22.03.1983 г.), в котором, как и заявляемом, осветитель и фотоприемное устройство расположены по одну сторону от трубопровода для анализируемой среды, при этом фотоприемное устройство выполнено в виде телевизионной камеры [3] Основные недостатки прототипа.

При его работе, как и при работе устройства [2] в системах непрерывного контроля примесей в многокомпонентных средах отсутствует возможность установления однозначного соответствия между наблюдаемой общей концентрацией частиц и вкладом отдельных химических компонент. При этом утрачивается информация об отклонении от нормы концентрации компонент в анализируемой среде.

Изобретение направлено на решение задачи обеспечения высокой разрешающей способности обнаружения примесей в многокомпонентных поглощающих и рассеивающих средах в режиме непрерывного контроля.

Решение достигается тем, что в анализаторе примесей (АП), содержащем осветитель, фотоприемное устройство (ФПУ), включающее канал измерения пространственно-временных характеристик, выполненный в виде телевизионной камеры (ТВК), соединенной с помощью платы связи с блоком обработки данных (БОД), причем осветитель и фотоприемное устройство (ФПУ) расположены по одну сторону от трубопровода для анализируемой среды, в дополнение к каналу измерения пространственно-временных характеристик в устройство введен канал измерения спектральных характеристик, содержащий отражательную дифракционную решетку с приводом поворота, фотоприемник, измерительный усилитель, соединенный через плату связи с БОД, а перед телевизионной камерой установлен клиньевой ослабитель, причем выходы БОД подключены к входам привода перемещения клиньевого ослабителя, привода поворота дифракционной решетки, к каналу управления фотоприемником телевизионной камеры, блоку питания осветителя, образуя цепь обратной связи.

На чертеже показан предлагаемый анализатор.

АП состоит из осветителя 1 на основе источника 2 с коллимирующей оптикой 3 и блоком питания 4; ФПУ 5, включающего объектив 6, светоделительную пластину 7 и два канала: 1 спектральных характеристик и 2 пространственно-временных характеристик. Первый канал ФПУ включает согласующую линзу 8, светофильтр 9, монохроматор, состоящий из зеркал 10 и 11, цилиндрической отражательной дифракционной решетки 12 с приводом 13, фотоприемника 14 с измерительным усилителем 15, платой связи 16, согласующей канал спектральных характеристик с БОД через pазъем и кабель 17. Второй канал ФПУ включает клиньевой ослабитель 18 с приводом перемещения 19 и ТВК 20 с платой 21 связи с БОД через разъем и кабель 17.

Для осуществления калибровки устройство содержит светоотводящие пластины 22 и 23.

Анализатор примесей размещен в герметичном корпусе 24, установленном на штатном основании экстрактора 25 над трубой пробоотборника 26 и трубопровода 29.

В течение времени анализа примесей пятно, создаваемое освещающим пучком 27, должно находиться в поле зрения 28 ФПУ.

Выходы БОД, связанные с АП с помощью разъема и кабеля 17, подключены к входам приводов 13, 19, к выходам канала управления режимами фотоприемника ТВК 20 и блока питания осветителя 4, образуя цепь обратной связи.

Работа АП по контролю параметров среды основана на непрерывном измерении с помощью измерительного усилителя 15 отношения показаний I_i в области длины волны λ_i, где наблюдается заметное поглощение излучения, к показаниям I_o в области длины волны λ_o, где поглощение излучения средой отсутствует.

Концентрация поглощающей компоненты К определяется по отношению показаний I_i/I_o на основе закона Бугера-Бэра по формуле K= -(εl)^-1lnI_i/I_o, где l радиус светового пятна, измеряемый по поверхности среды с помощью ТВК, за вычетом радиуса пучка осветителя; ε коэффициент, определяемый при градуировке АП по стандартным растворам.

