Устройство для измерения концентрации вещества, связанного с основным материалом

(5 ц 4 С 01 И 21/2 ТЕНИЯ льст д ВТОРСНОМУ аги илиить устройзмерения М 35Н,МалЖих эких интерединственэования дв тре излуче ика и после утем испалов в сп дующеи электроии излучения,из этих инройство соного источ автомодуляц олны одного оптическоина длинетервалов,держит мод 19,о ССС О,. 19 управляющииленные дручения междисследуемымпоследоваттак, что р ном направ тор установл перекрывает и тично, 1. ил. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТПРИ П(НТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЕЩЕСТВА, СВЯЗАННОГО СОСНОВНЫМ МАТЕРИАЛОМ(57) Изобретение относится к оптикэлектронным приборам неразрушающего технологического контроля матриалов, в частности к приборам дляопределения концентрации влаги в Изобретение относится к приборамнераэрушающего технологического контроля материалов, а именно к приборамдля измерения концентрации одноговещества, содержащегося в другом(основном, в.частности для определения концентрации влаги в движущемсяполотне из бумаги или ткани,Цель изобретения - повышение чувствительности при упрощении и уменьшении габаритов устройства путемэлектрооптической автомодуляции излучения на длине волны одного иэ источниковНа чертеже изображена блок-схема устройства движущемся полотне иэткани, и позволяет упрство и повысить точнос лирующии р-и-переход и фоторезистор, установэа другом по ходу излуисточником излучения и материалом, включенные льно в электрическую цепь и-переход смещен а обратении, причем фоторезисен таким обраэом, что учок излучения лишь час Устройство содержит источник 1 излучения с длинами волн Ъ, и % , модулирующий р-и-переход 2, включенныйв обратном направлении, фоторезистор3, первый источник 4 питания, исследуемый материал 5, фотодетектор 6,средство 7 сравнения, усилитель 8, регистрирующий прибор 9 и второй источник 10 питания,Элементы 2 - 4 образуют электрооптический атомодулятор, Излучение сдлиной волнычувствительно к основ 2ному материалу и не подвержено электрооптической модуляции при прохождении через р-и-переход 2Модулированное Ъюэлучение с длиной волы 3, чув 1509683ствительно к измеряемому веществу,Частота модуляции зависит от постоянной времени (оКС) последовательной цепииз р-и-перехода 2 и фоторезистора 3, ее можно регулировать,включая в цепь питания фоторезистора 3 дополнительные резистор К иконденсатор С,Устройство работает следующим образом,Пучок излучения источника 1 с длинами волн , и 7(напримеру от;лампы накаливания с фильтрами, питание которой осуществляется постоянным током) падает на второй - модулирующий р-и-переход 2 (например, изСаАв) со стороны одной из его областей, Одна часть излучения, прошедшего через р-и-переход 2 ( 703), 20направлена на контролируемый материал,5 другая - на фоторезистор 3 (например, из Я)Сопротивление фоторезистора Зв темноте, составляетК.,Й 1 О - 10 Ом, на свету К -10 -100 Ом,В начальный момент времени, когдафоторезистор 3 не освещен, большаячасть напряжения источника 1 Д питания приложена к этому фоторезистору, 30Падение излучения с длиной волны 3,на фоторезистор 3 приводит к уменьше-.нию его сопротивления примерно в10 - 10 разБлагодаря этому происквходит перераспределение напряжений 35между р-и-переходом 2 и фоторезистором 3 таким образом, что практическивсе напряжение источника 10 питания(порядка 20 ОВ) прикладьвается к рп-переходу, смещенному в обратном 40направлении,Сильное электрическое поле во втором - модулирующем р-и-переходе 2 приводит к раэмытию края поглощения, 45 полупроводникового материала, Как покаэьвает теория, это происходит потому, что при наложении электрического поля края разрешенной зоны полупроводника размьваются на величинуФР ЬЕ = (еЕ) + 7 (1) где е - заряд электрона;Е - напряженность электричес 55кого поля;- постоянная Планка;аф - эффективная масса электрона в полупроводнике,В результате становится возможным поглощение квантов излучения,энергия которых меньше ширины запрещенной зоны полупроводника Е навеличину 1 Е, Зная, что гран наядлина волны Ъ, и Е связаны зависимостью Ъ1,24/Е, можно отметить, что , должна быть не больше величины 1/(Е- Ь Е)Указанный эффект франца-Келдыша;проявляется в сдвиге края оптического поглощения полупроводника в сторону более длинных волн по мере увеличения напряжения, приложенного к нему.