SU1260692A1

SU1260692A1 - Devige for measuring ligt concentration of substance bonded with base material

Info

Publication number: SU1260692A1
Application number: SU853895261A
Authority: SU
Inventors: Георгий Алексеевич Сукач
Original assignee: Sukach Georgij A
Priority date: 1985-05-17
Filing date: 1985-05-17
Publication date: 1986-09-30

Abstract

Изобретение относитс к измерительной технике, а именно к области неразру- шающего контрол состава сложных веществ с помощью осептических 1методов. Цель - повышение точности измерений. Цель достигаетс за счет устранени вли ни зависимости выходного сигнала и чувствительности фотоприемника от колебаний температуры окружаю| 1ей среды. Дл этого устройство дополнительно содержит свето- диод 7, оптические фильтры 8. 9, причем светоизлучающий диод расположен таким образом, что температура окружаюп1ей среды в области расположени фотоприсмника и диода одинакова. Излучение источника 2 света с помощью вращающегос модул тора 3 со встроенными в него светофильтрами преобразуетс в две узкополосные линии излучени . Доминирующа длина волны одной из линий чувствительна к основному веществу, а длина волны другой - к компоненте , св занной с основным веществом. В исследуемом материале 4 происходит селективное погло1дение этих полос излучени контролируемыми компонентами. 2 ил. е (Л ю О5 о 05 со го Фи.1The invention relates to a measurement technique, namely to the field of non-destructive control of the composition of complex substances with the help of oseptic methods. The goal is to increase the accuracy of measurements. The goal is achieved by eliminating the influence of the dependence of the output signal and the sensitivity of the photodetector on temperature fluctuations surrounding | 1st Wednesday. For this, the device further comprises a light-emitting diode 7, optical filters 8. 9, the light-emitting diode being arranged in such a way that the temperature of the surrounding medium in the region of the photoinstaller and the diode is the same. The radiation of the light source 2 by means of a rotating modulator 3 with built-in light filters is converted into two narrow-band emission lines. The dominant wavelength of one of the lines is sensitive to the base material, and the other wavelength is sensitive to the component associated with the base material. In material 4 under study, selective absorption of these emission bands by controlled components occurs. 2 Il. e (L y O5 about 05 so fi Fi.1

Description

Изобретение относитс к измерительной технике, а именно к области неразрушающего контрол состава сложных веществ с помощью оптических методов, и может быть применено в тех отрасл х народного хоз йства, где требуетс измерение концентрации одного вещества, наход щегос в другом , в частности в материаловедении, в технике физического эксперимента, металлургической , нефт ной, горной, целлюлозно-бумажной , легкой и других отрасл х про- мыщленности.The invention relates to a measurement technique, namely, to the field of non-destructive control of the composition of complex substances using optical methods, and can be applied in those national industries that require measuring the concentration of one substance in another, in particular in materials science, the technique of physical experiment, metallurgical, petroleum, mining, pulp and paper, light and other industries.

Цель изобретени - повышение точности измерений за счет устранени вли ни зависимости выходного сигнала и чувствительности фотоприемника от колебаний температуры .The purpose of the invention is to improve the measurement accuracy by eliminating the effect of the dependence of the output signal and the sensitivity of the photodetector on temperature fluctuations.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - температурные зависимости темнового тока фотоприемника, гока фотоприемника,обусловленного излуче- ние.м, прощедшим через систему светоизлу- чающий диод - фильтры, и суммарного действи указанных факторов.FIG. 1 is a block diagram of the device; in fig. 2 - temperature dependences of the dark current of the photodetector, of the photoreceiver's current, caused by the radiation. M, which passed the light emitting diode - filters through the system, and the total effect of the indicated factors.

Устройство содержит блок питани 1, электрически св занный с источником 2 излучени , излучение которого через модул тор 3 со встроенными в нем узкополосными светофильтрами направл етс на исследуемый объект 4, после прохождени которого попадает на вход фотоприемника 5, чувствительного к длинам волн, формируемым с помощью модул тора 3. Фотоприемник 5 с электронно-измерительной схемой 6 оптически св зан со светоизлучающим диодом 7 через неподвижно установленные на пути его излучени светофильтры 8 и 9 - ослабл ющий и узкополосный соответственно .The device contains a power supply unit 1, electrically connected to the radiation source 2, the radiation of which is transmitted through the modulator 3 with the narrow-band light filters embedded in it to the object under study 4, after passing through which enters the input of the photodetector 5 sensitive to the wavelengths generated by modulator 3. A photodetector 5 with an electron-measuring circuit 6 is optically coupled to a light-emitting diode 7 through light-emitting filters 8 and 9 fixedly installed in the path of its emission and attenuating and narrowband, respectively Twain.

