SU419772A1

SU419772A1 - DEVICE FOR QUANTITATIVE MEASUREMENT COMPONENT OF THE ENVIRONMENT, TRANSPARENT IN ANY PARTICULAR SPECTRUM OF LIGHT RADIATION

Info

Publication number: SU419772A1
Application number: SU1715095A
Authority: SU
Original assignee: В. М. Грабов, Г. А. Иванов, А. С. Малкин, Д. Н. Наследов,; Б. В. Царенков , Б. И. Чист ков Ордена Ленина физико технический институт А. Ф. Иоффе
Priority date: 1971-11-15
Filing date: 1971-11-15
Publication date: 1974-03-15

Description

1one

Изобретение относитс к устройствам дл измерени концентрации составл ющих газовой среды и твердых тел.The invention relates to devices for measuring the concentration of components of a gaseous medium and solids.

Устройство может быть использовано дл контрол испарением из больших резервуаров в засушливых област х, дл контрол газовой среды в лаборатори х, шахтах и других объектах , в целлюлозно-бумажной промышленности дл определени влагосодержани бумаги, дл метеорологической службы (микрометеорологии , микроклиматологии), дл изучени физики атмосферы.The device can be used to control evaporation from large tanks in arid areas, to control the gaseous environment in laboratories, mines and other facilities, in the pulp and paper industry to determine the moisture content of paper, for the meteorological service (micrometeorology, microclimatology), to study physics the atmosphere.

Известны устройства, предназначенные дл измерени полного количества вод ного пара на пути сквозь слой атмосферы между источником и приемником излучени , состо щее из точечной лампы, излучение которой направлено к приемнику, выполненному из сернистого свинца и установленному на другом конце базисной линии, менисковой линзы интерференционных фильтров, расположенных на скольз щем держателе позади линзы, двигател , обеспечивающего смену фильтров и тем самым модул цию луча, за счет чего детектор попеременно подвергаетс действию излучени 2,6 и 2,35 мкм. Два результирующих сигнала усиливаютс и воспроизвод тс записывающим прибором как отношение двух сигналов, из которых один вл етс функцией влагосодержани , а другой - сигналом сравнени .Devices are known for measuring the total amount of water vapor in the path through the atmosphere between the source and receiver, consisting of a point lamp, the radiation of which is directed to a receiver made of lead sulphide and installed at the other end of the baseline, meniscus interference filter lens located on the slide holder behind the lens, the engine providing the change of filters and thereby the modulation of the beam, whereby the detector is alternately exposed to radiation 2.6 and 2.35 microns. The two resulting signals are amplified and reproduced by the recorder as a ratio of two signals, one of which is a function of moisture content and the other is a comparison signal.

Недостаток известного устройства состоит в том, что оно имеет недостаточно высокую надежность и стабильность в работе, так как изменение толщины интерференционных фильтров , например, из-за осаждени пыли и конденсации влаги может нривести к отказу устройства; кроме того, фильтры в результате резкого прерывани ввод т гармоники в усилитель , что очень усложн ет его электронную схему и снижает чувствительность.A disadvantage of the known device is that it does not have sufficiently high reliability and stability in operation, since a change in the thickness of the interference filters, for example, due to the deposition of dust and condensation of moisture can lead to failure of the device; In addition, as a result of abrupt interruption, the filters introduce harmonics into the amplifier, which complicates its electronic circuit and reduces sensitivity.

С целью повышени надежности и чувствительности устройства, а также расширени области его применени .In order to increase the reliability and sensitivity of the device, as well as to expand the area of its application.

Устройство снабжено полупроводниковым источником света, выполненным из трех или четырех светодиодов, имеющий длины волн излучени , соответствующие максимуму поглощени анализируемого газа, линии более слабого поглощени и области, где нет поглоще ни , например, дл паров воды около 2,60; 0,94 и 0,85 мкм, электронным коммутатором, соединенным управл емым по мощности выходом с источником света, синхронным детектором , св занным по опорному сигналу с коммутатором , по входному - с усилителем, по выходному сигналу - с регистрирующим прибором .The device is equipped with a semiconductor light source made of three or four LEDs, having radiation wavelengths corresponding to the absorption maximum of the gas being analyzed, a line of weaker absorption and areas where there is no absorption, for example, for water vapor about 2.60; 0.94 and 0.85 µm, an electronic switch connected by a power-controlled output to a light source, a synchronous detector connected to the switch with a reference signal, an amplifier with an input signal, and a recording device with an output signal.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства, содержащего блок питани /, коммутатор 2, источник света 5, исследуемую среду 4, световоды 5, фотоприе.мник 6, усилитель 7, синхронный детектор 8, регистрирующее устройство 9.The drawing shows a block diagram of the proposed device comprising a power supply unit /, switch 2, light source 5, test medium 4, light guides 5, photodetector 6, amplifier 7, synchronous detector 8, recording device 9.