Для перекрытия диапазона частот 0,22-0,8 и 0,8-2,5 мкм функционирования первого канала в АП используются сменные источники 2 (галогенная лампа типа КГМ и лампа накаливания типа ОПТ) и набор решеток 12 (соответственно с числом штрихов 900 и 600 на мм).

Пластины 22, 23 вводятся периодически с частотой F 1 кГц в поток излучения осветителя, на входе каналов спектральных характеристик и пространственно-временных характеристик происходит периодическое с частотой F изменение светового потока. Это изменение светового потока преобразуется в фотоприемниках (ТВК и ФЭУ) в периодическое с той же частотой изменения электрического напряжения, с помощью которого осуществляется управление элементами АП.

Параметры цепи обратной связи выбраны так, чтобы снижение уровня сигнала на длине волны минимального (нулевого) поглощения излучения анализируемой средой преобразовывалось в увеличение мощности блока питания осветителя, а также повышение напряжения на приемнике и снижение напряжения на клиньевом ослабителе ТВК, а снижение отношения сигналов на длинах волн минимального и максимального поглощения, обусловленного средой, приводило к формированию на приводе дифракционной решетки напряжения, необходимого для ее установки в положение минимального значения сигнала, соответствующего полосе поглощения.

Величина I_o для исследуемой среды заносится в память БОД, включается привод 13, измеряются значения I_i на длинах волн l_i в полосах поглощения среды, вычисляются значения концентрации поглощающей компоненты К по отношению I_i/I_o, которые отображаются с помощью распечаток или на экран дисплея БОД.

Преимуществом данного метода перед известными является то, что отношение I_i/I_o не чувствительно к изменению пропускания на трассе осветитель-среда ФПУ, а также к возможному загрязнению объектива и оптических элементов канала спектральных характеристик под воздействием веществ, имеющих одинаковые оптические характеристики на длинах волн λ_i и λ_o (пыль и др.).

Постоянно сравнивая измеряемую концентрацию заданной компоненты с эталонным значением, занесенным в память БОД, можно судить об изменениях в технологическом процессе производства.

АП с помощью канала пространственно-временных характеристик позволяет непрерывно контролировать в реальном времени изменение концентрации и размера частиц твердой фазы, оптических неоднородностей в растворах, задымленных газовых средах, на поверхности расплавов и твердых материалов.

По сравнению с прототипом изменение изобретения позволяет: осуществить с высокой точностью непрерывный контроль параметров отдельных химических компонент в среде; устранить влияние на точность измерения старения (загрязнения) оптических элементов АП; производить непрерывную оценку доли твердой фазы в жидкой либо газообразной средах; измерять шероховатость поверхности твердых сред;
оптимизировать в зависимости от характеристик среды параметры АП.

Технико-экономическая или иная эффективность изобретения характеризуется следующим: c помощью двухканальной схемы ФПУ, элементов обратной связи АП выводится на максимальную чувствительность обнаружения поглощающих химических примесей и определение размеров и концентрации рассеивающих неоднородностей, что приведет к качественному повышению обнаружительной способности малых концентраций примесей в условиях непрерывного производства.

Формула изобретения

Анализатор примесей, содержащий осветитель, фотоприемное устройство, включающее канал измерения пространственно-временных характеристик, выполненный в виде телевизионной камеры, соединенной с помощью платы связи с блоком обработки данных, причем осветитель и фотоприемное устройство расположены по одну сторону от трубопровода для анализируемой среды, отличающийся тем, что в устройство введен канал измерения спектральных характеристик, содержащий отражательную дифракционную решетку с приводом поворота, фотоприемник, измерительный усилитель, соединенный через плату связи с блоком обработки данных, а перед телевизионной камерой установлен клиньевой ослабитель, причем выходы блока обработки данных подключены к входам привода перемещения клиньевого ослабителя, привода поворота дифракционной рещетки, к каналу управления фотоприемником телевизионной камеры, блоку питания осветителя, образуя цепь обратной связи.

РИСУНКИ

Рисунок 1