Питание светодиода 7 осуществл етс от блока питани 1.The power of the LED 7 is carried out from the power supply unit 1.

Крива 10 изображает температурные зависимости темнового тока фотоприемника, крива 11 - тока фотоприемника, обусловленного излучением, прощедщим через систему - светоизлучающий диод - фильтры , крива 12 - суммарное действие указанных факторов.Curve 10 depicts the temperature dependences of the dark current of the photodetector, curve 11 — current of the photodetector caused by radiation passing through the system — a light-emitting diode — filters, curve 12 — the total effect of the indicated factors.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Излучение источника 2 света, имеющего щирокий спектр излучени (например, лампа накаливани ) с помощью вращающегос модул тора 3 со встроенными в него светофильтрами , преобразуетс в две {или более) узкополосные линии излучени , доминирующа длина волны одной из которых чувствительна к основному веществу, а длина волны другой - к компоненте, св занной с основным веществом, и направл етс на исследуемый материал 4, где происходит селективное поглощение этих полос излучени контролируемыми компонентами. Лрощед- щее через исследуемый материал излучение имеет интенсивность ;, котора В1 фажаетс по закону Ламберта-Бугера,The radiation from light source 2, which has a wide radiation spectrum (e.g. incandescent lamp) using a rotating modulator 3 with built-in light filters, converts into two (or more) narrow-band emission lines, the dominant wavelength of one of which is sensitive to the main substance, and the wavelength of the other is toward the component associated with the base material and is directed to the material under study 4, where the selective absorption of these emission bands by the controlled components takes place. The cosmic radiation through the material under study has an intensity; which B1 is produced according to the Lambert – Bouguer law,

1,. 1„, ехр( - ifCrd),one,. 1 „, exp (- ifCrd),

где |1, - массовый коэффициент поглощени i-той компоненты; С, - концентраци where | 1, is the mass absorption coefficient of the i-th component; C, - concentration

t-той компоненты; d - толщина, 1о, - интен- синость i-той компоненты падающего на материал излучени .t-th component; d is the thickness, 1o, is the intensity of the i-th component of the radiation incident on the material.

Все компоненты излучени попадают на фотоп риемник 5, с выхода которого в виде электрических сигналов направл ютс вAll components of the radiation are transferred to a photocapsule 5, from which output in the form of electrical signals are sent to

электронно-измерительную схему 6, где происходит их усиление, разделение по каналам , детектирование и сравнение, по результату которого суд т о концентрации контролируемого вещества.electronic measuring circuit 6, where they are amplified, divided into channels, detected and compared, judging by the result of which the concentration of the controlled substance is judged.

Поскольку при колебани х температуры окружающей фотоприемник 5 среды выходной сигнал 4зотоприемника мен етс за счет экспоненциального изменени темнового тока т, то дл устранени вли ни этого мещающего фактора с помощью светоизлучающего диода 7, подключенного к источнику 1 питани , осуществл етс дополнительна посто нна подсветка фотоцрием- ника 5 через установленные друг за другом светофильтры 8 и 9, один из которых служит дл ослаблени интенсивности излучени светодиода 7 до требуемой величины, а другой - узкополосный интерференционный или интерференционно-пол ризационный светофильтр 9, ширина полосы пропускани которого не превышает 1 -2 нано- метров,примен етс дл фиксации абсолютных значений и диапазона энергий излучени светоизлучающего диода 7, падающего на фотоприемник 5.Since when the ambient photodetector 5 fluctuates in the medium, the output signal of the recipient 4 changes due to the exponential change of the dark current t, to eliminate the influence of this moving factor by using the light-emitting diode 7 connected to the power source 1, the photo-receiver is used. Nick 5 through light filters 8 and 9 installed one after another, one of which serves to attenuate the radiation intensity of the LED 7 to the required value, and the other the narrow-band interfer The action or interference polarization filter 9, whose bandwidth does not exceed 1 -2 nanometers, is used to record the absolute values and the energy range of the light emitting diode 7 incident on the photodetector 5.

