Устройство для измерения концентрации кислорода в газообразных и жидких средах

 

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство содержит оптически связанные импульсный источник светового излучения, кислородный люминесцентный сенсор, фотоприемное устройство и электрическую схему измерения и управления длительностью светового импульса, которая содержит электрически связанные ждущий генератор для возбуждения импульсного источника светового излучения, две схемы сравнения измеряемого сигнала с задаваемым значением, блок формирования фиксирующих напряжений, связанный со схемами сравнения, блок выделения временного интервала, пропорционального времени затухания люминесценции, ограничитель длительности возбуждающих импульсов, блок выборки-хранения, микроконтроллер для преобразования измеренных величин в концентрацию кислорода и блок индикации. Технический результат - повышение точности измерений. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения концентрации кислорода, и может быть использовано для проведения измерений во внелабораторных устройствах.

При экологическом контроле воды и воздуха, при контроле содержания кислорода в емкостях, наполненных газами и жидкостями, в химических и биологических производствах в условиях открытых площадок и в труднодоступных местах, актуальной задачей является измерение концентрации кислорода в широком динамическом диапазоне (от 0,01% об. до 100% об.) и интервале температур в пределах 50^oC.

Известно устройство - портативный люминесцентный анализатор, используемый для проведения экспрессного люминесцентного анализа во внелабораторных (полевых) условиях (патент РФ N 2085911, класс МКИ G 01 N 21/64). Анализатор содержит источник возбуждения люминесценции образца, оптические системы для возбуждения и регистрации люминесценции, фотодетектор, усилитель, блок регистрации с аналого-цифровым преобразователем, устройство запуска схемы измерения длительной люминесценции и индикатор. Люминесцентное излучение образца поступает на ФЭУ, с выхода которого электрический сигнал, пропорциональный интенсивности люминесценции образца, через усилитель и аналого-цифровой преобразователь поступает на вход запоминающего устройства, выход которого связан с цифровым индикатором.

При измерениях послесвечения (затухающей люминесценции) образца срабатывает устройство запуска, которое прерывает доступ возбуждающего света на исследуемый образец и устанавливает в режим готовности запоминающее устройство, в котором сохраняется значение интенсивности люминесценции в момент окончания светового импульса и сигнал послесвечения - убывающей во времени интенсивности люминесценции образца. Для компенсации изменений люминесценции в зависимости от изменения интенсивности светового потока в устройство встроена эталонная люминесцирующая пластина.

Устройство не может быть использовано для измерения концентрации кислорода в широком динамическом диапазоне.

Известно устройство для измерения парциального давления кислорода и температуры сенсора в переносных сосудах, работа которого основана на измерении затухающей люминесценции (ЕР N 252578, класс МКИ G 01 N 21/64). Устройство содержит импульсный источник излучения для возбуждения люминесценции, люминесцентный сенсор и фотодетектор, выход которого связан с входом электронной схемы обработки сигналов. Работа устройства основана на интегрировании, после окончания действия светового импульса, интенсивности затухающей люминесценции и составляющей шумов в течение интервалов времени, задаваемых импульсным генератором, вычитании интегралов, преобразовании разности в значение времени жизни затухающей люминесценции (τ) и определении концентрации кислорода, например, по этой величине с использованием уравнения Штерна - Фольмера.

Измерение и обработка абсолютных значений сигналов приводит к увеличению погрешностей, обусловленных влиянием различных физических факторов: изменением температуры и влажности воздуха, старением источника излучения и вещества сенсора и т.д. Кроме того, устройство не может быть использовано для измерения концентрации кислорода в широком диапазоне ее изменений, т.к. временные интервалы работы всех блоков устройства определены заранее и устанавливаются генератором импульсов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения парциального давления кислорода в кровеносных сосудах (ЕР N 0329297, класс МКИ G 01 N 21/64). Устройство содержит импульсный источник возбуждающего люминесцентного света (лазер), сенсор для измерения присутствия кислорода в образце, фотоприемное устройство, усилитель, два устройства выборки-хранения сигналов, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, компьютер и дисплей. Небольшая часть светового потока импульсного источника света с помощью разделителя светового потока ответвляется на дополнительный фотодиод, сигнал с выхода которого используется для управления работой устройств задержки включения блоков выборки - хранения. Основная часть светового потока возбуждает люминесценцию сенсора, интенсивность которой измеряется вторым фотодиодом, сигнал с выхода которого через предусилитель поступает на вход двух устройств выборки- хранения, которые запоминают значения интенсивности люминесценции в двух дискретных интервалах времени, задаваемых устройствами задержки.

