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. Устройство содержит источник оптического излучения, разветвленный нерегулярный световод, электроуправляемые оптические затворы, в качестве которых использованы сегменты жидкокристаллического индикатора, измерительную кювету, кювету с образцовой средой или ее имитатор, второй разветвленный световод, фотоэлектрический преобразователь, подключенный 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 электрооптическими затвора и электронными ключами фазочувствительного детектора, состоящий из промежуточного делителя, D-триггера и двух элементов ИЛИ-НЕ. Техническим результатом является повышение стабильности устройства и его удешевление без ухудшения метрологических характеристик устройства. 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 /Л. П. Брусиловский, А.Я.Вайнберг "Автоматизация технологических процессов в молочной промышленности", М. "Пищевая промышленность", 1978 с. 291-294, А.С. N 859921, кл. G 01 N 33/04. 1981 г/.

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 частых 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 /Кузнецов В.В. "Новые приборы для молочной промышленности", М., ЦНИИТЭИмясомолпром, 1984, с. 13-15: Белкомер БМЦ-1 по ТУ 46-13-1092-83. Техническое описание и инструкция по эксплуатации; Белкомер БМЦ-2 по ТУ 46-13-1548-85. А.с. N 957005, кл. G 01 N 1/44, 1982 г. /. 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.

Следующим аналогом устройств подобного назначения является "Цифровой оптический анализатор состава вещества" /"Приборы и система управления", N 5, 1973, с. 23-25/, в котором аналогичная техническая задача решается сложным, а главное, не радикальным способом.

В основу принципа работы данного анализатора положена идентичность законов, по которым происходит ослабление светового потока (при его прохождении через среду) и разряда конденсатора на резистор. Однако, как показано П.И. Бреслером /в книге "Оптические абсорбционные газоанализаторы и их применение" Л. "Энергия", 1980, с. 16/, поглощение лучистой энергии в реальных средах почти никогда не подчиняется закону Ламберта-Бера, взятому за основу метода измерений, применяемого в этом анализаторе. Это приводит к дополнительным погрешностям.

Известен также "Анализатор цветности и мутности жидкостей" /"Электрические измерения неэлектрических величин" под ред. П.В.Новицкого, Л. , "Энергия", 1975, с. 452/. 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 "Белкомер молока "Углич" типа ДБП 1195".

"Паспорт, техническое описание, инструкция по эксплуатации. ДБП 1195.00.00.000. ПС 1991 г." Данный прибор разработан в 1990 г., прошел Государственные приемочные испытания, внесен в Государственный реестр средств измерений, допущенный к выпуску в обращение в РФ, и серийно выпускается (в количестве сотен штук) Рыбинским заводом приборостроения.

Прибор ДВП 1195, содержит: 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 компенсатора 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.

Возможное снижение себестоимости изготовления прибора за счет упрощения конструкции прибора ДБП 1195 не дает желаемого результата и приводит к ухудшению метрологических характеристик устройства. Кроме того, стабильность прибора главным образом определяется идентичностью источников оптического излучения и в ряде случае оказывается недостаточной.

Задачей изобретения является создание более стабильного, 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.

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

Двухканальная измерительная система, выполненная, как и в прототипе, в виде световодов, содержит в каждом канале электрически управляемые оптические затворы, функцию которых могут выполнять сегменты жидкокристаллического индикатора (ЖКИ).

В качестве фотоэлектрического преобразователя использован фотодиод, включенный для работы в токовом режиме, на который поочередно с частотой управляющих прямоугольных импульсов скважности-2 через оптические затворы поступают оптические потоки измерительного и компенсационного каналов.

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 сфазифазированные синхронные с ними противофазные импульсные последовательности скважности-4, причем первая импульсная последовательность используется для коммутации электрооптических затворов.

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.

Компенсатором 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 каждом из которых находятся электрооптические затворы 4а, 4б - сегменты ЖКИ 4, в измерительном канале помещена кювета 5 с контролируемым веществом, а в компенсационном - кювета 6 с образцовым веществом или ее имитатор, второй разветвленный световод 7, фотоэлектрический преобразователь 8, узкополосный усилитель 9, амплитудный детектор 10, фазочувствительный детектор, состоящий из электронных ключей 11, 12 и аналоговых запоминающих устройств 14, 15, к выходам которых подключается регистратор 15.