Дл по снени сущности изобретени рассмотрим данные, представленные наTo clarify the essence of the invention consider the data presented in

фиг. 2. С ростом температуры темновой ток не только обратно смещенного диода, но и других фотоэлектрических приборов, растет экспоненциально. На фи1 2 крива 10 построена по литературным данным,FIG. 2. With increasing temperature, the dark current not only of the reverse-biased diode, but also of other photovoltaic devices, grows exponentially. On fi1 2, curve 10 is constructed according to literary data,

крива 11 - по данным исследовани сдвига энергии в максимуме полосы излучени светодиода АЛ 307 от температуры окружающей среды. С ростом температуры (светоизлучающий диод 7 и фотоприемник 5 должны находитьс в одинаковых температурных услови х, что зачастую в услови х промыщленных и лабораторных измерений выполн етс само собой без особых трудностей , наблюдаетс близкий к экспоне} - циальному рост темнового типа фотоприемника 5 (крива 10) и подобное ему у.мень- щение интенсивности излучени , прощедщего через фильтры 8 и 9, а значит и наводимого этим излучением фототока фотоприемника 5 (крива 11).curve 11 - according to the study of the energy shift at the maximum of the emission band of the AL 307 LED from the ambient temperature. As the temperature rises (the light emitting diode 7 and the photodetector 5 should be in the same temperature conditions, which often under industrial and laboratory conditions is carried out by itself without any particular difficulty, a dark type of photodetector 5 is observed) (curve 10 ) and a similar decrease in the intensity of the radiation that passes through filters 8 and 9, and hence the photocurrent of the photodetector 5 induced by this radiation (curve 11).

С ростом температуры в излучении светодиода наблюдаютс две особенности:умень- щение интенсивности (мощности) излучени светодиода со скоростью 1% на °С и сдвиг максимума полосы излучени , в сторонуAs the temperature rises in the LED radiation, two features are observed: a decrease in the intensity (power) of the LED radiation at a rate of 1% per ° C and a shift in the maximum of the radiation band towards

больших длин волн, обусловленный уменьшением ширины запрещенной зоны полупроводника . Поскольку излучение светодиода пропускаетс через узкополосный фильтр 9 (с фиксированной шириной полосы пропускани ,1 -1,0 нм), длина волны (Х„ 654,8 нм) максимального пропускани которого соответствует максимуму полосы излучени светодиода „макс при температуре Ь, 25± 1° С, и поскольку с ростом, температуры Хмакс увеличиваетс , то фильтр 9 при всех , будет вырезать из соответствующей данной температуре полосы излучени светодиода 7 узкую полосу, расположенную на коротковолновом крыле (при А.о 654,8 нм), и имеющую ширину А/2 по обе стороны от Я,о (как правило, спад ин тенсивности краевой полосы на крыль х близок к экспоненциальному, что иллюстрируетс кривой 2, фиг. 2). Эти два фактора: сдвиг А,м2кс в сторону больших К с ростом температуры и фиксаци с помощью светофильтра 9 средней длины волны Ко и ширинь полосы Д пропускаемого от светодиода 7 на фотоприе1мник 5 излучени привод т к резкому температурному спаду интенсивности излучени светодиода 7, попа- даюшего на фотоприемник 5 и фототока, обусловленного этим излучением.long wavelengths due to a decrease in the band gap of a semiconductor. Since the radiation of the LED is transmitted through a narrow-band filter 9 (with a fixed bandwidth, 1 -1.0 nm), the wavelength (X = 654.8 nm) of which maximum transmission corresponds to the maximum of the emission band of the LED max at a temperature of 25 ± 1 ° C, and since the temperature Xmax is increasing with increasing, the filter 9 at all will cut a narrow band located on the short-wavelength wing (at A. 654.8 nm) and having a width A / 2 on both sides of I, o ( ak generally decline in the intensity of the edge strip on the wings x close to exponential that illustrated by curve 2, Fig. 2). These two factors: the shift A, m2x toward large K with increasing temperature and fixing with the help of a light filter 9 of the average wavelength Ko and the width of the band D transmitted from the LED 7 to the photodetector 5 radiation leads to a sharp temperature decrease of the radiation intensity of the LED 7, giving on the photodetector 5 and the photocurrent caused by this radiation.

