CC BY
75
АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОЛОРИМЕТР НА ОСНОВЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Олег Кузьмич Ушаков
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия», 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, директор ИОиОТ, кандидат технических наук, доцент, тел. (383)344-40-58, факс +7(383)344-40-58, e-mail: [email protected]
Елена Юрьевна Кутенкова
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия», (ФГБОУ ВПО «СГГА»), доцент кафедры ТОП, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, тел. (383)361-07-79, e-mail: [email protected]
Алексей Николаевич Серьезнов
СибНИА им С.А. Чаплыгина, 630051, г. Новосибирск, ул. Ползунова, 21, доктор технических наук, профессор, научный руководитель СибНИА, 8(383)278-70-03, e-mail: [email protected]
В данной работе предлагается новая усовершенствованная конструкция оптоэлектронного многопараметрового колориметра. Отличительными особенностями которого является то, что кювета в нем выполнена в форме склеенного из двух половин цилиндра с центральным отверстием и установлена стационарно в ходе технологического процесса перекачки полупрозрачной жидкости, кроме того наличие n+1 оптопар позволяет контролировать наличие и содержание n компонентов в составе жидкостей.
Ключевые слова: лазерный диод, фотоприемник, оптопара, кварцевая кювета, полупрозрачные жидкости, сумматор, блок обработки фотоэлектрического сигнала, измерительный прибор.
AUTOMATIC COLORIMETER BASED ON OPTOELECTRONIC CONVERTERS
Oleg K. Ushakov
Ph.D., Prof., department of nanosystems and optotechnics, Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo st., 630108, Novosibirsk, phone: +7(383)344-40-58, fax +7(383)344-40-58, e-mail: [email protected]
Elena Yu. Kutenkova
Assoc. prof., department of optical production technologies, Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo st., 630108, Novosibirsk, phone: +7(383)361-07-79, fax +7(383)344-40-58, e-mail: kutenkova.elena@yandex .ru
Alexey N. Seryoznov
Ph.D., Prof, S.A. Chaplygin Siberian Research Institute of Aviation, 21 Polzunova st., Novosibirsk, phone: +7(383)344 40 58, fax +7(383)344 40 58, e-mail: [email protected].
The new improved construction of optoelectronic multiparametric colorimeter is presented. It features the cylinder-shaped cell (two semicylinders sticked together) with central hole, which is
fixed during the technological process of semitransparent liquid pumping; n+1 optocouplers being available permit the control of n-components presence and content in the liquid composition.
Key words: laser diode, photodetector, optocoupler, quartz cell, semitransparent liquid, summator, photoelectric signal processing unit, measuring instrument.
Для обеспечения эффективности работы предлагаемых устройств [1-3] необходимо иметь экспериментальные характеристики основных элементов колориметров, одной из которых является проходная характеристика оптронной пары с открытым оптическим каналом (ООК). Для сравнения результатов расчета коэффициента передачи оптического сигнала (ОС) с экспериментальным значением необходима характеристика оптронной пары без ООК. Были сняты характеристики оптронных пар, где в качестве светоизлучающих диодов (СИД) использовались следующие: синие (С), зеленые (З), красные (К), инфракрасные (ИК) (рис. 1). Приемником излучения служил фоторезистор СФ2-4, охватывающий широкую спектральную область. Эксперимент проводился при комнатной температуре (t = 20 °С). Результаты эксперимента представлены на рис. 1 в виде графической зависимости тока фотоприемника от тока источника излучения. Из результата эксперимента видно, что характеристики достаточно близки к линейной зависимости. В результате были выявлены светодиоды для разных спектральных диапазонов, для которых характеристика идет круче, так как этот светодиоды обладают большей мощностью излучения по сравнению с остальными. Очевидно, что для колориметра имеет смысл брать источник излучения с более крутой характеристикой, соответствующей определенной спектральной области среди синих, зеленых, красных, инфракрасных. В результате проведенных экспериментов в качестве источников оптического излучения было принято решение использовать следующие светодиоды: синие «Пираньи» LED470-P8L5-A80, зеленые «Пираньи» LED515-P8L5-A80, красные «Пираньи» LED625-P8L5-A80, инфракрасные «Пираньи» HIR36.
Рис. 1. Схема снятия характеристики оптронной пары
В большинстве применяемых в настоящее время приборов используют дифференциальный метод измерения светопоглощения, при этом необходимо иметь образцовые средства, в качестве которых могут быть светофильтры из цветных стекол или подобранные по равноценной спектральной характеристике
жидкости. Отношение оптической плотности контролируемого продукта к оптической плотности образцового средства и измеряют при помощи оптической системы с электрической компенсацией. Пропорционально изменению отношения оптических плотностей изменяется выходное напряжение, подаваемое на регистрирующий прибор [4].
Рис. 2. Характеристики оптронной пары
В большинстве применяемых в настоящее время приборов используют дифференциальный метод измерения светопоглощения, при этом необходимо иметь образцовые средства, в качестве которых могут быть светофильтры из цветных стекол или подобранные по равноценнойспектральной характеристике жидкости. Отношение оптической плотности контролируемого продукта к оптической плотности образцового средства и измеряют при помощи оптической системы с электрической компенсацией. Пропорционально изменению отношения оптических плотностей изменяется выходное напряжение, подаваемое на регистрирующий прибор [4].