В последующих блоках производится измерение запомненных значений интенсивностей люминесценции, определение отношений этих измеренных значений и по величине этого отношения вычисление времени затухания люминесценции и парциального давления кислорода с использованием ранее полученных зависимостей.

Устройство предназначено для измерений концентрации кислорода в кровеносных сосудах, т.е. для измерения физиологических уровней концентраций, и не может быть использовано для измерения концентрации кислорода в широком динамическом диапазоне.

Задачей является создание устройства для оперативного контроля концентрации кислорода в широком динамическом диапазоне (от 0,01% об. до 100% об.), переносного, простого по конструкции, неэнергоемкого, пригодного для работы во внелабораторных условиях.

Техническим результатом, получаемым при использовании изобретения, является высокая точность измерений [ΔO₂]/[τ] в широком динамическом диапазоне концентраций кислорода за счет уменьшения влияния шумов на результат измерений.

Задача решается предлагаемым изобретением.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство для измерения концентрации кислорода, содержащее оптически связанные импульсный источник излучения, кислородный люминесцентный сенсор и фотоприемное устройство, и микроконтроллер, и блок индикации, введены блок формирования фиксирующих напряжений, две схемы сравнения, блок выделения временного интервала, ждущий генератор возбуждающих импульсов, ограничитель длительности возбуждающих импульсов, блок выборки-хранения и блок стробирования, при этом первый вход ждущего генератора возбуждающих импульсов связан с запускающим выходом микроконтроллера, а второй вход - с выходом ограничителя длительности возбуждающих импульсов, первый выход ждущего генератора возбуждающих импульсов связан с импульсным источником излучения, а второй выход - с управляющими входами блока выборки-хранения и блока стробирования, выход фотоприемного устройства связан с первыми входами схем сравнения, с информационным входом блока выборки-хранения и с первым входом ограничителя длительности возбуждающих импульсов, второй вход которого связан с источником постоянного напряжения, выход блока выборки-хранения связан с входом блока формирования фиксированных напряжений, первый выход которого связан со вторым входом первой схемы сравнения, а второй выход - со вторым входом второй схемы сравнения, выходы которых соответственно связаны с первым и вторым входами блока выделения временного интервала, выход которого связан с информационным входом блока стробирования, выход которого связан со входом микроконтроллера, выход которого связан со входом блока индикации.

Из доступных источников информации авторам не известно техническое решение, имеющее совокупность признаков, подобную всей совокупности признаков в заявляемой формуле изобретения, и дающее при использовании указанный выше технический результат. Следовательно, заявляемое изобретение отвечает критерию новизны.

От прототипа предлагаемое изобретение отличается наличием новых элементов и связей между элементами. Новыми элементами являются блок формирования фиксирующих напряжений, две схемы сравнения, блок выделения временного интервала, ждущий генератор возбуждающих импульсов, ограничитель длительности возбуждающих импульсов, блок выборки-хранения и блок стробирования.

Заявляемая совокупность даст возможность регулировать длительность светового импульса, возбуждающего люминесценцию, что позволяет ограничить диапазон амплитуд затухающей люминесценции и тем самым расширить динамический диапазон измеряемых концентраций кислорода при сохранении высокой чувствительности во всем динамическом диапазоне. Простое схемотехническое решение предлагаемого устройства для измерения концентрации кислорода в широком динамическом диапазоне без усложнения оптической схемы позволяет использовать низкоэнергоемкий источник возбуждающего излучения и фотоприемное устройство, что дает возможность при реализации изобретения создать переносное, неэнергоемкое, пригодное для работы во внелабораторных условиях устройство.

Авторам не известно техническое решение, имеющее совокупность отличительных признаков, подобную совокупности отличительных признаков в формуле изобретения заявляемого технического решения, и дающее при использовании такой же технический результат. Следовательно, заявляемое изобретение отвечает критерию уровня техники.

Предлагаемое устройство может быть изготовлено из элементов и материалов, выпускаемых отечественной промышленностью. Небольшие габариты, простота конструкции, низкая энергоемкость и невысокая стоимость при широком диапазоне измеряемых концентраций кислорода позволят использовать устройство в различных областях техники, в медицине, биологии, биотехнологии при контроле окружающей среды. Следовательно, предлагаемое изобретение отвечает критерию промышленной применимости.

На фиг. 1 приведена структурная схема варианта выполнения заявляемого устройства.

На фиг. 2 показаны временные диаграммы при измерении небольших концентраций.

На фиг. 3 показаны временные диаграммы при измерении больших концентраций.