Кроме того, устройство содержит промежуточный делитель 16, два элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17, и формирователь импульсов управления, состоящий из последовательно соединенных делителя 18, D-триггера 19 (работающего в режиме делителя на 2), и двух элементов ИЛИ-НЕ 20, который формирует две потивофазные импульсные последовательности скважности 2 A1 и служащие для поочередного переключения электрооптических затворов и две сфазированные с A1 и последовательности A2 и скважности 4, служащие для управления электронными ключами 11, 12 аналоговых запоминающих устройств 13, 14.

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 электрооптические затворы 4a, 4б являющиеся сегментами ЖКИ 4, кювету с контролируемым веществом 5 и кювету с образцовым веществом (или ее имитатор) 6, второй разветвленный световод 7 световые потоки каналов поочередно с частотой импульсной последовательности A1 и поступают на фотоэлектрический преобразователь на 8, подключенный 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, 13 поступают на аналоговые запоминающие устройства 14, 15, которые совместно с ключами 12, 13 образуют фазочувствительный детектор, к выходу которого подключен регистратор устройства, который в простейшем случае обеспечивает стрелочную индикацию измеряемого компонента вещества.

Устройство содержит промежуточный делитель 16, который с двумя элементами ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17 обеспечивает фазовое управление и питание (без постоянной составляющей тока) ЖКИ.

Важными для работы устройства являются функции, выполняемые формирователем управляющих импульсов, который состоит из делителя 18, имеющего коэффициент деления 50-100 (в случае меньшего коэффициента деления снижается стабильного работы фазового детектора, в случае большего 100 коэффициента деления неоправданно возрастает инерционность устройства).

Выход делителя 18 подключен к счетному входу C-D-триггера 19, работающего в режиме делителя на 2 и формирующего две противофазные импульсные последовательности A1 и скважности-2, которые служат для управления электрооптическими затворами 4а, 4б, поочередно перекрывающими оптические потоки в каналах измерения и сравнения.

Кроме того, импульсные последовательности A1 и поступают соответственно на входы двух элементов ИЛИ-НЕ 20, на другие объединенные входы которых подаются импульсы с делителя 18.

Сформированные таким образом импульсные последовательности A2 и оказываются сфазированными, синхронизированными по заднему фронту с последовательностью A1 и имеют ту же частоту при скважности 4. Это позволяет при использовании их для управления ключами 12, 13 фазочувствительного детектора подключить аналоговые запоминающие устройства после окончания переходных процессов, вызванных включением (реакцией) соответствующего электрооптического затвора, и отключить АЗУ прежде, чем возникнут переходные процессы (релаксация) после отключения соответствующего электрооптического затвора.

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 ухудшается метрологические характеристики, а напротив, значительно возрастает стабильность показаний устройства, благодаря использованию общих для обеих каналов источника и приемника оптического излучения.

Формула изобретения

Фотоэлектрический анализатор, содержащий источник оптического излучения, подключенный к генератору переменного напряжения, оптическую систему формирования измерительного и компенсационного каналов, выполненную в виде световодов, прозрачную кювету с контролируемой средой, помещенную в измерительный канал, имитатор оптической плотности, помещенный в компенсационный канал, фотоэлектрический преобразователь, расположенный за объединенным торцом разветвленного световода и подключенный к входу усилителя, фазочувствительный детектор и регистратор, отличающийся тем, что в качестве источника оптического излучения использован единичный светодиод, измерительный и компенсационный оптические каналы формируются с помощью разветвленного световода, объединенным торцом связанного с источником оптического излучения, в каждом оптическом канале установлены электроуправляемые оптические затворы, фотоэлектрический преобразователь выполнен в виде фотодиода, включенного для работы в токовом режиме, фотоэлектрический преобразователь подключен к входу узкополосного 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, кроме того, устройство содержит промежуточный делитель, входом подключенный к выходу генератора переменного напряжения, а выходом к объединенным входам двух элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и входу формирователя импульсов управления электрооптическими затворами и электронными ключами фазочувствительного детектора, который на входе содержит второй делитель, выход которого подключен к входу D-триггера, прямой и инвертирующий выходы которого подключены к вторым входам двух элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выходы которых подключены к управляющим входам электрооптических затворов, кроме того, прямой и инвертирующий выходы D-триггера подключены к входам двух элементов ИЛИ-НЕ, вторые входы которых подключены к выходу второго делителя, а выходы элементов ИЛИ-НЕ подключены к управляющим входам электронных ключей, коммутирующих аналоговые запоминающие устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1