Главными недостатками данных устройств, кроме необходимости наличия образцов, являются сложность конструкции, низкая чувствительность и неточность, за счет несовершенства кюветы и кюветодержателя, когда для каждого последующего анализа необходимо извлекать кювету из прибора, заполнять её очередной пробой, мыть и протирать оптические поверхности кювет от потеков исследуемой жидкости.
В работах [1, 2,] предлагалась конструкция колориметра кювета которого, в отличие от уже существующих конструкций, выполнена стационарно в виде прозрачной линзы-шара, внутри которой выполнена полость в виде цилиндра, а в центр цилиндра может быть установлена цилиндрическая или призменная серебряная отражающая поверхность, например четырехгранный стержень с
отражающими поверхностями. Сложность изготовления линзы-шара, особенно полированной поверхности центрального отверстия, является существенным недостатком колориметра.
Рассматриваемый в данной статье оптоэлектронный многопараметровый колориметр гораздо проще изготовить, так как кварцевая кювета состоит из двух полуцилиндрических трубок 15, между которыми приклеивается плоское зеркало с двухсторонним отражением 8 (рис. 1, а, б). К кювете присоединяется стеклянная градуированная воронка 18, куда заливается контролируемая жидкость 9. Снизу полость может перекрываться краном 19. Вся конструкция помещена в корпус 18 (рис. 1, а), а само устройство можно установить на линии технологического процесса, т.е. контролировать жидкости (соки, напитки, пиво и т.д.), протекающие через трубу по стрелке, указанной на рис. 1, а.
Кроме того оптоэлектронный многопараметровый колориметр (рис. 3, б) состоит из задающего генератора 1 (источника импульсного питания), коммутатора 2, опорного лазерного диода 3, измерительных лазерных диодов 4, 5, 6, 7, (п-1)из, пиз, измерительных фотоприемников 11, 12, 13, 14, (п-1)пр, ппр, блока обработки фотоэлектрического сигнала 16, регистрирующего прибора 17 (например, ЭВМ).
Устройство работает следующим образом. При включении, задающий генератор 1, вырабатывает прямоугольные импульсы 8 - 10 Гц. Разделенные импульсы через коммутатор - переключатель оптронов 2 подаются попеременно на лазерные диоды 4, 5, 6, 7, (п-1)из, пиз, которые имеют определенные спектральные характеристики, соответствующие спектральным характеристикам п компонентов (параметров), содержащихся в полупрозрачных жидкостях. При этом оптопары могут включаться последовательно. Лазерный диод 3 и измерительный фотоприемник 10 образуют опорную оптопару, которая предусмотрена для того, чтобы сравнивать измерительные сигналы с сигналом опорного канала и обеспечивать достоверность результатов измерения. При заполнении цилиндрического отверстия кюветы 15 контролируемой жидкостью 9 она облучается лазерными диодами. В первом положении переключателя, поток излучения лазерного диода 4 фокусируется, проходит через контролируемую жидкость 9, отражается от одной из двух поверхностей плоского зеркала 8, и вновь проходя через контролируемый образец 9, далее попадает на измерительный фотоприемник 11. Затем сигналы поступают в блок обработки фотоэлектрического сигнала (БОФС) - 16, где реализуется
отношение сигналов этого измерительного потока и компенсационного - от диода 3 и измерительного фотоприемника 10. Во втором положении переключателя 2 подключается вторая оптопара, процесс измерения повторяется, и так далее происходит для остальных оптопар.
Полученный сигнал отношения пропорционален величине коэффициента пропускания и оптической плотности жидких сред или прозрачных твердых тел, кроме того можно определить наличие и концентрации веществ (параметров) в растворе. Результаты подаются на измерительный прибор или ЭВМ 17, по показанию которого судят о параметрах жидких сред при наличии предварительно определенных градуировочных характеристик. ЭВМ
обеспечивает автоматическое выполнение аналого-цифровых измерительных преобразований, вычислительных процедур, выдачу полученной информации, формирование командной и другой служебной информации, необходимой для функционирования оптоэлектронных многофункциональных автоматических контрольно-измерительных систем.
а)
б)
Рис. 3. Оптоэлектронный многопараметровый колориметр: а - конструкция
датчика; б - блок схема
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пат. 2413201 Российская Федерация, МПК51 G01N 21/03. Оптоэлектронный фотоколориметр/ Рахимов Б.Н., Ушаков О.К., Кутенкова Е.Ю., Ларина Т.В.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия». -№2009146659/28; заявл. 15.12.2009; опубл. 27.02.11, Бюл. № 6. - 4 с. : ил.
2. Рахимов, Б.Н. Оптоэлектронный автоматический колориметр / Б.Н. Рахимов, О.К. Ушаков, Е.Ю. Кутенкова, Т.В. Ларина // Приборы и техника эксперимента, 2011. - № 5. - С. 161 - 162.
3. Заявка № 2011153209 Российская федерация. Оптоэлектронный
многопараметровый колориметр/Б.Н. Рахимов и др.; Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия»
4. Ермолов И.Н. Неразрушающий контроль: Справочник. В 7-ми т. / Под ред. В.В. Клюева. Т. 6. Магнитные методы контроля, Оптический контроль, Радиоволновый контроль. - М.: Машиностроение, 2004.
© О.К. Ушаков, Е.Ю. Кутенкова, А.Н. Серьезное, 2012
