Фотометр дисперсных сред

СВОЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК С 01 1 1/44 ОБРЕТ ронизацию в менного разд ОСУДАРСТВЕНКЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕКИЙ И ОТКРЫТ СПИ ОАНИЕ(56) Авторское свидетельство СССР Иф 1002853, кл. 6 О Л 1/44, 1981.Леончик Б.И., Иаякин В,П. Измерение в дисперсных потоках.- И.: Энергия, 1981, с.34 35.(54) фОТОМЕТР ДИСПЕРСНЫХ СРЕД (57) Изобретение предназначено: для автоматизированного контроля спектральных показателей ослабления формь дисперсности и химического состава аэро-гидрозольных сред с переменной во времени концентрацией и геометрическими размерами. Цель - повышение производительности контроля. фотометр содержит вращающийся диск с п оптическими фильтрами для последовательного выделения и спектральных участков, две оптронные пары с формирователями синхроимпульсов, осуществляющие синхЯО, 1435955 А 1 сего фотометра, блок врееления и запоминания,преобразующий и запоминающий последовательный сигнал, пропорциональныйпоказателю ослабления среды, по иканалам для каждого из п спектральныхдиапазонов, блок сравнения, осуществляющий автоматизированный выбор каналов, в которых погрешность измеренияпоказателя ослабления не превышаетзаданной и сравнение отношения сигналов в соседних парах каналов с заданными допустимыми уровнями, анализатор состояний, анализирующий сигналына выходе блока сравнения, свидетельствующие о соответствии величины отношения сигналов в соседних парахканалов. допустимым значениям, и выра- ррбатывающий результирующий сигнал окачестве среды на регистратор. В схе-,му частотного разделения и преобразованин введены управляемые пиковыедетекторы для осуществления синхронизации этой схемы с работой введенныхблоков. 1 ил. вйьИзобретение относится к оптичес"кому приборостроению и может бытьиспользовано для автоматизированногоконтроля по отношению спектральныхпоказателей ослабления формы, дисперсности и химического состава аэро- игидрозольных сред с переменными вовремени концентрацией и геометрическими размерами. 10Цель изобретения - повышение производительности контроля формы, дисперсМости и химического состава аэро- иГидрозольных сред с переменной вовремени концентрацией и геометрически ми размерами,11 а чертеже приведена блок-схемафотометра дисперсных сред.Фотометр содержит источник 1 излучения, вращающийся диск 2 с и опти ческими фильтрами, закрепленный на валу электродвигателя 3, первую и вторую оптронные пары 4, расположенныенеподвижно относительно диска 2 и оп-.тически замыкающиеся через отверстия 25в нем, формирователи 5 и б синхроимпульсов вкачала оборота диска 2 и мо"Мента перекрытия оптическим фильтромпотока источника излучения соответственно, оптическую систему разделе 30ния на опорный и измерительный каналы, включающую светоделитель 7, пово".ротные зеркала 8, двухчастотный модулятор 9 и зеркала 10 и 11, фотоприемпик 12, подключенный через пред.-.варительный усилитель 13 к входублока 14 частотного разделения и преобразования, включающего два каналаИз последовательно включенныхблоков 15 разделения по частотам,блоков 16 усилителей и блоков, управляемых пиковых,цетекторов 1, выходы которыхподключены к соответствующим вхо"дам блока 18 формирования отношения,подключенного через логарифматор 19 к 45выходу блока 14 частотного разделенияи преобразования, управляющий входкоторого, подключенный к управляющимвходам управляющих пиковых детекторов17, подключен к второму выходу формиОрователя 6 синхроимпульсов моментаперекрытия оптическим фильтром потокаисточника излучения.Фотометр содержит также блок 20временного разделения и запоминания,информационный вход которого подкюпочен к выходу блока 14 частотного разделения и преобразования, первыйуправляющий вход подключен к выходу формирователя 5 синхроимпульсон начала оборота диска, а второй упраьляющий вход - к первому выходу формирователя 6 синхроимпульсов момента перекрытия оптическим фильтром потока источника излучения, блок 21 сравнения, и входов которого подключены к соответствующим и выходам блока 20,плогических выходов блока 21 сравнения подключены к соответствующим плогическим входам анализатора 22 состояний выходов блока сравнения,иинформационных входов которого подключены к соответствующим пинформационным выходам блока 21 сравнения, а управляющий вход - к выходуформирователя 5 синхроимпульсов начала оборота диска, регистратор 23, вход которого подключен к выходу анализатора 22 состояний выходов блока срав,нения.