Измеритель оптической плотности

Авторы патента:

Полезная модель относится к технике пожарной сигнализации с использованием светоизлучающих и светопринимаемых элементов, также может быть использована в устройствах определения величины непрозрачности слоя вещества для световых лучей. Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение точности работы измерителя при различных дестабилизирующих факторах: при изменении окружающей температуры и нестабильности источника тока. Для решения поставленной задачи предлагается измеритель оптической плотности, содержащий микроконтроллер, опорный и измерительный каналы, пропорциональные соответствующим световым потокам, и дифференциальный измерительный усилитель, отличающийся тем, что в него введены усилитель открытого канала и регулируемый стабилизатор тока со следующими соединениями: излучающие светодиоды открытого и измерительного каналов соединены последовательно и с входом/выходом микроконтроллера; приемные фотодиоды открытого и закрытого каналов через усилители соединены с дифференциальными входами вычитающего устройства, выход которого соединен с сигнальным входом микроконтроллера; излучающие светодиоды открытого и закрытого каналов через двояковыпуклые линзы световыми потоками соединены через двояковыпуклые линзы, выполняющие роль коллиматоров; в приемной части открытого канала применен оптический клин, который частично перекрывает световой поток, обеспечивая механическую балансировку каналов между собой. 1 илл

Общей проблемой в пожарных извещетелях, используемых оптические элементы (светоизлучаемые и светоприемные диоды со специальными оптическими линзами) является их естественная запыленность во времени. Это может привести к ложной пожарной тревоге.

Известен точечный извещатель с внешней дымовой камерой, см. заявку 2010143079/08 (061914), который содержит источник излучения, приемник излучения и оптический элемент, отличающийся тем, что оптический элемент выполнен в виде одновыпуклой линзы, состоящей из двух оптических частей: первой и второй, разделенные между собой по оси симметрии светонепроницаемой перегородкой, вверху первая и вторая части имеют фаски почти по всему диаметру линзы; величины преломления обеих частей линзы выбрана одинаковой между собой и выбирается в зависимости от назначенного фокусного расстояния до контролируемых частиц задымления или загрязнения; углы наклона фасок выбирается из условия частичного внутреннего отражения при загрязнении обеих поверхностей оптического элемента, при этом происходит переотражение и лучи от источника излучения частично попадают на приемник излучения, при этом режиме источники задымления отсутствуют.

Недостатком этого извещателя является недостаточная температурная стабильность в следствие изменения линейных размеров при температуре, также зависимость показаний от изменения тока, связанного с точностью источника тока.

Наиболее близким техническим решением является измеритель ИКВЧ-В3, см. www.analitpubors.ru. В основу его работы положен следующий принцип. Импульсно-модулированный световой поток излучателя через линзу коллиматора направляется на пылегазовую среду. Часть этого светового потока, регулируемая диафрагмой, через световод подается на опорный канал ФПУ.

Световой поток, прошедший через пылегазовую среду, линзу концентратора, диафрагму, световод подается на измерительный канал ФПУ.

Электрические сигналы опорного и измерительного каналов, пропорциональные соответствующим световым потоком, через СД подаются на вход дифференциального измерительного усилителя постоянного тока (УПТ). Далее разностный сигнал, несущий информацию об оптической плотности среды, пропорциональный массовой концентрации взвешенных частиц пыли, оцифровывается, обрабатывается и передается на БИ и разъем подключения внешней ЭВМ.

Недостатком данного измерителя является: также сильная температурная зависимость, погрешность измерения при колебаниях окружающей среды не выше 2%, что явно недостаточно.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение точности работы измерителя при различных дестабилизирующих факторах: при изменении окружающей температуры и нестабильности источника тока.

Для решения поставленной задачи предлагается измеритель оптической плотности, содержащий микроконтроллер, опорный и измерительный каналы, пропорциональные соответствующим световым потокам, и дифференциальный измерительный усилитель, отличающийся тем, что в него введены усилитель открытого канала и регулируемый стабилизатор тока со следующими соединениями: излучающие светодиоды открытого и измерительного каналов соединены последовательно и с входом/выходом микроконтроллера; приемные фотодиоды открытого и закрытого каналов через усилители соединены с дифференциальными входами вычитающего устройства, выход которого соединен с сигнальным входом микроконтроллера; излучающие светодиоды открытого и закрытого каналов через двояковыпуклые линзы световыми потоками соединены через двояковыпуклые линзы, выполняющие роль коллиматоров; в приемной части открытого канала применен оптический клин, который частично перекрывает световой поток, обеспечивая механическую балансировку каналов между собой.

На чертеже показана электрическая структурная схема измерителя, на которой изображено: 1 и 2 приемные фотодиоды измерительного и открытого каналов соответственно; 3 и 4 - излучающие светодиоды измерительного и открытого каналов соответственно; 5, 6, 7 и 8 - двояковыпуклые линзы; 9 - канал открытого канала; 10 - регулируемый стабилизатор тока; 11 - усилитель открытого канала; 12 - усилитель измерительного канала; 13 - микроконтроллер; 14 - вычитающее устройство; 15 и 16 - интерфейсы CAN и USB соответственно; 17 - оптический клин.

