Фототермический регистратор
Фототермический регистратор относится к оптическим измерительным устройствам, в частности к устройствам для измерения концентраций примесей в прозрачных средах и может быть использован для измерения следовых концентраций в составе воздуха или жидкостей. Устройство содержит источник возбуждающего излучения, последовательно расположенные источник считывающего излучения, коллимирующий объектив, отделение для изучаемых проб, фокусирующий объектив, позиционно-чувствительный фотоприемник и блок питания и управления. Новым в устройстве является то, что соосно с источником возбуждающего излучения расположен дополнительный короткофокусный объектив, причем источник и объектив установлены на расстоянии в диапазоне от 0 до F0, где F0 - фокусное расстояние объектива. В качестве источника возбуждающего излучения выбран светодиод с шириной светового пучка на выходе близкой к ширине пучка считывающего излучения в отделении для изучаемых проб. Отделение для изучаемых проб содержит плоские зеркала для многократного прохождения через него возбуждающего излучения.
Полезная модель относится к оптическим измерительным устройствам, в частности к устройствам для измерения концентраций примесей в прозрачных средах и может быть использована для измерения следовых концентраций в составе воздуха или жидкостей.
Наиболее близким к предлагаемому и выбранным в качестве прототипа является фототермический регистратор, содержащий источник возбуждающего излучения, последовательно расположенные источник считывающего излучения, коллимирующий объектив, отделение для изучаемых проб, фокусирующий объектив, позиционно-чувствительный фотоприемник и блок питания и управления [1]
Узкий пучок возбуждающего излучения проходит через изучаемую среду и частично поглощается в ней. При этом в среде возникает периодически изменяющийся во времени градиент температуры, а, следовательно, и показателя преломления. Считывающие излучение, проходя через градиентную зону, периодически отклоняется и на выходе позиционно-чувствительного фотоприемника возникает электрический сигнал, пропорциональный коэффициенту поглощения или, иначе, концентрации определяемой примеси.
Основным недостатком этого устройства является то, что градиент температуры образуется в среде вне узкого возбуждающего пучка по законам теплопроводности в процессе распространения тепловой волны. Это достаточно инерционный процесс, поэтому изучаемую пробу для повышения чувствительности требуется заключать в прозрачную кювету, чтобы исключить влияние конвекции в среде. При измерениях, например, на открытом воздухе устройство работоспособно только при спокойном состоянии воздуха. Для повышения невосприимчивости к конвекции можно работать на повышенных частотах модуляции возбуждающего излучения, но при этом существенно уменьшается(обратно пропорционально корню из частоты модуляции) размер градиентной зоны, что приводит к многократному уменьшению чувствительности.
Целью создания настоящей полезной модели является повышение надежности при работе в открытых средах при наличии конвекции, и возможность эффективного применения дешевых светодиодных излучателей в качестве источника возбуждающего излучения.
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве соосно с источником возбуждающего излучения расположен дополнительный короткофокусный объектив, при чем источник и объектив установлены на расстоянии в диапазоне от 0 до F0 где F0 - фокусное расстояние объектива.
В качестве источника возбуждающего излучения выбран светодиод с шириной светового пучка на выходе близкой к ширине пучка считывающего излучения в отделении для изучаемых проб.
Кроме того отделение для изучаемых проб содержит плоские зеркала для многократного прохождения через него возбуждающего излучения.
На чертеже (фиг.1) изображена схема предлагаемого устройства, включающая:
1. Источник считывающего излучения
2. Коллимирующий объектив
3. Отделение для изучаемых проб
4. Фокусирующий объектив
5. Позиционно-чувствительный приемник
6. Источник возбуждающего излучения
7. Дополнительный короткофокусный объектив
8. Блок питания и управления
9. Плоские зеркала
Для уменьшения габаритов оптическая схема выполнена П-образной с помощью двух поворотных призм 10, хотя на работоспособности это не отражается.
Устройство работает следующим образом:
Считывающие излучение от источника 1 преобразуется коллимирующим объективом 2 в широкий параллельный пучок, занимающий большую часть сечения отделения для проб 3. После прохождения излучения через отделение 3. оно фокусируется объективом 4 на позиционно-чувствительный фотоприемник.