Формирователь 6 состоит из генератора 24 импульсов управления коммутатором, вход которого является входомформирователя 6, а выход являетсяпервым выходом формирователя 6, генератора 25 импульсов управления управляемых пиковых детекторов, вход которого подключен к выходу генератора 24,а выход является вторым выходом формирователя 6,Блок 20 временного разделения изапоминания состоит из схемы 26 синхронизации, вход которой подключен кпервому управляющему входу блока 20временного разделения и запоминания,и-канального коммутатора 27, вход ко .торого является информационным входомблока, первый управляющий вход его .подключен к выходу схемы 26 синхронизации, а второй управляющий вход являетсявторым управляющим входом блока 20, ианалоговых запоминающих устройств 2 В,управляющие входы которых подключенык выходу схемы 26 синхронизации,информационные входы подключены ксоответствующим выходам и-канальногокоммутатора 27, а выходы являются выходами блока 2 С 1. Блок 21 сравнения состоит из п двухуровневых компараторов 29, входы которых являются входами блока сравнения, иусилителей 30 с задаваемым коэфФициентом передачи, входы которыхподключены к соответствующим входамдвухуровневых компараторов 29, заисключением первого входа, псхем31 выя;.тония, первые входы которыхподключены к входам двухуровневыхкомпараторов 29, за исключением входа.последнего компаратора,а другиек выходам усилителей 30, илогичес 5ких элементов И 32, у каждого изкоторых один из входов подключен ксоответствующему выходу двухуровневого компаратора 29, за исключениемпоследнего, а вторые входы - к соответствующим выходам следующего двухуровневого компаратора, за исключением первого, иперестраиваемых двухуровневых компараторов 33, входы кото 15рьх подключены к соответствующимвыходам блоков 31 вычитания, иуправляемых ключей 34, информационныевходы которых подключены к соответствующим выходам перестраиваемых 20двухуровневых компараторов 33, управляющие входы ключей 34 являются логи .ческими выходамн блока 21 сравнениян соединены с выходами логическихэлементов И, а информационные выходы 25ключей 34 являются информационнымивыходами блока 21 сравнения.Анализатор 22 состояний выходовблока сравнения состоит из схемы 35 .синхронизации, вход которой подключен ЗОк управляющему входу блока 22, (и)входового логического элемента ИЛ 3-НЕ36, ивходов которого являютсяинформационными входами блока 22,(и)-входового элемента ИЛИ 37,пвходов которого являются логичес"кими входами блока 22, логическогоэлемента И 38, один из входов которого подключен к выходу логическогоэлемента ИЛИ-НЕ 36, а другой - к 4 рвыходу логического элемента ИЛИ 37, .ключа 39, информационный вход которо"го подключен к выходу элемента И 38,информационный вход - к выходу схе."мы 35 синхронизации, а выход является 45выходом анализатора 22 состояний,Метод контроля качества дисперснойсреды по отношению спектральных показателей ослабления основан на однозначной зависимости для конкретнойсреды спектрального показателя ослаб,.ления от длины волны, проходящегочерез среду излучения. Характер этойзависимости определяется комплексом,микрофизических характеристик, такихкак функции распределения по разме"рам, химический состав частиц и ихформа. Изменение каждой из этих характеристик приводит к перераспреде пению зависимости показателя ослабления от длины волны излучения.