Коммутатор 2 может иметь либо автономный блок питани / (источник посто нного напр жени ), либо через трансформатор и выпр митель нодключатьс к сети. Источник света 3 представл ет собой совокупность трех светодиодов, имеющих различные полосы излучени с максимумами соответственно дл паров воды /.1 0,85, ,2 0,94, Лз 2,6 мкм и полушириной полос около 40 мэв. Так как у светодиодов площад) поверхности не превышает 0,3 лгл/, то они с довольно малым допущением принимаютс за точечные источники света п дл получепи коллпмированно|-о излучеии располагаютс в фокусе параболических отражателей, а дл жесткой фиксации вс система заливаетс спепиальпой оптической смолой. Световоды 5 могут бьггь из стекловолокна или в виде кюветы - амнулы, наполненной анализируемым газом, причем одним концом световод подводитс к вершине параболы, где по его диаметру сделано отверстие дл отвода части лучистой энергии, а другой конец световода соединен с окном (jioтоприемника 6.Switch 2 may have either a standalone power supply unit / (source of direct voltage), or through a transformer and rectifier, be connected to the network. The light source 3 is a combination of three LEDs having different emission bands with maxima, respectively, for water vapor /.1 0.85, 2 0.94, Lz 2.6 μm and half-width of about 40 MeV. Since the surface area of the LEDs does not exceed 0.3 lg /, they are taken for point sources of illumination with a rather small point of illumination and receive a collective optical fiber with special optical radiation for a rigid fixation. . The fibers 5 can be fiberglass or in the form of a cuvette - amnula filled with the gas being analyzed, with one end of the fiber leading to the top of the parabola, where a hole is made through its diameter to remove part of the radiant energy and the other end of the light guide is connected to the window (receiver 6).

В качестве усилител 7 примеп етс узкополосный усилитель с неремеииым коэффициентом силе1П . Дл макета гигрометра был разработан специальный импульсный синхронный детектор 8, имеющий на выходе посто иный сигнал, пропорциональный усредненному значению импульсных сигналов усилител 7. Значение сигналов, пропорциональных влагосодержанию в среде, можио регистрировать любым низкоомным прибором посто нного тока (регистрирующее устройство 9 или использовать сигналы дл координировани радиопередатчика , транслирующего данные по влагосодерл;ани10 среды на больщие расссто ни . В основе конструкции предлагаемого устройства лежит принцип поглощени лучистой энергии молекулами воды или другого газа, так как энергетические спектры молекул существенр{о не завис т от окружающих условий.As amplifier 7, a narrowband amplifier with a non-interferential power factor is applied. For the hygrometer model, a special pulsed synchronous detector 8 was developed, having a constant signal at the output proportional to the average value of the pulse signals of amplifier 7. Signals proportional to moisture content in the medium can be recorded by any low-resistance DC device (recording device 9 or using signals for coordinating a radio transmitter transmitting data on moisture supply; an10 environment at greater distances. The design of the proposed device m principle absorption of radiant energy by water molecules or other gas as the energy spectra of the molecules {suschestvenr not depend on the surrounding conditions.

Работа прибора заключаетс в следующем. Если необходимо, например, измерить большое влагосодержание в атмосфере или другой ереде , то луч максимального поглощени выключаетс и электронный коммутатор 2 питает только два капала. Каждый из капалов содержит два равных по интенсивности световых потока , образованных параболическим отражателем и герметичным световодом. Каждый из потоков направл етс к отдельным фотоприемникам , работающим в режиме фото-э.д.с. и включенным друг относительно друга по дифференциальной схеме. На выходе каждого канала возникает разность э. д. с., что пропорционально отношению двух сигналов (проход щих через исследуемую среду и герметичный световод ).The operation of the instrument is as follows. If it is necessary, for example, to measure a large moisture content in the atmosphere or other mode, the maximum absorption beam is turned off and the electronic switch 2 feeds only two drops. Each of the drops contains two equal in intensity light fluxes, formed by a parabolic reflector and a hermetic light guide. Each of the streams is directed to individual photodetectors operating in photo-emf mode. and included relative to each other in a differential scheme. At the output of each channel there is a difference e. D. s., which is proportional to the ratio of two signals (passing through the test medium and sealed light guide).

Таким образом достигаетс компенсаци In this way compensation is achieved.

нестабильности ркости светодиодов, вызванной изменени ми температуры среды и колебани ми напр жени питани светодиодов.the instability of the brightness of the LEDs caused by changes in the ambient temperature and fluctuations in the supply voltage of the LEDs.

В случае измерени малых концентраций влаги работает только канал максимального поглощени , выполненный аналогично другим каналам, причем в этом случае, как правило, требуетс мала длнпа пробега луча. Однако и в этом случае может быть применен двухканальный вариант, но уже с другой длиной волны излучени в канале сравнени .In the case of measuring low concentrations of moisture, only the maximum absorption channel is used, performed similarly to other channels, and in this case, as a rule, a short beam path is required. However, in this case the two-channel version can also be applied, but already with a different radiation wavelength in the reference channel.

