CC BY
126
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКИХ СРЕД
Неъматжон Рахимович Рахимов
ФГБОУ ВПО «СГГА», 630108, Россия, Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры специальных устройств и технологий, тел. +7(383)344-40-58, факс +7(383)344-40-58, e-mail: n_rah@ngs.ru
Елена Юрьевна Кутенкова
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия» (ФГБОУ ВПО «СГГА»), 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доцент кафедры ТОП, тел. (383)361-07-79, e-mail: kutenkova.elena@yandex.ru
Алексей Николаевич Серьезнов
СибНИА им С.А. Чаплыгина, 630051, Россия, г. Новосибирск, ул. Ползунова, 21, доктор технических наук, профессор, науч. рук. СибНИА, 8(383)278-70-03, e-mail: sibnia@sibnia.ru
В статье рассмотрены различные принципы построения оптоэлектронных устройств для контроля полупрозрачных жидкостей и схемы этих устройств.
Ключевые слова: светоизлучающий диод, фотодиод, полупрозрачные жидкости, рефрактометр, концентрометр.
PRINCIPLES OF CONSTRUCTION OF OPTIC-ELECTRONIC DEVICES FOR THE CONTROL OF OPTICAL PARAMETERS OF LIQUID MEDIUMS
Neymatjohn R. Rakhimov
Ph.D., Prof., department of special devices and technologies, Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo st., 630108, Russia, Novosibirsk, phone: +7(383)344-40-58, fax +7(383)344-40-58, e-mail: n_rah@ngs.ru
Elena Yu. Kutenkova
Assoc. prof., department of optical production technologies, Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo st., 630108, Russia, 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, 630051, Russia, Novosibirsk, 21 Polzunova st., phone: +7(383)344 40 58, fax +7(383)344 40 58, e-mail: n_rah@ngs.ru.
The article discusses various principles of construction of optic-electronic devices for the control of translucent liquid and the schemes of these devices.
Key words: light-emitting diode and photodiode, translucent liquid, refractometer.
Фотоколориметрические методы определения концентрации вещества основаны на сравнении поглощения или пропускания света стандартным и исследуемым полупрозрачными растворами. В отличие от визуальных методов, в фотоколориметрии степень поглощения света окрашенным раствором
определяется не глазом, а при помощи специальных оптических приборов - колориметров с фотоэлементами (фотоколориметров).
Известны схемы контроля [1], при которых поток проходит через слой полупрозрачной жидкости, при этом часть этого потока отражается, часть поглощается, часть рассеивается и часть света проходит через слой контролируемой жидкости (рис. 1).
Интенсивность падающего светового потока при прохождении через поглощающий раствор разлагается на составляющие:
Ф0 = Фх + Ф2 + Ф3 + Ф4 + Ф5 ^
где Ф0 - интенсивность падающего светового потока;
Ф1 - интенсивность светового потока, прошедшего через слой вещества;
Ф2 - интенсивность отраженного светового потока от наружной поверхности кюветы, которая может составлять ~ 1 % от Ф0;
Ф3 - интенсивность светового потока, поглощенного полупрозрачной жидкостью которая может составлять ~ 1 - 80 % от Ф0 в зависимости от природы исследуемой жидкости;
Ф4 - интенсивность светового потока, рассеянного полупрозрачной жидкостью ~ 1 - 20 % от Ф0 в зависимости от особенностей исследуемой жидкости;
Ф5 - интенсивность отраженного светового потока от внутренней поверхности кюветы ~ 1 % от Ф0.
ЗГ - задающий генератор; ПК - пороговый ключ; КЖС - контролируемая жидкая среда; СИД - светоизлучающий диод; Rос - переменный резистор с отрицательной обратной связью; ФД - фотодиод; ИП - измерительный прибор; ОУ - операционный усилитель
Рис. 1. Блок-схема оптоэлектронного преобразователя для мониторинга жидких сред при прохождении через контролируемый образец В настоящей работе нами на основе оптоэлектронных первичных преобразователей - оптрона открытого канала предлагается создать простой концен-трометр, структурная схема которого представлена на рисунке 2, особенностью
которого является двукратное прохождение светового потока через контролируемую жидкость, что позволит уменьшить габариты прибора и при этом обеспечивается высокое качество контроля. Этот принцип положен в основу разработанных авторами оптоэлектронного автоматического колориметра «ОАК -1М» [2, 3, 4] и многопараметрового автоматического колориметра «ОАК - 5М» [5, 6, 7].
ЗГ - задающий генератор; ПК - пороговый ключ; КЖС - контролируемая жидкая среда; ОП - отражающая поверхность; СИД - светоизлучающий диод; Яос -переменный резистор с отрицательной обратной связью; ФД - фотодиод; ИП - измерительный прибор;
ОУ - операционный усилитель
Рис. 2. Блок-схема оптоэлектронного преобразователя для мониторинга
жидких сред
В начальный момент ключ (ПК) находится в открытом состоянии и СИД, питающийся от задающего генератора (ЗГ), излучает световой поток, который проходит и, отражаясь от ОП, вторично проходит через контролируемую жидкую среду (КЖС) и преобразуется фотодиодом ФД в фототок в виде сигнала, а операционный усилитель ОУ преобразует фототок в напряжение. При этом КЖС облучается потоком Ф01. Тогда на основе закона Бугера-Ламберта-Бера:
<Р1=<Ро,<Г'“, (2)
где к - коэффициент поглощения, зависящий от цвета контролируемой жидкости;
й - толщина слоя контролируемой жидкости;
С - концентрация анализируемого вещества;
Ф01 - световой поток до прохождения через слой контролируемой жидкости;
Ф1 - световой поток после прохождения через слой контролируемой жидкости.