Для дисперсной среды в каждый момент времени падающий и прошедший потоки излучения связаны соотношениемЕ Лт1 -- = - Г С1ЛЛ1огде ЕЛ - падающий на среду поток вспектральном интервале 3Е - прошедший через среду потокв спектральном интервалеД 1С - массовая концентрация частиц;1 - длина измерительной трассыв диснерсном потоке;- массовый показатель ослабления для спектральноГоинтервалаОтношение показателей ослабления для двух спектральных интервалов в каждый момент времени мозно определить как отношение логарифмов отношения прошедшего потока к падающему в соответствующих спектральных интервалах, Как видно иэ формулы, эта величина определяется только спектральным ходом показателя ослабления и не зависит от концентрации С и геометрической толщины среды при условии, что,характерное время изменения С и 1 гораздо меньше времени, необходимого для цикла измерений по спектру.Такой подход позволяет по отношению показателей ослабления на двух длинах волн осуществить комплексный контроль соблюдения параметров среды (формы, дисперсности, химсостава).Допустимые пределы изменения этого отношения устанавливаются на основании предварительного изучения данной среды, исходя из требуемой точности контроля.Измерения проводят на длинах волнЛ, для которых параметр дифракции0щ - -С 1 (где Э - средний размерЛчастиц для частиц сферической формы(В1(в) ваапВв в -" --- объемно-поверхностный(о)вфавоДиаметр частиц), так как в этой области параметров Дифракции массовый показатель ослабления зависит как отформы и размеров частиц, так и от их комплексного показателя преломления, который связан с химическим составом и структурой вещества частиц. В указанном диапазоне длин волн величина показателя ослабления монотонноуменьшается с увеличением длины волны, что обеспечивает однозначную связь между отношением показателей ослабления на двух длинах волн и комплексно контролируемыми параметрами среды.Погрешность контроля зависит отпогрешности измерения отношения про"шедшего к падающему на среду потоков,которая зависит от величины оптической толщины среды Ел С 1 в каждыймомент времени, В частности, приГ л С 1 ) 3 величина 1становится 203 1более чем в 20 раз меньше величиныо1 л , что приводит к существенно большей погрешности первой из них приодной и той же величине отношения сигнал/шум. При достаточно малых оптиче 25ских толщинах среды ЕЛ. С 1 (с 1,(с 1 относительная погреш 1 л;1 ой(Ел, С 1)ность в в визмерения увеличива 1 л;С 1ется при 1 , - 1 х. даже при постоЗОянной относительной погрешности изме 1 л, . д(Ел; С 1)рения отношения - ,1Я.С 1 1 л 1 л,1 п1 о 1 оаоЫинимальная погрешность контроля обеспечивается одновременным измерением1 лвеличины 1 п -- на нескольких длинах1 ол,волн 1. и выбора для контроля толькотех из них, на которых л. С 1лежит в оптимальп ых, с точки зрения1 л;погрешности измерения 1 п ;, преде-лах, Указанный выбор может бытьпрактически всегда осуществлен вследствие монотонного уменьшения показателя ослабления при увеличении длиныволны. При контроле аэро" и гидрозольных сред с переменными во времениконцентрацией С и геометрическимиразмерами указанный выбор должен осуществляться автоматически в процессеконтроля. Особенно актуальной эта1 ВЫХ 4где П,ьх - выходной сигнал блока 14 при нахождении в потоке источника 1 излучения первого оптического Фильтра; П з - напряжение, пропорциональное ослабленному Фотометрируемой средой потоку излучения измерительного канала для первого оптического фильтра; 11 о, - напряжение, пропорциональное потоку излучения опорного" канала, Сигнал с выхода бло ка 14 поступает на вход блока 20временного разделения и запоминания,задача является при контроле про .пленных аэрозолей, например, выбрасываемых в окружающую среду, так как вэтом случае величины С и 1, а вследствие этого и 1 л. С 1, изменяются1в больших пределах.Фотометр работает следующим образом,В начале цикла измерения оптроннойпарой 4, формирователем 5 синхроимпульсов начала оборота диска формируется управляющий импульс, по заднему Фронту которого схема 2 б синхронизации приводит п-канальный коммутатор 27 блока 20 временного разделенияи запоминания в исходное состояние(все каналы отключены, первый каналготов к подключепию) и сбрасывает всезначения напряжений на аналоговыхзапоминающих устройствах. Поток источника 1 излучения, проходя через первый оптический Фильтр вращающегосядиска 2, приводимого в движение двигателем 3, светоделителем 7 и системой зеркал 8, преобразуется в два потока (измерительный и опорный), направляемые на двухчастотный модулятор 9,модулирующий потоки с разной частотой.