Фотоэлектрический анализатор

 

Изобретение относится к области контроля оптической плотности сред, частично поглощающих или рассеивающих оптическое излучение, а также контроля величин, однозначно связанных с оптической плотностью. Сущность изобретения: устройство содержит источник оптического излучения, разветвленный нерегулярный световод, измерительную кювету, кювету с образцовой средой или ее имитатор, два фотоэлектрических преобразователя приемника, через управляемые электронные ключи подключаемые к узкополосному усилителю, амплитудный детектор, фазочувствительный детектор, состоящий из двух управляемых электронных ключей и двух аналоговых запоминающих устройств и регистратора. Устройство также содержит формирователь импульсов управления электронными ключами, состоящий из промежуточного делителя, D-триггера и двух элементов ИЛИ-НЕ. 1 ил.

Изобретение относится к области контроля оптической плотности сред, частично поглощающих или рассеивающих оптическое излучение, а также контроля величин, однозначно связанных с оптической плотностью.

Оно, в частности, может быть использовано в технологическом процессе контроля содержания массовой доли белка в молоке в соответствии с ГОСТ 25179-82 Молоко. Колориметрический метод определения белка. Известен ряд аналогичных устройств, состоящих из источника оптического излучения и фотоэлектрического преобразователя, между которыми помещена прозрачная кювета с контролируемой средой, измерительного усилителя, входом подключенного к выходу фотоэлектрического преобразователя, и регистратора, подключенного к выходу усилителя [1 и 2] Эти устройства имеют одноканальную измерительную систему прямого преобразования, которой присущи общие недостатки: повышенные аддитивные и мультипликативные погрешности измерения, низкая температурная стабильность, "дрейф нуля", повышенная чувствительность к изменению напряжения питания, старению элементов и воздействию внешних засветок, что требует при их эксплуатации частных калибровок (как правило, перед каждым измерением) по двум параметрам: установка нуля и коэффициент усиления.

Для нужд молочного животноводства и молочной промышленности в Советском Союзе до 1986 г. серийно выпускались цифровые белкомеры молока типа БМЦ-1 и БМЦ-2 [ 3 и 4 Однако указанные устройства также имеют одноканальную измерительную систему прямого преобразования, хотя и содержат второй оптический канал с фотодиодным преобразователем, включенным в схему автоматической регулировки мощности источника светового излучения (свето-излучающего диода), что позволяет несколько повысить температурную стабильность прибора и снизить влияние нестабильности напряжения питания, однако не исключает необходимости частой калибровки приборов.

Известен также Анализатор цветности мутности жидкостей [5] Анализатор выполнен по двухканальной схеме с автоматическим уравновешиванием, содержащей источник света, систему зеркал, создающую два пучка света (оптических канала), механический модулятор (обтюратор) световых пучков, прозрачный сосуд с исследуемой жидкостью, помещаемый в первый световой пучок, "оптический клин" (компенсатор), помещаемый во второй оптический канал и перемещаемый реверсивным электроприводом. Устройство содержит фотоэлемент, подключенный к входу усилительной фазочувствительной схемы, выход которой связан с электроприводом оптического канала, и регистратор угла поворота "оптического клина".

Преимуществом данного устройства является значительное уменьшение аддитивной и мультипликативной погрешности, а также отсутствие требований к линейности преобразователя.

Использование одного и того же источника света для создания измерительного и уравновешивающего (компенсационного) световых потоков позволяет теоретически исключить погрешность, создаваемую источником света, из общей погрешности прибора, но требует использования сложной оптической системы с применением в ней шести зеркал, каждое из которых требует тщательной юстировки, которая может сбиться от вибраций и ударов при транспортировании и эксплуатации прибора. Старение лампы накаливания (несимметрическое потемнение баллона) также может нарушить симметрию распределения световых потоков в каналах.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является [6] содержащее источник оптического излучения, выполненный в виде двух сегментов светодиодной матрицы, подключенных к противофазным выходам генератора переменного напряжения, оптической системы формирования измерительного и компенсационного каналов, выполненной в виде световодов.

В качестве узла сравнения устройство содержит регулируемую дискретную меру оптической плотности, фотоэлектрический преобразователь, узкополосный усилитель, фазовый детектор и регистратор.

Однако относительно высокая стоимость указанного прибора (около одного миллиона рублей, по состоянию на декабрь 1994 г.) делает его практически не доступным для приобретения сельскохозяйственными товариществами и фермерскими хозяйствами.

Задачей изобретения является создание надежного и дешевого устройства (за счет упрощения его оптической схемы), пригодного для применения на предприятиях молочной промышленности в их низовой молокоприемной сети, а также в сельскохозяйственных товариществах и фермерских хозяйствах, занимающихся производством молока и молочных продуктов.

Задача решается за счет того, что в обоих каналах (измерительном и компенсационном) используется один и тот же источник оптического излучения (светодиод).

В качестве фотоэлектрических преобразователей использованы два отдельных фотодиода, включенных для работы в токовом режиме, один из которых установлен в измерительном, а второй в компенсационном канале, которые поочередно с частотой управляющих прямоугольных импульсов скважности 2 подключаются к общему узкополосному усилителю.

Устройство содержит формирователь управляющих импульсов, состоящий из промежуточного делителя, D-триггера и двух элементов ИЛИ-НЕ, который формирует две противофазные импульсные последовательности скважности -2 и две сфазированные синхронные с ними противофазные импульсные последовательности скважности -4, причем первая импульсная последовательность используется для коммутации фотоприемников. Устройство также содержит дополнительный амплитудный детектор, а фазочувствительный детектор выполнен в виде двух аналоговых запоминающих устройств, входами подключенных к выходам электронных ключей, управляемых двумя синхронными импульсными последовательностями скважности 4.