В нашем случае отраженный потокФ^:
' Ф1 = Ф01е“КіСИ,
(3)
Из формулы (2) следует, что величина светового потока Ф, проходящего через КЖС, при неизменной величине Ф01, к, d целиком определяется концентрацией анализируемого вещества. Из рисунка 2 видно, что через КЖС поток проходит дважды и поэтому:
Ф2=(Ф„ xe~KlCd )e~KlCd (5)
Преобразуя зависимость (4), получаем:
Ф2 = 0ole-Cd(K1+*2) (6)
Если принять, что кг ~ к2, то выражение 6 примет вид:
Ф2 = Фте 2::'rd (7)
Если преобразовать Ф01 Ф2 с помощью оптрона открытого канала (рис. 2) в соответствующие электрические сигналы Y01 и Y2, то по их величине можно определить такие характеристики вещества, как оптическая плотность D, све-топоглощение АХ, светопропускание ТХ в зависимости от концентрации С. Если d - const и t - const (t - температура КЖС), при этом коэффициент поглощения зависит от температуры [8].
Для измерения и контроля оптических параметров полупрозрачных жидкостей можно использовать оптоэлектронные ПВО рефрактометры.
Когда световой луч из более плотной среды (рис. 3, а) попадает на менее плотную среду под углом i2 < ф, то наблюдается преломление светового луча с частичным его отражением, а если i2 > ср, то световой луч отражается без
преломления. Это явление назьвается полным внутренним отражением (ПВО). При i2 = ф луч и не преломляется, и не отражается, а скользит по границе раздела сред.
При исследовании полупрозрачных сред предельный угол i изменяется в отраженном свете (рис. 3). В этом случае на границу раздела сред направляется пучок световых лучей (1, 2, 3, 4) из более плотной среды под углами, близкими к предельному. В отраженном световом потоке часть лучей с углами падения меньшими ф (1, 2) преломляются, в отличие от лучей с углами падения большими ф (4), испытывающими полное внутреннее отражение. Вследствие этого в поперечном сечении ПС отраженного светового потока создается дотаточно четкая контрастная граница между лучами, подвергшимся полному отражению (более яркая часть потока), и лучами, подвергшимся частичному отражению. Указанная граница светотени определяет угол ф. Тогда, зная абсолютный показатель преломления одной среды, на-
пример, п2, по величине ф можно определить абсолютный показатель преломления второй среды П1 [9]:
Рис. 3. Эффект ПВО
На рис. 4, а приведена схема оптоэлектронного рефрактометра, построенного на этом принципе. Световой поток от источника И направляется соответствующим образом на сферическую поверхность измерительной призмы П (которая может иметь разную конфигурацию), помещенной частично в кювету с исследуемой средой. Поток, отразившись от плоской поверхности призмы, через выходную сферическую поверхность, играющую роль объектива, попадает на оптоэлектронной преобразователь ОП. Так как призма выполняется из стекла, имеющего больший показатель преломления, чем у исследуемой среды, то этим обеспечивается полное внутреннее отражение для части светового потока, т. е. в отраженном потоке создается светотеневая защита.
С помощью ОП определяется координата светотени. Для обеспечения наибольшей точности целесообразно в качестве ОП использовать преобразователи развертывающего типа, например полупроводниковые. Выходной сигнал ОП, выделяемый схемой выделения В, измеряется и при необходимости регистрируется устройством Р. В случае использования сканисторов во время -импульсном режиме выходной сигнал имеет прямоугольную форму, длительность которого ^ определяет координату светотени (рисунок 4, б). Величина ^ измеряется цифровым прибором.
а) б)
СИД - светоизлучающий диод, П - измерительная призма, К - контролируемая жидкость, ОП - оптоэлектронный преобразователь, В - схема выделения, Р - регистрирующий прибор,
Рис. 4. Схема рефрактометра ПВО
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Булатов, М.И. Практическое руководство по фотоколометрическим и спектрофотометрическим методам анализа / М.И. Булатов, И.П. Калинкин. - 3-е изд., переработ. и доп. -Л.О.: Химия, 1972. - 408 с.
2. 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.
3. Оптоэлектронный автоматический колориметр / Б.Н. Рахимов, О.К. Ушаков, Е.Ю. Кутенкова, Т.В. Ларина // Приборы и техника эксперимента, 2011. - № 5. - С. 161-162.
4. Кутенкова Е.Ю. Разработка оптоэлектронного фотоколориметра для автоматического анализа жидких сред // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 1. - С. 191-195.
5. Заявка № 2011153209 Российская федерация. Оптоэлектронный многопараметровый колориметр / Б.Н. Рахимов и др.; Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия.
6. Кутенкова Е.Ю. Оптоэлектронный многопараметровый автоматический колориметр // Датчики и системы. - 2012. - № 4 (155). - С. 37-39.
7. Ушаков О.К., Кутенкова Е.Ю., Серьезнов А.Н. Автоматический колориметр на основе оптоэлектронных преобразователей // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. - С. 146.
8. Математическая модель оптоэлектронного преобразователя для мониторинга жидких сред / Рахимов Н.Р., Кутенкова Е.Ю., Исломов Д.Д. и др. // Автоматика и программная инженерия. - 2012 - № 2 (2). - С. 36-41.
9. Рахимов, Н.Р. Оптический контроль в нефтеперерабатывающем производстве: монография. - Фергана: Техника, 2004. - 91 с.
© Н.Р. Рахимов, Е.Ю. Кутенкова, А.Н. Серьезнов, 2013