Системой зеркал 10 и 11 измерительныйи опорный потоки направляются нафотоприемник 12. Электрический сигналс Фотоприемника 12 усиливается усилителем 13 и попадает на вход блока 14частотного разделения и преобразования, где он разделяется в блоках 15разделения по частотам, усиливаетсяусипителями 16 и демодулируетсяуправляемыми пиковыми детекторами 17,После Формирования отношения сигналовв блоке 18 измерительного и опорногоканалов и логарифмирования логарифматором 19 на выход блока 14 поступаетсигнал вида:Функциональное назначение этого блока - разделение и запоминание по иканалам сигналов, пропорциональных оптической толщине, для каждого из иоптических фильтров припоследовательном их введении в поток источника 1излучения,В момент прохождения потока излучения источникачерез первый оптический фильтр оптронной парой 4 иформирователем 6 синхроимпульсов момента перекрытия оптическим Фильтромпотока излучения формируется импульсуправления и-канальным коммутатором, 5который поступает с первого выходаформирователя о на второй управляющийвход блока 20 временного разделенияи запоминания, подключая первый канали-канального. коммутатора 27. ЮС выхода блока 14 через первыйканал и-канального коммутатора сигналпоступает на первое аналоговое запоминающее устройство 28, С второговыхода формирователя 6 после окончания импульса управления п-канальнымкоммутатором поступает второй импульс,который сбрасывает сигнал управляемого пикового детектора 17. При введении второго оптического фильтра в 30поток источника излучения формирователем 6 формируется новая пара импульсов и происходит запоминание уровнянапряжения сигнала, пропорциональногологарифму. отношения измерительного иопорного сигналов для второго оптического фильтра во втором аналоговомзапоминающем устройстве, и т.д.и раз.Таким образом, на входы блока 21сравнения после последовательного введения в поток излучения источника 1п оптических фильтров подаются исигналов, пропорциональных логарифмамотношений опорного и измерительногосигналов на каждой длине волны ,(==1,2,п).Блок 21 сравнения предназначен длявыбора каналов (т.е, спектральныхдиапазонов, выделенных оптическимифильтрами), в которых обеспечиваетсязаданная погрешность измерения оптической толщины, сравнение сигналов ввыбранных парах каналов по заданному,допуску на разброс параметров дисперф 55сной среды (фактически допуску напределы изменения отношений покаэателей ослабления на двух длинах волн,соответствующих выбранным парам каналов), а также вырЬГотка логических сигналов для блокировки контроля среды при выходе оптической толщины за пределы допустимых значений по всем измерительным каналам, Последнее, например, может быть при отсутствии исследуемой дисперсной среды либо при перекрытии потока источника излучения в измерительном канале непрозрачным объектомКаждый из двухуровневых компараторов для своего канала Формирует уровень сигнала логической единицы при попадании входных сигчалов с соответствующих выходов блока 20 временного разделения и запоминания в заданные компараторами 29 пределы, Посредством задания уровней сравнения двухуровневых компараторов 29 обеспечивается автоматизированный выбор из всех измеренных и значений оптической толщины Е. С 1 только тех из них, величины которых находятся в строго заданных пределах, например 0,2Е . С 11 ( 2, так как погрешность контроля зависит от величины оптической толщины среды,При попадании двух сигналов соседних каналов в заданные пределы навходы соответствующей схемы И 32 свыходов двухуровневых компараторовподаются уровни логической единицы,На выходе логической схемы И Формируется в этом случае уровень логическойединицы, который подается на управляющий вход соответствующего управляемого ключа 34 и на соответствующий логический выход блока 21 сравнения.Кгпоч 34 подключает выход перестраиваемого двухуровневого компаратора 33к выходу блока 21 сравнения.