Устройство, показанное на фиг. 1 содержит ждущий генератор 1 возбуждающих импульсов; импульсный источник света 2; люминесцирующий кислородный сенсор 3; фотоприемное устройство (ФПУ) 4; две схемы сравнения 5 и 6; блок 7 выделения временного интервала; ограничитель 8 длительности возбуждающих импульсов; блок выборки-хранения (БВХ) 9; блок 10 формирования фиксирующих напряжений; блок стробирования 11; микроконтроллер (компьютер) 12; блок индикации 13.

Первый вход ждущего генератора 1 соединен с запускающим выходом контроллера 12, а первый выход генератора 1 связан с импульсным источником света 2; второй выход генератора 1 связан с управляющими входами БВХ 9 и блока стробирования 11. Выход ФПУ 4 соединен с первыми входами схем сравнения 5 и 6, а также с первым входом ограничителя 8 и информационным входом БВХ 9; второй вход ограничителя 8 связан с источником постоянного напряжения, выход ограничителя 8 соединен со вторым входом генератора 1; выход БВХ 9 связан со входом блока 10, первый выход которого соединен со вторым входом схемы сравнения 5, а второй выход - со вторым входом схемы сравнения 6. Выходы схем сравнения 5 и 6 соединены соответственно с первым и вторым входами блока 7 выделения временного интервала, а выход блока 7 связан с информационным входом блока стробирования 11; выход блока стробирования 11 связан со входом микроконтроллера 12, имеющего выход, управляющий работой блока индикации 13.

Устройство работает следующим образом.

Импульс с запускающего выхода контроллера 12 в момент времени t₀ (фиг. 2, поз. 14) поступает на первый вход генератора 1. Схемотехнически генератор 1 выполнен в виде моностабильного генератора (ждущего мультивибратора), имеющего второй вход для прерывания генерируемого импульса. Импульс с первого выхода генератора (фиг. 2, поз. 15) поступает на импульсный источник света 2, в качестве которого используется светодиод с подходящим спектральным составом излучения. Световой поток источника света начинает возбуждать люминесцирующий кислородный сенсор 3, контактирующий с исследуемой средой, в которой необходимо определить концентрацию кислорода.

Интенсивность люминесценции J(t) кислородного сенсора 3 начинает возрастать, стремясь к величине J_m, которая может быть определена из уравнения Штерна - Фольмера: где J_m - установившееся значение интенсивности люминесценции сенсора при измеряемой концентрации кислорода в среде; J₀ - установившееся значение интенсивности люминесценции сенсора при концентрации кислорода в среде, равной нулю; K_q - константа тушения люминесценции, зависит от материала сенсора [М^-1] ; [O₂] - измеряемая концентрация кислорода в среде [М].

Световой поток люминесценции преобразуется ФПУ 4 в пропорциональный электрический сигнал: U(t)=S•J(t), (2) где J(t) - текущее значение светового потока люминесценции, поступающего на ФПУ [Вт]; S - коэффициент преобразования ФПУ [B/Bт].

Сигнал с выхода ФПУ 4 поступает на первый вход ограничителя 8 длительности возбуждающего импульса. Ограничитель 8 функционально представляет собой компаратор, на второй вход которого подано постоянное напряжение Uогр (поз. 18 на фиг. 2).

При измерении небольших концентраций кислорода выходной сигнал ФПУ 4 (фиг. 2, поз. 16) в некоторый момент времени t₁ (см. фиг. 2) достигает значения U_огр. В этот момент времени ограничитель 8 формирует сигнал в виде перепада напряжения (фиг. 2, поз. 19), который поступает на второй вход генератора 1 и прерывает формирование импульса с его выхода (фиг. 2, поз. 15). При этом выключается импульсный источник света 2 и прекращается возбуждение кислородного сенсора 3. Таким образом, осуществляется ограничение выходного напряжения ФПУ 4 на уровне U_огр в диапазоне концентраций кислорода, от нуля до некоторого значения, для которого выполняется условие: U_mj= S•J_mj ≥ U_огр (3)
При больших значениях концентрации кислорода в среде условие (3) не выполняется и выходное напряжение ФПУ 4 не достигает значений U_огр (фиг. 3, поз. 16). Вследствие этого ограничитель 8 не вырабатывает сигнала выключения генератора 1 и последний формирует импульс длительностью τ₂ (фиг. 3, поз. 15), определяемой параметрами схемы.

В предварительном варианте исполнения устройства длительность этого импульса должна удовлетворять условию:
τ₂≈ 3,5τ_гран, (4)
где τ_гран - граничная величина, соответствующая такой концентрации кислорода в среде [O₂]_гран, при которой перестает выполняться условие (3).