Таким образом, совместное действие воз- растаюшего. с ростом температуры темно- вого тока и уменьшающегос с ростом температуры фототока подсветки привод т к тому, что суммарный фонов1 й ток практически не зависит от температуры окружающей среды Т в области измерений (фиг. 2, крива 12), что приводит к повышению точности измерений за счет стабилизации суммы температурно зависимых факторов в широком диапазоне температур (исключаетс вли ние температуры в зоне измерений на результаты). Это приводит также к выравниванию чувствительности фотоприемника к полезному сигналу (линеаризаци чувстви- тель ;ости) в диапазоне температур 15- 70°С, что также способствует повышению точности (фиг. 2, крива 12). Подключение светодиода 7 к тому же блоку питани 1, от которого питаетс источник излучени 2, приводит к тому, что полезный сигнал, равный разности между сигналом, наводи- .мым от источника 2 и сигналом от светодиода 7, при изменении напр жени питани в ту пли иную сторону остаетс неизмен- ны.м, поскольку любые колебани напр жени питани передаютс обеим источникам излучени 2 и 7. Это также ведет к уменьшению погрещности измерений. В качестве фотоприемника можно использовать любые полупроводниковые приборы как с р-п-переходом, так и без него. При этом они должны быть чувствительны ко всем регистрируемым длинам волн, в том числе и к .„+ Д72.Thus, the joint action of the young man. as the dark current temperature increases and the backlight photocurrent decreases with increasing temperature, the total background current almost does not depend on the ambient temperature T in the measurement area (Fig. 2, curve 12), which leads to an increase in the measurement accuracy by stabilizing the sum of temperature dependent factors over a wide range of temperatures (the effect of temperature in the measurement zone on the results is excluded). This also leads to the alignment of the sensitivity of the photodetector to the useful signal (linearization of sensitivity; awn) in the temperature range of 15–70 ° C, which also contributes to an increase in accuracy (Fig. 2, curve 12). Connecting the LED 7 to the same power supply 1, from which the radiation source 2 is powered, causes the useful signal equal to the difference between the signal induced from the source 2 and the signal from the LED 7, when the supply voltage changes to Or the other side remains unchanged. m, since any fluctuations in supply voltage are transmitted to both radiation sources 2 and 7. This also leads to a decrease in measurement error. As a photodetector, you can use any semiconductor devices with or without a pn junction. At the same time they should be sensitive to all registered wavelengths, including k. „+ D72.

II

Критерий hvo-ЕHvo-e criterion

выбрано изselected from

того услови , чтобы При Т Тми. фильтр вырезал полосу шириной Д на высокоэнергетическом крыле (справа от макси.мума в шкале энергий) и при этом его лева гра ница, удаленна от hvo на Д/2, в наиболее неблагопри тно.м случае не переходила через макси.му.м кривой (в сторону больших длин волн К). Критерий а(Т-Т«ин);2.56 выбран из услови , чтобы температурный сдвиг максимума спектра излучени светодиода влево от Е;, (в шкале энергий) с ростом температуры не вывел всю кривую излучени , в частности ее информационное ,, крыло, за пределы диапазона фильтрацииIn addition, if At t Tmi. the filter cut a D band width on the high-energy wing (to the right of the maxi-mum in the energy scale) and at the same time its left boundary, remote from hvo on D / 2, did not pass through the max.mu.m curve in the most unfavorable m (in the direction of large wavelengths K). Criterion a (T-T "in); 2.56 is chosen from the condition that the temperature shift of the maximum of the emission spectrum of the LED to the left of E ;, (on the energy scale) does not bring out the entire emission curve, in particular, its information filtration range limits

10ten

hvo± 2hvo ± 2

В предположении экспоненциаль0Assuming exponential0

5five

00

5five

00

5five

ного спада на крыль х кривой сигнал, равный нулю, будет достигнут на удалении от максимума кривой (в единицах 6), равном 5. 6/2 2,56 (в экспоненциальных процессах , при t 5т амплитуда А стремитс к нулю).A significant drop on the wings of the curve, a signal equal to zero, will be reached far from the maximum of the curve (in units of 6), equal to 5. 6/2 2.56 (in exponential processes, at t 5m, the amplitude A tends to zero).

Claims

Invention Formula

A device for measuring the concentration of a substance associated with the base material, including a sequentially installed radiation source, connected to a power supply unit, a light modulator with integrated light filters, a photodetector sensitive to the generated wavelengths, and a vieK-measuring circuit electrically connected to a photodetector, characterized in that. in order to improve the measurement accuracy by eliminating the influence of the output signal dependence and photodetector sensitivity on temperature fluctuations, the device; ioiio. iiinTe.Ti) Ho contains an opt-emitting diode installed in series and optically connected to the photocell, the first and BTOpoii optical filters, with the light emitting diode being electrically connected to b. It is located in such a way that the ambient temperature in the main part of the radiation of the light-emitting diode i of the photodetector is the same, P |) and this n; ii; i ieTiTi of the light-emitting diode and optic filter are selected from i- not ratios

t

-, min

hv ,, - Е

and

a (T - T .. n)

where hv ,, is the energy corresponding to the maximum IIO. IOCliI transmission iTO | H) i ()

.J. optical ijin, El ;, - Piping type banned joMi) active part of Mai opiia.ia riior iii: -s.i of the receiving diode at temperature T „„ „, - the bandwidth of the second optical filter at the level of 0.5;

the width of the light emitting beam, its diode at 0.5; - the minimum possible ambient temperature in the field of measurement;

- the current temperature value is okruzhayush, to her environment in the field of measurement;

- temperature coefficient of the width of the forbidden zone of the active region of the semiconductor material of the light emitting diode.

Yu

20 30 itO 50 60 Temperature T, ° С

2

YU

70