Сигнал с приемпого блока поступает на усилитель, имеющий переменный коэффициент усилени (что позвол ет расширить диапазон измерений), и далее -к сшгхронному детектору , св занному по опорному сигналу с электронным коммутатором. Благодар иснользованию синхронного детектора достигаетс выгодное отношение нолезного сигнала к шуму, а также практически исключаютс «мерцани источника, вызванные турбулентными движени ми в атмосфере.The signal from the receiving unit is fed to an amplifier that has a variable gain (which allows it to expand the measurement range), and then to a sequential detector connected to the electronic switch by means of a reference signal. Thanks to the use of a synchronous detector, a favorable ratio of the useful signal to noise is achieved, and the source flicker caused by turbulent movements in the atmosphere is practically eliminated.

Высока надежность устройства обеспечиваетс использованием полупроводниковых элементов во всех блоках (источник излучени , приемник излучени и т. п.) и отсутствием двигателей, прочих механических узлов и интерференционных светофильтров.High reliability of the device is ensured by the use of semiconductor elements in all blocks (radiation source, radiation receiver, etc.) and the absence of motors, other mechanical components and interference light filters.

Благодар высокому к.п.д. светодиодов и фотоприемников, повышающемус при понижении температуры, данное устройство выгодно отлнчаетс от ему подобных с энергетической точки зрени и возможности использовани его при низких температурах.Thanks to the high efficiency light-emitting diodes and photodetectors, which increases with decreasing temperature, this device is advantageously separated from similar ones from the energy point of view and the possibility of using it at low temperatures.

При необходимости измер ть концентрации других газов, напри.мер метан, хтлекислый газ и т. п., достаточно лишь заменить оптроны (источник света - приемпик), так чтобы длина полны излучател соответствовала полосе поглощени газа п световод выполнить в виде кюветы с исследуемым газом, котора позвол ет сохранить его температуру и давление такими же, как и в окружающей среде.If it is necessary to measure the concentrations of other gases, for example, methane, chromic acid, etc., it suffices to replace the optocouplers (the light source is a receiver), so that the length of the radiator corresponds to the absorption band of the gas and the optical fiber is made in the form of a cuvette with the test gas which keeps its temperature and pressure the same as in the environment.

Дл количественных измерений составл ющих некоторых твердых тел, прозрачных дл инфракрасной области (бумага, полиэтилен и т. п.), могут быть использованы пересекающиес в точке нахождени исследуемого объекта малой толщины лучи сравнени и максимального поглощени . Пересечение лучей легко выполн етс при помощи манипул торов, позвол ющих перемещать источник света и фотоприемники в нескольких плоскост х. В случае движущегос объекта (полотно бумаги и т. д.) произвольной толщины устройство включает блок задержки импульсов питани светодиода в одном из каналов, например в канале сравнени . Этнм исключаетс ощибка в из.мерени х, вызванна дефектообразовани ми в исследуемом объекте.For quantitative measurements of the components of some solids that are transparent to the infrared region (paper, polyethylene, etc.), comparison rays and maximum absorption crossings at the point of location of the test object of small thickness can be used. The intersection of the rays is easily accomplished using manipulators that allow the light source and the photodetectors to be moved in several planes. In the case of a moving object (a sheet of paper, etc.) of arbitrary thickness, the device includes a block for delaying the power pulses of the LED in one of the channels, for example, in the comparison channel. This excludes an error in the measurements caused by defects in the test object.

Предмет изобретени Subject invention

Устройство дл количественных измерений компонент среды, прозрачной в какой-либоA device for quantitative measurements of a component of a medium that is transparent in any

части спектра светового излучени , содержащее блок питани , источник света, фотоприемник , усилитель и регистрирующий прибор, отличающеес тем, что, с целью повышени надежности и стабильности, оно снабжено электронным коммутатором, вход которого соединен с блоком питани , а выход - с источником света, выполненным из светодиодов с длинами волн излучени , соответствующими максимумуa part of the light spectrum containing a power supply, a light source, a photodetector, an amplifier and a recording device, characterized in that, in order to increase reliability and stability, it is equipped with an electronic switch, the input connected to the power supply, and the output to a light source, made of light emitting diodes with radiation wavelengths corresponding to the maximum

поглощени анализируемой среды, линии слабого поглощени и спектральной области, где нет поглощени , например, дл паров воды около 2,60 мкм, 0,94 мкм и 0,85 мкм, а также синхронным детектором, св занным по опорному сигналу с коммутатором, по входному сигналу - с усилителем, а по выходному - с регистрирующим прибором.absorption of the analyzed medium, the low absorption line and the spectral region where there is no absorption, for example, for water vapor about 2.60 µm, 0.94 µm and 0.85 µm, as well as a synchronous detector connected via a reference signal to the switch input signal - with an amplifier, and on the output signal - with a recording device.

IJIj