Значение τ_гран может быть определено экспериментально либо расчетным путем из уравнения Штерна - Фольмера для постоянной времени затухания люминесценции:

где τ₀ - постоянная времени затухания люминесценции при концентрации кислорода, равной нулю;
[O₂] _гран - концентрация кислорода в среде, при которой перестает выполняться условие (3).

Значение концентрации кислорода [O₂] _гран может быть определено из уравнения (1) с учетом выражения (3) как:

Подставляя значение [O₂]_гран из выражения (6) в уравнение (5), получим:

Импульс со второго выхода генератора 1, который по временным параметрам (времени формирования и длительности) идентичен импульсу возбуждения источника света (фиг. 2, 3, поз. 15), поступает на управляющий вход БВХ 9, который при наличии этого импульса устанавливается в режим "слежения", а при отсутствии - в режим "хранения".

На информационный вход БВХ 9 подается сигнал с выхода ФПУ 4. Вследствие этого выходное напряжение БВХ 9 во время возбуждения люминесценции сенсора 3 повторяет выходное напряжение ФПУ 4, а после окончания импульса возбуждения остается постоянным и равным тому значению напряжения ФПУ 4, которое было на его выходе в момент окончания импульса возбуждения люминесценции (момент времени t₁ на фиг. 2).

Напряжение с выхода БВХ 9 подается на блок 10 формирования фиксирующих напряжений. Назначение блока 10 состоит в том, чтобы сформировать два выходных напряжения U_ф1 и U_ф2 (фиг. 2, 3, поз. 17, 18), которые по форме совпадают с выходным напряжением БВХ 9, по своей величине отвечали бы следующим условиям:
U_ф1= (0,8...0,9)U_БВХ, (8)

где U_ф1 и U_ф2 - напряжения на выходах блока 10;
U_БВХ - на выходе БВХ 9;
а - некоторая константа (в предпочтительном варианте а=e¹).

Выполнение условия (8) обеспечивает, во-первых, установление необходимого для правильной работы заявляемого устройства соотношения уровней выходного напряжения ФПУ 4 и фиксирующего напряжения U_ф1 (U_ФПУ > U_ф1) во всем диапазоне измеряемых концентраций кислорода и, во-вторых, автоматическое слежение напряжения U_ф1 за величиной выходного напряжения ФПУ 4, что позволяет схемам сравнения 5 и 6 работать в зонах с наибольшей крутизной экспоненциального напряжения. Это необходимо для уменьшения влияния шумов на результаты измерения.

Выполнение условия (9) необходимо для обеспечения линейной зависимости между постоянной времени затухания люминесценции τ_i и информационным параметром Δt_i, формируемым устройством, как будет показано ниже.

По схемотехнической реализации блок 10 может представлять собой обычный резистивный делитель напряжения, обеспечивающий выполнение условий (8) и (9).

Напряжение U_ф1 с выхода блока 10 поступает на второй вход схемы сравнения 5, а напряжение U_ф2 - на второй вход схемы сравнения 6 (фиг. 2, 3, поз. 20, 21). На первые входы схем сравнения 5 и 6 подается выходное напряжение ФПУ 4 (фиг. 2, 3, поз. 16).

Функционально схемы сравнения представляют собой компараторы, выходные напряжения которых меняются скачкообразно при равенстве напряжений, поданных на их входы.

С момента времени t₁, когда заканчивается действие возбуждающего импульса, интенсивность люминесценции сенсора 3 уменьшается во времени по экспоненциальному закону, обуславливая аналогичное изменение выходного напряжения ФПУ 4:
U(t) = U(t₁)e^-(t-t1)τⁱ, (10)
где U(t) - текущее значение напряжения на выходе ФПУ 4;
U(t₁) - значение выходного напряжения ФПУ 4 в момент окончания импульса возбуждения (t₁);
τ_i - постоянная времени затухания люминесценции сенсора 3 при измеряемой концентрации кислорода в исследуемой среде.

В некоторый момент времени t₂ (фиг. 2, 3, поз. 16, 17) напряжение на выходе ФПУ 4 становится равным напряжению U_ф1 и, продолжая уменьшаться, в некоторый момент времени t₃ становится равным U_ф2 (фиг. 2, 3, поз. 18). В эти моменты времени выходные напряжения схем сравнения 5 и 6 скачкообразно меняют свое значение (фиг. 2, 3, поз. 20,21).