Узлом сравнения устройства служит кювета с образцовым веществом или ее имитатор.

На чертеже представлена схема устройства. Устройство содержит генератор 1, источник оптического излучения 2, разветвленный световод 3, формирующий оптические каналы измерительный и компенсационный, в первом из которых помещена кювета 4 с контролируемым веществом, а во втором кювета 5 с образцовым веществом или ее имитатор, фотоэлектрические преобразователи 6 и 7 соответственно измерительного канала и канала сравнения, электронные ключи 8 и 9 измерительного канала и канала сравнения, общий узкополосный усилитель 10, амплитудный детектор 11, фазочувствительный детектор, состоящий из электронных ключей 12 и 13 и аналоговых запоминающих устройств 14 и 15, к выходам которых подключается регистратор 16.

Кроме того, устройство содержит формирователь импульсов управления, состоящий из последовательно соединенных делителя 17, D-триггера 18 (работающего в режиме делителя на 2), и двух элементов ИЛИ-НЕ 19 и 20, который формирует две противофазные импульсные последовательности скважности 2 А1 и служащие для управления электронными ключами 8 и 9 фотоприемников электрических преобразователей 6 и 7 и две сфазированные с А1 и последовательности А2 и скважности 4, служащие для управления электронными ключами 12 и 13 аналоговых запоминающих устройств 14 и 15.

Устройство работает следующим образом.

Во включенном состоянии промодулированный с рабочей частотой генератора 1 световой поток источника оптического излучения 2 через разветвленный световод 3, формирующий измерительный оптический канал и оптический канал сравнения, проходит сквозь кювету с контролируемым веществом 4 и кювету с образцовым веществом ( или ее имитатор ) 5 и поступает на измерительный фотоэлектрический преобразователь 6 и фотоэлектрический преобразователь канала сравнения 7, которые через электронные ключи 8 и 9 соответственно поочередно с частотой импульсной последовательности А1 и подключаются к входу узкополосного усилителя 10, настроенного на рабочую частоту генератора 1.

Поочередно (последовательно во времени) прошедшие через усилитель 10 и амплитудный детектор 11 электрические сигналы каналов измерения и сравнения через ключи 12 и 13 поступают на аналоговые запоминающие устройства 14 и 15, которые совместно с ключами 12 и 13 образуют фазочувствительный детектор, к выходу которого подключен регистратор устройства, который в простейшем случае обеспечивает стрелочную индикацию измеряемого компонента вещества.

Важными для работы устройства являются функции, выполняемые формирователем управляющих импульсов, который состоит из делителя 17, имеющего коэффициент деления 10-100 ( в случае меньшего коэффициента деления снижается эффективность работы узкополосного усилителя 10, в случае большего 100 коэффициента деления неоправданно возрастает инерционность устройства).

Выход делителя 7 подключен к счетному входу С D-триггера 18, работающего в режиме делителя на 2 и формирующего две противофазные импульсные последовательности А1 и скважности 2, которые служат для управления электронными ключами 8 и 9, поочередно подключающими фотоэлектрические преобразователи. Кроме того, импульсные последовательности А1 и поступают соответственно на входы двух элементов ИЛИ-НЕ, на другие объединенные входы которых подаются импульсы с делителя 17.

Сформированные таким образом импульсные последовательности А2 и оказываются сфазированными синхронизированными по заднему фронту с последовательностью А1 и имеют ту же частоту по скважности 4. Это позволяет при использовании их для управления ключами 12 и 13 фазочувствительного детектора подключить аналоговые запоминающие устройства после окончания переходных процессов, вызванных включением соответствующего фотоэлектрического преобразователя, и отключить АЗУ прежде, чем возникнут переходные процессы после отключения соответствующего фотоэлектрического преобразователя. Все это относительно простыми средствами позволяет значительно повысить стабильность работы всего устройства.

Предложенный анализатор, имея более простую оптическую схему без сложного компенсатора, по себестоимости изготовления оказывается на порядок дешевле устройства прототипа.

Кроме того, изобретательский уровень технического решения явно проявляется в том, что в предложенном устройстве не только не ухудшаются метрологические характеристики, а напротив, значительно возрастает стабильность показаний устройства.

Формула изобретения

Фотоэлектрический анализатор, содержащий источник оптического излучения, оптическую систему формирования измерительного и компенсационного каналов, выполненную в виде разветвленного световода, прозрачную кювету с контролируемой средой, узел сравнения, фотоэлектрический преобразователь, подключаемый к входу усилителя, фазочувствительный детектор и регистратор, отличающийся тем, что в качестве источника оптического излучения использован светодиод, подключенный к генератору переменного напряжения, измерительный фотоэлектрический преобразователь выполнен в виде фотодиода, включенного для работы в токовом режиме и расположенного непосредственно за кюветой с контролируемой средой, устройство содержит второй фотоэлектрический преобразователь, идентичный первому, расположенный за узлом сравнения, представляющим собой кювету с образцовой средой или ее имитатором, причем оба фотоэлектрических преобразователя через электронные ключи в противофазе подключаются к входу усилителя, выходом подключенного к входу амплитудного детектора, выход которого через электронные ключи подключен к входам аналоговых запоминающих устройств, образующих фазочувствительный детектор, к выходу которого подключен регистратор, формирователь импульсов управления электронными ключами, состоящий из промежуточного делителя, D-триггера, прямой и инвертирующий выходы которого подключены к управляющим входам ключей, коммутирующих фотоэлектрические преобразователи, и к входам двух элементов ИЛИ НЕ, вторые входы которых подключены к выходу промежуточного делителя, а выходы элементов подключены к управляющим входам электронных ключей, коммутирующих аналоговые запоминающие устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1