Таким образом обеспечивается выбордля контроля только тех соседних"по длинам волн пар сигналов, которыеобеспечивают погрешность контроля(с точки зрения погрешности измеренияоптической толщины Е, С 1), не превышающую заданную, а также подаетсяуровень логической единицы на логический выход блока 21 сравнения, разрешающий проводить контроль среды.Сигнал с входов блока 2 сравненияпоступает на первый иэ входов п-блоков 31 вычитания, за исключениемпоследнего входа блока 2 сравнения,и на и-, 1 усилитель 30 с задаваемымкоэффициентом передачи, за иСключением первого входа блока 2 сравнения.9 1435кКоэФФициент передачи. усилителей 30устанавливается предварительно на ос;новании изученного хода зависимостипоказателя ослабления от длины волныпадающего потока излучения контролируемой дисперсной среды таким образом, чтобы уравнять значения электрических сигналов на входах блока вычитания, т.е. на первый и второй 10блоки 31 вычитания подаются соответственно сигналы вида Б, и К Б ,н 1 Фи14 фгде П, - сигнал, пропорциональныйоптической толщине при введенном в поток источникаизлучения х-го оптического Фильтра; Б;, - сигнал,4пропорциональный оптической толщиненри введенном в поток источника 1излучения 1.+1 оптического фильтра;К = в - - коэфФициент передачи (+1)- У 120ЦИ+го усилителя 30, установленного порезультатам предварительной градуировки и указывающий, во сколько раздолжны отличаться показатели ослабления для д-го и (ь+1)-го фильтров.Разностные сигналы с выходов блока31 вычитания поступают на соответствующие перестраиваемые двухуровневыекомпараторы 33, интервал между уров- ЗОнями сравнения которых можно изменятьв некоторых пределах, задавая темсамым допуск на возможные измененияпараметров контролируемой среды.При попадании сигналов с выходов З 5блока 31 в задаваемые перестраиваемыми двухуровневыми компараторами 33допуски на их выходах устанавливаютуровни логического нуля, которые по "ступают через соответствующие замкну 4 Отые ключи 34 на соответствующие информационные входы анализатора 22состояний выходов блока сравнения.Если параметры контролируемой средыизменились, соотношение между 0; 45и 6; нарушается, разность сигналов-м.0 - К 0;, выходит за допуски компаратора 33 и на выходе компаратора ЭЗустанавливается логическая единица,которая поступает через замкнутый 5 Оключ 34 на информационные выходы блока 21 сравнения.Таким образом, на выходах блока21 сравнения могут быть следующиесигналы.55Если все сигналы на входах блока21 сравнения выходят за пределы, эа."даваемые компараторами 29, то налогических выходах блока 21 сравне 10низ логическими элементами И 32Формируются уровни логического нуля,и на информационных выходах блока2 также будут логические нули, таккак все ключи 34 закрыты.Если некоторые пары сигналов насоседних входах блока 21 сравненияпопадают в пределы, задаваемые компар;торами 29, то на логических выходах блока сравнения будет хотя бы однаединица, а на информационных выходахблока будет либо уровень логическогонуля, при неизменности характеристиксреды, либо хотя бы один уровень логической единицы, если оптическиесвойСтва среды изменились.Анализатор 22 состояния проводитлогический анализ сигналов, поступающих на его информационные и логические входы по всем каналам, и выдаетрезультирующий ответ на регистратор ввиделогической единицы при условии,что среда сохранила свои параметры,либо логического нуля, если:а) параметры среды нарушены,б) концентрация среды недостаточна для анализа,в) концентрация среды превышаетдопустимый предел.Сигналы логических уровней с п информационных выходов блока 21 сравнения поступают на соответствующие ин-.Формационные входы анализатора 22состояний, которые являются входами(и)-входового логического элементаИЛИ-НЕ Зб, и если на ивходах егоесть хотя бы одна логическая единица, информирующая о нарушении характеристик среды, то на выходе логического элемента ИЛИ-НЕ будет логическийнуль, Одновременно сигналы с логических выходов блока 21 сравнения поступают на соответствующие логическиевходы анализатора 22 состояний, которые являются входами (и)-входового логического элемента ИЛИ 37, иесли хотя бы на одном его входе естьлогическая единица, то на выходелогического элемента ИЛИ 37 будетлогическая единица. Сигналы с выходовлогических элементов 36 и 37 поступают на логический элемент И 38, навыходе которого будет логическая единица, если параметры среды неизменны,,и логический нуль - во всех остальныхслучаях.