Время t₂ и t₃ можно определить из выражения (10), учитывая, что в момент времени t₂ U(t)=U_ф1, а в момент времени t₃ U(t)=U_ф2. Тогда получим:


Блок 7 выделения временного интервала формирует импульс (фиг. 2, 3, поз. 22), начало которого совпадает с перепадом выходного напряжения схемы сравнения 5, а конец - с перепадом выходного напряжения схемы сравнения 6. Таким образом, длительность импульса Δt_i, формируемого блоком 7, равна разности временных интервалов t₃ и t₂:

Отсюда

Так как отношение значений U_ф1 к U_ф2 является постоянной величиной, то зависимость постоянной времени затухания люминесценции τ_i является линейной функцией от длительности импульса, формируемого блоком 7:
τ_i= α•Δt_i, (15)
где

И в частном случае, когда
τ_i= Δt_i (17)
Спустя некоторое время после окончания формирования импульса Δt_i блоком 7, микроконтроллер 12 вновь включает генератор 1 (момент времени t₄ на фиг. 2). При этом БВХ 9 переходит в режим "слежения", в результате этого выходные напряжения блока 10 формирования фиксирующих напряжений U_ф1 и U_ф2 становятся меньше выходного напряжения ФПУ 4. Это, в свою очередь, приводит к установлению выходных напряжений схем сравнения 5 и 6 в исходное состояние и далее весь цикл измерений повторяется.

На выходе блока 7 кроме "полезного" импульса Δt_i возможно формирование "паразитного" импульса в момент времени t₄ (фиг. 2, 3, поз. 23) включения генератора 1 за счет неодновременности возврата выходных напряжений схем сравнения 5 и 6 в исходное состояние. Чтобы исключить влияние "паразитного" импульса на результаты измерений, выходной сигнал блока 7 подается на информационный вход блока стробирования 11. На управляющий вход блока стробирования 11 подается импульс со второго выхода генератора 1, который запрещает прохождение сигналов с блока 7 через блок стробирования 11 на вход микроконтроллера 12. Таким образом, на вход микроконтроллера с выхода блока 7 проходит только "полезный" сигнал, несущий информацию о величине постоянной времени затухания люминесценции сенсора 3.

В функции микроконтроллера, помимо запуска цикла измерения устройства, входит преобразование длительности импульса блока 7 в цифровой эквивалент, накопление и усреднение результатов измерений, хранение градуированных и поправочных констант, расчет концентрации кислорода в исследуемой среде в соответствии с уравнением Штерна - Фольмера для постоянной времени затухания люминесценции с компенсацией систематических погрешностей сенсора и элементов устройств и т.п.

Результаты расчета текущего значения концентрации кислорода в исследуемой среде выводятся с микроконтроллера 12 на блок индикации 13 для визуализации полученных результатов измерений.

Ограничение амплитуды сигнала с выхода фотоприемного устройства за счет регулирования длительности возбуждающего люминесценцию светового импульса, работа на участке с максимальной крутизной кривой затухания люминесценции позволяют расширить диапазон измеряемых концентраций кислорода, а за счет устранения влияния паразитных сигналов на результаты измерений повысить точность измерений. Это позволит создать устройство для экспрессного измерения концентраций кислорода в различных областях науки и техники.

Формула изобретения

Устройство для измерения концентрации кислорода в газообразных и жидких средах, содержащее оптически связанные импульсный источник излучения, кислородный люминесцентный сенсор и фотоприемное устройство, и микроконтроллер, и блок индикации, отличающееся тем, что в него введены блок формирования фиксирующих напряжений, две схемы сравнения, блок выделения временного интервала, ждущий генератор возбуждающих импульсов, ограничитель длительности возбуждающих импульсов, блок выборки-хранения и блок стробирования, при этом первый вход ждущего генератора возбуждающих импульсов связан с запускающим выходом микроконтроллера, а вход - с выходом ограничителя длительности возбуждающих импульсов, первый выход ждущего генератора возбуждающих импульсов связан с импульсным источником излучения, а второй выход - с управляющими входами блока выборки-хранения и блока стробирования, выход фотоприемного устройства связан с первыми входами схем сравнения, с информационным входом блока выборки-хранения и с первым входом ограничителя длительности возбуждающих импульсов, второй вход которого связан с источником постоянного напряжения, выход блока выборки-хранения связан со входом блока формирования фиксированных напряжений, первый выход которого связан со вторым входом первой схемы сравнения, а второй выход - со вторым входом второй схемы сравнения, выходы которых связаны соответственно с первым и вторым входами блока выделения временного интервала, выход которого связан с информационным входом блока стробирования, выход которого связан со входом микроконтроллера, выход которого связан со входом блока индикации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3