Таким образом, при приложении кмодулирующему р-и-переходу 2 электрического поля (напряжения источника1 О питания) излучение с длиной волны%, не проходит через материал элемента 2, а значит попадает на фоторезистор 3При этом сопротивление Фоторезистора 3 резко увеличивается(время переключения обусловлено восновном постоянной времени КС-цепир-и-переход-источник питания-фоторезистор), Увеличение сопротивления фо-,торезистора 3 приводит к перераспределению напряжения источника 4 питания таким образом, что большая частьего оказьвается приложенной к фоторезистору, Такая ситуация ведет кснятию размытия края разрешенной зоны на Ь Е,и, следовательно, к пропусканию излучения с длиной волнычерез р-и-переход 2, а значит, кпадению этого излучения на Фоторезистор 3Это, в свою чередь, обуславливает снижение сопротивления Фоторезистора 3, приложение напряженияпитания к модулирующему р-и-переходу2, непропускание излучения с длинойволны 3, через р-п-переход 2 на фоторезистор 3 и т.д,Таким образом, осуществляется периодическая, близкая к прямоугольной,модуляция интенсивности излучения сдлиной волны 3,Длина волныЪ%,выбирается вдали от %так, чтобыизменение Е на величину Ь Е несказьвалось на характере ее прохождения через р-и-переход 2В исследуемом материале 5 излучение с длиной волны 1, частично иселективно поглощается водой (илидругим веществом, связаннью с основным материалом), а излучение с длиной волныселективному поглощениюне подвержено,(2)В свою очередь Интенсивность излучения на длине волны Ъ должна на 5-6 порядков1превышать интенсивность фона на этой же длине волны, что технически доволь"5 но легко обеспечить,Выбор рабочей точки первого - сравнивающего р-и-перехода средства 7 сравнения и настройка прибора производятся таким же образом, 10Можно показать, чта выражение для переменного напряжения, падающего на сравнивающем р-и-переходе средства 7 сравнения, имеет вид 1 Т 1,0МЮ)выход е 1где к - постоянная Больцмана;Т - абсолютная температура,Ц .т.,т -ь д,Рвл(3)вых р + рлсх влгде Ре - масса воды, содержащейся в 25исследуемом материале;Р - масса абсолютно сухого маСЯтериалаЮ - влажность материала,Из выражений (2),(3) следует, что0 е,несет в себе информацию о влажности исследуемого материала,Осуществление автомодуляции интенсивности источника излучения в предложенном устройстве с частотой по-рядка 10 - 1 ц Гц расширяет возможФ -6 35ности концентратомера, прежде всегос точки зрения уменьшениявлияния. схемных шумов на чувствительность измерений и исследования быстропротекающих процессов в испытываемом.материале,6Упрощение и снижение габаритов конструкции при частотах модуляции 1 О -Фь10 Гц достигается эа счет замены мо-. дулятора интенсивности излучения компактным электрооптическим автомодулятором, входящим в состав предложен" .ного устройства. Формула изобретения Устройство для измерения концентрации вещества, связанного с основным материалом, включающее источникизлучения с двумя длинами волн, наодной из которых излучение чувствительно к определяемому веществу, надругой, - к основноиу материалу,блок иодуляции излучения, чувствительного к определяеиому веществу,фотодетектор, в цепь нагрузки которого включено средство сравнения напервом р-п-переходе, смещенном с помощью первого источника питания в пря-мом направлении, последовательновключенные усилитель и регистрирующийприбор, причем выходсредства сравнения подключен к входу усилителя,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что,с целью повышения чувствительностйпри упрощении и снижении габаритовустройства, блок модулящщ выполнен ввиде автомодулятора, содержащего последовательно включенные второйр-п-переход, управляющий фоторезистор и второй источник питания, прйэтом второй р-и-переход смещен спомощью второго источника питания вобратном направлении, а фоторезистор установлен за вторым р-п-переходом в проходящем потоке излученияс частичнык его перекрытием,роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина Заказ 5797/36 Тирам 789НИИПИ Государственного комитета по113035, Москва, ЖПодписноезобретениям и открытиям при ГКНТ ССС Рауюская иаб., д. 4/5