- Сигнал с выхода логическогоэлемента И поступает на выход анализатора 22 состояний только при заик -.нутом ключе 39, который замыкается при поступлении переднего Фронта им. пульса формирователя 5 синхроимпуть сов начала оборота диска, выделенного с помощью схемы 35 синхронизации,"КБ моменту поступления фронта этого импульса проведено преобразование сигналов во всех каналах, т,е. получена информация о параметрах среды по максимальному чиелу спектральных диапазонов.Сигнал с выхода анализатора 22 состояний поступает на регистратор или индикатор, или исполнительный механизм для прекращения, например, технологического процесса при появлении отклонений параметров контролируемой среды от допустимых значений.Таким образом, повышается произво-, дительность параметров аэро- и гидрозольных сред с переменйыми во времени концентрациями и геометрическими размерами.25Формула изобретения Фотометр дисперсных сред, содержа." щий источник ивлучения, оптическую систему разделения излучения на опор ЗО ный и измерительный каналы, включающую светоделитель, систему зеркал и двухчастотный модулятор, фотоприемникУ подключенный через усилитель к входу блока частотного разделения, включа 35 ющего два канала иэ последовательно включенных блоков разделения, усйлите= лей и детекторов, выходы которых подключены к входам блока формирования отношения сигналов, подключенного через логарифматор к выходу блока частотного разделения, и регистратор, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения производительности контроля Формы, дисперсности и химиче 5 ского состава аэро и гидрозольных сред с переменной во времени концент рацией и геометрическими размерами, в него введены вращающийся диск с и оп тическими фильтрами, расположенными на диске по окружности с воэможностью последовательного перекрывания ими потока источника излучения, первая и вторая оптронные пары, формировате. ли синхроимпульсов начала оборотадиска и момента перекрытия оптическим фильтром потока источника излучения, блок временного разделения и запоминания, блок сравнения и анализатор состояний выходов блока сравнения7при этом первая оптронная пара оптически замыкается через одно отверстиево вращающемся диске и электрическимвыходом подключена к входу формирователя синхроимпульсов.начала оборотадиска, вторая оптронная пара оптически замыкается через и отверстий навращающемся диске, расположенных напродолжении радиусов, проходящихчерез ось вращения диска и геометри ".ческие центры соответствующих оптических фильтров, и электрическим выходом подключена к входу формирователя синхроимпульсов момента перекрытия оптическим Фильтром потока источника излучения, выход формирователясинхроимпульсов начала оборота дискаподключен к управляющему входуанализатора состояний выходов блокасравнения и к первому управляющемувходу блока временного разделенияи .запоминания, второй управляющийвход которого подключен к первомувыходу формирователя сиихроимпульсов моментов перекрытия оптическимфильтром потока источника излучения,выход блока частотного разделения ипреобразования сигнала подключен кинформационному входу блока временного разделения и запоминания, ивыходов которого подключены к соответствующим и входам блока сравнения,и- логических выходов которого подключены к соответствующим илогичес-ким входам анализатора состояний выхо-дов блока сравнения, иинформационныхвходов которого подключены к иинформационным выходам блока сравнения,а выход подключен к регистратору,причем детекторы блока частотногоразделения и преобразования сигналоввыполнены в виде управляемых пиковыхдетекторов, управляющие входы которыхподключены к второму выходу Формирователя синхроимпульсов моментов перекрытия оптическими фильтрами потокаисточника излучения,1435955 Корректор Л.Патей раж 49 дписно СССР БПИИПИ Госуд лаоставитель Е.Маколехред М,Дидык ственного комитет обретений и открь -35, Раушская наб