Схема имеет следующие соединения: излучающие светодиоды (3 и 4) открытого и измерительного каналов соединены последовательно и с входом/выходом микроконтроллера (13); приемные фотодиоды (1 и 2) открытого и закрытого каналов через усилители (11 и 12) соединены с дифференциальными входами вычитающего устройства (14), выход которого соединен с сигнальным входом микроконтроллера (13); излучающие светодиоды (3 и 4) открытого и закрытого каналов через двояковыпуклые линзы (5, 6, 7 и 8) световыми потоками соединены через двояковыпуклые линзы (5, 6, 7 и 8), выполняющие роль коллиматоров; в приемной части открытого канала применен оптический клин (17), который частично перекрывает световой поток, обеспечивая механическую балансировку каналов между собой.

В основу принципа работы измерителя положен метод сравнения оптической плотности пылегазовой среды с оптической плотностью опорного оптического канала. Основными элементами оптической схемы являются излучатели 3 и 4 с коллиматорами 7 и 8, фотоприемники 1 и 2 с с коллиматорами 5 и 6. Опорный канал 11 изолирован от окружающей среды экраном 9 и имеет встроенный регулируемый оптический клин 17. Электрические сигналы с фотоприемников 1 и 2 поступают на вход усилителей опорного 11 и измерительного 12 каналов соответственно. В усилителях отсекается постоянная составляющая сигналов, что исключает влияние температурных и временных дрейфов электронных компонентов. Вычитающее устройство 14 - это дифференциальный усилитель, который вычитает входные сигналы и масштабирует их разницу до величины необходимой для получения заданной точности.

В микроконтроллере 13 - сигнал обрабатывается цифровым фильтром, который убирает сигнал помехи, возникшей в открытом канале от разных оптических помех. Также в задачу контроллера 13 входит обмен с компьютером (на фиг. не показан), запись измерений в режиме автономной работы и выбор необходимой чувствительности измерителя путем изменения тока стабилизации. Стабилизатор тока 10 регулируемый выдает высокостабильный импульсный ток на излучающие светодиоды 3 и 4. В данной конструкции эффект рыскания излучателей так как, оба канала работают в параллельных световых потоках. Установка в одно металлическое тело излучателей 3 и 4, а также фотоприемников 1 и 2 выравнивает температурные режимы каналов. Идентичность каналов сохраняется и при изменении линейных размеров вызванных температурой. Питание излучателей от одного источника тока делает измеритель нечувствительным к изменениям тока связанными с точностью источника тока СТР 10. Обработка сигнала на переменном токе устраняет влияние дрейфа электронных компонентов.

Назначение измерителя оптической плотности. Предназначен для определения оптической плотности в дымных и пыльных средах.

Принцип работы. Измеритель состоит из двух оптических каналов - открытый канал и закрытый. Каждый канал состоит из светодиода и фотодиода расположенных на одной оптической оси и разнесенных на расстояние необходимое для получения заданной чувствительности. Открытый канал открыт для исследуемой среды, закрытый канал механически изолирован и содержит среду с постоянной оптической плотностью. На светодиоды, включенные последовательно, подается переменный электрический ток в форме меандра. Фотодиоды преобразуют излучение светодиодов в электрические сигнала, которые электрической схемой вычитаются друг из друга. Измеритель до начала измерений балансируется оптически (регулируется световой поток закрытого канала), выставляется 0 на выходе электрической схемы. После балансировки (балансировка может выполняется один раз при изготовлении изделия) измеритель вносят в исследуемую среду и, если исследуемая среда имеет оптическую плотность отличную от оптической плотности закрытого канала, то измеритель выдаст электрический сигнал пропорциональный разности оптических плотностей каналов. Предварительные усилители 11 и 12 открытого и закрытого каналов идентичны и содержат в своем составе малошумящий транзистор и прецизионный операционный усилитель, связанные токовой петлей. Такая схема обеспечивает высокую помехозащищенность и позволяет выносить двух проводным шлейфом входную часть (фотодиод и транзистор на расстояние до 100 м). Масштабный усилитель 14 содержит прецизионный операционный усилитель, который производит вычитание сигналов открытого и закрытого каналов и усиливает эту разность до необходимой величины. Микроконтроллер 13 формирует сигнал для стабилизатора тока светодиодов 10, оцифровывает значение напряжения на выходе масштабного усилителя, обеспечивает связь по интерфейсам CAN15 и USB16, в случае автономной работы ведет журнал событий. Назначение остальных элементов схемы понятно из названий.

Преимущества измерительной части:

- питание светодиодов от одного источника стабилизированного тока позволило создать два идентичных оптических канала, идентичность которых практически не нарушается при флюктуациях питающего тока;

- размещение светодиодов в одном металлическом корпусе также обеспечивает высокую температурную стабильность параметров;

- размещение фотодиодов в одном металлическом корпусе играет туже роль;

- обработка сигнала на переменном токе исключает влияние дрейфа (любого) элементов электрической части.

1. Измеритель оптической плотности, содержащий микроконтроллер, опорный и измерительный каналы, пропорциональные соответствующим световым потокам, и дифференциальный измерительный усилитель, отличающийся тем, что в него введены усилитель открытого канала и регулируемый стабилизатор тока со следующими соединениями: излучающие светодиоды открытого и измерительного каналов соединены последовательно и с входом/выходом микроконтроллера; приемные фотодиоды открытого и закрытого каналов через усилители соединены с дифференциальными входами вычитающего устройства, выход которого соединен с сигнальным входом микроконтроллера.

2. Измеритель оптической плотности по п.1, отличающийся тем, что излучающие светодиоды открытого и закрытого каналов через двояковыпуклые линзы световыми потоками соединены через двояковыпуклые линзы, выполняющие роль коллиматоров.

3. Измеритель оптической плотности по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в приемной части открытого канала применен оптический клин, который частично перекрывает световой поток, обеспечивая механическую балансировку каналов между собой.