Возбуждающее излучение от источника 6 модулируется во времени блоком питания и управления 8 и проходит через объектив 7, который формирует расходимость излучения и распределение интенсивности по его апертуре таким образом, чтобы интенсивность монотонно уменьшалась от центра к краю. Затем возбуждающие излучение попадает в отделение для изучаемых проб где многократно переотражается зеркалами 9. Когда в отделении 3 оказывается компонента, полоса поглощения которой соответствует длине волны возбуждающего излучения, часть этого излучения поглощается и преобразуется в тепло. Так как интенсивность возбуждающего излучения уменьшается в пучке от центра к краю, градиент температуры в изучаемой среде возникает непосредственно в момент прохождения светового импульса. Длительность импульса может быть сделана малой по сравнению со скоростями конвекции в среде, при этом конвекция не будет влиять на величину возникающего температурного градиента.
Периодические пульсации градиента температуры создают пропорциональные им периодические пульсации градиента показателя преломления, периодически отклоняющие считывающее излучение, проходящее через градиентную зону. Эти отклонения считывающего луча преобразуются позиционно-чувствительным датчиком в пульсации напряжения, пропорциональные концентрации обнаруживаемой примеси. Позиционно-чувствительный датчик настраивают таким образом, чтобы он регистрировал градиент только одного направления.
Пример реализации и использования
В качестве источника считывающего излучения использовали излучатель с лазерным диодом марки KLM-D632-2,5-5 дающий на выходе узкий параллельный пучок с длиной волны 0,635 мкм. После прохождения коллимирующего объектива диаметр считывающего излучения составляет 20 мм.
В качестве источника возбуждающего излучения был взят недорогой, но мощный светодиод марки LXHL-NRR8 с длиной волны излучения 0,455 мкм. силой света 120кД. диаметром пучка на выходе ~ 20 мм и расходимостью ~10 град. Стоимость его 600 руб.
Позиционно-чувствительный фотоприемник состоял из последовательно расположенных ножа, щелевой диафрагмы и фотодиода. Нож перекрывал часть излучения в фокальной плоскости фокусирующего объектива 4, делая схему позиционно-чувствительной. Диафрагма вырезала из общего пучка часть с однонаправленным градиентом показателя преломления, а фотодиод преобразовывал пульсации света в электрические импульсы, регистрируемые в блоке питания и управления.
Дополнительный объектив для формирования излучения от светодиода был выбран с фокусным расстоянием 70 мм. И в диапазоне расстояний от 0 до 70 мм было экспериментально подобрано наиболее оптимальное расстояние между объективом и светодиодом.
На фиг.2 приведены экспериментально измеренные распределения интенсивности по сечению пучка излучения: 2а - непосредственно от светодиода. 2б - после прохождения излучением объектива расположенного на расстоянии 50 мм от светодиода.
Можно видеть, что без объектива распределение интенсивности имеет многократно разнонаправленный характер и вообще не может быть использовано для создания большого направленного градиента в изучаемой пробе. После прохождения объектива сформировалось распределение интенсивности близкое к гауссову, что позволило эффективно использовать половину сечения пучка для создания однонаправленного градиента при использовании одноэлементного фотодиода в фотоприемнике, или все сечение- при использовании двухэлементного фотодиода.
Преимущества заявленного устройства по сравнению с прототипом
Светодиоды обладают малой инерционностью и позволяют получать световые импульсы длительностью 10-6 с и короче. Т.е. можно получать стабильные градиенты показателя преломления за время импульса даже в быстро движущейся среде. Поэтому специальная измерительная кювета в предлагаемом устройстве не требуется, можно работать с открытыми средами, например установив устройство на открытом воздухе. Причем можно использовать дешевые излучатели с беспорядочным распределением интенсивности по сечению.
Представленные чертежи и описание позволяют, используя существующие материалы и технологии, изготовить предлагаемое устройство промышленным способом и использовать его для измерения следовых концентраций в составе воздуха или жидкостей непосредственно в среде, без использования измерительных кювет, что характеризует полезную модель как промышленно применимую.
[1] Винокуров С.А., Скалерис А.М., Солдатов Ю.И., Таганов О.К. Фототермический газоанализатор. Патент РФ 
71437 от 06.08.2007 г.
1. Фототермический регистратор, включающий источник возбуждающего излучения, последовательно расположенные источник считывающего излучения, коллимирующий объектив, отделение для изучаемых проб, фокусирующий объектив, позиционно-чувствительный фотоприемник и блок питания и управления, отличающийся тем, что соосно с источником возбуждающего излучения расположен дополнительный короткофокусный объектив, причем источник и объектив установлены на расстоянии в диапазоне от 0 до F0, где F0 - фокусное расстояние объектива, а в качестве источника возбуждающего излучения выбран светодиод с шириной светового пучка на выходе близкой к ширине пучка считывающего излучения в отделении для изучаемых проб.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отделение для изучаемых проб содержит плоские зеркала для многократного прохождения через него возбуждающего излучения.
